【文章內(nèi)容簡介】 器中的一個在前3位的閃速ADC具有顯著偏移，因此一個錯誤的3位代碼，不正確的3位DAC輸出會導(dǎo)致產(chǎn)生不同的殘基。言下之意是。 事實(shí)上，在階段一至四的3位閃速ADC只需要大約4位的精度。數(shù)字誤差校正不會糾正在最后4位閃存轉(zhuǎn)換造成的錯誤。然而，這里的任何錯誤是由前4位閃存大增益造成的，要求最后階段只有超過4位才是準(zhǔn)確的。，雖然每個階段產(chǎn)生3位原始比特，因?yàn)榧夐g增益為只有4，每個階段（階段一至四個）有效地解決僅2比特。因此整個ADC的比特的有效數(shù)量為2+2+2+2+4=12比特。元件精度數(shù)字誤差校正確實(shí)在個別DAC和放大器的增益有不正確的增益或線性誤差。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`差項是由預(yù)割讓間增益（次）分頻。事實(shí)是常常利用通過使流水線階段逐漸變小，以進(jìn)一步節(jié)省功耗。在大多數(shù)流水線設(shè)計CMOS或Bi CMOS技術(shù)，S＆H，DAC，求和節(jié)點(diǎn)，以及增益放大器ADC時，實(shí)現(xiàn)一個單一的開關(guān)電容電路塊通常被稱為乘法DAC（MDAC）。主要的限制因素是MDAC精度與固有電容器不匹配。實(shí)現(xiàn)純粹雙極比較復(fù)雜，將主要受到電阻不匹配電流源DAC和級間增益放大器的影響。在一般情況下，大約12位的精度或更高時，某種形式的電容/電阻微調(diào)或數(shù)字校準(zhǔn)是必需的，尤其是在你前第幾個階段。數(shù)字校準(zhǔn)MAX1200，MAX1201和MAX1205型ADC，采樣率分別為16位，14位和2位。MAX系列采用數(shù)字化校準(zhǔn)，以確保其出色的精度和動態(tài)性能。MAX1200系列是CMOS流水線ADC，具有4個4位級（含1位重疊），并且具有一個5位閃速ADC，一共有3+3+3+3+5=17個原始比特。按數(shù)字校準(zhǔn)量化誤差額外的13位都需要比ADC本身更高的精度，讓無論是14位還是整體的16位都會被丟棄。在第三階段的開始校準(zhǔn)來自乘法數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（MDAC）；超越第三階段的MDAC誤差項足夠小，沒有必要校正。第三級的輸出由其余流水線ADC進(jìn)行數(shù)字化，并將誤差項保存在RAM上。一旦第三MDAC被校準(zhǔn)后，它可以以類似的方式來校準(zhǔn)第二MDAC。同樣，一旦在第二和第三MDAC被校準(zhǔn)，它們用來校準(zhǔn)第一MDAC。均是使用同樣的方法（尤其是在第一和第二MDAC），以保證校準(zhǔn)是無噪聲的。在正常轉(zhuǎn)換時，這些誤差項被從RAM中調(diào)出，用于調(diào)整數(shù)字誤差校正邏輯輸出。流水線ADC與SAR ADC在一個逐次逼近寄存器（SAR）ADC，位是由一個單一的高速，高精度點(diǎn)到點(diǎn)的比較器，從MSB下降到LSB，來決定的，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。SAR這一系列性質(zhì)限制了它的運(yùn)行速度，不超過幾MS /s，還是慢于非常高的分辨率（1416位）。但是，流水線ADC，采用了并行結(jié)構(gòu)，其中每個階段同時工作于1個至數(shù)位（連續(xù)樣本內(nèi)）。雖然在SAR只有一個比較器，但是該比較器比較快（主頻約為x比特數(shù)的采樣率）和ADC本身也很精確。與此相反，沒有一個流水線ADC內(nèi)部的比較器需要這種速度和準(zhǔn)確性。然而，一個流水線ADC比同等SAR通常顯著需要最多的硅片面積。SAR也只顯示一個周期（一個周期=1/F sample）的延遲，其他典型的通道大約在三個或以上的周期。就像一個通道，SAR一般超過12位的精度，通常需要某種形式的微調(diào)或校準(zhǔn)。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)定時間。純粹閃速ADC，一方面，有比較器堆棧，其次是鎖存每個寬帶和低增益前置放大器。該前置放大器，不像流水線ADC的放大器，需要提供的增益甚至不必須是線性的或準(zhǔn)確的，只有比較器的觸發(fā)點(diǎn)必須是準(zhǔn)確的。結(jié)論是，一個流水線ADC在速度上與精心設(shè)計的閃速ADC是無法比擬的。雖然極快的8位閃速ADC（或它們的折疊/內(nèi)插變形），（例如，MAX104/MAX106/MAX108），但很難找到一個10位閃存，而12位（或以上）閃速ADC不是商業(yè)上可行的產(chǎn)品。這完全是因?yàn)闉榻鉀Q每一個額外的位比較器的數(shù)目在一瞬間上升到2倍，并在同一時間每個比較器必須是準(zhǔn)確的兩倍。然而，在傳遞中，分辨率一階的復(fù)雜性只線性地增大，而不是指數(shù)增大。采樣速率由兩個通道和閃速獲取，流水線ADC往往比閃速有低得多的功耗。一個通道也往往不容易達(dá)到比較器的元穩(wěn)定。在一瞬間比較器元穩(wěn)定可能會導(dǎo)致閃速代碼錯誤（其中ADC提供不可預(yù)知的，不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果條件）。流水線ADC與ΣΔ轉(zhuǎn)換器ADC傳統(tǒng)上，過采樣/ΣΔ型轉(zhuǎn)換器的數(shù)字音頻常用在有限的帶寬，大約22kHz左右。但最近一些高帶寬ΣΔ型轉(zhuǎn)換器已經(jīng)達(dá)到12MHz的帶寬與1216位分辨率。這些通常是非常高階（例如，四階甚至更高）的ΣΔ調(diào)制器，集成了多比特ADC和多位反饋DAC，其主要應(yīng)用在ADSL。ΣΔ轉(zhuǎn)換器無需特殊修剪/校準(zhǔn)的本質(zhì)，甚至對16?18位分辨率也同樣有用。他們還要求抗混疊濾波器的模擬輸入沒有陡降，因?yàn)椴蓸铀俾时扔行捀叩枚?。后端?shù)字濾波器考慮到這個問題。ΣΔ轉(zhuǎn)換器的過采樣特性在任何系統(tǒng)噪聲模擬輸入也趨于“平滑”。然而，ΣΔ轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的速度解決方法。需要采樣多次（例如，至少16倍，但通常高得多），以生成一個最終的樣品，在ΣΔ調(diào)制器的內(nèi)部的模擬元件操作比最終數(shù)據(jù)速率快得多。數(shù)字抽取濾波器也是平凡的設(shè)計和占用了大量硅片面積。預(yù)期在不久的將來最快的高分辨率ΣΔ型轉(zhuǎn)換器，帶寬不會超過幾兆赫。像流水線型ADC，ΣΔ轉(zhuǎn)換器還具有延時。半流水線ADC與半閃速ADC（二步法）兩步閃速可以概括為兩個階段的傳輸。然而，隨著位的數(shù)目上升（例如，12位或更高）與數(shù)字誤差校正，每個階段都需要納入的6至7位閃速ADC。級間增益放大器也需要非常高的增益。因此，對于更高的分辨率，使用超過兩個階段是明智的。流水線ADC是從采樣速率幾MS每秒到高達(dá)100MS每秒精選的體系結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換器，提供高速，高分辨率和低功耗的同時，復(fù)合物比特數(shù)上升僅僅是線性的（不是指數(shù)）。他們應(yīng)用廣泛，特別是在數(shù)字通信領(lǐng)域，其中一個轉(zhuǎn)換器的動態(tài)性能往往比傳統(tǒng)的DC規(guī)格更重要，如微分非線性（DNL）和積分非線性（INL）。在大多數(shù)應(yīng)用中他們的數(shù)據(jù)延遲是很少關(guān)注的。 模擬控制DAC，一方面，輸入一個二進(jìn)制數(shù)，并輸出一個模擬電壓或電流信號。盡管數(shù)碼設(shè)備已經(jīng)很普及，但是現(xiàn)實(shí)世界中信號通常由模擬信號表示。數(shù)字控制系統(tǒng)通過使用ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字來處理現(xiàn)實(shí)世界的模擬信號。再使用DAC來轉(zhuǎn)換回模擬信號。Maxim提供從8到16位完整產(chǎn)品線精度的DAC。找到一個能滿足應(yīng)用程序要求的DAC是很重要的。設(shè)計工程師選擇一個DAC時，需要看參數(shù)，如線性度，分辨率，速度和準(zhǔn)確度。盡管廣泛使用數(shù)碼電子，但是現(xiàn)實(shí)世界仍然是模擬的。結(jié)論是，需要在數(shù)字和模擬部分之間建立一個DAC系統(tǒng)。下面的討論涵蓋了應(yīng)該選擇DAC時必須考慮的重要參數(shù)，同時也突出了新設(shè)備提供的一些有趣的功能?，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，和其他致動器。從數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換通常是在專用的D / A轉(zhuǎn)換器上來實(shí)現(xiàn)的。DAC可以從眾多的選擇中按照轉(zhuǎn)換的要求和系統(tǒng)設(shè)置選擇可用的標(biāo)準(zhǔn)電路。在選擇的DAC中，第一步是確定所需的分辨率N，其中最大模擬輸出等于2N個LSB。市場提供的DAC最大產(chǎn)品品種在指定的816位分辨率范圍內(nèi)（25665,536步）。然而，沒有給出準(zhǔn)確的分辨率，因?yàn)槠渌`差源必須被考慮在內(nèi)。下一個關(guān)心的參數(shù)是INL，其描述了DAC的傳遞函數(shù)的線性偏差。對于DAC的，每一步都要測量這種偏差（）。直線是實(shí)際傳遞函數(shù)或傳遞函數(shù)的終點(diǎn)之間畫一條線（減去增益和失調(diào)誤差后）的最佳逼近。雖然低成本的設(shè)備指定此參數(shù)高達(dá)177。16LSBs，它往往可以通過使用操作軟件提高修正系數(shù)。對于高端的DAC，INL值比177。1LSB更好。DNL是實(shí)際臺階高度和理想LSB值之間的差異。DNL的目標(biāo)值（1LSB）確保DAC是單調(diào)的。這意味著沒有數(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)。對于數(shù)模轉(zhuǎn)換器，當(dāng)數(shù)字輸入是零時，偏移誤差等于輸出電壓。對于所有的輸入值這個偏差值保持恒定，并且通常可以通過校正電路來補(bǔ)償。偏移誤差通常指定為以毫伏的絕對值，而不是最低有效位。（最低有效位中的偏移誤差取決于輸出步驟的高度，這又取決于參考電壓的電平。）可接受的偏移誤差通常小于177。10mV。增益誤差定義為減去偏移誤差（）后的理想最大輸出電壓與傳遞函數(shù)的實(shí)際的最大值之間的差。因?yàn)樵鲆嬲`差改變傳遞函數(shù)的斜率，每個步驟它都提供了相同的百分比誤差。增益誤差表示在最低有效位或毫伏，作為最大值的百分比。動態(tài)輸出特性一個理想的DAC將在數(shù)字值被輸入到輸入端后立即輸出其模擬輸出。然而，實(shí)際的DAC，并處穩(wěn)定時間是由輸出驅(qū)動器的內(nèi)部傳播延遲和有限的壓擺率決定的。穩(wěn)定時間開始于一個轉(zhuǎn)換的開始，當(dāng)DAC輸出穩(wěn)定，并包括任何靜態(tài)誤差耦合到輸出時，結(jié)束。雖然這是由DAC本身引起，但是由不正確的接地和電路板布局造成的影響將變得更加嚴(yán)重。數(shù)據(jù)接口以前，使用最廣泛的數(shù)據(jù)接口是并行類型。一個簡單的數(shù)據(jù)協(xié)議仍然提供了高速傳輸?shù)膬?yōu)勢。而另一方面，串行接口的低引腳數(shù)，需要更少的電路板空間，并且允許更小的封裝。該SPI（串行外設(shè)接口）和及其相關(guān)類型，IC制造商和用戶只需要更簡單的處理，比2線I2C兼容接口有更大的市場份額。SPI是一個3線接口（數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)輸出和時鐘）也需要一個片選線的設(shè)備尋址。因?yàn)樾盘柭窂匠３Ｐ枰玫碾姼綦x，3線接口提供的單向數(shù)據(jù)線成為又一個優(yōu)點(diǎn)（單向線路的隔離是很容易用光電耦合器來實(shí)現(xiàn)）。新的DAC，如12位MAX5539和MAX5543集成在隔離封裝內(nèi)，從而簡化了工業(yè)設(shè)備的模擬數(shù)據(jù)輸出的設(shè)計。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。首先，如果輸出信號是不通過額外的輸出級放大，將參考電壓（VREF）設(shè)置為DAC的最大輸出電壓。參考電壓還限定在輸入時響應(yīng)于輸出的變化1LSB過渡的電壓階躍。第一步設(shè)置其等于VREF/2N，其中N是DAC的分辨率。在一個恒定的溫度，基準(zhǔn)輸出電壓在它的初始精度指定的范圍內(nèi)變化。對于溫度變化時，輸出電壓漂移對DAC的質(zhì)量有著直接關(guān)系。，DAC在其參考電壓需要最小的漂移。集成引用通常在100PPM/℃，因此合格的只能在有限的溫度范圍內(nèi)。一個例外是12/13bit MAX5122/MAX5132，其集成的最大漂移精密基準(zhǔn)指定為10ppm/℃（典型值為3ppm/℃）。當(dāng)連接一個外部基準(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)生的任何動態(tài)影響。隨著所施加的數(shù)字值的變化，參考輸入電阻也隨著改變。因此，選擇的基準(zhǔn)必須能夠保證在每個載荷步的要求時間內(nèi)，或添加電容器或運(yùn)算放大器緩沖器。DAC，帶有一個外部參考輸入（如MAX5170）也可以操作乘法模式。一個可變電壓（而不是一個常數(shù)1）被施加到參考輸入端（）。可變電壓乘以調(diào)整后的數(shù)字輸入值，并轉(zhuǎn)移到輸出端，產(chǎn)生一個精確的數(shù)字電位器的效果。此操作模式中，我們應(yīng)該考慮DAC的帶寬和電壓范圍，以及參考輸入的動態(tài)特性。如在數(shù)字零通過從參考輸入到輸出的電壓饋送。輸出級DAC的輸出級可以被設(shè)計為提供一個電壓輸出或電流輸出，但更簡單的電壓輸出有一個更大的市場份額。有些Maxim的設(shè)備提供的固定電壓輸出增益或一個不受約束的放大器作為選項，即所謂的“強(qiáng)制檢測”輸出。這種安排有助于通過兩個外部電阻設(shè)置一個單獨(dú)的增益（）。力感應(yīng)電壓輸出也有助于實(shí)現(xiàn)電流輸出（）MAX5120/MAX5170系列提供了一種特殊的啟動功能叫作毛刺預(yù)防。如果沒有這種功能，DAC輸出簡單地遵循在上電時的電源電壓，直到集成電路開始工作。該操作會有3V的高脈沖破壞輸出，這可能會導(dǎo)致下面的電路出現(xiàn)故障。MAX5120/MAX5170設(shè)備可以抑制這種脈沖。他們還提供一個上電復(fù)位，清除所有DAC寄存器。如需要雙極性輸出級，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)。大多數(shù)新的設(shè)備由一個單極電源供電，但如果我們增加一個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。12位MAX530工作在雙極性電源并直接提供雙極性輸出把電壓。至于為DAC供電另一個考慮是可能發(fā)生閉鎖，高于電源電壓。特別地，上電或斷電時數(shù)據(jù)信號不應(yīng)該被應(yīng)用到DAC輸入端。防止這個問題?？偨Y(jié)——在虛擬儀器數(shù)據(jù)采集設(shè)備包含三個主要階段——數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，與數(shù)據(jù)操作。——數(shù)據(jù)采集是通過使用各種設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集，傳感器，等等。對特征性質(zhì)和這些工具的主要特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的討論?！獢?shù)據(jù)調(diào)節(jié)是通過使用諸如放大，濾波，隔離，等等各種技術(shù)。對特征性質(zhì)和這些工具的主要特點(diǎn)進(jìn)行了細(xì)節(jié)劃定。——要特別注意，最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亟忉層嘘P(guān)在市場上可買到的各種數(shù)據(jù)采集和ADC。在幾個設(shè)備中也要進(jìn)行比較，以證明其性能的霸主地位。復(fù)習(xí)題 給出完整測量系統(tǒng)方框圖的部件，并解釋各塊的功能。 繪制傳感器的原理圖。 寫出化學(xué)，物理和生物傳感器之間的差異。 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。 給出傳感器的定義。 傳感器的類型有哪些？ 寫出換能器的特性。 解釋下：RTD和應(yīng)變計。 列出一般的信號調(diào)理功能。1 大概解釋下ADC的結(jié)構(gòu)類型。1 大概解釋下DAC的結(jié)構(gòu)類型。1 討論閃速ADC結(jié)構(gòu)。1 解釋一下不同類型的傳感器。1 畫出人體感應(yīng)結(jié)構(gòu)。1 如何使用傳感器進(jìn)行信號檢測？1 信號調(diào)理的各個階段是哪些？1 如何使用SCXI信號調(diào)理？LabVIEW based Advanced Instrumentation Systems General Signal Conditioning FunctionsRegardless of the types of s