作者 ANNE WATSON SWAGER，副主編

設(shè)計人員對更高的分辨率和更快的轉(zhuǎn)換速度似乎永不滿足的需求催生了新一代的 A/D 轉(zhuǎn)換器，它們提供了前所未有的靈活性。新的 22 位轉(zhuǎn)換器在模塊化封裝中結(jié)合了高精度、極寬的動態(tài)范圍和微處理器兼容性。這些特性使它們成為笨重的臺式 DVM 的有吸引力的替代品。此外，與使用更傳統(tǒng)技術(shù)的轉(zhuǎn)換器相比，新的過采樣技術(shù)顯著降低了 16 至 20 位轉(zhuǎn)換器的成本。

目前有 3 家制造商提供過采樣（也稱為 sigma-delta 和 delta-sigma）轉(zhuǎn)換器，其他制造商計劃很快進入市場（見方框，“轉(zhuǎn)換器結(jié)合模擬和數(shù)字濾波“）。許多高分辨率產(chǎn)品制造商是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場的主流廠商。Analog Devices、Analogic、Burr-Brown 和 Micro Networks 都有設(shè)計高分辨率 ADC 的經(jīng)驗。然而，Thaler Corp 的第一個轉(zhuǎn)換器是 20 位高精度 ADC，而摩托羅拉已經(jīng)憑借過采樣轉(zhuǎn)換器進入了該領(lǐng)域。Prema Precision Electronics 是一家西德精密萬用表制造商，生產(chǎn)的 25 位 ADC 是市面上最高分辨率的轉(zhuǎn)換器。這些高分辨率轉(zhuǎn)換器是專用 ADC，而不是包含內(nèi)部 ADC 和 DAC 并用作模擬接口電路的產(chǎn)品。廣告

根據(jù)許多 ADC 制造商的說法，向越來越高分辨率發(fā)展的主要原因是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計人員希望利用其傳感器的每一位分辨率。他們認為，如果系統(tǒng)中必須存在限制因素，則應(yīng)該是傳感器，而不是 ADC。另一個原因是更高分辨率的轉(zhuǎn)換器可以提供有關(guān)一組數(shù)據(jù)的額外且通常是關(guān)鍵的詳細信息。

確保這些數(shù)據(jù)的準確性是一項非常艱巨的設(shè)計任務(wù)。即使是少量的系統(tǒng)噪聲也會破壞高分辨率轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)。該問題的通常解決方案是仔細布局和接地，這將提高系統(tǒng)精度，使其達到 ADC 的極限。但是，很難找到真正準確的 16 位轉(zhuǎn)換器。例如，許多 16 位轉(zhuǎn)換器只有 14 位精度。這種精度水平對于許多逐次逼近類型尤其如此。盡管轉(zhuǎn)換器的積分非線性可能為 14 位（相當于 ±0.003% FSR），但它仍可提供 16 位的無丟失代碼性能。請注意，一些 14 位 ADC 的線性度與許多 16 位產(chǎn)品的線性度相匹配。

高分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換器的世界有些分散。許多轉(zhuǎn)換器旨在用于非常專業(yè)的市場。逐次逼近轉(zhuǎn)換器服務(wù)于許多通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其他轉(zhuǎn)換器與特定應(yīng)用密切相關(guān)。幸運的是，每個轉(zhuǎn)換器都屬于兩個一般分類之一：那些設(shè)計用于在直流意義上實現(xiàn)最高可能的直流精度，以及那些設(shè)計用于信號處理和良好的交流規(guī)格。兩個通用應(yīng)用與這些類別相關(guān)：精密測量系統(tǒng)和 DSP 應(yīng)用。

許多過采樣轉(zhuǎn)換器旨在用于信號處理應(yīng)用，因此它們的數(shù)據(jù)表通常會引用完整的動態(tài)規(guī)格。但這種趨勢并不局限于過采樣轉(zhuǎn)換器。隨著 DSP 應(yīng)用的激增，專門針對這些應(yīng)用的高分辨率轉(zhuǎn)換器的數(shù)量也在增加。為了幫助設(shè)計人員評估和比較轉(zhuǎn)換器的交流性能，許多新轉(zhuǎn)換器都經(jīng)過了全面測試，并針對 S/N 比和 THD 等動態(tài)特性進行了規(guī)定。

對于需要盡可能高動態(tài)范圍的應(yīng)用，請查看高分辨率積分轉(zhuǎn)換器。這些高精度轉(zhuǎn)換器本身就是一個世界。ATE、過程控制和稱重系統(tǒng)是它們的典型應(yīng)用領(lǐng)域。這些超高分辨率轉(zhuǎn)換器還用于醫(yī)療和科學儀器，這些儀器必須能夠區(qū)分元素或化學濃度的極小差異。

實現(xiàn)高分辨率和高精度

Prema Precision Electronics 的 25 位轉(zhuǎn)換器具有 0.001% 的非線性和 0.5 ppm/°C 的典型溫度系數(shù)，適合稱重系統(tǒng)和精確的數(shù)據(jù)收集。該轉(zhuǎn)換器采用獲得專利的多斜坡方法，可連續(xù)集成測量信號以消除干擾。為了使用這個 ADC，您必須開發(fā)自己的微處理器控制。對于 20 毫秒、200 毫秒、2 秒和 20 秒的積分時間，您可以分別獲得 15 位、18 位、21 位和 25 位結(jié)果。該軟件還控制增益和偏移調(diào)整的處理。ADC 5601 的一個關(guān)鍵特性是其緊湊的 2×2×0.4 英寸尺寸。

Analog Devices 的 22 位 AD1175 專為依賴 DVM 和 DMM 進行專門測量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而設(shè)計。其分辨率和準確度可與 6.5 位 DVM 相媲美。AD1175 數(shù)據(jù)表引用了 133 dB 的寬動態(tài)范圍。該范圍高于 2 22所 指示的值，因為該器件的輸入精度保證為比標稱滿量程輸入范圍高 10%。

與 Prema 的 ADC 5601 不同，AD1175 是一個完整的基于微機的測量子系統(tǒng)。它由三個主要元素組成：線性化、自動歸零積分器、單片機和定制 CMOS 控制器/總線接口芯片。

AD1175 不需要任何外部元件，其所有數(shù)字輸入和輸出均兼容 LSTTL。模擬輸入是高阻抗、1-G?、高 CMRR、真正的差分輸入對。AD1175 通過 8 位數(shù)據(jù)總線與任何基于微處理器的系統(tǒng)連接。ADI公司最近發(fā)布了一款適用于AD1175的PC兼容評估卡，售價495美元。該卡附帶簡單的基本軟件，允許您向 AD1175 發(fā)送命令并測試其性能。

AD1175 采用類似于經(jīng)典雙斜率技術(shù)的多斜率積分原理。輸入信號在整數(shù)個線周期內(nèi)進行積分，然后 ADC 對已知參考電壓將積分器輸出驅(qū)動回零所需的時間進行數(shù)字測量。您可以選擇在 60 或 50 Hz 時最大線路頻率噪聲抑制的積分時間。每次轉(zhuǎn)換都會發(fā)生內(nèi)部自動歸零，而不會降低吞吐率。在每個自動歸零周期中，都會采集并保持轉(zhuǎn)換器主要元件的器件偏移和低頻噪聲；它們將在轉(zhuǎn)換中被取消。該電路將 AD1175 的輸入失調(diào)漂移保持在 0.5 μV/°C 以下。

高精度需要穩(wěn)定性

ADC100 是 Thaler 首次進入 A/D 轉(zhuǎn)換器市場。他們過去的設(shè)計重點一直是參考技術(shù)。與 AD1175 一樣，ADC100 具有控制所有內(nèi)部功能的板載微處理器，并且很快將提供用于它的 PC 評估卡。應(yīng)用 ADC100 需要兩個外部部件：一個 25MHz 晶振和一個集成電容器，兩者均由 Thaler 提供。該公司引用 ADC100 的模擬輸入阻抗為 200 G?。

Thaler 的 ADC100 在偏移和增益穩(wěn)定性方面比 AD1175 有一些優(yōu)勢。盡管 ADC100 的精度和吞吐量較低，但它完全適用于 -25 至 +85°C 的工作溫度。AD1175 的范圍為 0 至 70°C。此外，ADC100 的 0.1 和 0.5 ppm/°C 的最大偏移和比例因子誤差與 AD1175 的 ±0.5 μV/°C 和 ±1-ppm/°C 誤差相比毫不遜色。ADC100 的板載微處理器在啟動時自動執(zhí)行自動歸零，但 Thaler 建議您在 ADC 完全預(yù)熱后重復它以確保最大精度。

Thaler 強調(diào)在計算系統(tǒng)精度時必須考慮溫度影響（參考文獻 1）。該公司警告說，即使在標準實驗室環(huán)境中，溫度效應(yīng)也會顯著降低系統(tǒng)的準確性。為了計算精度，您必須同時考慮轉(zhuǎn)換器和內(nèi)部或外部基準的增益誤差。溫度范圍內(nèi)的最大誤差是轉(zhuǎn)換器的線性誤差加上組合增益 TC 和溫度的乘積。

V/F 轉(zhuǎn)換器還可以提供高分辨率。AV/F 轉(zhuǎn)換器與計數(shù)器/時間 IC 相結(jié)合，讓您可以用分辨率換取轉(zhuǎn)換時間，反之亦然。Dymec 的 32824 儀表 A/D 轉(zhuǎn)換器和 5024 可編程計數(shù)器/定時器（15 美元）共同構(gòu)成了支持頻率計數(shù)和周期平均測量技術(shù)的 A/D 系統(tǒng)。該 ADC 以 10 次轉(zhuǎn)換/秒的速度實現(xiàn) 10 μV 的靈敏度，這相當于 10v 信號中的 20 位分辨率。對于 1 秒的轉(zhuǎn)換時間，該系統(tǒng)的靈敏度為 1.1 μV 或 23 位。模擬前端與系統(tǒng)的其余部分完全隔離。這種隔離保證了 ADC 在模擬部分沒有接地環(huán)路和數(shù)字噪聲，如果系統(tǒng)要實現(xiàn) 10 μV 或更高的靈敏度，這是兩個絕對要求。

500kHz 轉(zhuǎn)換率是可能的

這些高精度、高分辨率的部件僅代表市場的一部分。有許多應(yīng)用程序需要可用的最高速度。然而，高速是相對的。您不會找到任何具有兆赫轉(zhuǎn)換率的高分辨率轉(zhuǎn)換器。當前最先進的高速加高分辨率轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率為 500 kHz。但是你會為這個速度付出很多。Analogic、Analog Solutions、Burr-Brown 和 Datel 的高速產(chǎn)品價格在 500 到 900 美元之間。Analogic 和 Burr-Brown 都在 1989 年初推出了 500kHz 轉(zhuǎn)換器。

Analogic 的 AM40016/40116 和 AM41016/41116/41216 模塊化 16 位轉(zhuǎn)換器基于包含內(nèi)部 S/H 放大器的多通道閃存架構(gòu)。AM40016 專為多個多路復用通道的數(shù)字化而定制，例如在自動測試設(shè)備中。AM41016 系列具有低失真特性，專為頻域應(yīng)用而設(shè)計。兩個轉(zhuǎn)換器系列的輸入阻抗均為 10 8 ?，并保證在 0 至 60°C 范圍內(nèi)不會丟失代碼。

由于 AM41016 系列設(shè)計用于數(shù)字化快速、時變信號，因此其數(shù)據(jù)表包含完整的動態(tài)規(guī)格。輸入為 10 kHz 時的 S/N 比為 88 dB；10 kHz 處的峰值失真為 -93 dB；10 kHz 處的總諧波失真為 -89 dB。Analog 對其大部分產(chǎn)品提供動態(tài)測試，并發(fā)布技術(shù)說明來解釋該過程。

Burr-Brown 希望為那些對小尺寸和低功耗尤為重要的高速、高分辨率應(yīng)用占領(lǐng)市場。Burr-Brown 的 ADC 701 和配套的 SHC702 S/H 放大器（168 美元）都是混合設(shè)計，其特點是 ADC-S/H 對。ADC 和 S/H 對一起消耗 2.8W。S/H 時序由 ADC 直接提供。不需要其他定時電路。SHC702 和 ADC701 之間只需要兩個連接：SHC702 模擬輸出到 ADC701 輸入和來自 ADC701 輸入的數(shù)字保持命令。

與 Analogic 的轉(zhuǎn)換器一樣，ADC701 基于 3 步架構(gòu)，Burr-Brown 為 ADC/SHC 對提供動態(tài)規(guī)格。輸入頻率為 5 kHz 的 S/N 比為 93 dB。20 kHz 時的總諧波失真為 0.00068%。20kHz 輸入的無雜散動態(tài)范圍為 107dB。有兩個溫度范圍可供選擇：15 至 55°C 和 0 至 70°C。

過采樣技術(shù)發(fā)展迅速

盡管這些高精度和高速轉(zhuǎn)換器已經(jīng)提升了最先進的技術(shù)水平，但在過采樣轉(zhuǎn)換器市場中仍然存在大量活動。這種趨勢很可能會持續(xù)下去。由于采用單片結(jié)構(gòu)，這些轉(zhuǎn)換器是一種極低成本、高分辨率的替代方案。盡管在絕對精度方面它們無法與集成轉(zhuǎn)換器競爭，但它們是高分辨率、中等精度和信號處理應(yīng)用的理想選擇。

Crystal Semiconductor 是 16 位 6 過采樣轉(zhuǎn)換器的先驅(qū)，擁有多種針對特定應(yīng)用的新產(chǎn)品。摩托羅拉最近推出了其首款過采樣轉(zhuǎn)換器，專業(yè)音頻設(shè)備制造商 Carillon Technology 也發(fā)布了基于 sigma-delta 架構(gòu)的 3 芯片組。

Crystal Semiconductor 的三個新 delta-sigma 部件之一是其 CS5501 的升級。指定為 CS5503，它是第一款專為精密測量應(yīng)用而設(shè)計的 20 位單片 A/D 轉(zhuǎn)換器。CS5503 的 ±0.0003% 典型線性誤差及其最大 ±4 LSB 的偏移和滿量程誤差使這款轉(zhuǎn)換器（售價 27.70 美元）成為成本極低的替代品。CS5503 以 CMOS 時鐘或晶體設(shè)置的速率連續(xù)采樣。

Crystal 的其他新產(chǎn)品 CS5317 和 CS5326 分別針對電信和音頻市場。CS5317 適用于高端語音頻段應(yīng)用，例如 V.32 調(diào)制解調(diào)器、語音識別系統(tǒng)、電話系統(tǒng)線路卡和高分辨率聲納。該轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)部 PLL，可簡化復雜數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的時鐘同步。內(nèi)部 PLL 使恢復主時鐘對用戶透明。CS5317 在其 10kHz 帶寬內(nèi)的總諧波失真為 80dB，互調(diào)失真小于 84dB。CS5326 是具有 25kHz 帶寬的立體聲 16 位 ADC。其輸出字速率可在 30 至 50 kHz 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。它的信噪比為 92 dB，總諧波失真為 0.0015%。

Crystal 的這些產(chǎn)品說明了這個市場的特定應(yīng)用性質(zhì)。摩托羅拉采取了不同的方法。其新的 56ADC 是一款多功能轉(zhuǎn)換器，面向一般信號處理用戶。56ADC在一個芯片上提供了一套完整的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。它需要一個 5V 單電源。將 56ADC 連接到 Motorola、TI、NEC 或 AT&T 的 DSP 不需要膠合邏輯。其動態(tài)規(guī)格包括 90-dB S/N 比和 90-dB 信噪比，適用于 0 至 45.5 kHz 的輸入信號。

56ADC 的多功能性源于其內(nèi)部數(shù)字濾波的實現(xiàn)。抽取過程分為梳狀濾波器和 FIR 濾波器。兩個過濾器的輸出都是可訪問的。根據(jù)您選擇的輸出，該器件可以用作 12 位 400-kHz 轉(zhuǎn)換器或 16 位 100-kHz 轉(zhuǎn)換器。這種 2 級設(shè)計消除了多路復用限制。

過采樣和復用很少混合

有些應(yīng)用不太適合過采樣轉(zhuǎn)換器。只有一個 ADC 來測量各種傳感器輸出并因此需要在 ADC 之前進行信號復用的系統(tǒng)無法利用這些轉(zhuǎn)換器。過采樣技術(shù)涉及較長的流水線延遲，這使得通道之間的多路復用變得不切實際。根據(jù)您系統(tǒng)的成本，缺乏多路復用能力可能不是一個明顯的缺點。您可以用單獨的過采樣轉(zhuǎn)換器代替昂貴的 ADC 和多路復用器。

摩托羅拉的 56ADC 不適合需要 16 位分辨率的多路復用情況。通過第二個數(shù)字濾波器的流水線延遲約為 325 μsec。但是，如果 12 位分辨率對您的系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠，您可以使用梳狀濾波器輸出。輸入和梳狀濾波器輸出之間的流水線延遲約為 15 μsec。此轉(zhuǎn)換時間與其他 12 位產(chǎn)品相比具有競爭力，因此您可以在相同的多路復用情況下使用梳狀濾波器輸出。

積分、分段和 sigma-delta 轉(zhuǎn)換器通常針對精密直流或信號處理應(yīng)用。高分辨率市場的其余部分由各種 16-bvit 逐次逼近轉(zhuǎn)換器完善。逐次逼近是主力架構(gòu)，因為它提供適中的速度和適中的精度。這些轉(zhuǎn)換器服務(wù)于大多數(shù)標準數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。許多可用的逐次逼近類型在成本、速度、尺寸、功耗和內(nèi)部功能方面存在差異。

許多較新的逐次逼近轉(zhuǎn)換器，即所謂的采樣轉(zhuǎn)換器，包括內(nèi)部 S/H 放大器，這些放大器旨在與其配套的 ADC 兼容。選擇采樣 ADC 的優(yōu)勢很簡單：您不必做那么多前端模擬設(shè)計；ADC和S/H放大器的聯(lián)合性能由制造商保證；和內(nèi)部 S/H 放大器可節(jié)省電路板空間。如果您的系統(tǒng)需要外部 S/H 放大器（例如，如果您在不同放大器之間進行多路復用），那么選擇與您的 ADC 和系統(tǒng)目標兼容的 S/H 放大器非常重要（參考文獻 2）。

許多逐次逼近轉(zhuǎn)換器具有自校準或自動校準電路。標準校準方法對內(nèi)部 DAC 使用激光微調(diào)電阻器。然而，Crystal 的 CS5101 和 CS5102 DAC 由一組二進制加權(quán)電容器組成。為確保準確性，這些電容器在復位或上電時使用數(shù)字邏輯在芯片上進行校準。這種校準使轉(zhuǎn)換器能夠保證 16 位無丟失代碼，并提供固有的 S/H 功能——模擬輸入的值始終由至少一個電容器保持。

逐次逼近轉(zhuǎn)換器具有最多的內(nèi)部特性，包括基準、時鐘、S/H 放大器、多路復用器以及串行和并行端口。一些較新的轉(zhuǎn)換器也與微處理器兼容并具有短周期能力。如果您只需要 14 位精度的結(jié)果，則可以減少轉(zhuǎn)換時間。

Burr-Brown 的 ADC700 包括一個基準、一個時鐘和一個 8 位微處理器接口。Sipex Corp 的混合系統(tǒng)部門擁有多種 16 位逐次逼近混合轉(zhuǎn)換器。它的最新產(chǎn)品是 16 位 μP 控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) SP9488。它包括一個內(nèi)部多路復用器、一個儀表放大器和一個 16 位采樣 ADC。多路復用器是用戶可選擇的。您可以將轉(zhuǎn)換器配置為接受 8 個差分輸入或 16 個單端輸入。您可以使用 16 位數(shù)據(jù)總線讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果或 ADC 的狀態(tài)字，將控制位寫入 ADC，以及選擇新的輸入信號。

對于軍事和惡劣環(huán)境應(yīng)用，大多數(shù)制造商提供的逐次逼近轉(zhuǎn)換器額定用于擴展溫度性能。Micro Networks 的轉(zhuǎn)換器在溫度范圍內(nèi)不會丟失代碼。該公司還生產(chǎn)通過 MIL-STD-883 篩選的轉(zhuǎn)換器。其新的 MN6295/6296 ADC 系列包括額定有四個電氣性能等級和兩個工作溫度范圍的轉(zhuǎn)換器。MN6295T/6296T 在 -55 至 _125°C 范圍內(nèi)保證 14 位分辨率且沒有丟失代碼，并且完全針對動態(tài)性能進行了規(guī)定。整個溫度范圍內(nèi)的 S/N 比為 82 dB；諧波和雜散噪聲規(guī)格，如果 -85 dB。輸入頻率高達 25 kHz（轉(zhuǎn)換器的奈奎斯特頻率）可以保證這種動態(tài)性能。

毫無疑問，高分辨率 ADC 市場將繼續(xù)增長。未來的 16 位轉(zhuǎn)換器設(shè)計將專注于提高速度和降低成本。更多產(chǎn)品將具有 16 至 20 位分辨率，過采樣轉(zhuǎn)換器將繼續(xù)提供低成本解決方案。DSP和A/D轉(zhuǎn)換器之間的聯(lián)系會更加緊密，集成A/D和DSP功能的設(shè)備可能在不遠的將來。

參考

應(yīng)用說明 4，“提高系統(tǒng)精度”，Thaler Corp，1988 年 9 月。

Little、Al 和 Bob Burnett，“S/H amp-ADC matrimony 提供準確的采樣”，EDN，1988 年 2 月 4 日，第 153 頁。