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如何选择ADC进行精密测量

作者Cadence PCB解决方案

如何选择ADC

adc是混合信号系统的主干，因为它们代表了数字世界和模拟世界之间的边界。许多组件，如微控制器和soc可能包含内置在组件中的ADC，但对于某些应用程序，可能更可取的是使用外部ADC。这对于精密测量尤其如此，在嘈杂的环境中，低电平信号需要高精度。这种用法的一般应用领域是传感器接口，但它也涵盖了运动控制、科学测量和监测以及许多其他领域。

在进入特定组件之前，ADC有几个重要的规格需要考虑。在本文中，我们将着眼于在混合信号系统中选择用于精确测量的组件来研究其中的一些规范。正如我们将看到的，采样率和分辨率并不是全部，需要对信号行为进行一些分析，以确保您的ADC选择能够为信号再现提供所需的精度。

重要ADC规格

在下面的规格列表中，我们将考虑单独封装的ADC，您可以将其与混合信号系统中的主处理器分开放置。

采样率和分辨率

设计人员通常关注的前两个规格是采样率和分辨率。如果你对中等强度的信号进行采样信噪比的值，那么您通常可以根据这两个规格来选择ADC。然而，有些情况下，许多其他规范优先考虑，因为目标是非常精确的信号再现或噪声抑制。

  • 采样率:确定系统可以精确采样的最大频率(为奈奎斯特频率，等于采样率的一半)
  • 决议:确定量化级别之间的划分数量，以及可容忍的平均噪声量

一种可用于去除高于奈奎斯特频率的频率内容的技术是对输入信号进行过采样，并用数字方法去除高于奈奎斯特频率的分量抗锯齿过滤器．这是一种平衡高分辨率噪声抑制需求的方法。如果您希望噪声出现在比奈奎斯特频率更高的频率上，请确保在信号链中包含抗混叠滤波器。

输入范围、动态范围和ENOB

所有adc都有一个输入范围，基本上是可以测量为峰值值的最大和最小电压。当我们将ADC的输入范围与待测量信号的实际动态范围进行比较时，很可能ADC只使用了非常少的比特来测量信号。

要了解为什么这很重要，请看下面的图表。在这里我们可以看到，当输入正弦波具有低振幅时，它可能落在少量比特之间。在这种情况下，信号读出将不能准确地表示信号的时域特性，因为有效分辨率非常低。

ADC分辨率和信噪比

为了弥补上述情况，您的直觉可能是选择具有更高分辨率的ADC。不幸的是，这可能会导致量化误差，特别是当模拟信噪比值很低时。我们可以在下面的图表中看到信号和噪声(信噪比与上面相同)的情况:

ADC分辨率和信噪比

在上述情况下，实际用于测量的比特数更恰当地称为有效比特数(ENOB)。这个值可以用带噪声和失真的信噪比值(SINAD，单位:dB)计算，公式如下:

第三个方程

如果没有噪声或量化误差，则SINAD = 6.02*(比特数)+ 1.76,ENOB将完全等于用于定义ADC分辨率的比特数。一般来说，ENOB在实系统中可以是一个正实数(非整数)。对于具有较大动态范围的高信噪比信号，在高分辨率ADC中量化不会有问题，但前提是ADC的量化步长大于噪声图．

如果您想通过增加ENOB来提高低信噪比信号的测量精度，有三个选项:

  1. 使用一个模拟参考(见下文)，有更低的电压，使量化远小于信号的动态范围。
  2. 使用分辨率较低的ADC。
  3. 对信号进行预滤波，抑制噪声，放大输入信号，使其具有更高的动态范围。通常需要额外的直流偏置来将信号带回ADC的输入范围。

当信号的信噪比值较低时，#1通常是不切实际的，因为量化范围将变得比噪声动态范围小得多。结果，你会得到巨大的量化误差。测量低信噪比信号的更好方法是同时使用#2和#3。在需要测量传感器的谐波输出的设备中，例如精密运动控制和跟踪，看到复杂的滤波级是很常见的。

差分与单端输入

一般来说，大多数设计人员都知道单端ADC，其中输入参考ADC上的GND引脚。这些类型的adc内置于微控制器或其他处理器中。然而，也有差分adc，其输入是差分对。请注意，差分ADC可以通过将负极端连接到GND来采样单端信号，只要这个差分信号处于ADC的动态范围内。

通道数

一些adc将具有多个通道，可用于检测同一组件中的多个信号。这些信道通常是连续采样的，尽管有些adc允许信道的同时采样。由于采样数据通常通过串行接口从这些设备输出，输出数据将以帧的形式提供给系统控制器，您可能需要编写一个自定义驱动程序来从每个通道检索采样数据。

ADC引脚示例

ADC的引脚示例(MAX1148/MAX1149)

内部与外部参考

所有adc通过将模拟信号与标准参考电压进行比较来量化模拟信号。标准参考可以由封装为IC的外部组件提供，也可以使用比率测量技术放置。一些adc还将包括一个内部参考，或者芯片可以配置一个使能引脚(绑定高或低)，允许选择内部或外部参考。内部引用通常是带隙引用。

在比率测量法中，用于为元件供电的电压源及其读出电路也用于设置参考电压。参考值可以通过精密电阻分压器降至所需值(参见下图中的示例)。要了解有关比率ADC引用的更多信息，阅读本文[1]．

ADC参考比率基准使用相同的功率源作为模拟信号基准和ADC基准。

当需要高精度和更好的抗热波动能力时，外部精密参考芯片是一个更好的选择。这些芯片可以非常坚固，具有低漂移和低温度系数，因此它们将比系统中使用的电源更稳定。对于一些恶劣环境中的模拟应用，如航空航天和汽车，精密参考可能是更可取的，因为它们可以帮助确保精确的测量，而无需额外的温度校正方案。

输出接口选项

输入信号一旦转换成数字数字，就需要通过数字接口输出到处理器。以下输出接口正常可用:

  • 并行单端输出，通常用于低分辨率adc，因为每个位都需要自己的I/O引脚
  • 标准的单端串行输出，如SPI或I2C
  • 一个差分串行通道，如LVDS它以高数据速率提供采样数据

具有中等采样率(MHz范围)的高分辨率adc通常会通过I2C或SPI等串行输出输出采样数据。对于达到MHz范围的更高采样率，SPI将是串行总线的选择，因为它可以提供比I2C更高的采样率。达到Gsps的极高采样率将使用像LVDS这样的高速串行输出。

关于输出数字接口的另一个重要点是路由到ADC。元件制造商费尽心思地安排引脚，使模拟和数字引脚接口位于元件封装的相反一侧。从布局和路由的角度来看，这很重要，因为数字接口应该与模拟接口保持距离。这使得PCB设计人员可以将数字接口与模拟接口保持距离。

如果您在输出接口周围做了一些适当的布局规划，就不必将数字接地和模拟接地分开到不同的部分并在一点上重新连接。事实上，建议您不要这样做，除非在频率和模拟信噪比值较低的某些情况下。我们将在另一篇关于adc的PCB布局的文章中讨论这个问题。

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