逐次比較式ADC 采樣頻率的選取及應用

　　摘要: 在設計數據采集系統(tǒng)時， 一項重要的任務是選擇模數轉換器(ADC) 的采樣頻率L 根據采樣理論， 采樣頻率至少應為輸入信號帶寬的兩倍， 實際往往采用更高的采樣頻率來保證數據采集系統(tǒng)的精度L 但當逐次比較式ADC 的采樣頻率過高時， 會使其內部采樣保持的開關電容充電不充分， 從而導致ADC 轉換誤差過大L選擇一個合適的采樣頻率是保證數據采集系統(tǒng)可靠工作的關鍵L通過建立ADC 及前向通道的等效模型及推導， 在保證ADC 的轉換精度下， 推出ADC 的采樣時間與信號放大電路輸出阻抗的匹配關系， 得到ADC 最合適的采樣頻率。

　　關鍵詞：逐次比較式；模數轉換器；開關電容；采樣時間；轉換精度

　　引　言

　　數據采集系統(tǒng)的前向通道一般是由三部分組成的: 傳感器， 信號放大電路和模數轉換器(ADC) 。 逐次比較式的模數轉換器是試驗機控制系統(tǒng)的數據采集模塊及其它工業(yè)數據采集系統(tǒng)常采用的模數轉換器L在設計這類數據采集系統(tǒng)時， 一項重要的任務是選擇模數轉換器(ADC) 的采樣頻率。 根據采樣理論， 信號的采樣頻率至少應為輸入信號帶寬的兩倍，實際往往采用更高的采樣頻率來保證數據采集系統(tǒng)的精度。 但當逐次比較式ADC 的采樣頻率過高時，會導致ADC 轉換誤差過大。這是因為這類ADC 的采樣保持部分是采用開關電容陣列的結構。 這種結構是靠信號放大電路的輸出電壓對其內部的開關電容陣列進行充電， 即ADC 的采樣階段。 然后對電容陣列的電壓值進行保持及轉換得到對應的數字量L而對開關電容陣列進行充電需要一定時間， 如果ADC 的采樣時間過短， 會導致ADC 內部的開關電容陣列并未完全充電， 即此時ADC 采得電壓值低于實際電壓值。 從而導致后面轉換結果與實際誤差過大而無效。 因此采樣時間必須能保證開關電容陣列的充分充電， 才能保證采樣值的精度。而開關電容陣列的充電時間取決于信號放大電路的輸出電阻和ADC 的轉換位數。 本文推導出ADC 的采樣時間與信號放大電路輸出阻抗的匹配關系， 在保證ADC的轉換精度下， 得到不同轉換位數ADC 的最佳采樣頻率。

　　模擬輸入電路的分析

　　測控系統(tǒng)的傳感器和信號放大電路經常采用差動式放大器和運算放大器變換電路等組成， 根據戴維南原理(Thven in’s theo rem ) ， 可將其簡化成一個放大后的等效電壓信號源。 而逐次比較式ADC 的開關電容陣列結構， 在其采樣期間， 等效于一個等效電容通過一個等效內部電阻與信號源相連L因此整個前向通道可等效并簡化為圖1。 圖1 的等效電路對本文所分析T i 公司的TLC54X， TLC154X 和TLC254X 系列的逐次比1 較式ADC 都是有效的。

　　由于對圖1 中ADC 的等效電容C i 的充電是呈指數變化， 見圖2根據理論分析， 充電時間越長， 其上的電壓U c 只是無限接近于等效信號源的電壓U s為保持一定采樣頻率， 在以下的分析中， 假定當等效電容C i 上的電壓值達到了1/16 L SB 的誤差范圍之內， 即算其進行了完全充電L因為在此采樣誤差下，再把其它的內部誤差， 如DNL 和NL 一起統(tǒng)計進來， 可把總共的轉換誤差控制在 1/2 L SB 之內。