數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器：模擬與數(shù)字世界的橋梁

　　當(dāng)前，高分辨率ADC成本正大幅降低，可為設(shè)計人員帶來諸多好處。

　　設(shè)計人員進(jìn)行工業(yè)和數(shù)據(jù)采集項目設(shè)計時，很可能會遇到以下這些模數(shù)轉(zhuǎn)換問題：

　　● 對極寬動態(tài)范圍內(nèi)的輸入信號進(jìn)行數(shù)字化處理，例如環(huán)境聲壓計要能在60至80dB范圍內(nèi)檢測信號;

　　● 適應(yīng)不同來源且信號范圍截然不同的信號;

　　● 解析某一確定值的上下微小變化，旨在擴(kuò)展以該點為中心的范圍。

　　如果使用相對低分辨率的ADC，如10位有效分辨率，高電平信號的分辨率可能接近10位。然而，對于低電平信號，如果小于滿量程的10%，其有效分辨率可能不超過6或7位。因此在很多情況下，對于精度只有1%的傳感器來說，等效精度為0.1%的10位分辨率足夠了。然而，對于更低電平信號，有效分辨率可能小于1%。

　　設(shè)計問題的解決之道

　　這些設(shè)計問題有很多解決方法，以下主要列出三種： 在相對較低分辨率ADC之前連接可編程增益放大器(PGA); 將輸入信號加在ADC之前連接的緩沖放大器;使用高分辨率ADC。

　　下面逐一評估這些方法。

　　PGA法

　　歷史上，PGA方法曾經(jīng)非常流行，因為與較低成本ADC配對使用時，它比高分辨率ADC更具成本優(yōu)勢。此方法特別適用于輸入信號接近0V但具有較寬動態(tài)范圍的情況。圖1是集成PGA的ADC原理示意圖 。

　　這類似于過程控制系統(tǒng)，需要監(jiān)控具有不同信號范圍的各種傳感器信號，例如聲壓計。如果對較寬動態(tài)范圍的信號進(jìn)行增益范圍調(diào)整，所產(chǎn)生的最關(guān)鍵誤差是“交越不匹配”。

　　這意味著當(dāng)PGA切換到不同的增益值時，數(shù)字輸出可能在那個點發(fā)生上下跳變。因此，在每一級都必須小心匹配增益來降低這種影響。從不同信號源中復(fù)用信號時，這個問題并不重要。然而，這與系統(tǒng)是否針對每個信號設(shè)計固定增益有關(guān)，如圖2所示，或者對于較寬范圍信號輸入進(jìn)行動態(tài)增益切換。

　　增益范圍調(diào)整方法會產(chǎn)生以下問題：雖然可驅(qū)動一個12位ADC，但如果在其前放置一個增益為27 = 128的放大器，則放大器的有效輸入噪聲和失調(diào)電壓精度必須為18位。對于采用固定增益運算放大器，這會有問題，而采用PGA切換時，問題可能還會更嚴(yán)重。這樣，將精度要求從ADC轉(zhuǎn)移到PGA，卻沒有帶來任何好處。

　　● 在進(jìn)行增益切換時，必須先對信號有所了解?？墒褂肁DC的超量程輸出，并配合軟件，或者通過比較器來實現(xiàn)這一點。這個過程很麻煩，而且切換時間也會是個問題(也許您還記得古老的增益范圍調(diào)整DVM，在改變范圍時它的速度有多慢!)。

　　● 可以對增益為128的精密低噪聲運算放大器進(jìn)行簡單的分析：計算有效輸出噪聲和失調(diào)電壓，并與低分辨率ADC的最低有效位(LSB)進(jìn)行比較。然而，在高增益模式下，運算放大器的線性度會是個問題。

　　多緩沖放大器方法

　　如果傳感器或者信號源與內(nèi)置ADC的數(shù)據(jù)采集單元有一定距離，可以使用多緩沖放大器方法(見圖2)。

　　單個高分辨率ADC

　　單個高分辨率ADC的優(yōu)點是簡單(見圖3)。如果使用16位ADC，對于較小動態(tài)范圍的信號，丟失3、4或5位會使該信號的有效分辨率降至11至14位。然而，對于大多數(shù)傳感器來說此精度足夠了，因為ADC的精度相當(dāng)于0.05%或更佳。

　　由于這些器件的價格最近已降到5美元或更低，因此成本將不再是需要考慮的因素。如果需要更高的有效分辨率，或者需要適應(yīng)更寬的動態(tài)范圍，可以使用18至24位的ADC，仍然能提供性價比較高也更簡單的系統(tǒng)。

　　需解析0點附近某個信號值的微小變化時，顯然應(yīng)選擇使用高分辨率ADC。這也是利用DAC補償大多數(shù)信號的替代方案。在有些情況下，這仍然是一種可行的選擇。目前適合增益范圍調(diào)整方法的PGA有諸如ADI 的AD8250[2]。