高分辨率信号采集如何选择精密ADC

电子发烧友网报道（文/李宁远）此前我们已经介绍过高速ADC的应用与市场发展，与高速ADC相反，精密ADC并不追求采样速率的拔高，而是将分辨率做到极致。ADC的分辨率指的是模数转换器所能表示的最大数是多少，即ADC的位数。

 

如果ADC分辨率越高，那么器件对模拟量的测量范围就可以分得越细，分辨量化的最小信号的能力越高。分辨率越高的ADC可以将满量程里的电平分出更多份数，得到的结果就越精确，得到的数字信号经过DAC转换后才能更接近原来输入的模拟信号。

 

精密ADC架构选择

 

高分辨率ADC在架构的选择上，过采样Delta Sigma架构一定是大家最熟悉的，它是近些年使用最为普遍的高分辨率ADC架构，能产生16至24位以上的分辨率，在分辨率达到20位以上的ADC里是必选的架构。

 

从TI和ADI的在售的20位以上的精密ADC系列上来看，所有精密ADC均采用高分辨率的Delta Sigma调制器加上可编程滤波器实现，该滤波器是可以针对应用要求进行优化的。除了高分辨率性能，Delta Sigma架构还具有较高的稳定性。虽然转换速率并不是精密ADC的强项，但是在转换速率上Delta Sigma ADC也能覆盖很广的范围，从100SPS到10MSPS都可以实现。

 

总的来说Delta Sigma ADC功耗水平处于各架构中的中等水平，但集成度往往非常高，通常能够取代数据采集系统中的多个组件。不过与其他架构相比，Delta Sigma ADC架构有一个劣势在于会出现周期延迟。

 

SAR ADC是精密ADC中另一种架构选择，在分辨率上的上限没有Delta Sigma架构高，但是性价比很高，它既可以实现不错的转换速率，也可以实现不错的分辨率。也就是说SAR ADC性能变化范围很大，分辨率可以覆盖到20bits以下的各种分辨率，转换速率也可以从1KSPS覆盖到5MSPS。足够灵活的性能使其在通用混合信号电路里备受欢迎。

 

Delta Sigma ADC对比SAR ADC

 

SAR和Delta Sigma拓扑架构之间的一个关键区别在于输入信号的采样如何与数据转换结果相关。

 

SAR ADC是在特定时间点进行采样或采集输入“snapshots”并捕获信号电平，然后再执行转换。SAR ADC在单次转换时仅进行一次信号采样，采样受到开始命令控制，所以可以很精确地控制采样发生的时间点，因此SAR ADC可以提供非常低的延迟结构，并能将其用于同时包含连续和不连续信号的应用，尤其是需要采样与外部事件同步的应用或者需要快速瞬态捕捉的应用。

 

Delta Sigma ADC则是在一段时间内连续的采集信号，然后输出特定时间段内与样本平均数相对应的转换数据。也就是说，转换器会对多个样本做类似取平均值的操作（该操作在滤波器中实现），来得出转换结果。当器件需要高分辨率转换连续信号的时候，Delta Sigma ADC是最佳的选择。

 

精密ADC应用

 

音频信号是对ADC精度要求极高的一类应用，这也涉及ADC的谐波失真和信噪比，好的音频信号采集效果是可以“听出来的”。

 

再者是感知方面的应用，传感器各类设备都对采样ADC的分辨率和速度有一定要求，在物联网领域，对这两要求的限制不高，很多种类的ADC都可以采用，SAR ADC在性价比上的优势在这类领域有很多应用。

 

感知上的需求再往高精度传感发展，高精度的测量仪器领域那就对ADC分辨率的要求很严苛了，比如数字成像和医疗成像等应用，对分辨率位数的要求就会再拔高一层。

 

小结

 

随着现在各种新兴传感应用的不断涌现，新的采样需求也在不断被挖掘，根据具体的应用需求，采用合适精密ADC结构，才能取得最具性价比的采样效果。