如何使用外部模擬驅(qū)動(dòng)器協(xié)助 ADC

我一直有個(gè)問題，使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 是否像將傳感器輸出連接到其模擬輸入并開始讀取讀數(shù)一樣簡(jiǎn)單?精明的讀者看到我只回答了這個(gè)問題的一部分——地面通常是 ADC 讀數(shù)失控的罪魁禍?zhǔn)?，但它不是唯一的?

驅(qū)動(dòng)模擬輸入也值得制造商關(guān)注。三種情況需要使用外部模擬驅(qū)動(dòng)器來輔助 ADC。讓我們考慮小信號(hào)、噪聲信號(hào)和更快信號(hào)的情況。

1. 使用盡可能多的范圍

許多模擬傳感器從最小讀數(shù)到最大讀數(shù)產(chǎn)生非常小的電壓擺幅。此外，理論擺動(dòng)與操作過程中看到的實(shí)際擺動(dòng)可能存在很大差異。工程師喜歡為最壞的情況調(diào)整大小。在沒有外部幫助正確縮放信號(hào)的情況下使用 ADC 可能是一個(gè)壞習(xí)慣。

一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是專為家庭使用而設(shè)計(jì)的溫度計(jì)。從 35°C 的低溫到 41°C 的高熱的讀數(shù)可能僅使用設(shè)備中傳感器的部分測(cè)量能力。另一個(gè)例子是加速度計(jì)。當(dāng)預(yù)期為 ±6 g 時(shí)，不需要 ±30 g 零件。

當(dāng)讀數(shù)僅使用范圍的一小部分時(shí)會(huì)發(fā)生什么?想想看。如果高 8 位在 ADC 操作期間從未改變，那么恭喜，我們已經(jīng)將 12 位轉(zhuǎn)換器變成了 4 位轉(zhuǎn)換器。降低分辨率，信號(hào)中的細(xì)微差別就會(huì)消失。

這意味著制造商設(shè)計(jì)傳感器系統(tǒng)需要三個(gè)步驟：

· 選擇一個(gè)范圍足夠大的傳感器，加上正常操作期間預(yù)期的擺動(dòng)余量。

· 如果擔(dān)心中點(diǎn)毛刺，請(qǐng)放大并移動(dòng)傳感器信號(hào)以占用 ADC 輸入范圍的一半。

· 選擇具有適當(dāng)分辨率的 ADC 以將讀數(shù)間隔在該半范圍內(nèi)。

1. 處理一點(diǎn)噪音，或者更多

外部放大也以另一種方式有所幫助。更強(qiáng)的模擬信號(hào)更能抗噪，而數(shù)字平均 ADC 讀數(shù)有助于消除白噪聲。稍微提升一點(diǎn)可能會(huì)提高信噪比 (SNR)，足以讓單端模擬子系統(tǒng)產(chǎn)生良好的結(jié)果。

上次我們談到了單端與差分信號(hào)的概念。單端方法僅使用一根線來傳輸模擬信號(hào)，其返回路徑依賴于系統(tǒng)范圍的接地。差分方法使用兩根導(dǎo)線，一根加號(hào)和一根減號(hào)，產(chǎn)生與接地?zé)o關(guān)的電壓差。雙絞線可以幫助差分信號(hào)保持安靜，為兩條線上的噪聲提供消除效果。

這里暗示使用差分輸入升級(jí)到 ADC。大多數(shù)低成本 ADC，包括微控制器上的 ADC，都是單端的。差分輸入是較高采樣率的精密 ADC 的一個(gè)共同特征，可能值得獲得預(yù)期的位數(shù)。

1. 更高的采樣率

盡管我們盡最大努力簡(jiǎn)化事情，但有時(shí)物理學(xué)變得不可避免。在許多 ADC 架構(gòu)中，它們的模擬輸入看起來是電容性的，這使事情變得更加復(fù)雜。例如，一些 ADC 在采樣保持中使用開關(guān)電容方案來穩(wěn)定捕獲信號(hào)。信號(hào)變化太大，電流驅(qū)動(dòng)太小，充電時(shí)間不夠，樣本永遠(yuǎn)達(dá)不到輸入信號(hào)的電平。

克服電容性浪涌需要能夠快速泵送足夠電流的 ADC 驅(qū)動(dòng)器。壓擺率測(cè)量驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)其輸入產(chǎn)生輸出電壓變化的速度。高壓擺率 ADC 驅(qū)動(dòng)器還需要更多帶寬，帶寬是驅(qū)動(dòng) ADC 采樣率的 5 到 10 倍。在雷達(dá)和 5G 設(shè)計(jì)中非常高的采樣率下，傳輸線理論和阻抗匹配開始發(fā)揮作用，這超出了大多數(shù)制造商的范圍。

更容易為工作選擇零件

我們?cè)?ADC 科學(xué)方面取得了很大進(jìn)展，該科學(xué)正在成熟到優(yōu)化部件針對(duì)某些應(yīng)用的程度。大多數(shù) ADC 供應(yīng)商還可以選擇為特定工作創(chuàng)建的 ADC 驅(qū)動(dòng)程序。這使工程師能夠處理差分信號(hào)、壓擺率、帶寬、共模噪聲抑制等。

使用外部模擬驅(qū)動(dòng)器輔助 ADC 為將信號(hào)從噪聲中提取出來設(shè)置了正確的比例。結(jié)合跨越預(yù)期物理輸入范圍的傳感器，驅(qū)動(dòng)器使 ADC 可以使用更多的數(shù)字范圍。隨著速度的提高，ADC 驅(qū)動(dòng)器可以幫助制造商在音頻、無線電或視頻應(yīng)用中工作。