工業(yè)過(guò)程控制、便攜式醫療設備和自動(dòng)化測試設備中使用的多路復用數據采集系統(DAS)需要更高的通道密度。在這些系統中，用戶(hù)希望測量多個(gè)傳感器和監控器信號，并將很多輸入通道掃描至單個(gè)ADC或多個(gè)ADC中。多路復用的整體優(yōu)勢在于每通道所需的ADC數量較少，節省了印刷電路板(PCB)空間，降低了功耗和成本。自動(dòng)化測試設備和電源線(xiàn)路監控應用中的某些系統要求每通道使用專(zhuān)門(mén)的采樣保持放大器和ADC，以便對輸入進(jìn)行同步采樣，從而提升每通道的采樣速率，并保留相位信息，但代價(jià)是更多的PCB面積和更高的功耗。

 

系統設計人員根據最終應用的性能、功耗、尺寸和成本要求進(jìn)行權衡取舍。它們從中選出一個(gè)轉換器架構和拓撲，并使用市場(chǎng)上提供的分立式或集成式元件實(shí)現信號鏈設計。圖1顯示了多路復用DAS的簡(jiǎn)化框圖，可進(jìn)行監控并對多種傳感器類(lèi)型進(jìn)行順序采樣。某些情況下，信號鏈會(huì )利用多路復用器與ADC之間的緩沖放大器或可編程增益放大器。

圖1. 典型多路復用數據采集系統

 

當多路復用器切換通道時(shí)，在其輸入端會(huì )產(chǎn)生小電壓毛刺或反沖。該反沖與多路復用器的開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)間、導通電阻以及負載電容成函數關(guān)系。具有低導通電阻的大開(kāi)關(guān)通常需采用大輸出電容，而每次輸入端開(kāi)關(guān)時(shí)，都必須將其充電至新電壓。如果輸出未能建立至新電壓，則將產(chǎn)生串擾誤差。因此，多路復用器帶寬必須足夠大，且多路復用器輸入端必須使用緩沖放大器或大電容，才能建立至滿(mǎn)量程階躍。此外，流過(guò)導通電阻的漏電流將產(chǎn)生增益誤差，因此這兩者都應盡可能小。

 

SAR與Σ-Δ型ADC架構的對比

 

圖2顯示了基于電荷再分配電容數模轉換器(DAC)陣列的逐次逼近型寄存器(SAR)的基本轉換器架構。它在每一個(gè)轉換開(kāi)始的邊沿上對輸入信號進(jìn)行一次采樣，在每一個(gè)時(shí)鐘邊沿上進(jìn)行位對比，并通過(guò)控制邏輯調節數模轉換器的輸出，直到該輸出極為接近地匹配模擬輸入。因此，它需要來(lái)自獨立外部時(shí)鐘的N個(gè)時(shí)鐘周期，以便以迭代方式實(shí)現單次N位轉換。

 

圖2. 基本SAR ADC架構

 

圖3顯示了基本的Σ-Δ型ADC架構，它以調制器的過(guò)采樣頻率(KfS)對模擬輸入信號連續采樣，其轉換輸出為KfS處系列采樣的加權均值。分辨率較高的Σ-Δ型ADC轉換時(shí)間較長(cháng)，因為需要2N次采樣才能完成單次轉換。

 

圖3. 基本Σ-Δ型ADC架構

 

內部比較器噪聲和DAC線(xiàn)性度決定SAR ADC轉換的精度，而調制器中積分器的建立時(shí)間(開(kāi)關(guān))則決定Σ-Δ型ADC轉換的精度。SARADC面臨的一個(gè)挑戰是，驅動(dòng)器放大器需要在一次轉換結束與下次轉換起始之間的采集時(shí)間內建立其模擬輸入端注入的開(kāi)關(guān)瞬變電流。

 

SAR ADC的輸入帶寬(數十MHz)比采樣頻率高。所需輸入信號帶寬一般在數十到數百kHz內，因此，需要用抗混疊濾波器過(guò)濾掉折回目標帶寬的無(wú)用混疊信號。在Σ-Δ型ADC的情況下，所需輸入信號帶寬通常在DC至幾kHz之間，數字濾波器的輸入帶寬低于調制器的采樣頻率，因此，放寬了抗混疊要求。數字濾波器濾除目標帶寬以外的噪聲，抽取器則降低輸出數據速率，使其回落至奈奎斯特速率。

 

多路復用應用面臨的挑戰

 

精密SAR ADC因為易用性、低功耗、小封裝和低延遲等特點(diǎn)而在很多應用中廣受青瞇，簡(jiǎn)化了多路復用DAS的快速通道切換。精密Σ-Δ型ADC具有卓越的帶外抑制性能，而且在實(shí)現斬波功能的情況下，能抑制接近直流(50 Hz/60 Hz)的1/f噪聲成分，因而廣泛運用于工業(yè)應用和音頻應用中。在這種情況下，ADC的采樣速率是用高分辨率換來(lái)的。

 

SAR ADC固有異步屬性，可以快速設計控制環(huán)路，轉換相關(guān)的延遲或流水線(xiàn)延遲幾乎為零，并且對接近滿(mǎn)量程的步進(jìn)輸入能作出快速響應——因此，它是很多多路復用應用的普遍選擇。而Σ-Δ型轉換器架構一般具有單調性(這意味著(zhù)它能在任意時(shí)間點(diǎn)轉換)，并采用集成式調制器來(lái)實(shí)現要求以一個(gè)全局內部或外部時(shí)鐘源來(lái)同步所有內部模塊的過(guò)采樣和數字抽取濾波——結果導致非零周期延遲或建立時(shí)間問(wèn)題。有些系統也依賴(lài)于統一的多通道數字化過(guò)程，其低延遲使采用SAR ADC的通道切換更方便快速。

 

除了數字濾波器的延遲(群延遲)，Σ-Δ型ADC還常用于多種類(lèi)型的傳感器多路復用——比如溫度、壓力或稱(chēng)重傳感器——從而以較低的輸出數據速率獲取小電壓變化，比如過(guò)程控制。這主要是因為它具有較高的分辨率、精度、噪聲和動(dòng)態(tài)范圍性能，而SAR ADC通常要求每個(gè)通道配備低通濾波器或進(jìn)行緩沖，結果會(huì )在空間和成本方面使問(wèn)題復雜化。

 

某些精密SAR ADC較高的吞吐速率允許在數字化處理中以較高的掃描速率對多個(gè)通道進(jìn)行多路復用，因而所需的ADC數量較低，節省了PCB面積和成本。精密Σ-Δ型ADC可以進(jìn)行多路復用的輸出數據速率受限于數字濾波器類(lèi)型的建立時(shí)間，這就限制了其為多路復用器通道建立快速滿(mǎn)量程瞬態(tài)的能力。建立時(shí)間還會(huì )因所使用的數字濾波器類(lèi)型而不同。用戶(hù)必須等到數字濾波器的建立時(shí)間完全結束，才能取得有效的轉換結果，然后才能切換到下一個(gè)通道。某些內置sinc (sinx/x)數字濾波器的Σ-Δ型ADC允許在單個(gè)周期內完成建立或零延遲，方法是屏蔽內部數字濾波器結果，同時(shí)在第一個(gè)轉換周期內、或在開(kāi)始新的采樣周期前輸出完全建立的數據結果。這些ADC的輸出數據速率始終低于其完全建立的延遲時(shí)間過(guò)后的速率。

 

兩類(lèi)精密ADC在多路復用應用中面臨的共同問(wèn)題是帶寬、建立時(shí)間和輸入范圍要求。在一個(gè)多路復用DAS中，當輸入通道切換到下一通道時(shí)，一個(gè)重大難題是ADC必須支持集成式和分立式多路復用精密DAS解決方案大電壓幅度步進(jìn)的變化和快速轉換(哪怕是直流信號)，因為輸入步進(jìn)可能從負滿(mǎn)量程電壓(有時(shí)候是接地)轉換為正滿(mǎn)量程電壓，反之亦然。

 

換言之，兩個(gè)輸入通道之間會(huì )在很短的時(shí)間內產(chǎn)生大電壓步進(jìn)，并且ADC輸入必須要能夠建立這個(gè)大電壓步進(jìn)。這為ADC驅動(dòng)器帶來(lái)了額外負擔，而且在這種情況下，ADC驅動(dòng)器的大信號帶寬性能成為了選擇ADC驅動(dòng)器的關(guān)鍵規格。在大幅度步進(jìn)的情況下，非線(xiàn)性效應顯現，并且壓擺率和輸出電流特性會(huì )限制ADC驅動(dòng)器的性能和輸出響應。多路復用器通道開(kāi)關(guān)必須與ADC轉換引腳同步，并且在啟動(dòng)轉換之后應當等待一段較短的開(kāi)關(guān)延遲(幾十ns)，然后再切換到下一通道，這樣可以有充分的時(shí)間建立所選通道。為了保證最大吞吐速率時(shí)的性能，多路復用系統的所有元件都必須在多路復用器切換與下一次轉換開(kāi)始之間的時(shí)間里在A(yíng)DC輸入端完成建立。

 

集成式和分立式多路復用精密DAS解決方案

 

如今，市場(chǎng)上有集成式和分立式兩類(lèi)多路復用應用解決方案，具體取決于客戶(hù)的需求。分立式多路復用解決方案的優(yōu)勢是，在基于性能求選擇合適的信號調理組件時(shí)具有較大的靈活性。用戶(hù)仍然需要面臨與通道切換、時(shí)序和建立時(shí)間相關(guān)的復雜設計問(wèn)題。我們也可以認為，如果用戶(hù)可以切換多路復用器輸入通道，進(jìn)行外部校準以排除誤差，靈活性仍然存在，但是，結果很可能會(huì )增加電路板尺寸和成本，犧牲性能和靈活性。有些客戶(hù)也會(huì )出于靈活性考慮，偏好自行對FPGA實(shí)施定制數字濾波，而不采用片內集成的濾波器。

 

如果客戶(hù)使用集成式多路復用解決方案，則無(wú)需擔心通道切換、時(shí)序和建立時(shí)間問(wèn)題。另外，這種方式可以提供獨立通道配置，而且帶有不同的輸入范圍和誤差校準選項。這種情況下，客戶(hù)在信號調理方面的靈活性較低，但該方式可以簡(jiǎn)化設計，節省面積和物料成本，同時(shí)還具有充足的性能。當今市場(chǎng)上現有的部分高度集成式SAR和Σ-Δ型ADC可以克服在設計精密DAS時(shí)面對的諸多挑戰。這些IC消除了對輸入信號進(jìn)行緩沖、電平轉換、放大、衰減或以其他方式調理的必要性。它們還消除了共模抑制、噪聲、通道切換、時(shí)序和建立時(shí)間等方面的擔憂(yōu)。

 

選擇SAR或Σ-Δ型轉換器架構時(shí)，系統設計人員應當根據多路復用數據采集系統的性能、功耗、尺寸和成本要求考慮本文中的設計優(yōu)缺點(diǎn)。

（來(lái)源：ADI）