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[導(dǎo)讀]電氣工程中的一個典型應(yīng)用是通過傳感器記錄物理量并轉(zhuǎn)發(fā)給微控制器進(jìn)行深入處理。此過程需要使用ADC將模擬傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。ADI在本文介紹了一種用于高精度測量應(yīng)用的低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)解決方案,即SAR-ADC或Σ-Δ ADC。因?yàn)樵诘凸膽?yīng)用中,節(jié)省的每一毫瓦都將是有用的。

電氣工程中的一個典型應(yīng)用是通過傳感器記錄物理量并轉(zhuǎn)發(fā)給微控制器進(jìn)行深入處理。此過程需要使用ADC將模擬傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。ADI在本文介紹了一種用于高精度測量應(yīng)用的低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)解決方案,即SAR-ADC或Σ-Δ ADC。因?yàn)樵诘凸膽?yīng)用中,節(jié)省的每一毫瓦都將是有用的。

使用Σ-Δ ADC進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換

與SAR-ADC相比,Σ-Δ ADC有一些優(yōu)勢。首先,它們通常具有更高的分辨率。此外,它們通常與可編程增益放大器(PGA)和通用輸入/輸出(GPIO)集成。因此,Σ-Δ ADC非常適合直流和低頻高精度信號調(diào)理和測量應(yīng)用。但是,由于固定過采樣速率較高,Σ-Δ ADC通常功耗更高,在電池供電的應(yīng)用中,會導(dǎo)致使用壽命縮短。

如果輸入電壓很小(即在毫伏范圍內(nèi)),則必須先放大輸入電壓,以便ADC更輕松地進(jìn)行管理。需要使用PGA模擬前端(AFE)連接小于10mV輸出的電壓。例如,為了將橋式電路的小電壓連接到具有2.5V輸入范圍的Σ-Δ ADC,PGA必須具有250的增益。但是,由于噪聲電壓也被放大,這會導(dǎo)致ADC輸入端的噪聲變大。24位Σ-Δ ADC的有效分辨率因此被大幅降低到12位。不過,在某些情況下,無需使用ADC中的所有碼值,有時進(jìn)一步放大也無法再改善動態(tài)范圍。Σ-Δ ADC的另一個缺點(diǎn)是,由于其內(nèi)部復(fù)雜性,通常成本較高。

將SAR-ADC與儀表放大器相結(jié)合的好處

一種同樣準(zhǔn)確但更經(jīng)濟(jì)和更高效的替代方案是將SAR-ADC與儀表放大器相結(jié)合,如圖1所示。


面向高精度測量 如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能模數(shù)轉(zhuǎn)換

圖1.顯示簡化橋式測量電路與儀表放大器和SAR-ADC相結(jié)合的示意圖

SAR-ADC的功能可分為兩個階段:數(shù)據(jù)采集階段和轉(zhuǎn)換階段。基本上,在數(shù)據(jù)采集階段,電流消耗很低。大多數(shù)SAR-ADC甚至?xí)谵D(zhuǎn)換間隙斷電。轉(zhuǎn)換階段汲取的電流最多。功耗取決于轉(zhuǎn)換率,并與采樣速率成線性比例關(guān)系。對于針對慢速響應(yīng)測量(即測量的量變化緩慢的測量,例如溫度測量)的節(jié)能應(yīng)用,應(yīng)使用低轉(zhuǎn)換率來保持電流汲取,從而降低損耗。圖2顯示了AD4003在不同采樣速率下的功率損耗。在1kSPS時,功率損耗約為10μW;在1 MSPS時,已增加至10mW。

面向高精度測量 如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能模數(shù)轉(zhuǎn)換

圖2.AD4003中的功率損耗作為采樣速率的一個函數(shù)

與這種慢速測量相比,Σ-Δ ADC具有過采樣的優(yōu)勢,同時使用比輸出速率高得多的內(nèi)部振蕩器頻率。這使設(shè)計(jì)者能夠?qū)⒉蓸觾?yōu)化為速度較快、噪聲性能較差;或者速度較低,而濾波、噪聲整形(將噪聲移至感興趣測量區(qū)域之外的頻帶)及噪聲性能較好。不過,這意味著與SAR-ADC相比,Σ-Δ ADC的功耗要高得多。許多Σ-Δ ADC的有效分辨率和無噪聲分辨率均在其數(shù)據(jù)手冊中有所提及,因此很容易比較權(quán)衡。

結(jié)論

Σ-Δ ADC與PGA的組合以及SAR-ADC與儀表放大器的組合都適用于高精度測量應(yīng)用中的信號轉(zhuǎn)換。這兩種解決方案的準(zhǔn)確性差不多。不過,對于節(jié)能或電池供電的測量應(yīng)用,SAR-ADC與儀表放大器的組合更好,與由PGA和Σ-Δ ADC組成的解決方案相比,其功耗和成本更低。此外,具有高增益的PGA通常會限制性能,因?yàn)樵肼曇矔环糯?。本文僅介紹了一種適用于SAR-ADC的可行解決方案。還有更多的集成解決方案,例如AD7124-4/AD7124-8等集成PGA的Σ-Δ ADC。

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