原创 让传感器匹配转换器还是让转换器匹配传感器

作者：Bonnie C. Baker，德州仪器 (TI)

关键词：模拟电路设计、转换器、ADC、工业、医学、运算放大器、系统设计、工程教育、物理验证与分析、信号完整性、设计方法

就模拟转换器系统而言，您会选择的初始设计方法可能是查看需要的精度，然后使用一个能够获得相应精度的 ADC。为了达到要求的准确度或精度，需要给系统加装一些必要的增益模块，以便让有效模拟范围覆盖 ADC 的动态范围。

但是，我们还可以选择另一种方法。您可以使用一个 24 位转换器来消除增益模块及其产生的补偿、漂移和噪声（您会在 12 位到 16 位系统中找到他们）。24 位转换器是一款更为简单的解决方案。另外，您还可以在相同或者更低成本的情况下获得更高的性能。

您或许可以只使用 24 位 ADC 范围的一部分便能够完成设计。是的，没错，您可能会去掉一些位！在这种情况下，您仍然能够达到或者提高原始 12 或 16 位系统的分辨率和精度。相比12 位 ADC，24 位转换器拥有 4096 的即时系统增益优势，以及一种附加的可编程增益 放大器 (PGA) 功能。Δ-Σ 转换器中的内置 PGA 功能，可以再增加 64 到 128 倍增益（具体情况根据产品不同而不同）。

作为设计过程的第一步，您常常会查看您将要使用的传感器，然后检查传感器的输出范围。之后，您会将传感器的输出范围同 A/D 转换器输入匹配。在这一过程中，您需要一个模拟增益单元来让传感器/ADC 匹配有效。或者，您可能会不加思考地试图找到一种能够匹配您传感器输出范围的 ADC。请不要这样做。尽量多考虑系统噪声影响，其中的实际系统分辨率和精度是两个重要的规范。

例如，如果一个 12 位的系统，您有一个 250 V/V 模拟增益的 5V 范围，则系统 LSB 等于 5V /250 / 2¹² ，即 4.88 mV。图 1.A 描述了这类系统。

图 1.A  12 位 SAR (A) 显示了一个通过放大器连接至转换器的传感器。一个 24 位 Δ-Σ (B) 显示了一个直接连接至转换器的传感器。

现在，将传感器信号放入一个没有增益的 24 位转换器中（请参见图 1.b）。您可以这样做，因为 24 位系统的 LSB 大小相当于有一个 4096 的模拟增益。使用这种设计方法时，需通过使用 ADC 的差动输入去除模拟电平转换的影响。这样便让您可以在使用传感器输出定位您的正 ADC 输入时，向您的负 ADC 输入施加电压。尽管 24 位 ADC 的总范围是动态的，但您的传感器输出可能仅仅覆盖一部分 ADC 输出码。选择这部分 ADC 范围后，您可以将注意力集中于信号响应的较理想区域。使用一个具有 23 位有效精度的 24 位 ADC，就像是在转换器范围使用 2048 个单独的 12 位转换器。

在今后的一些文章中，我们将讨论在一个测力计和湿度传感器应用中如何实施这些想法。在这两种情况中，我们将比较系统的性能和成本。通过评估一些不同类型的低速电路，我们将对比 12 位应用和 24 位实施说明这种新设计方法的优势。