在上一篇文章中，我們了解到什么是ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)，以及如何設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊(DAQ Module)。

ADC 作為一個(gè)非常關(guān)鍵的有源器件，能夠?qū)?a href="http://www.xsypw.cn/analog/" target="_blank">模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供后續(xù)處理器(MCU/DSP/FPGA)或其他數(shù)字電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

那么，ADC具體有哪些類(lèi)型?實(shí)際應(yīng)用中的難點(diǎn)是什么?MPS推出了哪些穩(wěn)、準(zhǔn)、狠的 ADC 產(chǎn)品，具備怎樣的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)?適用于哪些應(yīng)用場(chǎng)景?今天，我們就來(lái)一一解答!

另外!MPS將于近期陸續(xù)發(fā)布微尺寸16位 ADC、高精度 24位 ADC，以滿(mǎn)足嚴(yán)苛的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集需求。敬請(qǐng)期待!

1. ADC的分類(lèi)

首先我們一起來(lái)認(rèn)識(shí)下ADC有哪些種類(lèi)。最常見(jiàn)的ADC有三類(lèi)：逐次逼近型 (SAR)ADC、ΔΣ型(Delta-Sigma)ADC和流水線(xiàn)型(Pipelined)ADC。

SAR 是目前工業(yè)應(yīng)用中最常見(jiàn)的 ADC，它通過(guò)逐次逼近輸入電壓來(lái)獲得最終的數(shù)字值。優(yōu)點(diǎn)是速度較快，功耗低，適用于中高速應(yīng)用。

Delta-Sigma 主要用于高精度轉(zhuǎn)換，優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，適用于精密測(cè)量，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度相對(duì)較慢。

Pipelined ADC 是最常用的高速 ADC 類(lèi)型，利用殘余電壓放大器、比較器對(duì)模擬輸入進(jìn)行逐級(jí)放大及轉(zhuǎn)換。可以做到中、高精度的快速轉(zhuǎn)換，且功耗優(yōu)于 Flash、Half-Flash ADC，但無(wú)法達(dá)到 Flash ADC 的最高采樣率(> GSPS)。

除這三種之外，還有直接轉(zhuǎn)換及半直接轉(zhuǎn)換型(Flash/Half-Flash)ADC和積分型(Integrating)ADC，這兩種 ADC 應(yīng)用場(chǎng)合相對(duì)較少，這里就不展開(kāi)介紹了。

2. ADC的主要技術(shù)參數(shù)

那么，眾里尋他千百度，怎么找到一顆“八字相投”的 ADC 呢?我們需要考量6大主要技術(shù)參數(shù)：

1)分辨率 (Resolution)：指 ADC 輸出的數(shù)字信號(hào)位數(shù)，決定了能夠區(qū)分的電壓級(jí)別數(shù)量。常見(jiàn)的分辨率有 8位、10位、12位、16位、24位等。分辨率越高，表示模擬信號(hào)的細(xì)節(jié)越多，但同時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間也會(huì)增加。對(duì)于 n 位的 ADC，其可以表示的電壓階梯數(shù)為 2^n。

2) 采樣率 (Sampling Rate)：指每秒鐘對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的次數(shù)，通常以 KSPS 或 MSPS 為單位。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣率需要至少為信號(hào)最高頻率的兩倍才能精確還原信號(hào)。

3) 信號(hào)輸入范圍 (Input Range)：ADC 能夠接受的輸入信號(hào)電壓范圍。例如，0V 到 5V 或 ±10V。輸入超出這個(gè)范圍的信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致飽和或損壞 ADC。

4) 信噪比 (SNR, Signal-to-Noise Ratio)：描述信號(hào)中有用部分與噪聲的比例。信噪比越高，意味著有效分辨率越高、輸出噪聲較少。

5) 線(xiàn)性度 (Linearity)：ADC 在整個(gè)輸入范圍內(nèi)是否能線(xiàn)性轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)。理想的 ADC 會(huì)在輸入和輸出之間有線(xiàn)性關(guān)系。線(xiàn)性度通常使用 INL(積分非線(xiàn)性)和總諧波失真(THD)來(lái)衡量。

6) 有效分辨率(ENOB)：ADC 在考慮其有限的信噪比(SNR)及線(xiàn)性度(THD)情況下的等效精度，會(huì)低于其標(biāo)稱(chēng)分辨率。

3. ADC的應(yīng)用難點(diǎn)

ADC 作為在信號(hào)鏈及傳感、測(cè)量、控制系統(tǒng)當(dāng)中的關(guān)鍵部件，高性能ADC 在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中需要注意諸多技術(shù)細(xì)節(jié)，否則可能無(wú)法達(dá)到甚至接近原廠 ADC 參數(shù)規(guī)格手冊(cè)(Datasheet)當(dāng)中的性能水平。

那么在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，各位工程師們也需要避免一些“陷阱”。比如說(shuō)，ADC 的模擬輸入驅(qū)動(dòng)就是一件非常麻煩的事情，很多 ADC 產(chǎn)品輸入為開(kāi)關(guān)電容采樣電路(Switch-Capacitor)，如輸入驅(qū)動(dòng)的輸出阻抗太大，會(huì)造成嚴(yán)重的 Kick-Back Noise，使ADC的信噪比受到較大的損失。

再者，如何設(shè)計(jì)輸入抗混疊濾波器(Anti-Aliasing Filter)，這個(gè)問(wèn)題看似困難，其實(shí)也并不簡(jiǎn)單!如抗混疊濾波器的截至頻率(Cutoff)過(guò)高或 Stop-Band 的斜率不足，會(huì)由于混疊造成 ADC 的有效精度下降。

還有問(wèn)題諸如如何有效利用 ADC 的模擬輸入范圍、數(shù)字 I/O 噪聲、電源及參考源設(shè)計(jì)等問(wèn)題都是需要格外關(guān)注的。

那么，針對(duì)這些棘手的應(yīng)用難點(diǎn)，MPS 將如何接招呢?讓我們來(lái)看看MPS ADC 產(chǎn)品的六大特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)!

4. MPS ADC 產(chǎn)品的六大特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

1) 廣泛采用內(nèi)置數(shù)字校正技術(shù)，確保ADC在不同的應(yīng)用環(huán)境中具有極高的性能穩(wěn)定性;

2) 優(yōu)越的模擬設(shè)計(jì)技術(shù)保證行業(yè)最高檔次的 ADC 性能指標(biāo)：SNR，SFDR，THD，INL，DNL，ENOB等;

3) 基于應(yīng)用場(chǎng)景的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低用戶(hù)的系統(tǒng)及應(yīng)用板設(shè)計(jì)的難度，確保 ADC 可以發(fā)揮出理想的性能;

4) 強(qiáng)大的客戶(hù)技術(shù)支持：在客戶(hù)評(píng)估、開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證及應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)中 MPS 都可以提供全面的技術(shù)支持，即從板級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)指導(dǎo)直至現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持;

5) 提供定制化產(chǎn)品及模件設(shè)計(jì)：可根據(jù)客戶(hù)的特殊需求開(kāi)發(fā)新型及定制化的 ADC 產(chǎn)品以及相應(yīng)的模件設(shè)計(jì);

6) 靈活、有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格，穩(wěn)定的供貨能力。

5. MPS ADC 具體產(chǎn)品與典型應(yīng)用

MDC97476/MDC97477/MDC97478 的產(chǎn)品特點(diǎn)：

1) 超小型封裝、高性能、低功耗 12 位 ADC

2) 12 bit，單通道，1MSPS 采樣率

3) 單向 SPI 數(shù)字接口

4) 工作電壓3.3V/5V

5)典型 SNR >72dB, THD < -84dB

6) 典型 DNL <+/-0.4 LSB; INL <+/-0.5 LSB

7) TSOT-23-6 標(biāo)準(zhǔn)封裝 (2.8mm x 1.5mm)

8) 工作溫度范圍: –40°C 至85°C及–40°C 至125°C

9) 該系列產(chǎn)品還包括10位(MDC97477)及8位 (MDC97478 1MSPS)，以及相應(yīng)的多通道產(chǎn)品(8/4 通道)

MDC97476 的產(chǎn)品特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：

1) 相比行業(yè)同類(lèi)產(chǎn)品，擁有超高的性能等級(jí)

2) 典型 SNR > 72dB, SFDR > 87dB, ENOB > 11.6b

3) 顯著減小的 ADC 輸入電容 (14pF)，僅為同等頂尖性能產(chǎn)品(30pF+)的一半以下，極大減少了 Kick-Back Noise，減輕了對(duì)輸入驅(qū)動(dòng)的輸出阻抗的要求，提高了ADC在應(yīng)用板的實(shí)際性能

MDC97476 的典型應(yīng)用：

1) 工業(yè)控制與自動(dòng)化

? 在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，MDC97476 可用于采集各種傳感器的信號(hào)，并將其數(shù)字化，適用于需要快速響應(yīng)和高精度的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

? 應(yīng)用場(chǎng)景：PLC(可編程邏輯控制器)、工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中的傳感器數(shù)據(jù)采集，溫度、壓力、速度等物理量的監(jiān)測(cè)與閉環(huán)控制。

2) 環(huán)境參數(shù)測(cè)量與控制

? 在無(wú)人值守基站機(jī)房中，我們可以使用一組 MDC97476 來(lái)實(shí)時(shí)采集機(jī)房?jī)?nèi)的溫度，濕度，通風(fēng)量，市電供電電壓，基站耗電功率等信號(hào)，反饋給空調(diào)控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)環(huán)境控制，并將基站運(yùn)行參數(shù)傳輸?shù)?a target="_blank">中心控制基站。

3) 多相工業(yè)電機(jī)控制

? 在伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中，MDC97476 可以用于實(shí)時(shí)采集電機(jī)的電流、電壓、速度等信號(hào)，并提供給主控制器進(jìn)行閉環(huán)控制。

? 應(yīng)用場(chǎng)景：伺服電機(jī)控制系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)控制、變頻器輸出的電流和電壓監(jiān)控。

4) 便攜式醫(yī)療設(shè)備等

? 在個(gè)人醫(yī)療設(shè)備中，MDC97476 可以用于實(shí)時(shí)采集佩戴者的心率，血糖濃度，血氧飽和度等個(gè)人健康指標(biāo)。

? 在心電圖儀(ECG)中，用于采集人體微弱的心電波信號(hào)。

MDC91128/MDC91256的產(chǎn)品特點(diǎn)：

1) 20bit，128/256 通道，超高靈敏度，pA 級(jí)微電流輸入ADC

2) 輸入檔位：4,7,10,13,16,19,25pC。其中 4pC 為目前工業(yè)級(jí)電流輸入 ADC 產(chǎn)品的最低電流輸入檔位(超高的電流輸入靈敏度)

3) 低等效輸入噪聲：20ppm@25pC 輸入檔(超低的噪聲水平)

4) 良好的線(xiàn)性度：±0.025% at 4pC(超高的線(xiàn)性度水平)

5) 6kSPS采樣率，菊花鏈SPI數(shù)字接口

6) 1.8V數(shù)字電壓 / 5V模擬電壓

7) BGA 20mm x 20mm標(biāo)準(zhǔn)封裝

8) 工作溫度范圍: –40°C 至85°C (超寬的溫度范圍)

MDC91128的典型應(yīng)用：

1) 工業(yè)X光透視檢測(cè)設(shè)備

? 在X光透視無(wú)損檢測(cè)設(shè)備中，我們可以使用16-64 塊 PD 板(由MDC91128 讀取X光傳感器 輸出電流信號(hào))，并將圖像線(xiàn)陣信號(hào)匯總到 FPGA 板，來(lái)構(gòu)建X光實(shí)時(shí)圖像信號(hào)。

工業(yè)X光透視成像系統(tǒng)圖

PD探測(cè)板安裝示意圖

? 典型應(yīng)用場(chǎng)景

a. 機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、地鐵站安檢機(jī)

b. 食品、藥品安檢機(jī)

c. 快遞包裹違禁物品自動(dòng)篩查

d. 危險(xiǎn)液體非接觸測(cè)量

e. 集裝箱快速通關(guān)檢查

f. 工業(yè)無(wú)損探傷

2) TFT 傳感器

? MDC91128 讀取每一個(gè)像素點(diǎn)的電荷狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光、壓力、溫度等物理量的檢測(cè)。

? 典型應(yīng)用場(chǎng)景：在圖像傳感應(yīng)用中，每個(gè)像素點(diǎn)的TFT可以控制光電二極管的電荷積累，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)分布的高分辨率成像

? 其他應(yīng)用場(chǎng)景：觸摸技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等

另外!

MPS 將于近期陸續(xù)發(fā)布微尺寸 16 位 ADC、高精度 24位 ADC，以滿(mǎn)足嚴(yán)苛的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集需求。敬請(qǐng)期待!