一般而言，設(shè)計(jì)人員會(huì)在較低頻率的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)連續(xù)近似暫存器(SAR)及ΔΣ類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)。這些應(yīng)用的訊號(hào)鏈通常是從產(chǎn)生低輸出電壓或電流訊號(hào)的感測(cè)器開(kāi)始。這些訊號(hào)須要先放大和濾波，才能予以數(shù)位化。從中可看出，SAR及ΔΣ轉(zhuǎn)換器訊號(hào)路徑以極為不同的方式調(diào)節(jié)低感測(cè)器訊號(hào)。本文將解說(shuō)多種代表性感測(cè)器的訊號(hào)特性以及各個(gè)轉(zhuǎn)換器類(lèi)型的訊號(hào)鏈元件。對(duì)于訊號(hào)特性，本文中將探討對(duì)于各個(gè)轉(zhuǎn)換器類(lèi)型的應(yīng)用需求以及這些轉(zhuǎn)換器適用的情況。
感測(cè)器電氣特性分析
感測(cè)器應(yīng)用的訊號(hào)鏈?zhǔn)菑母袦y(cè)器開(kāi)始。圖1顯示回應(yīng)環(huán)境并將測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電子訊號(hào)的幾種感測(cè)器。
圖1 用于SAR及ΔΣADC訊號(hào)調(diào)節(jié)電路的感測(cè)器
電阻溫度裝置(RTD)及電熱調(diào)節(jié)器的模擬符號(hào)是電阻。RTD阻抗相對(duì)較小(一般在0℃下為100Ohms)，并且在0.00385Ohms/Ohm/℃下呈線性變化(白金RTD)，且能夠感測(cè)-200℃800℃之間的溫度，使用者必須注意RTD阻抗在攝氏每度的微小變化。RTD元件適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)電流來(lái)源是?1毫安培(mA)。在阻抗轉(zhuǎn)換為電壓之后，RTD訊號(hào)將須要進(jìn)一步放大。
對(duì)于-100℃175℃之間的溫度，負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電熱調(diào)節(jié)器(感熱電阻)會(huì)產(chǎn)生較高的非線性阻抗。25℃下一般的電熱調(diào)節(jié)器阻抗是10kOhm。建立電源供應(yīng)的簡(jiǎn)單分壓器，就能夠產(chǎn)生可測(cè)量的熱調(diào)節(jié)器電壓。
溫差電耦的結(jié)構(gòu)使用兩種不同的金屬，例如鉻和銅鎳合金(E類(lèi))或鎳鉻和鎳硅(N類(lèi))，兩種不同的金屬以焊珠相接于電線的一端。焊珠顯露于散熱環(huán)境可造成焊珠與溫差電耦電線另一端之間的溫差。在這個(gè)環(huán)境中，兩條電線之間將出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)(EMF)電壓。EMF電壓可涵蓋溫度范圍的數(shù)十毫伏特區(qū)域。不過(guò)，ΔEMF電壓在攝氏一度變化下也達(dá)到數(shù)十毫伏特。溫差電耦也需要訊號(hào)路徑的訊號(hào)增益，才能進(jìn)行數(shù)位化。
工程人員都使用電阻橋接電路模擬壓力及負(fù)載感測(cè)器。正壓力或負(fù)載施加于四元件橋接時(shí)，兩個(gè)相對(duì)元件將壓縮回應(yīng)，另兩個(gè)則變成拉張狀態(tài)。設(shè)計(jì)人員可將電壓或電流激發(fā)來(lái)源施加于此電阻橋接的高位。雖然激發(fā)的程度會(huì)影響感測(cè)器輸出的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍，但是VOUT+與VOUT–之間的最大差一般介于數(shù)十至數(shù)百毫伏特之間。
光電二極體與相關(guān)前置放大器是基本光學(xué)活動(dòng)與電子產(chǎn)品之間的連結(jié)。光感測(cè)電路用于電腦斷層(CT)掃描器、血液分析儀、煙霧感測(cè)器、位置感測(cè)器、紅外線高溫計(jì)及層析儀等系統(tǒng)中。在這些電路中，光電二極體會(huì)產(chǎn)生奈安培至微安培程度的小電流，這個(gè)電流隨著照度而呈等比變化。前置放大器可將光電二極體感測(cè)器的電流輸出訊號(hào)轉(zhuǎn)換為可用的電壓程度。
以上所述的所有感測(cè)器都須要激發(fā)來(lái)源及訊號(hào)調(diào)節(jié)電路，才能在訊號(hào)路徑的末端將小訊號(hào)轉(zhuǎn)換為類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器可用的電壓程度。以下將說(shuō)明SAR類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器及ΔΣ類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的一般訊號(hào)鏈。
SAR-ADC訊號(hào)路徑
從感測(cè)器到微控制器(MCU)或微處理器(MPU)的SAR轉(zhuǎn)換器訊號(hào)鏈，包含訊號(hào)調(diào)節(jié)級(jí)、類(lèi)比增益級(jí)、抗混疊濾波器(AAF)、SAR驅(qū)動(dòng)器放大器以及SAR轉(zhuǎn)換器(圖2)。
圖2 SAR-ADC訊號(hào)路徑--偏壓感測(cè)器訊號(hào)經(jīng)過(guò)放大及濾波，提供SAR轉(zhuǎn)換器適當(dāng)?shù)妮斎胗嵦?hào)。
訊號(hào)調(diào)節(jié)級(jí)提供必要的感測(cè)器偏壓級(jí)電壓移位。在此訊號(hào)路徑中，類(lèi)比增益級(jí)的用途是使感測(cè)器的電壓輸出範(fàn)圍符合SAR轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。如此一來(lái)，設(shè)計(jì)人員就能夠盡可能充分運(yùn)用轉(zhuǎn)換器的位元數(shù)。例如感測(cè)器產(chǎn)生50毫伏特的總輸出范圍，而類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的輸入范圍是5伏特，則此類(lèi)比增益級(jí)所需的類(lèi)比增益是~100V/V。此電路位置適合的類(lèi)比裝置類(lèi)型是運(yùn)算放大器或儀表放大器。
在圖2中，類(lèi)比增益級(jí)之后是抗混疊濾波器。這個(gè)叁階至五階抗混疊(類(lèi)比)濾波器會(huì)先移除疊加的類(lèi)比訊號(hào)雜訊，訊號(hào)才會(huì)送達(dá)SAR轉(zhuǎn)換器。在訊號(hào)變成數(shù)位字組之前，AAF將減少會(huì)混疊回?cái)?shù)位訊號(hào)的高頻率雜訊。類(lèi)比濾波是資料獲取系統(tǒng)重要的部分。如果不使用類(lèi)比濾波器，類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器取樣頻寬一半之外的訊號(hào)將混疊回訊號(hào)路徑。一旦數(shù)位化程序期間混疊訊號(hào)，便無(wú)法以頻帶內(nèi)和頻帶外的頻率區(qū)分雜訊。
SAR驅(qū)動(dòng)器放大器會(huì)將訊號(hào)送到SAR類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器。這個(gè)驅(qū)動(dòng)器放大器具備極大的驅(qū)動(dòng)能力，能夠?qū)⒎€(wěn)定的訊號(hào)送到轉(zhuǎn)換器。一旦SAR類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生最終的數(shù)位字組，微控制器或微處理器便會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行訊號(hào)濾波，將該訊號(hào)轉(zhuǎn)換為可用的數(shù)位值。SAR轉(zhuǎn)換器是媒體解析應(yīng)用常見(jiàn)的架構(gòu)。SAR類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的解析度介于8位元18位元之間，取樣速度不到10MSPS。
ΔΣADC訊號(hào)路徑
ΔΣ轉(zhuǎn)換器適合將直流各種頻率的訊號(hào)轉(zhuǎn)換為極高解析度的數(shù)位MHz訊號(hào)。圖3顯示ΔΣADC的基本感測(cè)器訊號(hào)路徑。這些轉(zhuǎn)換器的解析度介于12位元~24位元之間，取樣速度最高可達(dá)50MSPS。必須注意的是，這個(gè)配置圖看起來(lái)似乎比圖2的SAR類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器訊號(hào)路徑簡(jiǎn)單，但是事實(shí)上并非如此。前文所述SAR類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器訊號(hào)路徑所有功能依然存在，只是這些功能全部移到ΔΣ轉(zhuǎn)換器內(nèi)部而已。
圖3 ΔΣADC小訊號(hào)經(jīng)過(guò)濾波，提供ΔΣ轉(zhuǎn)換器適當(dāng)?shù)妮斎胗嵦?hào)范圍。
數(shù)位或處理增益取代圖2中的類(lèi)比增益單元。只要將最低有效位元(LSB)的位置移入數(shù)位輸出字組，即可產(chǎn)生處理增益。在24位元轉(zhuǎn)換器的輸出範(fàn)圍，共有四千零九十六個(gè)12位元轉(zhuǎn)換器。ΔΣ轉(zhuǎn)換器的24位元也可用來(lái)取代增益的類(lèi)比功能及這個(gè)數(shù)位引擎的電壓移位。
ΔΣ轉(zhuǎn)換器「便于設(shè)計(jì)」的抗混疊濾波器可將類(lèi)比輸入訊號(hào)內(nèi)部的主要高頻率雜訊衰減。這個(gè)電阻式/電容式抗混疊濾波器的轉(zhuǎn)折頻率是ΔΣ的輸出資料頻率。ΔΣ轉(zhuǎn)換器另外可提供感測(cè)器激發(fā)來(lái)源及內(nèi)部類(lèi)比增益級(jí)。
本文介紹多種感測(cè)器的一般特性以及基本的SAR類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器與ΔΣ類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器訊號(hào)路徑。經(jīng)過(guò)此次一般概述，可看出ΔΣ類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器能夠提供理想的訊號(hào)路徑，這類(lèi)轉(zhuǎn)換器的訊號(hào)調(diào)節(jié)電路最少，不過(guò)，建議不要抱持如此的定見(jiàn)。選擇任何一種轉(zhuǎn)換器時(shí)，都必須注意準(zhǔn)確度、可重復(fù)性及成本等細(xì)節(jié)。
