如何实现节能的模数转换以实现高精度测量

本文介绍一种用于高精度测量应用的低功耗模数转换器（ADC）解决方案。电气工程中的典型应用是通过传感器记录物理量，并将这些量转发到微控制器进行进一步处理。需要ADC将模拟传感器输出信号转换为数字信号。在高精度应用中，使用SAR-ADC或Σ-Δ型ADC。对于低功耗应用，可以节省的每一 mW 都很重要。

采用Σ-Δ型ADC进行信号转换

与SAR-ADC相比，Σ-Δ型ADC具有一些优势。首先，它们通常具有更高的分辨率。此外，它们通常集成了可编程增益放大器（PGA）和通用输入/输出（GPIO）。因此，Σ-Δ型ADC非常适合直流和低频高精度信号调理和测量应用。然而，由于高固定过采样率，Σ-Δ型ADC通常具有较高的功耗，这意味着电池供电应用的使用寿命较短。

如果输入电压很小（即在毫伏范围内），则首先必须对其进行放大，以便ADC更容易对其进行管理。需要PGA模拟前端（AFE）来连接具有10 mV输出电压的小电压。例如，要将桥式电路的小电压连接到输入范围为2.5 V的Σ-Δ型ADC，PGA的增益必须为250。然而，这会导致ADC输入端产生额外的噪声，因为噪声电压也会被放大。因此，24位Σ-Δ型ADC的有效分辨率大幅降低至12位。但是，在某些情况下，不需要使用ADC中的所有代码，在某些时候，进一步放大不再提供动态范围的改善。Σ-Δ型ADC的另一个缺点是，其内部复杂性通常会导致更高的成本。

将SAR-ADC与仪表放大器组合的优点

一种同样精确但更具成本效益和效率的替代方案是将SAR-ADC与仪表放大器（仪表放大器）结合使用，如图1所示。

图1.原理图显示了简化的电桥测量电路与仪表放大器和SAR-ADC的组合。

SAR-ADC的功能可分为两个阶段：数据采集阶段和转换阶段。基本上，在数据采集阶段，电流消耗很低。大多数SAR-ADC甚至在两次转换之间关断。因此，转换阶段绘制了最新的。功耗取决于转换速率，并与采样速率成线性比例。对于慢响应测量的省电应用（即测量量变化缓慢的测量（例如，温度测量），应使用低转换速率来保持电流消耗，从而保持较低的损耗。图2显示了AD4003在不同采样速率下的功率损耗。在1 kSPS时，功率损耗约为10 μW;在1 MSPS时，它已经上升到10 mW。

图2.AD4003的功耗与采样速率的关系。

与这种缓慢的测量相比，Σ-Δ型ADC具有过采样的优势，同时使用比输出速率高得多的内部振荡器频率。这使得设计人员能够优化采样，以获得更高的速度和更差的噪声性能，或者针对具有更多滤波、噪声整形（将噪声推入测量感兴趣区域之外的频段）和更好的噪声性能的较低速度。然而，这意味着与SAR-ADC相比，Σ-Δ型ADC的功耗要高得多。许多Σ-Δ型ADC的有效分辨率和无噪声分辨率在其数据手册中都有提及，因此便于比较权衡取舍。

结论

Σ-Δ型ADC与PGA和SAR-ADC与仪表放大器相结合，适用于高精度测量应用中的信号转换。这两种解决方案具有相似的精度。然而，对于省电或电池供电的测量应用，SAR-ADC和仪表放大器的组合更好，因为与PGA和Σ-Δ ADC组成的解决方案相比，它具有更低的功耗和更低的成本。此外，具有高增益的PGA通常会限制性能，因为噪声也会被放大。本文仅介绍SAR-ADC的一种可能解决方案。还有集成度更高的解决方案，例如集成PGA的AD7124-4/AD7124-8等Σ-Δ转换器。

审核编辑：郭婷