外文翻譯--基于labview的先進(jìn)儀器系統(tǒng)

1、<p>　　基于LabVIEW的先進(jìn)儀器系統(tǒng)</p><p>　　4.6 通用信號(hào)調(diào)理功能</p><p>　　無(wú)論所使用的傳感器或換能器是什么類型，適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)節(jié)設(shè)備可以提高該系統(tǒng)的質(zhì)量和性能。信號(hào)調(diào)理功能對(duì)所有類型的信號(hào)都非常有用，包括放大，濾波和隔離信號(hào)。</p><p><b>　　4.6.1擴(kuò)增</b></p>

2、<p>　　不必要的噪音對(duì)基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量精度是一場(chǎng)浩劫。信號(hào)調(diào)理放大電路，它適用于電腦機(jī)箱外，并靠近信號(hào)源的增益，可以提高測(cè)量的分辨率和有效地減少噪聲的影響。一個(gè)放大器，不論位置是直接接在DAQ板卡或者是基于外部信號(hào)條件，都可以在ADC信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值之前獲得增益小信號(hào)。升壓輸入信號(hào)盡可能多的利用ADC的輸入范圍。然而，許多傳感器產(chǎn)生的電壓輸出信號(hào)是毫伏甚至微伏的量級(jí)。這些低級(jí)的模擬信號(hào)可以直接在DAQ板卡放大

3、，也可以從信號(hào)導(dǎo)線或電腦機(jī)箱內(nèi)放大任何選擇的噪音信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)小到微伏，這個(gè)噪聲會(huì)淹沒(méi)了信號(hào)本身，就會(huì)導(dǎo)致無(wú)意義的數(shù)據(jù)。</p><p>　　為減少對(duì)信號(hào)系統(tǒng)噪聲影響的簡(jiǎn)單方法是對(duì)盡可能靠近源的信號(hào)進(jìn)行放大，在可能會(huì)損壞信號(hào)的噪音進(jìn)入導(dǎo)線或電腦機(jī)箱之前，提高模擬信號(hào)的電壓高于噪音信號(hào)。例如，一個(gè)J型熱電偶輸出一個(gè)級(jí)別非常低的以50μV/℃改變電壓值的信號(hào)。</p><p>　　4.6.2

4、過(guò)濾和平均</p><p>　　過(guò)濾器是用來(lái)屏蔽在一定頻率范圍內(nèi)不必要的噪音。許多系統(tǒng)將展出來(lái)自源60Hz的周期性噪聲等組件作為電源或動(dòng)作。低通濾波器信號(hào)調(diào)理電路可以消除不需要的高頻分量。但是，一定要慎重選擇濾波器的帶寬，這樣信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間</p><p>　　可以不受影響。盡管許多信號(hào)調(diào)節(jié)器包括低通噪聲濾波器可以消除不必要的噪音，但還要采取另外的預(yù)防措施，即使用軟件平均法去除額外的噪聲。

5、</p><p>　　軟件平均法是數(shù)字濾波獲取讀數(shù)簡(jiǎn)單而有效的方法；對(duì)于所需的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和平均多個(gè)電壓讀數(shù)。例如，一個(gè)常見(jiàn)的方法是獲取100點(diǎn)，為每個(gè)需要的測(cè)量量取平均值。</p><p><b>　　4.6.3隔離</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接地不當(dāng)是測(cè)量問(wèn)題和損壞DAQ板卡最常見(jiàn)的原因。隔離信號(hào)調(diào)節(jié)器可以通

6、過(guò)將信號(hào)從源到測(cè)量設(shè)備通過(guò)沒(méi)有電或物理連接來(lái)防止這些大部分問(wèn)題。隔離中斷接地環(huán)路，屏蔽高共模電壓，并保護(hù)昂貴的數(shù)據(jù)采集儀器。對(duì)于電路隔離的常用方法包括使用光學(xué)，磁或容性隔離器。磁性和電容隔離調(diào)制信號(hào)將電壓轉(zhuǎn)換成頻率。</p><p>　　頻率沒(méi)有直接的物理連接傳輸，在不被轉(zhuǎn)換為電壓值之前，可以跨越一個(gè)變壓器或電容器。該電壓被稱為普通電壓。如果使用一個(gè)單端測(cè)量系統(tǒng)，如圖4.27所示，測(cè)得的電壓包括從所需信號(hào)，VS，

7、以及來(lái)自額外的接地電流系統(tǒng)中的共模電壓VG。</p><p>　　如果一個(gè)數(shù)據(jù)采集板卡在具有差動(dòng)輸入的情況下，可屏蔽一些典型地高達(dá)12V的共模電壓。然而，更大的地電位差，或接地回路，會(huì)損害未受保護(hù)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。</p><p><b>　　4.6.4復(fù)用</b></p><p>　　信號(hào)調(diào)理器配備信號(hào)多路復(fù)用器，可以有效地?cái)U(kuò)大輸入/輸出（I/

8、 O）的插入式DAQ板卡的能力。典型的插入式DAQ板卡有8-16個(gè)模擬輸入和8-24的數(shù)字I / O線。外部多路復(fù)用器可以增加插件板上的I / O容量為數(shù)百甚至上千個(gè)頻道。</p><p>　　模擬輸入多路復(fù)用器采用固態(tài)繼電器或開(kāi)關(guān)順序切換，或掃描。多路模擬輸入信號(hào)送到數(shù)據(jù)采集板卡的通道。</p><p>　　4.6.5數(shù)字信號(hào)調(diào)理</p><p>　　數(shù)字信號(hào)需要

9、信號(hào)調(diào)理的外圍設(shè)備直接與DAQ板卡連接信號(hào)。但在研究和工業(yè)環(huán)境中直接連接不是一個(gè)很好的做法，因?yàn)榇蟮碾妷杭夥寤虼蠊材ｋ妷捍嬖诘目赡苄?，DAQ板卡沒(méi)有某種類型的隔離數(shù)字信號(hào)。有些信號(hào)調(diào)理模塊和電路板光學(xué)隔離數(shù)字量I/ O信號(hào)，以消除這些問(wèn)題。數(shù)字I/ O信號(hào)可以控制機(jī)電或固態(tài)繼電器切換負(fù)載，如螺線管，照明燈，電動(dòng)機(jī)，等等。固態(tài)繼電器也可以用來(lái)檢測(cè)高電壓場(chǎng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。</p><p><b>

10、;　　4.6.6脈沖操作</b></p><p>　　單個(gè)脈沖可以被用于樣品的可變電容器，例如在微型計(jì)算機(jī)等讀出脈沖，或可以用于脈沖串。這種方法可以用于更簡(jiǎn)單的電子設(shè)備，但將有較高的噪音。</p><p>　　4.6.7基于PC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)</p><p>　　在本節(jié)討論的信號(hào)調(diào)理功能是在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)不同類型信號(hào)的調(diào)理。這些產(chǎn)品涵蓋了非常廣泛

11、的價(jià)值和能力。例如，美國(guó)國(guó)家儀器公司的SC-207X系列終端板使用了熱電偶溫度傳感器與易于除去電流測(cè)量電阻的絲印組件位置的實(shí)驗(yàn)布線區(qū)，簡(jiǎn)單的電阻 - 電容（RC）濾波器和其它的信號(hào)調(diào)理電路。</p><p>　　信號(hào)調(diào)理的5B系列I / O模塊針對(duì)特定類型的傳感器或信號(hào)。多達(dá)16個(gè)I/ O模塊可以安裝在背板，并直接將模塊連接到插入式DAQ板卡。對(duì)于外部信號(hào)復(fù)用，AMUX-64T模擬多路復(fù)用器板擴(kuò)展I / O多功能

12、板卡的模擬輸入功能多達(dá)256個(gè)通道。AMUX-64T還包括一個(gè)溫度傳感器和com-分量的位置。SCXI產(chǎn)品線結(jié)合復(fù)用模塊的信號(hào)調(diào)節(jié)的靈活性，可擴(kuò)展性，構(gòu)成是一個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。</p><p>　　4.6.8 SCXI信號(hào)調(diào)理</p><p>　　在LabVIEW中，信號(hào)調(diào)理擴(kuò)展儀器（SCXI）是一個(gè)信號(hào)調(diào)理和前端插入式DAQ板卡儀器。SCXI系統(tǒng)包含的SCXI機(jī)箱容納一個(gè)或復(fù)用多個(gè)信號(hào)調(diào)理

13、模塊，放大，隔離，條件模擬和數(shù)字信號(hào)。該SCXI系統(tǒng)將調(diào)理后的信號(hào)通過(guò)一個(gè)單一的插入式DAQ板直接采集到PC。各種SCXI模塊有不同的信號(hào)調(diào)理功能。</p><p>　　例如，SCXI-1120模塊是一個(gè)8通道隔離放大器模塊。每個(gè)輸入通道包括隔離放大器，最高可達(dá)2,000的增益和低通濾波器可配置為4赫茲或10kHz時(shí)的增益。SCXI-1121模塊是一個(gè)四通道隔離放大器模塊，也有四個(gè)通道激勵(lì)。用戶可以為電壓或電流設(shè)

14、定每個(gè)激勵(lì)通道。該模塊還包括完成應(yīng)變計(jì)測(cè)量半橋電路。對(duì)于SCXI模塊接線端子包括熱電偶溫度傳感器冷端補(bǔ)償。</p><p>　　信號(hào)調(diào)理連接器（SCC）系列是一個(gè)模塊化便攜式信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。SCC包括單通道和雙通道信號(hào)調(diào)理模塊，內(nèi)置信號(hào)連接器。例如，SCC-TC02提供了放大，濾波，冷端補(bǔ)償和一個(gè)方便的迷你熱電偶輸入插頭連接器。SCC模塊的任意組合可以安裝到一個(gè)SCC的載體或背板，如SC-2345。SC-2345最

15、多可容納18個(gè)SCC模塊和電纜直接接到E系列DAQ板卡或模塊。</p><p>　　信號(hào)調(diào)理是一個(gè)完整的基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分。連接信號(hào)調(diào)理的傳感器有許多功能，如熱電偶，RTD，應(yīng)變計(jì)和電流輸出設(shè)備到基于PC的DAQ板卡。對(duì)于因功能，如放大，隔離和濾波的任何類型的測(cè)量中使用的傳感器，信號(hào)調(diào)節(jié)提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度，有效性和安全性。NI的SCXI產(chǎn)品線可以提供信號(hào)調(diào)理和儀器前端所需的基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

16、。</p><p>　　4.7模擬到數(shù)字控制器</p><p>　　如果傳感器設(shè)備本身是數(shù)字的，那連接數(shù)字電路來(lái)感應(yīng)設(shè)備很簡(jiǎn)單。由于其信號(hào)的開(kāi)/關(guān)性質(zhì)，開(kāi)關(guān)，繼電器，以及編碼器很容易地與門(mén)電路連接。然而，涉及到模擬設(shè)備時(shí)，接口變得復(fù)雜得多。以電子設(shè)備將許多模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字（二進(jìn)制），有些結(jié)構(gòu)是必要的，并且反之亦然。一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，或ADC，執(zhí)行前一個(gè)任務(wù)的同時(shí)數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器，或D

17、AC，執(zhí)行后者。一個(gè)ADC輸入一個(gè)模擬電信號(hào)，例如電壓或電流，并輸出一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。以方框圖的形式，它可以表示為如圖4.28所示。</p><p>　　4.7.1了解積分型ADC</p><p>　　積分型ADC提供高分辨率的A / D轉(zhuǎn)換，具有良好的噪聲抑制。這些ADC非常適用于數(shù)字化的低帶寬信號(hào)，并應(yīng)用在如數(shù)字萬(wàn)用表和儀表盤(pán)的使用。它們通常包括液晶顯示或LED驅(qū)動(dòng)器，可單獨(dú)應(yīng)用無(wú)微控制器

18、的主機(jī)。以下部分說(shuō)明集成ADC的工作方式。討論包括單，雙和多斜率轉(zhuǎn)換。此外，還會(huì)深入討論分析整合結(jié)構(gòu)。</p><p>　　最后，對(duì)其他ADC結(jié)構(gòu)的比較，將有助于對(duì)集成ADC的理解和選擇。集成的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）提供高分辨率，并能提供良好的線路頻率和噪聲抑制。在開(kāi)始就無(wú)處不在的7106，這些轉(zhuǎn)換已經(jīng)存在了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。積分體系結(jié)構(gòu)提供了一種新穎和簡(jiǎn)單的方法，以一個(gè)低帶寬的模擬信號(hào)變換成它的數(shù)字表示。這

19、些類型的轉(zhuǎn)換器通常包括內(nèi)置驅(qū)動(dòng)LCD或LED顯示器，并發(fā)現(xiàn)被應(yīng)用在許多便攜式儀器，包括數(shù)字面板表及數(shù)字萬(wàn)用表。</p><p><b>　　單斜率ADC結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　積分ADC最簡(jiǎn)單的形式采用單斜率結(jié)構(gòu)（圖4.31a，b所示）。這里，一個(gè)未知的輸入電壓被集成，其值與已知的參考值進(jìn)行比較。積分器跳閘比較器需要的時(shí)間與未知電壓（VINT/ VIN）成正

20、比。在這種情況下，已知的基準(zhǔn)電壓必須是穩(wěn)定的和精確的，以保證測(cè)量的精度。</p><p>　　這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，精度也依賴于積分器的R和C值的公差。因此，在生產(chǎn)環(huán)境中，每個(gè)組件的值略有差異就會(huì)改變轉(zhuǎn)換結(jié)果并且非常難以實(shí)現(xiàn)測(cè)量的可重復(fù)性。為了克服這個(gè)敏感的元件值，使用雙斜率積分體系結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　雙斜率ADC結(jié)構(gòu)</b></p>&

21、lt;p>　　雙斜率ADC（DS-ADC）以固定的時(shí)間量（TINT）集成了一個(gè)未知的輸入電壓（VIN），然后使用一個(gè)已知的參考電壓（VREF）“瓦解”（TDEINT）可變的時(shí)間量（如圖4.29）。</p><p>　　這種結(jié)構(gòu)相對(duì)與單斜率的主要優(yōu)點(diǎn)是，最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果是不敏感的元件值誤差。也就是說(shuō)，在積分周期內(nèi)，由該組件值引入的任何誤差在反積分階段將被消除了。方程形式為：</p><p&g

22、t;　　從這個(gè)等式中，可以發(fā)現(xiàn)，反積分時(shí)間正比于VIN / VREF之比。雙斜率轉(zhuǎn)換器的完整電路圖如圖4.30所示。</p><p>　　例如，為獲得10位分辨率，對(duì)1024（210）個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行整合，然后分解為1024個(gè)時(shí)鐘周期（給最多兩個(gè)210個(gè)周期的轉(zhuǎn)換）。對(duì)于更高的分辨率，增加時(shí)鐘周期數(shù)。這種實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)間和分辨率之間的折衷是固有的。改變一個(gè)給定的分辨率以加快轉(zhuǎn)換時(shí)間為中度電路這是可能的。不幸的是，所有轉(zhuǎn)

23、移部分精度的改進(jìn)都是用來(lái)匹配的，外部元件，電荷注入等。換句話說(shuō)，所有的高速化技術(shù)，有較大的誤差預(yù)算。即使在圖4.1的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換，也有很多潛在的誤差來(lái)源要考慮，如電源抑制（PSR），共模抑制（CMR），有限增益，過(guò)電壓的擔(dān)憂，集成器飽和，比較器的速度，比較振蕩，“翻轉(zhuǎn)”，介質(zhì)吸收，電容的漏電流，寄生電容，電荷注入等。</p><p><b>　　多斜率積分ADC</b></p>&

24、lt;p>　　為雙斜率建筑的分辨率的正常上限誤差是基于比較器的速度。對(duì)于一個(gè)20位轉(zhuǎn)換器（部分約1百萬(wàn)分之一）和一個(gè)1MHz時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換時(shí)間將大約2秒?？吹降恼`差比較斜坡率約2V/106被劃分為1μs。這大約為2μV/μs。有了這樣一個(gè)小的壓擺率，誤差比較將集成了相當(dāng)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其觸發(fā)點(diǎn)。這種過(guò)沖（在積分器輸出端測(cè)量）被稱為“殘基”，這蠻力的方法是不可能實(shí)現(xiàn)一個(gè)20位的轉(zhuǎn)換器的。</p><p><b&

25、gt;　　其它的ADC結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　本節(jié)的重點(diǎn)是集成ADC與一個(gè)連續(xù)的近似寄存器（SAR）和Σ-Δ型ADC。閃速和流水線ADC結(jié)構(gòu)將被忽略，因?yàn)樗鼈兒苌伲ㄈ绻械脑挘?duì)較慢的速度整合結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)。</p><p>　　連續(xù)與近似寄存器ADC</p><p>　　無(wú)論是SAR和整合的結(jié)構(gòu)與低帶寬信號(hào)的正常工作。該SAR ADC具有更大的帶寬

26、范圍，因?yàn)樗麄兛梢匀菀椎膶⑿盘?hào)轉(zhuǎn)換速度控制在低MHz范圍內(nèi)，而整合結(jié)構(gòu)是有限的，大約100個(gè)樣本/s。這兩種體系結(jié)構(gòu)具有低功耗的特點(diǎn)。自SAR ADC在轉(zhuǎn)換之間可以被關(guān)閉，有效的功率消耗類似于集成ADC（第一順序）。兩個(gè)轉(zhuǎn)換器之間最大的區(qū)別是共模抑制和所需的外部元件數(shù)量。因?yàn)橛脩粼O(shè)置了積分時(shí)間，不想要的頻率，比如50Hz或60Hz，可以有效地去除。</p><p>　　此外，SAR ADC整合以來(lái)，基本上是用平均

27、的方法，該集成ADC通常具有更好的噪聲性能。具有代碼邊緣噪聲和轉(zhuǎn)換雜散噪聲的SAR ADC將比集成的ADC對(duì)SAR ADC有更加不利的影響。積分ADC可以輕易轉(zhuǎn)換低電平信號(hào)。由于積分器的斜坡是由集成電阻的值設(shè)置，匹配輸入信號(hào)范圍的ADC是相當(dāng)容易的。大多數(shù)SAR在ADC輸入時(shí)會(huì)預(yù)期一個(gè)大信號(hào)。</p><p>　　因此，對(duì)于小信號(hào)（即毫伏），前端信號(hào)調(diào)節(jié)電路是必需的。集成ADC需要比SAR更多的外部元件。SAR通

28、常需要一對(duì)旁路電容。集成ADC需要一個(gè)良好的整合和參考電容，也是一個(gè)低漂移集成電阻。此外，參考電壓通常是一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)的值（如100或409.6mV），所以經(jīng)常使用參考電壓分壓器電路。</p><p><b>　　Σ與ΔADC</b></p><p>　　Σ-ΔADC使用過(guò)采樣，得到非常高的分辨率。它還允許輸入帶寬在低MHz范圍。像集成ADC，這種結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的線路抑制。

29、它也提供了一個(gè)非常低功耗的解決方案，它允許低電平信號(hào)被轉(zhuǎn)換。與集成ADC不同的是，Σ-Δ不需要任何外部元件。此外，由于其是數(shù)字結(jié)構(gòu)，它無(wú)需微調(diào)或校正。由于過(guò)采樣性質(zhì)，而Σ-Δ包括一個(gè)數(shù)字濾波器的事實(shí)，不經(jīng)常需要在前端用一個(gè)抗混疊濾波器。</p><p>　　Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的分辨率一般都在16位到24位，可同時(shí)集成針對(duì)12位至16位范圍的ADC。由于其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和它的成熟，集成ADC相當(dāng)便宜尤其是在12位的水平。然而

30、，在16位，Σ-Δ還提供了一種低成本的解決方案</p><p>　　4.7.2了解SAR ADC</p><p>　　逐次逼近寄存器（SAR）模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC ）代表大多數(shù)ADC市場(chǎng)中高解析度的ADC。SAR ADC提供了高達(dá)5MSPS （每秒百萬(wàn)次采樣）的采樣率，分辨率從8到18位。SAR結(jié)構(gòu)允許高性能，低功耗的ADC，被打包為小尺寸當(dāng)今要求苛刻的應(yīng)用程序。它還提供了SAR

31、ADC ，電容DAC ，也是高速比較器的心臟。</p><p>　　最后，本文將對(duì)比SAR結(jié)構(gòu)，通道及閃速ADC。在低于5MSPS采樣率的中到高分辨率應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)中，SAR ADC是常見(jiàn)的選擇。SAR ADC的最常用的分辨率范圍從8至16位，并提供低功耗和小尺寸。這種組合使得它們非常適合廣泛的應(yīng)用，如便攜式/電池供電儀表，筆輸入量化器，工業(yè)控制和數(shù)據(jù)/信號(hào)采集。</p><p>　　正如

32、其名稱所暗示的，SAR ADC，基本上實(shí)現(xiàn)了二進(jìn)制搜索算法。因此，由于逐次逼近算法ADC的采樣率是這個(gè)數(shù)字的一小部分，內(nèi)部電路可以在幾個(gè)兆赫（MHz）時(shí)被執(zhí)行。</p><p><b>　　體系結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　雖然實(shí)現(xiàn)了很多變化的SAR ADC，但是基本結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單（如圖4.32）。模擬輸入電壓（VIN）保持在一個(gè)采樣/保持。為實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制搜索算法，N

33、位寄存器首先設(shè)置為中等規(guī)模（即100....00，其中MSB被設(shè)置為“1”）。這迫使DAC輸出（VDAC）為VREF / 2，其中VREF是提供給ADC的參考電壓。然后進(jìn)行比較，以確定VIN是否小于或大于VDAC。</p><p>　　如果VIN大于VDAC，比較器輸出為邏輯高或“1”，N位寄存器的MSB保持為“1”。反之，如果VIN小于VDAC，比較器輸出是邏輯低和該寄存器的最高位被清為邏輯“0”。SAR控制邏

34、輯移至下一位，進(jìn)行下一次比較。按順序直到LSB。完成此操作后轉(zhuǎn)換完成，將N比特?cái)?shù)字字保存在寄存器內(nèi)。</p><p>　　Y軸（圖4.33中的粗線）表示DAC的輸出電壓。在該示例中，第一比較結(jié)果表明VIN <VDAC。因此，比特3設(shè)置為“0”。然后DAC設(shè)置為01002，并執(zhí)行第二比較。當(dāng)VIN> VDAC，位2保持為“1”。然后DAC設(shè)置為01102，然后執(zhí)行第三比較。位1被置為“0”，并在DAC被

35、設(shè)置到01012后，執(zhí)行最終比較。最后，因?yàn)閂IN> VDAC，位0保持為“1”。</p><p>　　四個(gè)比較期間都需要4位ADC。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)N位SAR ADC將需要N個(gè)比較周期，直到當(dāng)前的比較是完整的，否則將不準(zhǔn)備下一次轉(zhuǎn)換，。因此，這些類型的ADC是功率和節(jié)約的。一些市場(chǎng)上現(xiàn)有的最小ADC是基于SAR結(jié)構(gòu)的。</p><p>　　MAX1115-MAX1118系列是8位AD

36、C，以及他們更高分辨率的同行中，MAX1086和MAX1286的（分別為10和12位），適合在微小的SOT23封裝3mm測(cè)量3毫米。SAR型ADC的另一個(gè)特點(diǎn)是，采樣率的功耗尺度，不像閃速或流水線型ADC，它通常有恒定的功率消耗與采樣率。這在低功率應(yīng)用或數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中以不連續(xù)信號(hào)作為PDA的數(shù)字轉(zhuǎn)換器的情況下尤其有用。</p><p>　　SAR ADC，與其他的ADC結(jié)構(gòu)</p><p>

37、;　　本節(jié)比較了SAR ADC，內(nèi)置流水線ADC，快閃ADC和Σ-Δ型ADC。</p><p>　　SAR ADC與流水線結(jié)構(gòu)</p><p>　　流水線ADC采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)階段在一至數(shù)位（連續(xù)樣本內(nèi)）同時(shí)進(jìn)行工作。內(nèi)在的并行性增加吞吐量，但以功耗和延遲為代價(jià)。延遲在這種情況下，被定義為由ADC獲得模擬樣本的時(shí)間與在該數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出時(shí)間之間的差值。例如，一個(gè)5級(jí)流水線ADC的延遲至少

38、有5個(gè)時(shí)鐘周期，而一個(gè)SAR的延遲僅有一個(gè)時(shí)鐘周期。請(qǐng)注意，延遲定義僅適用于ADC，而不是SAR，它運(yùn)行在許多倍的頻率。</p><p>　　流水線型ADC經(jīng)常有數(shù)字誤差校正邏輯，在每個(gè)流水線階段用來(lái)減少閃速ADC（即比較器）的精度要求。另一方面，SAR ADC需要比較準(zhǔn)確的整體系統(tǒng)。一個(gè)流水線ADC比同等SAR通常顯著占用更多的硅片面積。例如一個(gè)SAR，擁有超過(guò)12位精度的流水線ADC，通常需要某種形式的微調(diào)或

39、校準(zhǔn)。</p><p>　　SAR ADC與Flash</p><p>　　閃速ADC是由一個(gè)大的比較器，每個(gè)由寬帶的，低增益的前置放大器（s）組成，后跟一個(gè)鎖存器。該前置放大器只需要提供增益，但不必是線性的或準(zhǔn)確的，就是，只有比較器的觸發(fā)點(diǎn)必須是準(zhǔn)確的。其結(jié)果是，一個(gè)閃速ADC是最快的可用結(jié)構(gòu)。初級(jí)權(quán)衡速度是顯著更低的功耗和更小的外形。雖然極快的8位閃速ADC（或它們的折疊/內(nèi)插變形），

40、采樣率高達(dá)1.5G/秒（如MAX104/MAX106/MAX108），但很難找到一個(gè)10位閃存，而12位（及以上）閃速ADC不是商業(yè)上可行的產(chǎn)品。</p><p>　　這完全是因?yàn)樵谝凰查g分辨率每增加一點(diǎn)比較器的數(shù)目上升了2倍，并在同一時(shí)間，每個(gè)比較器必須是準(zhǔn)確的兩倍。然而，在一個(gè)SAR ADC中，更高的分辨率需要更精確的零件，但復(fù)雜度不會(huì)成倍增加。當(dāng)然，SAR ADC是不能夠達(dá)到任何閃速ADC的速度的。<

41、/p><p>　　SAR ADC 與Σ-Δ轉(zhuǎn)換器</p><p>　　傳統(tǒng)的過(guò)采樣/Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器，常用在數(shù)字音頻應(yīng)用，限制在大約22kHz的帶寬。最近，一些高帶寬Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器已經(jīng)達(dá)到1-2MHz的帶寬，有12-16位分辨率。這些通常是高階Σ-Δ調(diào)制器（例如，四階或更高）結(jié)合了多位ADC和多位反饋DAC。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器具有不需要特別微調(diào)或校準(zhǔn)的先天優(yōu)勢(shì)，甚至達(dá)到16?18位的分辨率。因?yàn)椴蓸铀?/p>

42、率比有效帶寬高得多，在模擬輸入時(shí)他們也不需要陡降的抗混疊濾波器；后端數(shù)字濾波器考慮到這個(gè)。</p><p>　　Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的過(guò)采樣性質(zhì)在模擬輸入的任何系統(tǒng)噪聲中也可能趨向于“平滑”。然而，解決Σ-Δ轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的速度。需要采樣多次（至少16倍甚至更多），以生成一個(gè)最終的樣品，表明在Σ-Δ調(diào)制器內(nèi)部的模擬元件操作上比最終數(shù)據(jù)速率快的多。數(shù)字抽取濾波器的設(shè)計(jì)也是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要消耗大量的硅片面積。最快的高分辨率Σ-

43、Δ轉(zhuǎn)換器，預(yù)期在不久的將來(lái)也不會(huì)顯著高于幾MHz的帶寬。</p><p>　　綜上所述，SAR ADC的主要優(yōu)點(diǎn)是低功率消耗，高分辨率和精度，和外形尺寸小。由于這些優(yōu)點(diǎn)，SAR型ADC通?？梢耘c其他較大的第二功能集成。SAR結(jié)構(gòu)成為準(zhǔn)確整體系統(tǒng)的主要限制是較低的采樣率和構(gòu)架塊的要求（如DAC和比較器）。</p><p>　　4.7.3了解閃速ADC</p><p>

44、　　閃速ADC，也被稱為并行ADC，是對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的最快方式。閃速ADC非常適合需要非常大的帶寬的應(yīng)用程序，但是，它們通常消耗比其它ADC結(jié)構(gòu)更多的功率和一般僅限于8位分辨率。</p><p>　　閃速ADC由級(jí)聯(lián)的高速比較器構(gòu)成。每個(gè)比較器代表至少一個(gè)顯著位（LSB），并可以在一個(gè)比較周期來(lái)確定輸出代碼。閃速模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，也被稱為并行ADC，是對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的最快方式。它們

45、適用于需要非常大的頻帶寬度的應(yīng)用程序。然而，閃速轉(zhuǎn)換器消耗大量的功率，具有相對(duì)較低的分辨率，并且相當(dāng)昂貴。這限制了他們對(duì)高頻率的應(yīng)用。例如包括數(shù)據(jù)采集，衛(wèi)星通信，雷達(dá)處理，取樣示波器，和高密度光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　圖4.34顯示了一個(gè)典型的閃速ADC框圖。對(duì)于一個(gè)“N”位轉(zhuǎn)換器，該電路采用了2N-1個(gè)比較器。一個(gè)電

46、阻分壓器與2N電阻器提供參考電壓。每個(gè)比較器的參考電壓比緊接其下的比較器的基準(zhǔn)電壓大一個(gè)LSB。當(dāng)它的模擬輸入電壓比施加到它的參考電壓高時(shí)，每個(gè)比較器輸出“1”。否則，比較器輸出為“0”，因此，如果模擬輸入是在Vx4和Vx5之間，比較器x1到 X4輸出“1”，其余的比較器輸出“0”。</p><p>　　其中代碼改變從1到0變化的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是輸入信號(hào)比各自比較器的參考電壓電平較小的點(diǎn)。這就是所謂的溫度計(jì)碼編碼，如此

47、命名是因?yàn)樗愃埔粋€(gè)水銀溫度計(jì)，其中水銀柱總是上升到適當(dāng)?shù)臏囟群蜔o(wú)汞的含量高于該溫度。解讀溫度計(jì)代碼，以適當(dāng)?shù)臄?shù)字代碼輸出。比較器是典型的寬帶低增益級(jí)級(jí)聯(lián)。它們是低增益，因?yàn)樵诟哳l率下，很難同時(shí)獲得寬的帶寬和高增益。它們被設(shè)計(jì)用于低電壓的偏移，使得輸入各比較器的偏移量是比ADC的小一個(gè)LSB。否則，比較器的偏移量可能會(huì)誤跳閘，產(chǎn)生不代表溫度計(jì)代碼數(shù)字輸出代碼。在每個(gè)比較器輸出一個(gè)再生鎖存器存儲(chǔ)結(jié)果。閂鎖具有正反饋，從而使端狀態(tài)被強(qiáng)制為任

48、一“1”或“0”。</p><p><b>　　閃速代碼</b></p><p>　　通常情況下，比較器的輸出將是一個(gè)溫度計(jì)代碼，如00011111。錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致像00010111（即，有一個(gè)偽零的結(jié)果）輸出。此順序?yàn)椤?”的被稱為閃速。這可能是由不穩(wěn)定完整輸入或比較時(shí)序不匹配引起的。該誤差的幅值可以是相當(dāng)大的?，F(xiàn)代的轉(zhuǎn)換器，如MAX104采用一種輸入跟蹤和保持，連

49、同前面ADC抑制閃速碼的編碼技術(shù)。</p><p><b>　　元穩(wěn)定性</b></p><p>　　當(dāng)數(shù)字比較器的輸出是模糊的（既不是一，也不是零），輸出被定義為亞穩(wěn)態(tài)。元穩(wěn)定性可以通過(guò)減少允許更多的時(shí)間進(jìn)行再生。格雷碼編碼也可以大大提高元穩(wěn)定性。格雷碼編碼只允許一個(gè)輸出位改變的時(shí)間。比較器輸出首先被轉(zhuǎn)換為格雷碼編碼，如果需要的話然后解碼后為二進(jìn)制。當(dāng)一元穩(wěn)定的輸出

50、驅(qū)動(dòng)兩個(gè)不同的電路時(shí)，另一個(gè)問(wèn)題會(huì)出現(xiàn)。這就是可能一個(gè)電路需要輸入“1”，而其他電路認(rèn)為這是一個(gè)“0”，這會(huì)造成重大的錯(cuò)誤。為了避免這種情況，應(yīng)該僅一個(gè)電路感應(yīng)電位的輸出。</p><p><b>　　輸入信號(hào)頻率依賴性</b></p><p>　　在所有比較器之前的輸入信號(hào)的變化已經(jīng)完成了他們的取決時(shí)，ADC的性能將受到不利影響。最嚴(yán)重的影響是一個(gè)陡降的信號(hào)噪聲比加

51、上失真比（SINAD）作為頻率的模擬輸入頻率的增加。測(cè)量無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）是觀察轉(zhuǎn)換器性能的好方法?！坝行弧笔菍?shí)現(xiàn)輸入頻率的函數(shù)。這可以在ADC之前通過(guò)添加一個(gè)跟蹤和保持（T/ H）電路加以改進(jìn)。這有著顯著的改善，尤其是當(dāng)輸入頻率接近奈奎斯特頻率，如圖所示4.35（取自MAX104數(shù)據(jù)表）所示。在關(guān)閉的SFDR中部分沒(méi)有跟蹤和保持會(huì)顯示顯著下降。</p><p><b>　　時(shí)鐘抖動(dòng)</

52、b></p><p>　　采樣時(shí)鐘有抖動(dòng)時(shí)，信號(hào)-噪聲比（SNR）會(huì)劣化。這對(duì)于高模擬輸入頻率變得明顯。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的結(jié)果，重要的是提供了ADC的低抖動(dòng)，采樣時(shí)鐘源。</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)權(quán)衡</b></p><p>　　ADC可通過(guò)采用各種硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。這些替代品之間的特等權(quán)衡是：</p><p>　

53、　——完成轉(zhuǎn)換需要時(shí)間（轉(zhuǎn)換時(shí)間）。對(duì)于閃存轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間實(shí)質(zhì)上是分辨率改變。轉(zhuǎn)換時(shí)間為SAR或流水線轉(zhuǎn)換器近似線性地增加分辨率（如圖4.34a）。對(duì)于集成ADC，每一點(diǎn)增加分辨率，轉(zhuǎn)換時(shí)間增加一倍。</p><p>　　——部件匹配電路的要求。閃速ADC元件匹配通常限制分辨率約8位。校準(zhǔn)和修整有時(shí)可用于改善芯片的匹配。每一點(diǎn)增加分辨率元件匹配的要求要增加一倍。逐次逼近或流水線轉(zhuǎn)換器適用于閃存，而不是集成的轉(zhuǎn)換

54、器。對(duì)于集成轉(zhuǎn)換器，元件匹配不會(huì)因?yàn)榉直媛试黾佣a(chǎn)生重大的增加（如圖4.34B）。</p><p>　　模具尺寸，成本和功耗。對(duì)于閃存轉(zhuǎn)換器，每一點(diǎn)增加的分辨率使ADC核心電路的尺寸幾乎翻了一番。功率也增加了一倍。相反，SAR，流水線，或Σ-ΔADC芯片尺寸會(huì)因增加的分辨率線性增加和一個(gè)集成轉(zhuǎn)換器的核心芯片尺寸將不會(huì)因分辨率變化而有重大的增加（如圖4.36）。芯片尺寸的增加成本也會(huì)隨著增加。</p>

55、<p>　　閃速與逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器</p><p>　　SAR轉(zhuǎn)換器，是單一的高速位。模擬輸入與輸出由預(yù)先設(shè)定的更新位的DAC相比，比較器在一個(gè)周期內(nèi)要高一位。SAR這一系列性質(zhì)限制了它的速度不超過(guò)幾Msps，而閃速ADC的轉(zhuǎn)換率每秒超過(guò)千兆（GSPS）。SAR轉(zhuǎn)換器的分辨率可高達(dá)16位。這種裝置的一個(gè)例子是MAX1132。閃速ADC通常限制在8比特。較慢的速度使SAR ADC是在功耗上也低得

56、多。</p><p>　　例如，MAX1106，8位SAR轉(zhuǎn)換器，采用100μA，3.3V與25ksps的轉(zhuǎn)換率。該MAX104功耗5.25W。這在功耗方面比MAX1106高大約16,000倍，而且其最高采樣速率也是其速度的40000倍。 SAR結(jié)構(gòu)也更便宜。在1K量的MAX1106售價(jià)約為1.51美元，而MAX104在銷售大約為398美元，閃速轉(zhuǎn)換器的封裝尺寸較大。除了較大的裸片尺寸，需要一個(gè)更大的包，包需要消

57、耗大量的電力，需要很多的大頭針以獲得電源和接地信號(hào)完整性。該MAX104的封裝尺寸比MAX1106大50倍以上。</p><p>　　閃速與流水線型ADC</p><p>　　流水線ADC采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)階段同時(shí)作用于連續(xù)抽樣一個(gè)到幾個(gè)比特。這種提高速度是以功耗和延遲為代價(jià)。然而，每個(gè)流水線階段比閃速部分慢得多。流水線ADC需要在DAC和級(jí)間放大器精確放大，并且這些階段必須解決所需的

58、線性度水平。與此相反，在快閃型ADC中，比較器只需要低的偏移，并能夠解決其輸入到一個(gè)數(shù)字電平（即，不存在所涉及的線性穩(wěn)定時(shí)間）。然而，一些閃速轉(zhuǎn)換器需要預(yù)放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)比較器。需要仔細(xì)地指定線性增益。流水線轉(zhuǎn)換器分辨率能夠達(dá)到8-14位，轉(zhuǎn)換速度大約為100MSPS。</p><p>　　流水線轉(zhuǎn)換器的一個(gè)例子是MAX1449，為105MHz，10位ADC。對(duì)于給定的分辨率，相比同類分辨率閃速轉(zhuǎn)換器，流水線ADC大

59、約慢10倍。流水線轉(zhuǎn)換器可能用于需要速率高達(dá)100MSPS左右，分辨率為10位及以上的采樣ADC的最佳結(jié)構(gòu)。高達(dá)10位，高于幾百M(fèi)sps的轉(zhuǎn)換率的解決方案，閃速ADC占據(jù)主導(dǎo)地位。有趣的是，也有一些情況下，閃速ADC是隱藏為一個(gè)轉(zhuǎn)換器的體系結(jié)構(gòu)，以提高其速度。在這種情況下，例如，在MAX1200，它包括一個(gè)內(nèi)部的5位快閃型ADC的16位流水線ADC。</p><p><b>　　閃速與積分型ADC<

60、;/b></p><p>　　單路，雙路和多斜率ADC可實(shí)現(xiàn)16位或更高的分辨率是相對(duì)便宜和消耗更少的功率。這些器件支持非常低的轉(zhuǎn)換率，通常小于每秒幾百個(gè)樣本。大多數(shù)應(yīng)用程序是在儀器儀表和工業(yè)市場(chǎng)監(jiān)測(cè)直流信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)對(duì)Σ-Δ轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)具有競(jìng)爭(zhēng)性。</p><p><b>　　閃速與Σ-ΔADC</b></p><p>　　閃速ADC不同

61、這種結(jié)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)槟壳八苓_(dá)到的轉(zhuǎn)換率相差可達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。Σ-Δ結(jié)構(gòu)適合于低得多的帶寬，典型地在1MHz以下，應(yīng)用程序的分辨率范圍在12到16位。這些轉(zhuǎn)換器在ADC中可以達(dá)到最高的分辨率。他們需要更簡(jiǎn)單的抗混疊濾波器（如需要），以限制波段轉(zhuǎn)換之前的信號(hào)。他們轉(zhuǎn)換速度的分辨率經(jīng)過(guò)過(guò)采樣，然后通過(guò)過(guò)濾，以減少噪音。然而，這些裝置對(duì)多通道應(yīng)用并非總是有效的。</p><p>　　此體系結(jié)構(gòu)可以通過(guò)使用采樣數(shù)據(jù)過(guò)濾器（也

62、稱為調(diào)制器）或連續(xù)時(shí)間濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于較高頻率的轉(zhuǎn)化率的連續(xù)時(shí)間結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換率為6-8位的低分辨率范圍內(nèi)速度達(dá)到在上百M(fèi)sps是可能的。這種方法還處于早期研發(fā)階段，并提供競(jìng)爭(zhēng)在較低的轉(zhuǎn)換率范圍閃存的替代品。閃速ADC另一個(gè)有趣的用途是Σ-Δ電路內(nèi)部存在的構(gòu)造塊，增加了ADC的轉(zhuǎn)換速度。</p><p><b>　　子區(qū)域ADC</b></p><p>　　對(duì)于一個(gè)給定

63、的分辨率，當(dāng)需要更高分辨率的轉(zhuǎn)換器或更小的芯片尺寸和功耗，多級(jí)轉(zhuǎn)換被應(yīng)用了。這種體系結(jié)構(gòu)被稱為一個(gè)子區(qū)域轉(zhuǎn)換器。有時(shí)也被稱為多步或半閃速轉(zhuǎn)換器。這種結(jié)合的思想來(lái)自逐次逼近和閃存結(jié)構(gòu)。子區(qū)域的ADC通過(guò)運(yùn)行一個(gè)較低的分辨率閃速轉(zhuǎn)換器降低被轉(zhuǎn)換的比特為較小的基團(tuán)。相比閃速轉(zhuǎn)換器（圖4.37）這種方法減少了比較器的數(shù)量，降低邏輯的復(fù)雜性。與閃存相比，結(jié)果是轉(zhuǎn)換速度較慢。</p><p>　　MAX153實(shí)現(xiàn)了具有8位，

64、1Msps的ADC子范圍結(jié)構(gòu)。該電路采用的兩步法。第一步，用一個(gè)4位轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成。創(chuàng)建A殘基，其中4比特轉(zhuǎn)換的結(jié)果轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)（具有8位精度的DAC），并從輸入信號(hào)中減去。該殘基是由4位ADC再次轉(zhuǎn)換和所述第一和第二遍的結(jié)果進(jìn)行組合，以提供8位數(shù)字輸出。</p><p>　　4.7.4了解流水線型ADC</p><p>　　本節(jié)介紹了流水線ADC的結(jié)構(gòu)和運(yùn)作。它討論了流水線型ADC，如

65、構(gòu)建，延時(shí)，數(shù)字糾錯(cuò)，元件精度和數(shù)字校準(zhǔn)的關(guān)鍵性能特征。該流水線ADC已經(jīng)成為最流行的ADC結(jié)構(gòu)，采樣率從每秒數(shù)兆樣本（MSPS）到100MSPS，由8位分辨率到更快的高達(dá)16位的分辨率。</p><p>　　這類解決方案和采樣率涵蓋了廣泛的應(yīng)用，包括CCD成像，超聲醫(yī)療成像，數(shù)字接收機(jī)，基站，數(shù)字視頻（例如HDTV），xDSL，電纜調(diào)制解調(diào)器和快速以太網(wǎng)。低采樣率的應(yīng)用仍然是逐次逼近寄存器（SAR）的定義域和集

66、成結(jié)構(gòu)（以及最近的過(guò)采樣/Σ-Δ型ADC），而最高取樣率（幾百M(fèi)S每秒或更高），仍然使用閃速ADC及其變形。但是，它是安全地說(shuō)，在最近幾年各種形式的流水線ADC的速度，分辨率，動(dòng)態(tài)性能大大提高，并且功耗降低。</p><p><b>　　流水線ADC結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　圖4.38顯示了一個(gè)12位流水線ADC一個(gè)可能的框圖。在這里，模擬輸入電壓VIN首先取

67、樣，并用一個(gè)采樣保持（S＆H）保持穩(wěn)定，而在第一階段的閃速ADC量化到3位。3位輸出，然后輸入到一個(gè)3位DAC（精確到大約12位），以及從輸入中減去模擬輸出。這個(gè)“殘基”，然后獲得了由4倍并送入下一階段（階段2 ） 。這樣獲得的殘?jiān)^續(xù)通過(guò)管道，提供每階段3比特，直到達(dá)到4位快閃型ADC ，它解決了最后4LSB比特。因?yàn)閺拿總€(gè)階段中的位在不同的時(shí)間點(diǎn)是確定的，被饋送到數(shù)字糾錯(cuò)邏輯之前用移位寄存器對(duì)準(zhǔn)所有相應(yīng)于相同樣品中位的進(jìn)行時(shí)間。需要

68、注意的是，只要某一個(gè)階段完成處理的樣品中，確定位，并通過(guò)將殘余物到下一個(gè)階段，它可以開(kāi)始處理下一個(gè)樣本，由于取樣和保持嵌入在每個(gè)階段內(nèi)，這種流水線操作占了高吞吐量。</p><p><b>　　潛在</b></p><p>　　因?yàn)槊總€(gè)樣品都有貫穿整個(gè)通道傳播及其所有相關(guān)位可用于數(shù)字誤差校正邏輯結(jié)合之前，數(shù)據(jù)延遲與流水線ADC的關(guān)聯(lián)。在圖4.39的例子中，這個(gè)等待時(shí)間

69、大約是三個(gè)周期。</p><p><b>　　數(shù)字誤差校正</b></p><p>　　最現(xiàn)代的流水線ADC的采用所謂的“數(shù)字誤差校正”技術(shù)，來(lái)大大降低閃速ADC（因此單個(gè)比較器）精確度的要求。在圖4.39，3位殘基在求和節(jié)點(diǎn)的輸出只有原始階段輸入端（VIN）動(dòng)態(tài)范圍的八分之一，然而在隨后的增益只有4。因此，在階段2中輸入到階段2的只占據(jù)了3位ADC一半的范圍，（即，

70、當(dāng)在階段1不存在前3位錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)換）。</p><p>　　當(dāng)應(yīng)用模擬輸入接近這個(gè)比較器的觸發(fā)點(diǎn)，如果比較器中的一個(gè)在前3位的閃速ADC具有顯著偏移，因此一個(gè)錯(cuò)誤的3位代碼，不正確的3位DAC輸出會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不同的殘基。言下之意是，在圖4.39中整個(gè)ADC沒(méi)有準(zhǔn)確的閃速ADC。 事實(shí)上，在階段一至四的3位閃速ADC只需要大約4位的精度。數(shù)字誤差校正不會(huì)糾正在最后4位閃存轉(zhuǎn)換造成的錯(cuò)誤。然而，這里的任何錯(cuò)誤是由前4位閃

71、存大增益造成的，要求最后階段只有超過(guò)4位才是準(zhǔn)確的。在圖4.39中，雖然每個(gè)階段產(chǎn)生3位原始比特，因?yàn)榧?jí)間增益為只有4，每個(gè)階段（階段一至四個(gè)）有效地解決僅2比特。因此整個(gè)ADC的比特的有效數(shù)量為2+2+2+2+4=12比特。</p><p><b>　　元件精度</b></p><p>　　數(shù)字誤差校正確實(shí)在個(gè)別DAC和放大器的增益有不正確的增益或線性誤差。特別是，

72、在前端采樣和容納，DAC需要大約12位精度，而在后續(xù)階段中的組件需要更少的精度（例如，階段2為10位，階段3為8位，等等），因?yàn)樗麄兊恼`差項(xiàng)是由預(yù)割讓間增益（次）分頻。事實(shí)是常常利用通過(guò)使流水線階段逐漸變小，以進(jìn)一步節(jié)省功耗。</p><p>　　在大多數(shù)流水線設(shè)計(jì)CMOS或Bi CMOS技術(shù)，S＆H，DAC，求和節(jié)點(diǎn)，以及增益放大器ADC時(shí)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)單一的開(kāi)關(guān)電容電路塊通常被稱為乘法DAC（MDAC）。主要的限

73、制因素是MDAC精度與固有電容器不匹配。實(shí)現(xiàn)純粹雙極比較復(fù)雜，將主要受到電阻不匹配電流源DAC和級(jí)間增益放大器的影響。在一般情況下，大約12位的精度或更高時(shí)，某種形式的電容/電阻微調(diào)或數(shù)字校準(zhǔn)是必需的，尤其是在你前第幾個(gè)階段。</p><p><b>　　數(shù)字校準(zhǔn)</b></p><p>　　MAX1200，MAX1201和MAX1205型ADC，采樣率分別為16位，

74、14位和2位。MAX系列采用數(shù)字化校準(zhǔn)，以確保其出色的精度和動(dòng)態(tài)性能。MAX1200系列是CMOS流水線ADC，具有4個(gè)4位級(jí)（含1位重疊），并且具有一個(gè)5位閃速ADC，在圖4.40中可以看出，一共有3+3+3+3+5=17個(gè)原始比特。按數(shù)字校準(zhǔn)量化誤差額外的1-3位都需要比ADC本身更高的精度，讓無(wú)論是14位還是整體的16位都會(huì)被丟棄。</p><p>　　在第三階段的開(kāi)始校準(zhǔn)來(lái)自乘法數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（MDAC

75、）；超越第三階段的MDAC誤差項(xiàng)足夠小，沒(méi)有必要校正。第三級(jí)的輸出由其余流水線ADC進(jìn)行數(shù)字化，并將誤差項(xiàng)保存在RAM上。一旦第三MDAC被校準(zhǔn)后，它可以以類似的方式來(lái)校準(zhǔn)第二MDAC。同樣，一旦在第二和第三MDAC被校準(zhǔn)，它們用來(lái)校準(zhǔn)第一MDAC。均是使用同樣的方法（尤其是在第一和第二MDAC），以保證校準(zhǔn)是無(wú)噪聲的。在正常轉(zhuǎn)換時(shí)，這些誤差項(xiàng)被從RAM中調(diào)出，用于調(diào)整數(shù)字誤差校正邏輯輸出。</p><p>　　

76、流水線ADC與SAR ADC</p><p>　　在一個(gè)逐次逼近寄存器（SAR）ADC，位是由一個(gè)單一的高速，高精度點(diǎn)到點(diǎn)的比較器，從MSB下降到LSB，來(lái)決定的，位由模擬輸入與輸出由預(yù)先更新的DAC比較決定，并依次接近模擬輸入。SAR這一系列性質(zhì)限制了它的運(yùn)行速度，不超過(guò)幾MS /s，還是慢于非常高的分辨率（14-16位）。但是，流水線ADC，采用了并行結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)階段同時(shí)工作于1個(gè)至數(shù)位（連續(xù)樣本內(nèi)）。雖然

77、在SAR只有一個(gè)比較器，但是該比較器比較快（主頻約為x比特?cái)?shù)的采樣率）和ADC本身也很精確。與此相反，沒(méi)有一個(gè)流水線ADC內(nèi)部的比較器需要這種速度和準(zhǔn)確性。</p><p>　　然而，一個(gè)流水線ADC比同等SAR通常顯著需要最多的硅片面積。SAR也只顯示一個(gè)周期（一個(gè)周期=1/F sample）的延遲，其他典型的通道大約在三個(gè)或以上的周期。就像一個(gè)通道，SAR一般超過(guò)12位的精度，通常需要某種形式的微調(diào)或校準(zhǔn)。&

78、lt;/p><p>　　流水線ADC與Flash ADC</p><p>　　盡管流水線ADC固有并行性，仍需要在DAC和級(jí)間增益放大器準(zhǔn)確模擬放大，因而具有顯著的線性穩(wěn)定時(shí)間。純粹閃速ADC，一方面，有比較器堆棧，其次是鎖存每個(gè)寬帶和低增益前置放大器。該前置放大器，不像流水線ADC的放大器，需要提供的增益甚至不必須是線性的或準(zhǔn)確的，只有比較器的觸發(fā)點(diǎn)必須是準(zhǔn)確的。結(jié)論是，一個(gè)流水線ADC在速

79、度上與精心設(shè)計(jì)的閃速ADC是無(wú)法比擬的。</p><p>　　雖然極快的8位閃速ADC（或它們的折疊/內(nèi)插變形），取樣率高達(dá)1.5Gsps（例如，MAX104/MAX106/MAX108），但很難找到一個(gè)10位閃存，而12位（或以上）閃速ADC不是商業(yè)上可行的產(chǎn)品。這完全是因?yàn)闉榻鉀Q每一個(gè)額外的位比較器的數(shù)目在一瞬間上升到2倍，并在同一時(shí)間每個(gè)比較器必須是準(zhǔn)確的兩倍。然而，在傳遞中，分辨率一階的復(fù)雜性只線性地增大

80、，而不是指數(shù)增大。采樣速率由兩個(gè)通道和閃速獲取，流水線ADC往往比閃速有低得多的功耗。一個(gè)通道也往往不容易達(dá)到比較器的元穩(wěn)定。</p><p>　　在一瞬間比較器元穩(wěn)定可能會(huì)導(dǎo)致閃速代碼錯(cuò)誤（其中ADC提供不可預(yù)知的，不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果條件）。</p><p>　　流水線ADC與Σ-Δ轉(zhuǎn)換器ADC</p><p>　　傳統(tǒng)上，過(guò)采樣/Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器的數(shù)字音頻常用在有限

81、的帶寬，大約22kHz左右。</p><p>　　但最近一些高帶寬Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器已經(jīng)達(dá)到1-2MHz的帶寬與12-16位分辨率。這些通常是非常高階（例如，四階甚至更高）的Σ-Δ調(diào)制器，集成了多比特ADC和多位反饋DAC，其主要應(yīng)用在ADSL。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器無(wú)需特殊修剪/校準(zhǔn)的本質(zhì)，甚至對(duì)16?18位分辨率也同樣有用。</p><p>　　他們還要求抗混疊濾波器的模擬輸入沒(méi)有陡降，因?yàn)椴蓸铀俾?/p>

82、比有效帶寬高得多;后端數(shù)字濾波器考慮到這個(gè)問(wèn)題。Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的過(guò)采樣特性在任何系統(tǒng)噪聲模擬輸入也趨于“平滑”。然而，Σ-Δ轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的速度解決方法。需要采樣多次（例如，至少16倍，但通常高得多），以生成一個(gè)最終的樣品，在Σ-Δ調(diào)制器的內(nèi)部的模擬元件操作比最終數(shù)據(jù)速率快得多。</p><p>　　數(shù)字抽取濾波器也是平凡的設(shè)計(jì)和占用了大量硅片面積。預(yù)期在不久的將來(lái)最快的高分辨率Σ-Δ型轉(zhuǎn)換器，帶寬不會(huì)超過(guò)幾兆赫。

83、像流水線型ADC，Σ-Δ轉(zhuǎn)換器還具有延時(shí)。</p><p>　　半流水線ADC與半閃速ADC（二步法）</p><p>　　兩步閃速可以概括為兩個(gè)階段的傳輸。然而，隨著位的數(shù)目上升（例如，12位或更高）與數(shù)字誤差校正，每個(gè)階段都需要納入的6至7位閃速ADC。級(jí)間增益放大器也需要非常高的增益。因此，對(duì)于更高的分辨率，使用超過(guò)兩個(gè)階段是明智的。</p><p>　　流水

84、線ADC是從采樣速率幾MS每秒到高達(dá)100MS每秒精選的體系結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換器，提供高速，高分辨率和低功耗的同時(shí)，復(fù)合物比特?cái)?shù)上升僅僅是線性的（不是指數(shù)）。他們應(yīng)用廣泛，特別是在數(shù)字通信領(lǐng)域，其中一個(gè)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)性能往往比傳統(tǒng)的DC規(guī)格更重要，如微分非線性（DNL）和積分非線性（INL）。在大多數(shù)應(yīng)用中他們的數(shù)據(jù)延遲是很少關(guān)注的。</p><p>　　4.8數(shù)字 - 模擬控制</p><p>　

85、　DAC，一方面，輸入一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，并輸出一個(gè)模擬電壓或電流信號(hào)。如圖4.41以方框圖的形式顯示信息。盡管數(shù)碼設(shè)備已經(jīng)很普及，但是現(xiàn)實(shí)世界中信號(hào)通常由模擬信號(hào)表示。數(shù)字控制系統(tǒng)通過(guò)使用ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字來(lái)處理現(xiàn)實(shí)世界的模擬信號(hào)。再使用DAC來(lái)轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)。Maxim提供從8到16位完整產(chǎn)品線精度的DAC。找到一個(gè)能滿足應(yīng)用程序要求的DAC是很重要的。設(shè)計(jì)工程師選擇一個(gè)DAC時(shí)，需要看參數(shù)，如線性度，分辨率，速度和準(zhǔn)確度。盡管廣

86、泛使用數(shù)碼電子，但是現(xiàn)實(shí)世界仍然是模擬的。結(jié)論是，需要在數(shù)字和模擬部分之間建立一個(gè)DAC系統(tǒng)。下面的討論涵蓋了應(yīng)該選擇DAC時(shí)必須考慮的重要參數(shù)，同時(shí)也突出了新設(shè)備提供的一些有趣的功能?，F(xiàn)在大多數(shù)電子設(shè)備包括數(shù)字控制電路，模擬值仍然需要控制閥，揚(yáng)聲器，和其他致動(dòng)器。</p><p>　　從數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換通常是在專用的D / A轉(zhuǎn)換器上來(lái)實(shí)現(xiàn)的。DAC可以從眾多的選擇中按照轉(zhuǎn)換的要求和系統(tǒng)設(shè)置選擇可用的標(biāo)準(zhǔn)電路。

87、在選擇的DAC中，第一步是確定所需的分辨率N，其中最大模擬輸出等于2N個(gè)LSB。市場(chǎng)提供的DAC最大產(chǎn)品品種在指定的8-16位分辨率范圍內(nèi)（256-65,536步）。然而，沒(méi)有給出準(zhǔn)確的分辨率，因?yàn)槠渌`差源必須被考慮在內(nèi)。下一個(gè)關(guān)心的參數(shù)是INL，其描述了DAC的傳遞函數(shù)的線性偏差。對(duì)于DAC的，每一步都要測(cè)量這種偏差（如圖4.42A）。</p><p>　　直線是實(shí)際傳遞函數(shù)或傳遞函數(shù)的終點(diǎn)之間畫(huà)一條線（減去

88、增益和失調(diào)誤差后）的最佳逼近。雖然低成本的設(shè)備指定此參數(shù)高達(dá)±16LSBs，它往往可以通過(guò)使用操作軟件提高修正系數(shù)。對(duì)于高端的DAC，INL值比±1LSB更好。DNL是實(shí)際臺(tái)階高度和理想LSB值之間的差異。</p><p>　　DNL的目標(biāo)值（<1LSB）確保DAC是單調(diào)的。這意味著沒(méi)有數(shù)據(jù)丟失，因?yàn)檩敵鲎兓偸欠蠑?shù)字輸入，它增加了數(shù)字增量響應(yīng)，并降低了數(shù)字遞減響應(yīng)。圖4.42b中依據(jù)

89、傳遞函數(shù)定義DNL。在圖4.42c中繪制了理想值實(shí)際輸出的偏差。對(duì)于數(shù)模轉(zhuǎn)換器，當(dāng)數(shù)字輸入是零時(shí)，偏移誤差等于輸出電壓。對(duì)于所有的輸入值這個(gè)偏差值保持恒定，并且通常可以通過(guò)校正電路來(lái)補(bǔ)償。偏移誤差通常指定為以毫伏的絕對(duì)值，而不是最低有效位。（最低有效位中的偏移誤差取決于輸出步驟的高度，這又取決于參考電壓的電平。）可接受的偏移誤差通常小于±10mV。</p><p>　　增益誤差定義為減去偏移誤差（圖4.

90、42d）后的理想最大輸出電壓與傳遞函數(shù)的實(shí)際的最大值之間的差。因?yàn)樵鲆嬲`差改變傳遞函數(shù)的斜率，每個(gè)步驟它都提供了相同的百分比誤差。增益誤差表示在最低有效位或毫伏，作為最大值的百分比。</p><p><b>　　動(dòng)態(tài)輸出特性</b></p><p>　　一個(gè)理想的DAC將在數(shù)字值被輸入到輸入端后立即輸出其模擬輸出。然而，實(shí)際的DAC，并處穩(wěn)定時(shí)間是由輸出驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部傳

91、播延遲和有限的壓擺率決定的。穩(wěn)定時(shí)間開(kāi)始于一個(gè)轉(zhuǎn)換的開(kāi)始，當(dāng)DAC輸出穩(wěn)定，并包括任何靜態(tài)誤差耦合到輸出時(shí)，結(jié)束。雖然這是由DAC本身引起，但是由不正確的接地和電路板布局造成的影響將變得更加嚴(yán)重。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)接口</b></p><p>　　以前，使用最廣泛的數(shù)據(jù)接口是并行類型。一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)協(xié)議仍然提供了高速傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。而另一方面，串行接口的低

92、引腳數(shù)，需要更少的電路板空間，并且允許更小的封裝。該SPI（串行外設(shè)接口）和及其相關(guān)類型，IC制造商和用戶只需要更簡(jiǎn)單的處理，比2線I2C兼容接口有更大的市場(chǎng)份額。</p><p>　　SPI是一個(gè)3線接口（數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)輸出和時(shí)鐘）也需要一個(gè)片選線的設(shè)備尋址。因?yàn)樾盘?hào)路徑常常需要好的電隔離，3線接口提供的單向數(shù)據(jù)線成為又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)（單向線路的隔離是很容易用光電耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)）。新的DAC，如12位MAX5539和M

93、AX5543集成在隔離封裝內(nèi)，從而簡(jiǎn)化了工業(yè)設(shè)備的模擬數(shù)據(jù)輸出的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　參考電壓</b></p><p>　　在很大程度上，DAC的特點(diǎn)是由它的參考電壓定義，DAC的輸出是否需要從外部施加。</p><p>　　首先，如果輸出信號(hào)是不通過(guò)額外的輸出級(jí)放大，將參考電壓（VREF）設(shè)置為DAC的最大輸出電壓。參考電壓還限

94、定在輸入時(shí)響應(yīng)于輸出的變化1LSB過(guò)渡</p><p>　　的電壓階躍。第一步設(shè)置其等于VREF/2N，其中N是DAC的分辨率。在一個(gè)恒定的溫度，基準(zhǔn)輸出電壓在它的初始精度指定的范圍內(nèi)變化。對(duì)于溫度變化時(shí)，輸出電壓漂移對(duì)DAC的質(zhì)量有著直接關(guān)系。</p><p>　　表4.3顯示，DAC在其參考電壓需要最小的漂移。集成引用通常在100PPM/℃，因此合格的只能在有限的溫度范圍內(nèi)。一個(gè)例外是

95、12-/13-bit MAX5122/MAX5132，其集成的最大漂移精密基準(zhǔn)指定為10ppm/℃（典型值為3ppm/℃）。當(dāng)連接一個(gè)外部基準(zhǔn)，我們不僅應(yīng)考慮所需的電流和DAC的參考輸入電壓范圍，也要考慮DAC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的任何動(dòng)態(tài)影響。隨著所施加的數(shù)字值的變化，參考輸入電阻也隨著改變。</p><p>　　因此，選擇的基準(zhǔn)必須能夠保證在每個(gè)載荷步的要求時(shí)間內(nèi)，或添加電容器或運(yùn)算放大器緩沖器。DAC，帶有一個(gè)外

96、部參考輸入（如MAX5170）也可以操作乘法模式。一個(gè)可變電壓（而不是一個(gè)常數(shù)1）被施加到參考輸入端（如圖4.43）?？勺冸妷撼艘哉{(diào)整后的數(shù)字輸入值，并轉(zhuǎn)移到輸出端，產(chǎn)生一個(gè)精確的數(shù)字電位器的效果。</p><p>　　此操作模式中，我們應(yīng)該考慮DAC的帶寬和電壓范圍，以及參考輸入的動(dòng)態(tài)特性;如在數(shù)字零通過(guò)從參考輸入到輸出的電壓饋送。</p><p><b>　　輸出級(jí)</

97、b></p><p>　　DAC的輸出級(jí)可以被設(shè)計(jì)為提供一個(gè)電壓輸出或電流輸出，但更簡(jiǎn)單的電壓輸出有一個(gè)更大的市場(chǎng)份額。</p><p>　　有些Maxim的設(shè)備提供的固定電壓輸出增益或一個(gè)不受約束的放大器作為選項(xiàng)，即所謂的“強(qiáng)制檢測(cè)”輸出。這種安排有助于通過(guò)兩個(gè)外部電阻設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的增益（如圖圖4.44a）。力感應(yīng)電壓輸出也有助于實(shí)現(xiàn)電流輸出（圖4.44b）</p>

98、<p>　　MAX5120/MAX5170系列提供了一種特殊的啟動(dòng)功能叫作毛刺預(yù)防。如果沒(méi)有這種功能，DAC輸出簡(jiǎn)單地遵循在上電時(shí)的電源電壓，直到集成電路開(kāi)始工作。該操作會(huì)有3V的高脈沖破壞輸出，這可能會(huì)導(dǎo)致下面的電路出現(xiàn)故障。MAX5120/MAX5170設(shè)備可以抑制這種脈沖。他們還提供一個(gè)上電復(fù)位，清除所有DAC寄存器。如需要雙極性輸出級(jí)，該復(fù)位可以在電壓0V到一半的最大輸出電壓（中端）間調(diào)節(jié)。大多數(shù)新的設(shè)備由一個(gè)單極電源

99、供電，但如果我們?cè)黾右粋€(gè)外部雙極放大器和定義最大輸出電壓的中端為零，他們可以提供雙極性輸出信號(hào)。</p><p>　　12位MAX530工作在雙極性電源并直接提供雙極性輸出把電壓。至于為DAC供電另一個(gè)考慮是可能發(fā)生閉鎖，如果一個(gè)數(shù)字輸入電壓為0.3V，高于電源電壓。特別地，上電或斷電時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)不應(yīng)該被應(yīng)用到DAC輸入端。防止這個(gè)問(wèn)題，在圖4.45中所示的肖特基二極管用于提供保護(hù)。</p><

100、p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　——在虛擬儀器數(shù)據(jù)采集設(shè)備包含三個(gè)主要階段——數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，與數(shù)據(jù)操作。</p><p>　　——數(shù)據(jù)采集是通過(guò)使用各種設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集，傳感器，等等。對(duì)特征性質(zhì)和這些工具的主要特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的討論。</p><p>　　——數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)是通過(guò)使用諸如放大，濾波，隔離，等等各種技術(shù)。對(duì)特

101、征性質(zhì)和這些工具的主要特點(diǎn)進(jìn)行了細(xì)節(jié)劃定。</p><p>　　——要特別注意，最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亟忉層嘘P(guān)在市場(chǎng)上可買到的各種數(shù)據(jù)采集和ADC。在幾個(gè)設(shè)備中也要進(jìn)行比較，以證明其性能的霸主地位。</p><p><b>　　復(fù)習(xí)題</b></p><p>　　給出完整測(cè)量系統(tǒng)方框圖的部件，并解釋各塊的功能。</p><p>　　繪

102、制傳感器的原理圖。</p><p>　　寫(xiě)出化學(xué)，物理和生物傳感器之間的差異。</p><p>　　傳感器的特征是什么？</p><p>　　詳細(xì)講解電容式傳感器及其應(yīng)用。</p><p><b>　　給出傳感器的定義。</b></p><p>　　傳感器的類型有哪些？</p>&l

103、t;p><b>　　寫(xiě)出換能器的特性。</b></p><p>　　解釋下：RTD和應(yīng)變計(jì)。</p><p>　　列出一般的信號(hào)調(diào)理功能。</p><p>　　大概解釋下ADC的結(jié)構(gòu)類型。</p><p>　　大概解釋下DAC的結(jié)構(gòu)類型。</p><p>　　討論閃速ADC結(jié)構(gòu)。</p

104、><p>　　解釋一下不同類型的傳感器。</p><p><b>　　畫(huà)出人體感應(yīng)結(jié)構(gòu)。</b></p><p>　　如何使用傳感器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)？</p><p>　　信號(hào)調(diào)理的各個(gè)階段是哪些？</p><p>　　如何使用SCXI信號(hào)調(diào)理？</p><p>　　LabVIEW

105、 based Advanced Instrumentation Systems</p><p>　　4.6 General Signal Conditioning Functions</p><p>　　Regardless of the types of sensors or transducers that are used, the proper</p><p&g