ADC

在多通道多路复用数据采集系统中，增加每个 ADC 的通道数量可改善系统的整体成本、面积和效率。现代 SAR ADC 具有高吞吐量和高能效，使得系统设计人员能够实现比以往更高的通道密度。

今天我们将说明多路复用器输入端的建立瞬变（由多路复用器输出端的大尺度开关瞬变引起）导致需要较长采集时间，使得多通道数据采集系统的整体吞吐量显著降低。然后，文中将着重阐述使输入建立时间最小化以及提高数据吞吐量和系统效率所需的设计权衡。

<strong>什么是多通道 DAQ？</strong>
<strong>如何衡量多通道 DAQ 的性能？</strong>

多通道数据采集 (DAQ) 系统是一个与多路输入（通常是传感器）接口的完整信号链子系统，其主要功能是将输入端的模拟信号转换为处理单元可以理解的数字数据。多通道 DAQ 系统的主要组成部分有模拟前端子系统（缓冲器、开关元件和信号调理模块）、ADC 及数字接口。对于高速精密转换器，开关元件（通常是多路复用器）放置在 ADC 驱动器和转换器本身之前，以利用现代 ADC 的先进性能。SAR ADC 兼具高速度和高精度性能，是这些应用最常用的 ADC 类型。

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<strong>简介</strong>

许多应用（如生命体征信号监测、温度监测、成像等）需要高分辨率、高动态范围模数转换器(ADC)，此类器件很
昂贵且功耗高。

本应用笔记讨论过采样和求均值技术的优势，可将其应用于ADuCM3027/ADuCM3029系统集成的12位ADC所采集的样本。这种技术可减少处理器开销，从而降低任何具体应用的能耗。

任何器件选型，你都不可能对所有相关的技术指标面面俱到完全兼顾。对于ADC也是一样，但是到底有哪些指标值得你的关注？哪些指标不可忽略？选择转换器时，工程师通常只关注分辨率、信噪比（SNR）或者谐波。这些虽然很重要，但其他技术指标同样举足轻重。

ADI系统应用工程师Brad Brannon指出了9个常被忽略的ADC技术指标。一起来看看，你常忽略了哪些？

<strong>分辨率</strong>

分辨率可能是最易被误解的技术指标，它表示输出位数，但不提供性能数据。部分数据手册会列出有效位数（ENOB），它使用实际SNR测量来计算转换器的有效性。一种更加有用的转换器性能指标是噪声频谱密度（NSD），单位为dBm/Hz或HznV。NSD可以通过已知的采样速率、输入范围、SNR和输入阻抗计算得出（dBm/Hz）。已知这些参数，便可选择一款转换器来匹配前端电路的模拟性能，这种选择ADC的方法比仅仅列出分辨率更有效。

许多用户还会考虑杂散和谐波性能，这些都与分辨率无关，但转换器设计人员一般要调整他们的设计，使谐波与分辨率相一致。

<strong>电源抑制</strong>

作为真实世界信号与现代数字信号处理功能电路之间的关键使能接口——精准模数转换器，广泛应用于工业过程中的高端测试/测量系统。

但是，想要把传感器或其它信号源连接至转换器并获得数据转换器产品广告中宣称的所有性能，并不是一件容易的事，通常还需要用于提供缓冲、电压保护或其他功能等附加电路的帮助。

那么，该如何简化这个问题呢？

<strong>问题：可以使用放大器的禁用引脚来节省功耗而不影响性能吗？</strong>

在物联网时代，电池供电应用日益兴盛。本文将说明我们并非一定要在节省功耗和精度之间进行取舍。

有些运算放大器有禁用引脚，如果使用得当，可以节省高达 99%的功耗，同时不影响精度。禁用引脚主要用于静态工作（待机模式）。在这种模式下，所有IC都切换到低功耗状态，不需要使用器件来处理信号。这使功耗降低了若干个数量级。

如果运算放大器需要用作 ADC 的缓冲放大器，如图 1 所示，它必须处于工作状态才能执行其功能。但是，如果通过禁用引脚将放大器切换到关断模式，仍然可以保持低功耗。通常，只要 ADC 不需要向其采样和保持功能块读入任何新数值，就可以使用关断模式。

在信号链中运用采样保持放大器（THA），可以从根本上扩展带宽，使其远远超出 ADC 采样带宽，满足苛刻高带宽的应用的需求。本文将证明，针对 RF 市场开发的最新转换器前增加一个 THA，便可实现超过 10 GHz 带宽。ps.本文定义的宽带是指使用大于数百MHz的信号带宽，其频率范围为 DC 附近至 5 GHz-10 GHz 区域。

<strong>打好基础</strong>

对于雷达、仪器仪表和通信应用，高GSPS转换器应用得非常广泛，因为它能提供更宽的频谱以扩展系统频率范围。然而，更宽的频谱对ADC本身的内部采样保持器提出了更多挑战，因为它通常未针对超宽带操作进行优化，而且ADC一般带宽有限，在这些更高模拟带宽区域中其高频线性度/SFDR会下降。

因此，在ADC前面使用单独的THA来拓展模拟带宽成为了一个理想的解决方案，如此便可在某一精确时刻对频率非常高的模拟/RF输入信号进行采样。该过程通过一个低抖动采样器实现信号采样，并在更宽带宽范围内降低了ADC的动态线性度要求，因为采样率RF模数转换过程中保持不变。

这种方案带来的好处显而易见：模拟输入带宽从根本上得以扩展，高频线性度显著改善，并且与单独的RF ADC性能相比，THA-ADC组件的高频SNR得到改进。

<strong>电路功能与优势</strong>

图1所示电路是一种隔离式智能工业现场仪表，可与许多类型的模拟传感器，如温度传感器(Pt100、Pt1000、热电
偶)或桥式压力传感器等接口。该仪表通过4 mA至20 mA模拟输出和可寻址远程传感器高速通道(HART®)接口进行通
信。HART是一种数字双向通信，可在标准4 mA至20 mA模拟电流信号之上调制一个1 mA峰峰值频移键控(FSK)信号。HART接口可实现众多功能，例如远程校准、故障查询和过程变量传输；这些功能在诸如温度和压力控制等应用中是必须的。

该电路采用超低功耗、精密、24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)AD7124-4，其包括温度和压力系统所需的全部特性。该电路还包括16位4 mA至20 mA环路供电数模转换器(DAC)AD5421，业界功耗最低且尺寸最小的HART兼容型IC调制
解调器AD5700，提供超低功耗串行外设接口(SPI)隔离的ADuM1441，CMOS开关ADG5433，以及位于隔离功率电
路中的低功耗3.3 V稳压器ADP162。

<strong>电路功能与优势</strong>

本电路采用一个具有sub-Hz调谐分辨率的直接数字频率合成器(DDS)，作为高性能 ADC 的低抖动采样时钟源。AD9515时钟分配IC 向ADC 提供PECL 逻辑电平。不过，利用AD9515的内部分频器特性，DDS 也可在 AD9515 前端以较高频率工作，有效提高输入压摆率。AD9515 输入方波电路中较高的压摆率有助于降低时钟路径中的宽带抖动。

时间交错技术可使用多个相同的 ADC（文中虽然仅讨论了 ADC，但所有原理同样适用于 DAC 的时间交错特性），并以比每一个单独数据转换器工作采样速率更高的速率来处理常规采样数据序列。简单说来，时间交错（IL）由时间多路复用 M 个相同的 ADC 并联阵列组成。

如图 1 所示。这样可以得到更高的净采样速率 fs（采样周期 Ts = 1/fs），哪怕阵列中的每一个 ADC 实际上以较低的速率进行采样（和转换），即 fs/M。因此，举例而言，通过交错四个 10 位/100 MSPS ADC，理论上可以实现 10 位/400 MSPS ADC。