德州儀器公司RobertSchreiber在考慮采樣率不到一百萬(wàn)次采樣每秒(MSPS)的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)時(shí),有兩種主要選擇：逐次逼進(jìn)寄存器(SAR)和Delta-Sigma架構(gòu)。為了針對(duì)應(yīng)用選擇合適的ADC架構(gòu),最重要的是了解每種架構(gòu)的基本運(yùn)作方式,以及架構(gòu)的運(yùn)作將如何對(duì)應(yīng)用產(chǎn)生影響。SAR架構(gòu)是高精度應(yīng)用中最常用的ADC架構(gòu)之一。SARADC的基本原理是連續(xù)比較模擬輸入和二進(jìn)制加權(quán)參考電壓。SAR架構(gòu)的精度主要取決于ADC元件的精度及模擬性能——電容
德州儀器公司 Robert Schreiber 在考慮采樣率不到一百萬(wàn)次采樣每秒 (MSPS) 的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (
ADC) 時(shí),有兩種主要選擇：逐次逼進(jìn)寄存器 (
SAR) 和 Delta-Sigma 架構(gòu)。為了針對(duì)應(yīng)用選擇合適的 ADC 架構(gòu),最重要的是了解每種架構(gòu)的基本運(yùn)作方式,以及架構(gòu)的運(yùn)作將如何對(duì)應(yīng)用產(chǎn)生影響。
SAR 架構(gòu)是高精度應(yīng)用中最常用的 ADC 架構(gòu)之一。SAR ADC 的基本原理是連續(xù)比較模擬輸入和二進(jìn)制加權(quán)參考電壓。SAR 架構(gòu)的精度主要取決于 ADC 元件的精度及模擬性能——
電容器匹配、
DAC建立時(shí)間,以及比較器的準(zhǔn)確度與速度。為了使性能達(dá)到最高,通常在該架構(gòu)中采用微調(diào)。
目前,實(shí)施 SAR 結(jié)構(gòu)的通常方法是采用電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (C-DAC) 結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是采用二進(jìn)制加權(quán)實(shí)施。這意味著每個(gè)位都具有一個(gè)二進(jìn)制加權(quán)值｛如：
MSB= 1/2 滿度, (MSB-1) = 1/4 滿度,(MSB-2) = 1/8滿度,......｝。轉(zhuǎn)換過程是從 MSB 到 LSB 逐位進(jìn)行。模擬輸入首先與 1/2 滿度比較。如果模擬輸入大于1/2 滿度,則建立 MSB,然后與 3/4 滿度（1/2 滿度 + 1/4 滿度）比較。如果模擬輸入低于 1/2 滿度,則清除 MSB,然后與 1/4 滿度比較。該過程一直進(jìn)行到完成最后的位比較。這意味著,對(duì)于18位的 SAR ADC,整個(gè)轉(zhuǎn)換過程需要連續(xù)進(jìn)行 18 次比較。但是,這些比較很快就會(huì)完成,因此延遲時(shí)間非常短。
圖1 是標(biāo)準(zhǔn) SAR ADC 的方框圖。該設(shè)備的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘是內(nèi)置式,這進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)備的使用。在 CS（芯片選擇）位于低位時(shí)把 CONVST（轉(zhuǎn)換開始）引腳置于低位可啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。該操作可將設(shè)備從采樣模式轉(zhuǎn)變到保持模式。BUSY 輸出在轉(zhuǎn)換過程中升高,而在轉(zhuǎn)換結(jié)束后下降。RD 與 CS 引腳均置于低位,以便實(shí)現(xiàn)具備轉(zhuǎn)換的并行輸出總線。因此,實(shí)施ADC轉(zhuǎn)換極其簡(jiǎn)便。
SAR ADC具有尺寸小、功耗低、延遲時(shí)間短,以及簡(jiǎn)便易用等優(yōu)點(diǎn)。SAR ADC 的不足之處在于：為了達(dá)到良好的性能,需要進(jìn)行微調(diào),同時(shí)需要更嚴(yán)格的前端過濾,以便防止混淆(an
ti-aliasing)。SAR ADC 應(yīng)用的絕好實(shí)例是電機(jī)控制,在該應(yīng)用中需要無延遲的快速采樣。
這些采樣速率的其他常用ADC架構(gòu)是Delta-Sigma 架構(gòu)。Delta-Sigma架構(gòu)與 SAR架構(gòu)不同,為取得高性能,Delta-Sigma 架構(gòu)更依賴數(shù)字處理技術(shù),而非元件匹配及模擬精度。Delta-Sigma架構(gòu)的主要原理是模擬輸入的過采樣。
Delta-Sigma ADC 的主要元件是調(diào)制器及數(shù)字
濾波器。調(diào)制器是由差動(dòng)器、積分器和比較器構(gòu)成,它們一起構(gòu)成一個(gè)反饋環(huán)路。調(diào)制器以大大高于模擬輸入信號(hào)帶寬的速率運(yùn)行,以便提供過采樣。模擬輸入與反饋信號(hào)（誤差信號(hào)）進(jìn)行差動(dòng) (delta)比較。該比較產(chǎn)生的差動(dòng)輸出饋送到積分器(sigma)中。然后將積分器的輸出饋送到比較器中。比較器的輸出同時(shí)將反饋信號(hào)（誤差信號(hào)）傳送到差動(dòng)器,而自身被饋送到數(shù)字濾波器中。這種反饋環(huán)路的目的是使反饋信號(hào)（誤差信號(hào)）趨于零。比較器輸出的結(jié)果就是1/0 流。該流如果1密度較高,則意味著模擬輸入電壓較高;反之,0密度較高,則意味著模擬輸入電壓較低。接著將1/0流饋送到數(shù)字濾波器中,該濾波器通過過采樣與抽樣,將1/0流從高速率、低精度位流轉(zhuǎn)換成低速率、高精度數(shù)字輸出。
