浅谈关于高分辨率 A/D 转换器

　　作者 ANNE WATSON SWAGER，副主编

　　设计人员对更高的分辨率和更快的转换速度似乎永不满足的需求催生了新一代的 A/D 转换器，它们提供了前所未有的灵活性。新的 22 位转换器在模块化封装中结合了高精度、极宽的动态范围和微处理器兼容性。这些特性使它们成为笨重的台式 DVM 的有吸引力的替代品。此外，与使用更传统技术的转换器相比，新的过采样技术显着降低了 16 至 20 位转换器的成本。

　　目前有 3 家制造商提供过采样（也称为 sigma-delta 和 delta-sigma）转换器，其他制造商计划很快进入市场（见方框，“转换器结合模拟和数字滤波“）。许多高分辨率产品制造商是数据转换器市场的主流厂商。Analog Devices、Analogic、Burr-Brown 和 Micro Networks 都有设计高分辨率 ADC 的经验。然而，Thaler Corp 的第一个转换器是 20 位高精度 ADC，而摩托罗拉已经凭借过采样转换器进入了该领域。Prema Precision Electronics 是一家西德精密万用表制造商，生产的 25 位 ADC 是市面上最高分辨率的转换器。这些高分辨率转换器是专用 ADC，而不是包含内部 ADC 和 DAC 并用作模拟接口电路的产品。广告

　　根据许多 ADC 制造商的说法，向越来越高分辨率发展的主要原因是数据采集系统设计人员希望利用其传感器的每一位分辨率。他们认为，如果系统中必须存在限制因素，则应该是传感器，而不是 ADC。另一个原因是更高分辨率的转换器可以提供有关一组数据的额外且通常是关键的详细信息。

　　确保这些数据的准确性是一项非常艰巨的设计任务。即使是少量的系统噪声也会破坏高分辨率转换器的数据。该问题的通常解决方案是仔细布局和接地，这将提高系统精度，使其达到 ADC 的极限。但是，很难找到真正准确的 16 位转换器。例如，许多 16 位转换器只有 14 位精度。这种精度水平对于许多逐次逼近类型尤其如此。尽管转换器的积分非线性可能为 14 位（相当于 ±0.003% FSR），但它仍可提供 16 位的无丢失代码性能。请注意，一些 14 位 ADC 的线性度与许多 16 位产品的线性度相匹配。

　　高分辨率 A/D 转换器的世界有些分散。许多转换器旨在用于非常专业的市场。逐次逼近转换器服务于许多通用数据采集系统。其他转换器与特定应用密切相关。幸运的是，每个转换器都属于两个一般分类之一：那些设计用于在直流意义上实现最高可能的直流精度，以及那些设计用于信号处理和良好的交流规格。两个通用应用与这些类别相关：精密测量系统和 DSP 应用。

　　许多过采样转换器旨在用于信号处理应用，因此它们的数据表通常会引用完整的动态规格。但这种趋势并不局限于过采样转换器。随着 DSP 应用的激增，专门针对这些应用的高分辨率转换器的数量也在增加。为了帮助设计人员评估和比较转换器的交流性能，许多新转换器都经过了全面测试，并针对 S/N 比和 THD 等动态特性进行了规定。

　　对于需要尽可能高动态范围的应用，请查看高分辨率积分转换器。这些高精度转换器本身就是一个世界。ATE、过程控制和称重系统是它们的典型应用领域。这些超高分辨率转换器还用于医疗和科学仪器，这些仪器必须能够区分元素或化学浓度的极小差异。

　　实现高分辨率和高精度

　　Prema Precision Electronics 的 25 位转换器具有 0.001% 的非线性和 0.5 ppm/°C 的典型温度系数，适合称重系统和精确的数据收集。该转换器采用获得专利的多斜坡方法，可连续集成测量信号以消除干扰。为了使用这个 ADC，您必须开发自己的微处理器控制。对于 20 毫秒、200 毫秒、2 秒和 20 秒的积分时间，您可以分别获得 15 位、18 位、21 位和 25 位结果。该软件还控制增益和偏移调整的处理。ADC 5601 的一个关键特性是其紧凑的 2×2×0.4 英寸尺寸。

　　Analog Devices 的 22 位 AD1175 专为依赖 DVM 和 DMM 进行专门测量的数据采集系统而设计。其分辨率和准确度可与 6.5 位 DVM 相媲美。AD1175 数据表引用了 133 dB 的宽动态范围。该范围高于 2 22所 指示的值，因为该器件的输入精度保证为比标称满量程输入范围高 10%。

　　与 Prema 的 ADC 5601 不同，AD1175 是一个完整的基于微机的测量子系统。它由三个主要元素组成：线性化、自动归零积分器、单片机和定制 CMOS 控制器/总线接口芯片。

　　AD1175 不需要任何外部元件，其所有数字输入和输出均兼容 LSTTL。模拟输入是高阻抗、1-G¿、高 CMRR、真正的差分输入对。AD1175 通过 8 位数据总线与任何基于微处理器的系统连接。ADI公司最近发布了一款适用于AD1175的PC兼容评估卡，售价495美元。该卡附带简单的基本软件，允许您向 AD1175 发送命令并测试其性能。

　　AD1175 采用类似于经典双斜率技术的多斜率积分原理。输入信号在整数个线周期内进行积分，然后 ADC 对已知参考电压将积分器输出驱动回零所需的时间进行数字测量。您可以选择在 60 或 50 Hz 时最大线路频率噪声抑制的积分时间。每次转换都会发生内部自动归零，而不会降低吞吐率。在每个自动归零周期中，都会采集并保持转换器主要元件的器件偏移和低频噪声；它们将在转换中被取消。该电路将 AD1175 的输入失调漂移保持在 0.5 µV/°C 以下。

　　高精度需要稳定性

　　ADC100 是 Thaler 首次进入 A/D 转换器市场。他们过去的设计重点一直是参考技术。与 AD1175 一样，ADC100 具有控制所有内部功能的板载微处理器，并且很快将提供用于它的 PC 评估卡。应用 ADC100 需要两个外部部件：一个 25MHz 晶振和一个集成电容器，两者均由 Thaler 提供。该公司引用 ADC100 的模拟输入阻抗为 200 G¿。

　　Thaler 的 ADC100 在偏移和增益稳定性方面比 AD1175 有一些优势。尽管 ADC100 的精度和吞吐量较低，但它完全适用于 -25 至 +85°C 的工作温度。AD1175 的范围为 0 至 70°C。此外，ADC100 的 0.1 和 0.5 ppm/°C 的最大偏移和比例因子误差与 AD1175 的 ±0.5 µV/°C 和 ±1-ppm/°C 误差相比毫不逊色。ADC100 的板载微处理器在启动时自动执行自动归零，但 Thaler 建议您在 ADC 完全预热后重复它以确保最大精度。

　　Thaler 强调在计算系统精度时必须考虑温度影响（参考文献 1）。该公司警告说，即使在标准实验室环境中，温度效应也会显着降低系统的准确性。为了计算精度，您必须同时考虑转换器和内部或外部基准的增益误差。温度范围内的最大误差是转换器的线性误差加上组合增益 TC 和温度的乘积。

　　V/F 转换器还可以提供高分辨率。AV/F 转换器与计数器/时间 IC 相结合，让您可以用分辨率换取转换时间，反之亦然。Dymec 的 32824 仪表 A/D 转换器和 5024 可编程计数器/定时器（15 美元）共同构成了支持频率计数和周期平均测量技术的 A/D 系统。该 ADC 以 10 次转换/秒的速度实现 10 µV 的灵敏度，这相当于 10v 信号中的 20 位分辨率。对于 1 秒的转换时间，该系统的灵敏度为 1.1 µV 或 23 位。模拟前端与系统的其余部分完全隔离。这种隔离保证了 ADC 在模拟部分没有接地环路和数字噪声，如果系统要实现 10 µV 或更高的灵敏度，这是两个绝对要求。

　　500kHz 转换率是可能的

　　这些高精度、高分辨率的部件仅代表市场的一部分。有许多应用程序需要可用的最高速度。然而，高速是相对的。您不会找到任何具有兆赫转换率的高分辨率转换器。当前最先进的高速加高分辨率转换器的转换速率为 500 kHz。但是你会为这个速度付出很多。Analogic、Analog Solutions、Burr-Brown 和 Datel 的高速产品价格在 500 到 900 美元之间。Analogic 和 Burr-Brown 都在 1989 年初推出了 500kHz 转换器。

　　Analogic 的 AM40016/40116 和 AM41016/41116/41216 模块化 16 位转换器基于包含内部 S/H 放大器的多通道闪存架构。AM40016 专为多个多路复用通道的数字化而定制，例如在自动测试设备中。AM41016 系列具有低失真特性，专为频域应用而设计。两个转换器系列的输入阻抗均为 10 8 ¿，并保证在 0 至 60°C 范围内不会丢失代码。

　　由于 AM41016 系列设计用于数字化快速、时变信号，因此其数据表包含完整的动态规格。输入为 10 kHz 时的 S/N 比为 88 dB；10 kHz 处的峰值失真为 -93 dB；10 kHz 处的总谐波失真为 -89 dB。Analog 对其大部分产品提供动态测试，并发布技术说明来解释该过程。

　　Burr-Brown 希望为那些对小尺寸和低功耗尤为重要的高速、高分辨率应用占领市场。Burr-Brown 的 ADC 701 和配套的 SHC702 S/H 放大器（168 美元）都是混合设计，其特点是 ADC-S/H 对。ADC 和 S/H 对一起消耗 2.8W。S/H 时序由 ADC 直接提供。不需要其他定时电路。SHC702 和 ADC701 之间只需要两个连接：SHC702 模拟输出到 ADC701 输入和来自 ADC701 输入的数字保持命令。

　　与 Analogic 的转换器一样，ADC701 基于 3 步架构，Burr-Brown 为 ADC/SHC 对提供动态规格。输入频率为 5 kHz 的 S/N 比为 93 dB。20 kHz 时的总谐波失真为 0.00068%。20kHz 输入的无杂散动态范围为 107dB。有两个温度范围可供选择：15 至 55°C 和 0 至 70°C。

　　过采样技术发展迅速

　　尽管这些高精度和高速转换器已经提升了最先进的技术水平，但在过采样转换器市场中仍然存在大量活动。这种趋势很可能会持续下去。由于采用单片结构，这些转换器是一种极低成本、高分辨率的替代方案。尽管在绝对精度方面它们无法与集成转换器竞争，但它们是高分辨率、中等精度和信号处理应用的理想选择。

　　Crystal Semiconductor 是 16 位 6 过采样转换器的先驱，拥有多种针对特定应用的新产品。摩托罗拉最近推出了其首款过采样转换器，专业音频设备制造商 Carillon Technology 也发布了基于 sigma-delta 架构的 3 芯片组。

　　Crystal Semiconductor 的三个新 delta-sigma 部件之一是其 CS5501 的升级。指定为 CS5503，它是第一款专为精密测量应用而设计的 20 位单片 A/D 转换器。CS5503 的 ±0.0003% 典型线性误差及其最大 ±4 LSB 的偏移和满量程误差使这款转换器（售价 27.70 美元）成为成本极低的替代品。CS5503 以 CMOS 时钟或晶体设置的速率连续采样。

　　Crystal 的其他新产品 CS5317 和 CS5326 分别针对电信和音频市场。CS5317 适用于高端语音频段应用，例如 V.32 调制解调器、语音识别系统、电话系统线路卡和高分辨率声纳。该转换器具有内部 PLL，可简化复杂数据系统中的时钟同步。内部 PLL 使恢复主时钟对用户透明。CS5317 在其 10kHz 带宽内的总谐波失真为 80dB，互调失真小于 84dB。CS5326 是具有 25kHz 带宽的立体声 16 位 ADC。其输出字速率可在 30 至 50 kHz 范围内调节。它的信噪比为 92 dB，总谐波失真为 0.0015%。

　　Crystal 的这些产品说明了这个市场的特定应用性质。摩托罗拉采取了不同的方法。其新的 56ADC 是一款多功能转换器，面向一般信号处理用户。56ADC在一个芯片上提供了一套完整的模数转换功能。它需要一个 5V 单电源。将 56ADC 连接到 Motorola、TI、NEC 或 AT&T 的 DSP 不需要胶合逻辑。其动态规格包括 90-dB S/N 比和 90-dB 信噪比，适用于 0 至 45.5 kHz 的输入信号。

　　56ADC 的多功能性源于其内部数字滤波的实现。抽取过程分为梳状滤波器和 FIR 滤波器。两个过滤器的输出都是可访问的。根据您选择的输出，该器件可以用作 12 位 400-kHz 转换器或 16 位 100-kHz 转换器。这种 2 级设计消除了多路复用限制。

　　过采样和复用很少混合

　　有些应用不太适合过采样转换器。只有一个 ADC 来测量各种传感器输出并因此需要在 ADC 之前进行信号复用的系统无法利用这些转换器。过采样技术涉及较长的流水线延迟，这使得通道之间的多路复用变得不切实际。根据您系统的成本，缺乏多路复用能力可能不是一个明显的缺点。您可以用单独的过采样转换器代替昂贵的 ADC 和多路复用器。

　　摩托罗拉的 56ADC 不适合需要 16 位分辨率的多路复用情况。通过第二个数字滤波器的流水线延迟约为 325 µsec。但是，如果 12 位分辨率对您的系统来说已经足够，您可以使用梳状滤波器输出。输入和梳状滤波器输出之间的流水线延迟约为 15 µsec。此转换时间与其他 12 位产品相比具有竞争力，因此您可以在相同的多路复用情况下使用梳状滤波器输出。

　　积分、分段和 sigma-delta 转换器通常针对精密直流或信号处理应用。高分辨率市场的其余部分由各种 16-bvit 逐次逼近转换器完善。逐次逼近是主力架构，因为它提供适中的速度和适中的精度。这些转换器服务于大多数标准数据采集系统。许多可用的逐次逼近类型在成本、速度、尺寸、功耗和内部功能方面存在差异。

　　许多较新的逐次逼近转换器，即所谓的采样转换器，包括内部 S/H 放大器，这些放大器旨在与其配套的 ADC 兼容。选择采样 ADC 的优势很简单：您不必做那么多前端模拟设计；ADC和S/H放大器的联合性能由制造商保证；和内部 S/H 放大器可节省电路板空间。如果您的系统需要外部 S/H 放大器（例如，如果您在不同放大器之间进行多路复用），那么选择与您的 ADC 和系统目标兼容的 S/H 放大器非常重要（参考文献 2）。

　　许多逐次逼近转换器具有自校准或自动校准电路。标准校准方法对内部 DAC 使用激光微调电阻器。然而，Crystal 的 CS5101 和 CS5102 DAC 由一组二进制加权电容器组成。为确保准确性，这些电容器在复位或上电时使用数字逻辑在芯片上进行校准。这种校准使转换器能够保证 16 位无丢失代码，并提供固有的 S/H 功能——模拟输入的值始终由至少一个电容器保持。

　　逐次逼近转换器具有最多的内部特性，包括基准、时钟、S/H 放大器、多路复用器以及串行和并行端口。一些较新的转换器也与微处理器兼容并具有短周期能力。如果您只需要 14 位精度的结果，则可以减少转换时间。

　　Burr-Brown 的 ADC700 包括一个基准、一个时钟和一个 8 位微处理器接口。Sipex Corp 的混合系统部门拥有多种 16 位逐次逼近混合转换器。它的最新产品是 16 位 µP 控制的数据采集系统 SP9488。它包括一个内部多路复用器、一个仪表放大器和一个 16 位采样 ADC。多路复用器是用户可选择的。您可以将转换器配置为接受 8 个差分输入或 16 个单端输入。您可以使用 16 位数据总线读取转换结果或 ADC 的状态字，将控制位写入 ADC，以及选择新的输入信号。

　　对于军事和恶劣环境应用，大多数制造商提供的逐次逼近转换器额定用于扩展温度性能。Micro Networks 的转换器在温度范围内不会丢失代码。该公司还生产通过 MIL-STD-883 筛选的转换器。其新的 MN6295/6296 ADC 系列包括额定有四个电气性能等级和两个工作温度范围的转换器。MN6295T/6296T 在 -55 至 _125°C 范围内保证 14 位分辨率且没有丢失代码，并且完全针对动态性能进行了规定。整个温度范围内的 S/N 比为 82 dB；谐波和杂散噪声规格，如果 -85 dB。输入频率高达 25 kHz（转换器的奈奎斯特频率）可以保证这种动态性能。

　　毫无疑问，高分辨率 ADC 市场将继续增长。未来的 16 位转换器设计将专注于提高速度和降低成本。更多产品将具有 16 至 20 位分辨率，过采样转换器将继续提供低成本解决方案。DSP和A/D转换器之间的联系会更加紧密，集成A/D和DSP功能的设备可能在不远的将来。

　　参考

　　应用说明 4，“提高系统精度”，Thaler Corp，1988 年 9 月。

　　Little、Al 和 Bob Burnett，“S/H amp-ADC matrimony 提供准确的采样”，EDN，1988 年 2 月 4 日，第 153 页。