整合SAR转换器 ADC简化信号调节路径

一般而言，设计人员会在较低频率的应用中发现连续近似暂存器（SAR）及ΔΣ类比数位转换器（ADC）。这些应用的讯号链通常是从产生低输出电压或电流讯号的感测器开始。这些讯号须要先放大和滤波，才能予以数位化。从中可看出，SAR及ΔΣ转换器讯号路径以极为不同的方式调节低感测器讯号。本文将解说多种代表性感测器的讯号特性以及各个转换器类型的讯号链元件。对于讯号特性，本文中将探讨对于各个转换器类型的应用需求以及这些转换器适用的情况。

感测器电气特性分析

感测器应用的讯号链是从感测器开始。图1显示回应环境并将测得的数据转换为电子讯号的几种感测器。

图1 用于SAR及ΔΣADC讯号调节电路的感测器

电阻温度装置（RTD）及电热调节器的模拟符号是电阻。RTD阻抗相对较小（一般在0℃下为100Ohms），并且在0.00385Ohms/Ohm/℃下呈线性变化（白金RTD），且能够感测-200℃800℃之间的温度，使用者必须注意RTD阻抗在摄氏每度的微小变化。RTD元件适当的激发电流来源是？1毫安培（mA）。在阻抗转换为电压之后，RTD讯号将须要进一步放大。

对于-100℃175℃之间的温度，负温度系数（NTC）电热调节器（感热电阻）会产生较高的非线性阻抗。25℃下一般的电热调节器阻抗是10kOhm。建立电源供应的简单分压器，就能够产生可测量的热调节器电压。

温差电耦的结构使用两种不同的金属，例如铬和铜镍合金（E类）或镍铬和镍硅（N类），两种不同的金属以焊珠相接于电线的一端。焊珠显露于散热环境可造成焊珠与温差电耦电线另一端之间的温差。在这个环境中，两条电线之间将出现电动势（EMF）电压。EMF电压可涵盖温度范围的数十毫伏特区域。不过，ΔEMF电压在摄氏一度变化下也达到数十毫伏特。温差电耦也需要讯号路径的讯号增益，才能进行数位化。

工程人员都使用电阻桥接电路模拟压力及负载感测器。正压力或负载施加于四元件桥接时，两个相对元件将压缩回应，另两个则变成拉张状态。设计人员可将电压或电流激发来源施加于此电阻桥接的高位。虽然激发的程度会影响感测器输出的动态範围，但是VOUT+与VOUT–之间的最大差一般介于数十至数百毫伏特之间。

光电二极体与相关前置放大器是基本光学活动与电子产品之间的连结。光感测电路用于电脑断层（CT）扫描器、血液分析仪、烟雾感测器、位置感测器、红外线高温计及层析仪等系统中。在这些电路中，光电二极体会产生奈安培至微安培程度的小电流，这个电流随着照度而呈等比变化。前置放大器可将光电二极体感测器的电流输出讯号转换为可用的电压程度。

以上所述的所有感测器都须要激发来源及讯号调节电路，才能在讯号路径的末端将小讯号转换为类比数位转换器可用的电压程度。以下将说明SAR类比数位转换器及ΔΣ类比数位转换器的一般讯号链。

SAR-ADC讯号路径

从感测器到微控制器（MCU）或微处理器（MPU）的SAR转换器讯号链，包含讯号调节级、类比增益级、抗混叠滤波器（AAF）、SAR驱动器放大器以及SAR转换器（图2）。

图2 SAR-ADC讯号路径--偏压感测器讯号经过放大及滤波，提供SAR转换器适当的输入讯号。

讯号调节级提供必要的感测器偏压级电压移位。在此讯号路径中，类比增益级的用途是使感测器的电压输出範围符合SAR转换器的输入范围。如此一来，设计人员就能够尽可能充分运用转换器的位元数。例如感测器产生50毫伏特的总输出范围，而类比数位转换器的输入范围是5伏特，则此类比增益级所需的类比增益是~100V/V。此电路位置适合的类比装置类型是运算放大器或仪表放大器。

在图2中，类比增益级之后是抗混叠滤波器。这个叁阶至五阶抗混叠（类比）滤波器会先移除叠加的类比讯号杂讯，讯号才会送达SAR转换器。在讯号变成数位字组之前，AAF将减少会混叠回数位讯号的高频率杂讯。类比滤波是资料获取系统重要的部分。如果不使用类比滤波器，类比数位转换器取样频宽一半之外的讯号将混叠回讯号路径。一旦数位化程序期间混叠讯号，便无法以频带内和频带外的频率区分杂讯。

SAR驱动器放大器会将讯号送到SAR类比数位转换器。这个驱动器放大器具备极大的驱动能力，能够将稳定的讯号送到转换器。一旦SAR类比数位转换器产生最终的数位字组，微控制器或微处理器便会进一步进行讯号滤波，将该讯号转换为可用的数位值。SAR转换器是媒体解析应用常见的架构。SAR类比数位转换器的解析度介于8位元18位元之间，取样速度不到10MSPS。

ΔΣADC讯号路径

ΔΣ转换器适合将直流各种频率的讯号转换为极高解析度的数位MHz讯号。图3显示ΔΣADC的基本感测器讯号路径。这些转换器的解析度介于12位元~24位元之间，取样速度最高可达50MSPS。必须注意的是，这个配置图看起来似乎比图2的SAR类比数位转换器讯号路径简单，但是事实上并非如此。前文所述SAR类比数位转换器讯号路径所有功能依然存在，只是这些功能全部移到ΔΣ转换器内部而已。

图3 ΔΣADC小讯号经过滤波，提供ΔΣ转换器适当的输入讯号范围。

数位或处理增益取代图2中的类比增益单元。只要将最低有效位元（LSB）的位置移入数位输出字组，即可产生处理增益。在24位元转换器的输出範围，共有四千零九十六个12位元转换器。ΔΣ转换器的24位元也可用来取代增益的类比功能及这个数位引擎的电压移位。

ΔΣ转换器「便于设计」的抗混叠滤波器可将类比输入讯号内部的主要高频率杂讯衰减。这个电阻式/电容式抗混叠滤波器的转折频率是ΔΣ的输出资料频率。ΔΣ转换器另外可提供感测器激发来源及内部类比增益级。

本文介绍多种感测器的一般特性以及基本的SAR类比数位转换器与ΔΣ类比数位转换器讯号路径。经过此次一般概述，可看出ΔΣ类比数位转换器能够提供理想的讯号路径，这类转换器的讯号调节电路最少，不过，建议不要抱持如此的定见。选择任何一种转换器时，都必须注意准确度、可重复性及成本等细节。