【導(dǎo)讀】今天，幾乎所有的電子設(shè)計(jì)都涉及到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。在簡(jiǎn)單的應(yīng)用中，配套的MCU內(nèi)的ADC可能已經(jīng)足夠，而極端的高頻應(yīng)用則需要高速ADC。其他設(shè)計(jì)需要特別注意數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的類型和特性。
像模擬輸入濾波器這樣的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)通常需要額外的時(shí)間。不要忘了像十進(jìn)位這樣的功能，它在一些設(shè)計(jì)中提供了好處。本文提出的建議可能有助于解決這些不同的設(shè)計(jì)考慮。
ADC的選擇
目前常用的ADC有三種基本類型：delta-sigma、逐次逼近寄存器(SAR)和用于RF的每秒千兆位采樣(GSPS)閃存或流水線ADC。您的應(yīng)用將決定必須進(jìn)行數(shù)字化的信號(hào)類型。這些是與你的設(shè)計(jì)需求相匹配的主要規(guī)格：
采樣率。基本規(guī)則是，采樣率必須比要數(shù)字化的信號(hào)的最高頻率內(nèi)容大2倍或以上。換句話說(shuō)，采樣率的一半的頻率被稱為奈奎斯特頻率；它是可以被轉(zhuǎn)換而不產(chǎn)生混疊的最高頻率信號(hào)。如果不符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)出現(xiàn)混疊。混疊會(huì)產(chǎn)生新的信號(hào)，干擾轉(zhuǎn)換過(guò)程。
分辨率。該規(guī)范定義了轉(zhuǎn)換的精度。分辨率是以可以測(cè)量的最小的輸入電壓增量來(lái)表示的。分辨率由輸出中的位數(shù)設(shè)定。位數(shù)越多，分辨率就越高。
動(dòng)態(tài)范圍。這是最高和最低輸入電壓水平之間的最大范圍，以dB表示。與此規(guī)格相關(guān)的是無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR），它定義了最高輸入振幅和本底噪聲中的峰值刺痛之間的范圍。
延遲。采樣脈沖的啟動(dòng)和輸出位的出現(xiàn)之間的時(shí)間。
影響ADC選擇的其他因素是噪底和信噪比（SNR）。
在你的應(yīng)用中，功耗可能是一個(gè)主要關(guān)注點(diǎn)。功率的使用通常與采樣率成正比。
前兩個(gè)因素通常在一開(kāi)始就被確定下來(lái)；然后選擇一個(gè)ADC架構(gòu)。Δ-Σ型ADC具有最高的分辨率，其數(shù)字輸出高達(dá)32位。然而，采樣率通常低于每秒10兆次（MSPS）。
SAR轉(zhuǎn)換器的分辨率高達(dá)18位，采樣率高達(dá)125MSPS。這一中檔類別適合許多應(yīng)用。GSPS ADC可提供超過(guò)10 GSPS的采樣率和10至14比特的分辨率，主要見(jiàn)于射頻設(shè)備和手機(jī)等產(chǎn)品。
對(duì)于廣泛的一般應(yīng)用，如工業(yè)設(shè)備，SAR是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。當(dāng)需要高精度時(shí)，delta-sigma ADC是一個(gè)可靠的選擇。
基本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
所有ADC都需要一個(gè)模擬輸入濾波器。它的主要目的是將輸入帶寬限制在只有要被數(shù)字化的信號(hào)上。其他信號(hào)，特別是輸入端的高頻成分，可能會(huì)產(chǎn)生混疊，造成轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤。這就需要一個(gè)低通濾波器，對(duì)所需信號(hào)中最高頻率成分以上的頻率進(jìn)行急劇滾降。
模擬低通濾波器是有效的，但在試圖實(shí)現(xiàn)所需的衰減時(shí)，它們可能是大而復(fù)雜的處理方式。像有限輸入響應(yīng)（FIR）濾波器這樣的數(shù)字濾波器，有足夠數(shù)量的抽頭，可以提供卓越的選擇性。
也許最大限度地減少輸入濾波器要求的最簡(jiǎn)單方法是使用一個(gè)大大高于混疊保護(hù)所需的最小采樣率。這種超采樣增加了輸入信號(hào)和混疊信號(hào)之間的距離，從而放松了對(duì)輸入濾波器的要求。
請(qǐng)記住，較高的采樣率對(duì)MCU、FPGA或其他接收ADC輸出的電路來(lái)說(shuō)可能太快了。在轉(zhuǎn)換之后可以使用一個(gè)抽取濾波器來(lái)降低輸出速率。取樣提供了減少抗混疊濾波器要求的額外優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槿与娐返牡屯V波器效應(yīng)將降低二階和三階諧波。十取法還可以提高信噪比，每2個(gè)因子可提高-3dBFS（滿刻度分貝）。
任何使用ADC的設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分是模擬前端（AFE）。除了混疊濾波器之外，大多數(shù)ADC需要一些阻抗匹配電路、偏置網(wǎng)絡(luò)以及與ADC參考電壓的連接。所有這些都必須根據(jù)你的應(yīng)用進(jìn)行定制。外部元件通常是必要的，因此在你的設(shè)計(jì)中要計(jì)劃一些額外的PCB空間。
一個(gè)值得考慮的ADC
德州儀器公司提供了一系列的SAR ADC，可以與許多應(yīng)用相匹配。其中一個(gè)例子是ADC364x，這是一個(gè)雙通道14位CMOS器件，可以在10至65 MSPS的速率下采樣（見(jiàn)圖）。輸入可以是單端或差分的。輸出可以是并行或串行的，使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS的LVDS輸出。輸出上的外部電阻控制電流。
一個(gè)關(guān)鍵特征是它的片上數(shù)字濾波器具有抽取功能。十取法有效地降低了輸出數(shù)據(jù)率，從而可以容納較慢的外部設(shè)備，如MCU或FPGA。可以選擇2、4、8、16或32的十進(jìn)位。
使用ADC進(jìn)行設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要考慮許多相互關(guān)聯(lián)的因素。為尋找最佳可用的ADC而花費(fèi)的時(shí)間將在以后的設(shè)計(jì)時(shí)間和成本節(jié)約中得到回報(bào)。
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