∑-Δ型ADC和流水线型ADC了解
21ic 2024-06-21


一、∑-Δ型ADC

∑-Δ转换器又称为过采样转换器,它采用增量编码方式即根据前一量值与后一量值的差值的大小来进行量化编码。∑-Δ型ADC包括模拟∑-Δ调制器和数字抽取滤波器。∑-Δ调制器主要完成信号抽样及增量编码,它给数字抽取滤波器提供增量编码即∑-Δ码;数字抽取滤波器完成对∑-Δ码的抽取滤波,把增量编码转换成高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。

优点:分辨率较高,高达24位;转换速率高,高于积分型和压频变换型ADC;价格低;内部利用高倍频过采样技术,实现了数字滤波,降低了对传感器信号进行滤波的要求。

缺点:高速∑-△型ADC的价格较高;在转换速率相同的条件下,比积分型和逐次逼近型ADC的功耗高。


二、流水线型ADC

流水线结构ADC,又称为子区式ADC,它是一种高效和强大的模数转换器。它能够提供高速、高分辨率的模数转换,并且具有令人满意的低功率消耗和很小的芯片尺寸;经过合理的设计,还可以提供优异的动态特性。

流水线型ADC由若干级级联电路组成,每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路,其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。快速精确的n位转换器分成两段以上的子区(流水线)来完成。首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个m位分辨率粗A/D转换器对输入进行量化,接着用一个至少n位精度的乘积型数模转换器(MDAC)产生一个对应于量化结果的模/拟电平并送至求和电路,求和电路从输入信号中扣除此模拟电平。并将差值精确放大某一固定增益后关交下一级电路处理。经过各级这样的处理后,最后由一个较高精度的K位细A/D转换器对残余信号进行转换。将上述各级粗、细A/D的输出组合起来即构成高精度的n位输出。

优点:有良好的线性和低失调;可以同时对多个采样进行处理,有较高的信号处理速度,典型的为Tconv<100ns;低功率;高精度;高分辨率;可以简化电路。

缺点:基准电路和偏置结构过于复杂;输入信号需要经过特殊处理,以便穿过数级电路造成流水延迟;对锁存定时的要求严格;对电路工艺要求很高,电路板上设计得不合理会影响增益的线性、失调及其它参数。

目前,这种新型的ADC结构主要应用于对THD和SFDR及其它频域特性要求较高的通讯系统,对噪声、带宽和瞬态相应速度等时域特性要求较高的CCD成像系统,对时域和频域参数都要求较高的数据采集系统。


确定A/D转换器件在确定设计方案后,首先需要明确A/D转换的需要的指标要求,包括数据精度、采样速率、信号范围等等。

1.确定A/D转换器的位数在选择A/D器件之前,需要明确设计所要达到的精度。精度是反映转换器的实际输出接近理想输出的精确程度的物理量。在转化过程中,由于存在量化误差和系统误差,精度会有所损失。其中量化误差对于精度的影响是可计算的,它主要决定于A/D转换器件的位数。A/D转换器件的位数可以用分辨率来表示。一般把8位以下的A/D转换器称为低分辨率ADC,9~12位称为中分辨率ADC,13位以上为高分辨率。A/D器件的位数越高,分辨率越高,量化误差越小,能达到的精度越高。理论上可以通过增加A/D器件的位数,无止境提高系统的精度。但事实并非如此,由于A/D前端的电路也会有误差,它也同样制约着系统的精度。

比如,用A/D采集传感器提供的信号,传感器的精度会制约A/D采样的精度,经A/D采集后信号的精度不可能超过传感器输出信号的精度。设计时应当综合考虑系统需要的精度以及前端信号的精度。

2.选择A/D转换器的转换速率在不同的应用场合,对转换速率的要求是不同的,在相同的场合,精度要求不同,采样速率也会不同。采样速率主要由采样定理决定。确定了应用场合,就可以根据采集信号对象的特性,利用采样定理计算采样速率。如果采用数字滤波技术,还必须进行过采样,提高采样速率。

3.判断是否需要采样/保持器采样/保持器主要用于稳定信号量,实现平顶抽样。对于高频信号的采集,采样/保持器是非常必要的。如果采集直流或者低频信号,可以不需要采样保持器。

4.选择合适的量程模拟信号的动态范围较大,有时还有可能出现负电压。在选择时,待测信号的动态范围最好在A/D器件的量程范围内。以减少额外的硬件付出。

5.选择合适的线形度在A/D采集过程中,线形度越高越好。但是线形度越高,器件的价格也越高。当然,也可以通过软件补偿来减少非线性的影响。所以在设计时要综合考虑精度、价格、软件实现难度等因素 

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