【正文】 器是典型的寬帶低增益級(jí)級(jí)聯(lián)。 閃速 ADC 由級(jí)聯(lián)的高速比較器構(gòu)成。當(dāng)然， SAR ADC 是不能夠達(dá)到任何閃速 ADC 的速度的。 SAR ADC 與流水線 結(jié)構(gòu) 流水線 ADC 采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)階段在 一至數(shù)位（連續(xù)樣本內(nèi)）同時(shí)進(jìn)行工作。 Y軸（圖 中的粗線）表示 DAC 的輸出電壓。 最后，本文將對(duì)比 SAR 結(jié)構(gòu)，通 道 及 閃速 ADC。 SAR 通常需要一對(duì)旁路電容。這種過(guò)沖（在積分器輸出端測(cè)量）被稱為“殘基”，這蠻力的方法是不可能實(shí)現(xiàn)一個(gè) 20 位的轉(zhuǎn)換器的。 這種結(jié)構(gòu)相對(duì)與單斜率的主要優(yōu)點(diǎn)是，最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果是不敏感的元件值誤差。以下部分說(shuō)明集成ADC 的工作方式。 SCC模塊的任意組合可以安裝到一個(gè) SCC 的載體或背板，如 SC2345。對(duì)于外部信號(hào)復(fù)用， AMUX64T 模擬多路復(fù)用器板擴(kuò)展 I / O 多功能板卡的模擬輸入功能多達(dá) 256個(gè)通道。典型的插入式 DAQ 板卡有 816 個(gè)模擬輸入和 824的數(shù)字 I / O線。低通濾波器信號(hào)調(diào)理電路可以消除不需要的高頻分量。 擴(kuò)增 不必要的噪音對(duì)基于 PC 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量精度是一場(chǎng)浩劫。 隔離 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接地不當(dāng)是測(cè)量問(wèn)題和損壞 DAQ 板卡最常見(jiàn)的原因。但在研究和工業(yè)環(huán)境中直接連接不是一個(gè)很好的做法，因?yàn)榇蟮碾妷杭夥寤虼蠊材ｋ妷?存在的 可能性， DAQ 板卡沒(méi)有某種類(lèi)型的隔離數(shù)字信號(hào)。該 SCXI 系統(tǒng)將調(diào)理后的信號(hào)通過(guò)一個(gè)單一的插 入式 DAQ 板直接采集到 PC。 NI的 SCXI 產(chǎn)品線可以提供信號(hào)調(diào)理和儀器前端所需的基于 PC 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在開(kāi)始就無(wú)處不在的 7106，這些轉(zhuǎn)換已經(jīng)存在了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。對(duì)于更高的分辨率，增加時(shí)鐘周期數(shù)。這兩種體系結(jié)構(gòu)具有低功耗 的特點(diǎn) 。像集成 ADC，這種 結(jié)構(gòu) 具有優(yōu) 異的線路抑制。因此，由于逐次逼近算法 ADC 的采樣率是這個(gè)數(shù)字的一小部分 ， 內(nèi)部電路可以在幾個(gè)兆赫（ MHz） 時(shí) 被執(zhí)行 。然后 DAC 設(shè)置為 01102，然后執(zhí)行第三比較。 流水線型 ADC 經(jīng)常有數(shù)字誤差校正邏輯，在每個(gè)流水線階段用來(lái)減少閃速ADC（即比較器）的精度要求。因?yàn)椴蓸铀俾时扔行捀叩枚?， 在模擬輸入 時(shí) 他們也不需要陡降 的抗混疊濾波器；后端數(shù)字濾波器 考慮 到這個(gè)。這限制了他們對(duì)高頻率的應(yīng)用。閂鎖具有正反饋，從而使端狀態(tài)被強(qiáng)制為任一“ 1”或“ 0”。最嚴(yán)重的影響是一個(gè)陡降的信號(hào)噪聲比加上失真比（ SINAD）作為頻率的模擬輸入頻率的增加。校準(zhǔn)和修整有時(shí)可用于改善芯片的匹配。 例如 ， MAX1106， 8 位 SAR 轉(zhuǎn)換器，采用 100μ A， 與 25ksps 的轉(zhuǎn)換率。對(duì)于給定的分辨率，相比同類(lèi)分辨率閃速轉(zhuǎn)換器，流水線 ADC 大約慢 10 倍。對(duì)于較高頻率的轉(zhuǎn)化率的連續(xù)時(shí)間 結(jié)構(gòu) 在轉(zhuǎn)換率為 68位的低分辨率范圍內(nèi)速度達(dá)到在上百 Msps 是可能的。它討論了流水線型 ADC，如 構(gòu) 建，延時(shí)，數(shù)字糾錯(cuò)，元件精度和數(shù)字校準(zhǔn)的關(guān)鍵性能特征。因此，在階段 2 中輸入到階段 2的只占據(jù)了 3位 ADC 一半的范圍，（即，當(dāng)在階段 1不存在前 3 位錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)換）。 MAX系列采用數(shù)字化校準(zhǔn)，以確保其出色的精度和動(dòng)態(tài)性能。就像一個(gè) 通 道， SAR 一般超過(guò) 12 位的精度，通常需要某種形式的微調(diào)或校準(zhǔn)。后端數(shù)字濾波器考慮到這個(gè)問(wèn)題。如圖 以方框圖的形式顯示信息。下一個(gè)關(guān)心的參數(shù)是INL，其描述了 DAC 的傳遞函數(shù)的線性偏差。）可接受的偏移誤差通常小于177。 參考電壓 在很大程度上， DAC 的特點(diǎn)是由它的參考電壓定義， DAC 的輸出是否需要從外部施加。如在數(shù)字零通過(guò)從參考輸入到輸出的電壓饋送。 —— 數(shù)據(jù)采集是通過(guò)使用各種設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集，傳感器，等等。 1 討論閃速 ADC 結(jié)構(gòu) 。 給出傳感器的定義。大多數(shù)新的設(shè)備由一個(gè)單極電源供電，但如果我們?cè)黾右粋€(gè)外部雙極放大器和定義最大輸出電壓的中端為零，他們可以提供雙極性輸出信號(hào)。隨著所施加的數(shù)字值的變化，參考輸入電阻也隨著改變。一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)協(xié)議仍然提供了高速傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。圖 中依據(jù)傳遞函數(shù)定義 DNL?，F(xiàn)在大多數(shù)電子設(shè)備包括數(shù)字控制電路，模擬值仍然需要控制閥，揚(yáng)聲器，和其他致動(dòng)器。因此，對(duì)于更高的分辨率，使用超過(guò)兩個(gè)階段是明智的。 在一瞬間比較器元穩(wěn)定可能會(huì)導(dǎo)致 閃速 代碼錯(cuò)誤（其中 ADC提供不可預(yù)知的，不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果條件）。 SAR這一系列性質(zhì)限制了它的運(yùn)行速度，不超過(guò)幾 MS /s，還是慢于非常高的分辨率（ 1416位）。事實(shí)是常常利用通過(guò)使流水線階段逐漸變小，以進(jìn)一步節(jié)省功耗。因?yàn)閺拿總€(gè)階段中的位在不同的時(shí)間點(diǎn)是確定的，被饋送到數(shù)字糾錯(cuò)邏輯之前用移位寄存器對(duì)準(zhǔn)所有相應(yīng)于相同樣品中位的進(jìn)行時(shí)間。 MAX153 實(shí)現(xiàn)了具有 8位， 1Msps 的 ADC 子范圍 結(jié)構(gòu) 。Σ Δ結(jié)構(gòu)適合于低得多的帶寬，典型地在 1MHz 以下，應(yīng)用程序的分辨率范圍在12到 16 位。流水線 ADC 需要在 DAC 和級(jí)間放大器精確放大，并且這些階段必須解決所需的線性度水平。模擬輸入與輸出由預(yù)先設(shè)定的更新位的 DAC 相比，比較器在一個(gè)周期內(nèi)要高一位。這些替代品之間的特等權(quán)衡是： —— 完成轉(zhuǎn)換需要時(shí)間（轉(zhuǎn)換時(shí)間）。格雷碼編碼只允許一個(gè)輸出位改變的時(shí)間。解讀溫度計(jì)代碼，以適當(dāng)?shù)臄?shù)字代碼輸出。閃速 ADC 非常適合需要非常大的帶寬的應(yīng)用程序，但是，它們通常消耗比其它ADC 結(jié) 構(gòu) 更多的功率和一般僅限于 8 位分辨率。然而，在一個(gè) SAR ADC 中，更高的分辨率需要更精確的零件，但復(fù)雜度不會(huì)成倍增加。 SAR ADC，與其他的 ADC 結(jié)構(gòu) 本節(jié)比較了 SAR ADC，內(nèi)置流水線 ADC，快閃 ADC和Σ Δ型 ADC。完成此操作后轉(zhuǎn)換完成，將 N 比特?cái)?shù)字字保存在寄存器內(nèi)。它還提供了 SAR ADC ，電容 DAC ，也是高速比較器的心臟。集成 ADC 需要比 SAR 更多的外部元件。有了這樣一個(gè)小的壓擺率，誤差比較將集成了相當(dāng)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其觸發(fā)點(diǎn)。 雙斜率 ADC 結(jié)構(gòu) 雙斜率 ADC（ DSADC）以固定的時(shí)間量（ TINT）集成了一個(gè)未知的輸入電壓（ VIN），然后使用一個(gè)已知的參考電壓（ VREF）“瓦解”（ TDEINT）可變的時(shí)間量（ 如 圖 ）。它們通常包括液晶顯示或 LED 驅(qū)動(dòng)器，可單獨(dú)應(yīng)用無(wú)微控制器的主機(jī)。例如， SCCTC02 提供了放大，濾波，冷端補(bǔ)償和一個(gè)方便的迷你熱電偶輸入插頭連接器。多達(dá) 16 個(gè) I/ O模塊可以安裝在背板，并直接將模塊連接到插入式 DAQ板卡。 復(fù)用 信號(hào)調(diào)理器配備信號(hào)多路復(fù)用器 ， 可以有效地?cái)U(kuò)大輸入 /輸出（ I/ O）的插入式DAQ 板卡的能力。許多系統(tǒng)將展出來(lái)自源60Hz 的周期性噪聲等組件作為電源或 動(dòng)作 。信號(hào)調(diào)理放大電路，它適用于電腦機(jī)箱外，并靠近信號(hào)源 的 增益，可以提高測(cè)量的分辨率和有效地減少噪聲的影響。隔離信號(hào)調(diào)節(jié)器可以通過(guò)將信號(hào)從源到測(cè)量設(shè)備 通過(guò) 沒(méi)有電或物理連接來(lái)防止這些大部分問(wèn)題。有些信號(hào)調(diào)理模塊和電路板光學(xué)隔離數(shù)字量 I/ O 信號(hào)，以消除這些問(wèn)題。各種 SCXI 模塊有不同的信號(hào)調(diào)理功能。 模擬到數(shù)字控制器 如果傳感器設(shè)備本身是數(shù)字的 ，那 連接數(shù)字電路來(lái)感應(yīng)設(shè)備很簡(jiǎn)單。積分體系結(jié)構(gòu)提供了一種新穎和簡(jiǎn)單的方法，以一個(gè)低帶寬的模擬信號(hào)變換成它的數(shù)字表示。這種實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)間和分辨率之間的折衷是固有的。自 SAR ADC在轉(zhuǎn)換之間可以被關(guān)閉，有效的功率消耗類(lèi)似于集成 ADC（第一順序）。它也提供了一個(gè)非常低功耗的解決方案，它允許低電平信號(hào)被轉(zhuǎn)換。 體系結(jié)構(gòu) 雖然實(shí)現(xiàn)了很多變化的 SAR ADC， 但是 基本 結(jié)構(gòu) 非常簡(jiǎn)單（ 如 圖 ）。位 1 被置為“ 0”，并在 DAC 被設(shè)置到 01012 后，執(zhí)行最終比較。另一方面， SAR ADC 需要比較準(zhǔn)確的整體系統(tǒng)。 Σ Δ轉(zhuǎn)換器的過(guò)采樣性質(zhì)在模擬輸入的任何系統(tǒng)噪聲中也可能趨向于“平滑”。例如包括數(shù)據(jù)采集，衛(wèi)星通信，雷達(dá)處理，取樣示波器，和高密度光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。 閃速代碼 通常情況下，比較器的輸出將是一個(gè)溫度計(jì)代碼，如 00011111。測(cè)量無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（ SFDR）是觀察轉(zhuǎn)換器性能的好方法。每一點(diǎn)增加分辨率元件匹配的要求要增加一倍。該 MAX104 功耗 。流水線轉(zhuǎn)換器可能用于需要速率高達(dá) 100MSPS 左右，分辨率為 10位及以上的采樣 ADC 的最佳 結(jié)構(gòu) 。這種方法還處于早期研發(fā)階段，并提供競(jìng)爭(zhēng)在較低的轉(zhuǎn)換率范圍閃存的替代品。該流水線 ADC已經(jīng)成為最流行的 ADC 結(jié)構(gòu) ，采樣率從每秒數(shù)兆樣本（ MSPS）到 100MSPS，由 8位分辨率到更快的高達(dá) 16 位的分辨率。 當(dāng)應(yīng)用模擬輸入接近這個(gè)比較器的觸發(fā)點(diǎn)，如果比較器中的一個(gè)在前 3位的閃速 ADC 具有顯著偏移，因此一個(gè)錯(cuò)誤的 3位代碼，不正確的 3位 DAC 輸出會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不同的殘基。 MAX1200 系列是 CMOS流水線 ADC，具有 4個(gè) 4位級(jí)（含 1位重疊），并 且具 有一個(gè) 5位閃速 ADC，在圖 中可以看出，一共有 3+3+3+3+5=17 個(gè) 原 始比特。 流水線 ADC 與 Flash ADC 盡管流水線 ADC 固有并行性，仍需要在 DAC 和級(jí)間增益放大器準(zhǔn)確模擬放大，因而具有顯著的線性穩(wěn)定時(shí)間。Σ Δ轉(zhuǎn)換器的過(guò)采樣特性在任何系統(tǒng)噪聲模擬輸入也趨于“平滑”。盡管數(shù)碼設(shè)備已經(jīng)很普及，但是現(xiàn)實(shí)世界中信號(hào)通常由模擬信號(hào)表示。對(duì)于 DAC 的，每一步都要測(cè)量這種偏差（如圖 ）。 10mV。 首先，如果輸出信號(hào)是不通過(guò)額外的輸出級(jí)放大，將參考電壓（ VREF）設(shè)置為 DAC 的最大輸出電壓。 輸出級(jí) DAC 的輸出級(jí)可以被設(shè)計(jì)為提供一個(gè)電壓輸出或電流輸出，但更簡(jiǎn)單的電壓輸出有一個(gè)更大的市場(chǎng)份額。對(duì)特征性質(zhì)和這些工具的主要特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的討論。 1 解釋一下不同類(lèi)型的傳感器。 傳感器的特征是什么？ 詳細(xì)講解電容式傳感器及其應(yīng)用。如需要雙極性輸出級(jí)，該復(fù)位可以在電壓 0V 到一半的最大輸出電壓（中端）間調(diào)節(jié)。當(dāng)連接一個(gè)外部基準(zhǔn)，我們不僅應(yīng)考慮所需的電流和 DAC的參考輸入電壓范圍，也要考慮 DAC 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的任何動(dòng)態(tài)影響。 數(shù)據(jù)接口 以前，使用最廣泛的數(shù)據(jù)接口是并行類(lèi)型。這意味著沒(méi)有數(shù)據(jù)丟失，因?yàn)檩敵鲎兓偸欠蠑?shù)字輸入，它增加了數(shù)字增量響應(yīng)，并降低了數(shù)字遞減響應(yīng)。下面的討論涵蓋了應(yīng)該選擇 DAC 時(shí)必須考慮的重要參數(shù)，同時(shí)也突出了新設(shè)備提供的一些有趣的功能。級(jí)間增益放大器也需要非常高的增益。一個(gè)通道也往往不容易達(dá)到比較器的元穩(wěn)定。 流水線 ADC 與 SAR ADC 在一個(gè)逐次逼近寄存器（ SAR） ADC，位是由一個(gè)單一的高速，高精度點(diǎn)到點(diǎn)的比較器，從 MSB 下降到 LSB，來(lái)決定的，位由模擬輸入與輸出由預(yù)先更新的 DAC比較決定，并依次接近模擬輸入。特別是，在前端采樣和容納， DAC 需要大約 12 位精度，而在后續(xù)階段中的組件需要更少的精度（例如，階段 2 為 10 位，階段 3為 8位，等等），因?yàn)樗麄兊恼`差項(xiàng)是由預(yù)割讓間增益（次）分頻。這樣獲得的殘?jiān)^續(xù)通過(guò)管道，提供每階段 3 比特，直到達(dá)到 4 位快閃型 ADC ，它解決了最后 4LSB 比特。與閃存相比，結(jié)果是轉(zhuǎn)換速度較慢。 閃速與Σ Δ ADC 閃速 ADC 不同這種 結(jié)構(gòu) 競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)槟壳八苓_(dá)到的轉(zhuǎn)換率相差可達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，每個(gè)流水線階段比閃速部分慢得多。 閃速與逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器 SAR 轉(zhuǎn)換器，是單一的高速位。 結(jié)構(gòu)權(quán)衡 ADC 可通過(guò)采用各種硬件 結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)。格雷碼編碼也可以大大提高元穩(wěn)定性。這就是所謂的溫度計(jì)碼編碼，如此命名是因?yàn)樗?lèi)似 一個(gè) 水銀溫度計(jì)，其中水銀柱總是上升到適當(dāng) 的溫度和無(wú)汞的含量高于該溫度。 了解閃速 ADC 閃速 ADC，也被稱為并行 ADC，是對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的最快方式。 這完全是因?yàn)樵谝凰查g分辨率每增加一點(diǎn)比較器的數(shù)目上升了 2倍，并在同一時(shí)間，每個(gè)比較器必須是準(zhǔn)確的兩倍。這在低功率應(yīng)用或數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中 以 不連續(xù) 信號(hào) 作為 PDA 的數(shù)字轉(zhuǎn)換器的情況下尤其有用。按順序直到 LSB。 SAR 結(jié)構(gòu) 允許高性能，低功耗 的 ADC， 被打包為小尺寸當(dāng)今要求苛刻的應(yīng)用程序。 因此，對(duì)于小信號(hào)（即毫伏），前端信號(hào)調(diào)節(jié)電路是必需的。這大約為 2μ V/μ s。為了克服這個(gè)敏感的元件值，使用雙斜率積分體系結(jié)構(gòu)。這些 ADC非常適用于數(shù)字化的低帶寬信號(hào)，并應(yīng)用在如數(shù)字萬(wàn)用表和儀表盤(pán)的使用。 SCC 包括單通道和雙通道信號(hào)調(diào) 理模塊，內(nèi)置信號(hào)連接器。 信號(hào)調(diào)理的 5B 系列 I / O 模塊針對(duì)特定類(lèi)型的傳感器或信號(hào)。然而，更大的地電位差，或接地回路，會(huì)損害未受保護(hù)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。 過(guò)濾和平均 過(guò)濾器是用來(lái)屏蔽 在一定頻率范圍內(nèi)不必要的噪音。一個(gè)放大器，不論位置是直接 接 在 DAQ 板卡或者是基于外部信號(hào)條件，都可以在 ADC 信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值之前獲得增益小信號(hào)。隔離中斷接地環(huán)路，屏蔽高共模電壓，并保護(hù)昂貴的數(shù)據(jù)采集儀器。數(shù)字 I/ O 信號(hào)可以控制機(jī)電或固態(tài)繼電器切換負(fù)載，如螺線管，照明燈，電動(dòng)機(jī)，等等。 例如， SCXI1120 模塊是一個(gè) 8 通道隔離放大器模塊。由于其信號(hào)的開(kāi) /關(guān)性質(zhì)，開(kāi)關(guān)，繼電器，以及編碼器很容易地與門(mén)電路連接。這些類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器通常包括內(nèi)置