《電子技術(shù)應(yīng)用》
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便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中ADC的選用指南
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摘要: 真實世界的應(yīng)用需要真實世界的物理連接,一般來說,這意味著模擬信號要在系統(tǒng)內(nèi)的某處被數(shù)字化處理,以便于微處理器、ASIC或FPGA采集數(shù)據(jù)并做出決策。
Abstract:
Key words :

  真實世界的應(yīng)用需要真實世界的物理連接,一般來說,這意味著模擬信號要在系統(tǒng)內(nèi)的某處被數(shù)字化處理,以便于微處理器ASICFPGA采集數(shù)據(jù)并做出決策。

  基本選用標(biāo)準(zhǔn)

  當(dāng)選擇一款模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)時,大多數(shù)設(shè)計師似乎只關(guān)注幾個主要標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計下一代便攜式、低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時,諸如功耗等規(guī)范也許至關(guān)重要,但大多數(shù)情況下,工程師是基于下面這些因素來選擇一款A(yù)DC:數(shù)字接口(SPI、I2C和并行接口等)、分辨率(需要的有效位)、要求的轉(zhuǎn)換速度、ADC架構(gòu)、輸入結(jié)構(gòu)。

  其他的選擇標(biāo)準(zhǔn)通常包括功耗考慮(工作和休眠模式)以及是否集成了參考電壓等。此外,工程師還常常考慮系統(tǒng)友好特性,比如:為數(shù)據(jù)數(shù)字化處理集成的FIFO、集成的可編程增益放大器(PGA),或連接到串行總線的通用I/O等。

  數(shù)字接口選擇

  ADC的數(shù)字部分通常是個基本標(biāo)準(zhǔn),這是因為數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)可能會受制于可用的某些接口種類以及所需的數(shù)據(jù)傳輸速率。

  例如,當(dāng)將一個ADC連接到你喜愛的微控制器時,這個ADC也許只有一個I2C接口可用。對更高速率或更高分辨率的ADC來說,并行接口可能是迅速傳送大量數(shù)據(jù)的最簡單方式,如可在FPGA內(nèi)運行的數(shù)字濾波就是這種需大量數(shù)據(jù)傳送的應(yīng)用。

  精密ADC可支持3種主要接口類型——雙線(或I2C)、三線(或SPI)以及并行接口,每種接口都有各自優(yōu)劣勢。高速ADC(大于10Msamples/s)也可提供用于連接到FPGA的高速串行連接的低電壓差分信令(LVDS)。

  雙線或I2C接口的引腳數(shù)少,封裝尺寸也小。也就是說數(shù)據(jù)傳輸只用兩個引腳,這使得它可在極小的封裝內(nèi)獲得最多通道數(shù)。例如,對一個8引腳封裝來說,其中兩個是接口引腳,兩個是電源引腳,其余4個引腳可用作模擬輸入。例如,美信的MAX11613四通道、12位ADC就采用micro-max 8引腳封裝。

  這些小型器件使它們成為消費應(yīng)用和系統(tǒng)電源監(jiān)控應(yīng)用的理想選擇。(I2C與電源管理SMBus協(xié)議非常相似。)此外,由于基于I2C的ADC能在每單位面積上提供更多通道數(shù),所以通常被利用3軸加速度計和陀螺儀的游戲控制器和航位推算系統(tǒng)等空間受限的應(yīng)用所采用。

  然而,I2C接口的數(shù)據(jù)傳輸速率慢,且難以隔絕。I2C接口的數(shù)據(jù)引腳是個雙向集電極開路腳。因此,在諸如醫(yī)療應(yīng)用等系統(tǒng)出于噪聲隔離或安全等需要,要求進(jìn)行(光)隔離的場合,采用I2C就很困難。此外,基于I2C的系統(tǒng)速度將較慢,其最高數(shù)據(jù)傳輸速率通常不超過3.4Mbps。

  三線接口和SPI提供一種能支持100Mbps(理論上)的全雙工、高速總線。此外,如果把多個ADC(或其它SPI器件)連接在一條總線上,可以將其級聯(lián)起來。例如,可在單一隔絕的SPI總線上,將8個MAX11040組合成32信道,用于電網(wǎng)應(yīng)用。此外,SPI支持簡單且有成本效益的(光)隔離。這種方法在FPGA內(nèi)實現(xiàn)同樣相對容易,但它所需的管腳比I2C多。

  并行接口具有高吞吐量以及邏輯控制接口簡單的特點,這很適合FPGA。遺憾的是,并行接口也需要很多管腳。

  分辨率

  固有的ADC誤差、信號幅度、最低有效位(LSB)步長以及動態(tài)范圍等要求,會使“需要多少位”這個小問題變得復(fù)雜。例如,簡單的系統(tǒng)電壓和電流測量,可能只需要8、10或12位ADC。但是,測量典型的電阻橋配置內(nèi)的傳感器,可能需要24位的Σ-ΔADC器件才能在很大的總體信號中檢測出小的信號變化。

  常用dB(分貝)代表分辨率,dB提供了ADC整體信噪比(SNR)的一個近似(也即體現(xiàn)出它能從傳感器或系統(tǒng)噪聲背景中解析出多么小的信號)。分辨率的每一位約為6dB。因此,理論上,12位ADC應(yīng)該有大約72dB的SNR?,F(xiàn)實中,很多因素限制了信噪比,一款SNR為70dB或更高的12位ADC就很不錯了。

  ENOB=(SINAD–1.76)/6.02

  ADC供應(yīng)商以如下兩種常見形式之一引述該指標(biāo):有效位數(shù)(ENOB)或信噪比和失真(SINAD)。這兩種形式是相關(guān)的。ENOB的一種定義是:

  ENOB=(SINAD-1.76)/6.02

  其中所有值都以dB表示。SINAD就是在剔除dc項后,所要的信號(基本)與所有失真和噪聲之和的比。因此:SINAD=(rms信號/rms噪聲)

  在線性完美(無失真)但有嘈聲的系統(tǒng)中,SINAD和SNR可以互換。我們以簡單的12位、單通道ADCMAX1240為例。數(shù)據(jù)表給出的最壞情況下的SINAD為70dB,因此,按照上述公式,我們可得到ENOB:ENOB(MAX1240)=(70-1.76)/6.02=11.34位。

  噪聲源和諧波可對ADC的品質(zhì)造成傷害。許多系統(tǒng)和ADC都面臨這種情況。在本文下面,我們來考察一些常見的噪聲和諧波源。

  因此,在決定需要多少位時,要考慮諸如噪聲和諧波等系統(tǒng)和ADC誤差,并確保即便在把上述誤差也考慮在內(nèi)時,系統(tǒng)仍有足夠的分辨率。如果分辨率不夠高,在數(shù)據(jù)讀取時會發(fā)生量化誤差,且系統(tǒng)精度將下降。

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