選擇正確的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，比較不同ADC的精度和性能

ADC 比較，顯示了可用于 sigma-delta、逐次逼近和閃存轉(zhuǎn)換器的分辨率范圍。還顯示了每種類型的最大轉(zhuǎn)換速度。如我們所見，可用的 sigma-delta ADC 的速度達(dá)到了逐次逼近型 ADC 的范圍，但甚至不如最慢的閃存 ADC 快。表格沒有顯示的是速度和準(zhǔn)確性之間的權(quán)衡。例如，雖然我們可以獲得范圍從 8 位到 16 位的逐次逼近型 ADC，但我們不會發(fā)現(xiàn) 16 位版本在給定的器件系列中是最快的。最快的閃存 ADC 不會是 12 位部分，而是 6 位或 8 位部分。

這些圖表是技術(shù)當(dāng)前狀態(tài)的快照。隨著 CMOS 工藝的改進(jìn)，逐次逼近轉(zhuǎn)換時(shí)間已從幾十微秒變?yōu)槲⒚?。并非所有技術(shù)改進(jìn)都會影響所有類型的轉(zhuǎn)換器;CMOS 工藝改進(jìn)加快了所有轉(zhuǎn)換器系列的速度，但將日益復(fù)雜的 DSP 功能置于 ADC 芯片上的能力并沒有改進(jìn)逐次逼近轉(zhuǎn)換器。DSP 功能確實(shí)改進(jìn)了 sigma-delta 類型，因?yàn)樗梢詫⒏?、更快和更?fù)雜的濾波器添加到部件中。

采樣并保持

轉(zhuǎn)換 DC 信號時(shí)，ADC 操作很簡單。但是，如果輸入信號在轉(zhuǎn)換期間變化超過一個(gè)最低有效位 (LSB)，則 ADC 將產(chǎn)生不正確(或至少不準(zhǔn)確)的結(jié)果。減少這些誤差的一種方法是在 ADC 之前放置一個(gè)低通濾波器。選擇濾波器參數(shù)以確保 ADC 輸入在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)的變化不會超過一個(gè) LSB。

另一種處理變化輸入的方法是在 ADC 之前添加一個(gè)采樣保持 (S/H) 電路。

顯示了采樣保持電路的工作原理。S/H 電路有一個(gè)帶控制輸入的模擬(固態(tài))開關(guān)。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，輸入信號連接到保持電容，緩沖器的輸出跟隨輸入。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，輸入與電容器斷開。

該圖顯示了 S/H 操作的波形。一個(gè)緩慢上升的信號連接到 S/H 輸入。當(dāng)控制信號為低電平(采樣)時(shí)，輸出跟隨輸入。當(dāng)控制信號變高(保持)時(shí)，將保持電容與輸入斷開，輸出保持在 S/H 切換到保持模式時(shí)輸入的值。當(dāng)開關(guān)再次閉合時(shí)，電容器快速充電，輸出再次跟隨輸入。通常，S/H 將在 ADC 轉(zhuǎn)換開始之前切換到保持模式，并在轉(zhuǎn)換完成后切換回采樣模式。

在理想情況下，保持電容沒有泄漏，緩沖放大器的輸入阻抗無限大，因此輸出將永遠(yuǎn)保持穩(wěn)定。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，保持電容會泄漏，緩沖放大器的輸入阻抗是有限的，因此隨著電容放電，輸出電平會慢慢下降到地電位。

S/H 電路在保持模式下保持輸出的能力取決于保持電容的質(zhì)量、緩沖放大器的特性(主要是輸入阻抗)以及采樣/保持開關(guān)的質(zhì)量(真正的電子開關(guān))打開時(shí)有一些泄漏)。在保持模式下輸出所表現(xiàn)出的漂移量稱為下降率，并以毫伏/秒、毫伏/微秒或微伏/微秒來指定。

真正的 S/H 電路也具有有限的輸入阻抗，因?yàn)殡娮娱_關(guān)并不完美。這意味著在采樣模式下，保持電容通過一些電阻充電。這限制了 S/H 獲取輸入的速度。為了獲得滿量程輸入，S/H 必須保持在采樣模式的時(shí)間稱為采集時(shí)間，以納秒或微秒為單位。

由于采樣時(shí)一些阻抗與保持電容串聯(lián)，其效果與低通 RC 濾波器相同。這限制了 S/H 可以獲取的最大頻率。這稱為全功率帶寬，以千赫或兆赫為單位。

如前所述，電子開關(guān)不完善，一些輸入信號出現(xiàn)在輸出端，即使在保持模式下也是如此。這稱為饋通，通常以分貝為單位。

輸出失調(diào)是輸入和輸出之間的電壓差。S/H 電路數(shù)據(jù)表通常以毫伏為單位顯示保持模式偏移和采樣模式偏移。

軟件

使用 S/H 的 ADC 系統(tǒng)可能必須適應(yīng)硬件怪癖。在某些系統(tǒng)中，軟件通過端口或寄存器輸出位直接控制 S/H 控制輸入。通常，S/H 處于采樣模式，軟件必須確保滿足采集時(shí)間要求。在某些系統(tǒng)中，這可以簡單地通過將 S/H 保持在采樣模式直到需要轉(zhuǎn)換來完成。

在 S/H 進(jìn)入保持模式后，另一個(gè)位(或?qū)懭氲刂坊蚱渌僮?啟動(dòng) ADC。轉(zhuǎn)換完成后，軟件讀取結(jié)果。但是，如果任何一個(gè)中斷(或最壞情況的中斷疊加)導(dǎo)致 S/H 電路的輸出下降超過 1 個(gè) LSB，則可能會出現(xiàn)問題。如果發(fā)生這種情況，軟件可能需要在將 S/H 切換到保持模式之前禁用中斷，并在開始轉(zhuǎn)換后重新啟用它們。這可確保 ADC 在 S/H 下降發(fā)生之前完成轉(zhuǎn)換。

軟件還必須適應(yīng) S/H 的充電時(shí)間。當(dāng)電子開關(guān)閉合并將輸入信號連接到 S/H 電容器時(shí)，電容器需要有限的時(shí)間充電，因?yàn)殚_關(guān)和驅(qū)動(dòng)輸入的任何源都具有非零阻抗。如果這些阻抗的總和足夠大，軟件可能需要添加一個(gè)延遲，以便保持電容有時(shí)間在開始轉(zhuǎn)換之前充電到最終值的 1 LSB 以內(nèi)。