如何选择ADC精度测量吗
adc是混合信号系统的骨干,因为他们代表了数字和模拟世界之间的边界。许多组件微控制器和soc可能包含内置ADC组件,但是对于某些应用程序,这可能比使用一个外部的ADC。特别是精密测量,高精度需要一个低级信号在一个嘈杂的环境。这种用法的一般应用领域是在传感器接口,但这跨越到运动控制、科学测量和监控,和许多其他领域。
ADC有几个重要规格跳进之前被认为是一个特定的组件。在本文中,我们将看一些这些规范着眼于选择一个组件一个混合信号系统的精密测量。我们会看到,采样率和分辨率不是故事的全部,还有一些分析信号的行为需要确保你的ADC选择可以为信号繁殖提供所需的精度。
重要的ADC规范
下面的列表的规格,我们考虑一个单独打包ADC,你将分别从主处理器在混合信号系统。
采样率和分辨率
前两个规格,设计师通常看采样率和分辨率。如果你抽样适度高信号信噪比的值,那么您通常可以选择ADC仅基于这两个规格。然而,在一些实例中,优先考虑许多其他规范的目标是非常准确的信号复制或干扰抑制。
- 采样率:决定了最大频率与系统可以准确采样(奈奎斯特频率,等于一半的采样率)
- 决议:确定量化水平之间的分歧,以及平均噪声的数量,可以容忍的
一种技术,可以用来去除频率含量高于奈奎斯特频率是over-sample输入信号和数字删除与一个higher-than-Nyquist组件抗锯齿过滤器。这是一种平衡的必要性与高分辨率的干扰抑制。如果你期望噪音出现频率高于奈奎斯特频率,确保包括抗混叠滤波器的信号链。
输入范围、动态范围和第三
所有adc输入范围,实质上是最大和最小电压值,可以测量峰。当我们比较ADC的输入范围和实际信号的动态范围测量,ADC只可能使用一个非常小的测量信号的比特数。
明白为什么这是很重要的,看看下面的图形。在这里我们可以看到,当输入正弦波振幅较低时,它可能会在一个小的比特数。在这种情况下,信号读出不会准确代表信号的时域特征,因为有效的分辨率很低。
为了弥补上述情况,你的直觉可能会选择与高分辨率ADC。不幸的是,这可能会导致量化错误,尤其是在模拟值信噪比很低。我们可以看到这种情况,一个信号和噪声(信噪比与上图)在下图:
位的数量实际上是用于测量在上面的情况是更适当地称为有效的比特数(第三)。这个值可以使用信噪比计算值与噪声和失真(SINAD dB)以下方程:
如果没有噪音或量化误差,然后SINAD = 6.02 *(位数)+ 1.76,和第三将相等数量的比特用于定义ADC的分辨率。一般而言,第三可以是一个正实数(非整数)在真实的系统。high-SNR信号的动态范围大,你不会在高分辨率ADC量化问题,但只要大于ADC量化的步骤噪声图。
如果你想增加一个低信噪比信号的测量精度通过增加第三,有三个选项:
- 使用一个模拟参考(见下文),电压更低,这样量化远小于信号的动态范围。
- 用低分辨率ADC。
- 预滤器抑制噪声和信号放大输入信号,使其具有较高的动态范围。将信号通常需要额外的直流偏置回ADC的输入范围。
# 1通常是不切实际的,当你的信号的信噪比价值很低,因为量化范围将变得比噪声动态范围小得多。因此,你最终得到的巨大的量子化错误。一个更好的方法来测量低信噪比信号是使用# 2和# 3。是很常见的看到复杂的过滤阶段的设备,需要测量谐波输出的传感器,如在精密运动控制和跟踪。
微分与单端输入
一般来说,大多数设计师将意识到单端ADC,输入是参考接地针ADC。这些类型的内置adc微控制器或其他处理器。然而,也有微分adc,一对差动输入。注意,一个微分ADC可以用来把样品单端信号的负极性端接地,只要这种差异信号属于ADC动态范围。
通道数
一些adc将有多个通道,可用于多个信号在相同的组件。这些渠道通常采样顺序(连续),虽然有一些允许同步采样通道adc。因为抽样数据通常是这些设备的输出通过一个串行接口,输出数据将提供系统控制器的框架,您可能需要编写一个定制的司机来检索从每个通道采样数据。
例子引出线的ADC (MAX1148 / MAX1149)
内部和外部的参考
所有adc量化一个模拟信号通过比较标准的参考电压。标准可以由外部组件打包为一个集成电路,也可以使用比率技术。一些adc还将包括一个内部参考,或芯片可以配置一个使销(高或低),允许选择内部或外部的参考。内部引用通常能带引用。
比率计方法,用于电压电源组件及其读出电路还用于设置参考电压。引用可能下台与精密电阻分压器所需的值(见下图为例)。想要了解更多关于比率ADC引用读这篇文章[1]。
比率计引用使用相同的电源模拟信号的参考和ADC参考。
外部精密参考芯片是一个更好的选择,当精度高和更好的免疫力热波动是必要的。这些芯片可能非常崎岖的漂移和低温度系数较低,所以他们会更加稳定的比使用的电源系统。对于一些模拟应用程序在严酷的环境下,如航空航天、汽车、精密参考可能是合适的,因为它们可以帮助确保准确的测量没有额外的温度校正方案。
输出接口的选择
一旦输入信号被转换为一个数字号码,它需要一个处理器通过数字接口输出。通常可用以下输出接口:
- 并行单端输出,通常用于低分辨率adc,因为每一位需要自己的I / O销
- 一个标准的单端SPI和I2C串行输出
- 一个像LVDS差动串行通道提供高数据率抽样数据
温和的高分辨率adc采样率(MHz范围)将正常输出采样数据串行输出I2C和SPI。高采样率达到MHz范围,SPI串行总线的选择,因为它能提供样本率远高于I2C。极高的样本率达到gsp时将使用一个像LVDS高速串行输出。
另一个重要的数字接口输出路由到ADC。组件制造商已经竭尽全力安排针,模拟和数字销接口组件包装的两侧。这是很重要的,从布局和路由的角度来看,因为数字接口应该远离模拟接口。这允许一个电路板设计师保持数字接口模拟接口。
如果你做一些适当的平面布置图输出接口,您将不必单独的数字和模拟成不同部分和连接的理由。事实上,不建议您这样做除了在某些情况下,频率和模拟值信噪比很低。我们将在另一篇文章讨论这个adc的PCB布局。
当你需要选择ADC,组件,和路由信号PCB布局,确保你使用快板PCB设计者,这个行业是最好的PCB设计和分析软件从节奏。快速的用户可以访问一组完整的原理图捕获功能,混合信号在PSpice软件仿真,和强大的CAD功能,等等。