一般而言，設(shè)計人員會在較低頻率的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)連續(xù)近似暫存器(SAR)及ΔΣ類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)。這些應(yīng)用的訊號鏈通常是從產(chǎn)生低輸出電壓或電流訊號的感測器開始。這些訊號須要先放大和濾波，才能予以數(shù)位化。從中可看出，SAR及ΔΣ轉(zhuǎn)換器訊號路徑以極為不同的方式調(diào)節(jié)低感測器訊號。本文將解說多種代表性感測器的訊號特性以及各個轉(zhuǎn)換器類型的訊號鏈元件。對于訊號特性，本文中將探討對于各個轉(zhuǎn)換器類型的應(yīng)用需求以及這些轉(zhuǎn)換器適用的情況。
感測器電氣特性分析
感測器應(yīng)用的訊號鏈?zhǔn)菑母袦y器開始。圖1顯示回應(yīng)環(huán)境并將測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電子訊號的幾種感測器。
圖1 用于SAR及ΔΣADC訊號調(diào)節(jié)電路的感測器
電阻溫度裝置(RTD)及電熱調(diào)節(jié)器的模擬符號是電阻。RTD阻抗相對較小(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-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)電流來源是?1毫安培(mA)。在阻抗轉(zhuǎn)換為電壓之后，RTD訊號將須要進(jìn)一步放大。
對于-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)的簡單分壓器，就能夠產(chǎn)生可測量的熱調(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)或鎳鉻和鎳硅(N類)，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。在這個環(huán)境中，兩條電線之間將出現(xiàn)電動勢(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，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路徑的訊號增益，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)載感測器。正壓力或負(fù)載施加于四元件橋接時，兩個相對元件將壓縮回應(yīng)，另兩個則變成拉張狀態(tài)。設(shè)計人員可將電壓或電流激發(fā)來源施加于此電阻橋接的高位。雖然激發(fā)的程度會影響感測器輸出的動態(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)活動與電子產(chǎn)品之間的連結(jié)。光感測電路用于電腦斷層(CT)掃描器、血液分析儀、煙霧感測器、位置感測器、紅外線高溫計及層析儀等系統(tǒng)中。在這些電路中，光電二極體會產(chǎn)生奈安培至微安培程度的小電流，這個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器的電流輸出訊號轉(zhuǎn)換為可用的電壓程度。
以上所述的所有感測器都須要激發(fā)來源及訊號調(diào)節(jié)電路，才能在訊號路徑的末端將小訊號轉(zhuǎn)換為類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器可用的電壓程度。以下將說明SAR類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器及ΔΣ類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的一般訊號鏈。
SAR-ADC訊號路徑
從感測器到微控制器(MCU)或微處理器(MPU)的SAR轉(zhuǎn)換器訊號鏈，包含訊號調(diào)節(jié)級、類比增益級、抗混疊濾波器(AAF)、SAR驅(qū)動器放大器以及SAR轉(zhuǎn)換器(圖2)。
圖2 SAR-ADC訊號路徑--偏壓感測器訊號經(jīng)過放大及濾波，提供SAR轉(zhuǎn)換器適當(dāng)?shù)妮斎胗嵦枴?/strong>
訊號調(diào)節(jié)級提供必要的感測器偏壓級電壓移位。在此訊號路徑中，類比增益級的用途是使感測器的電壓輸出範(fàn)圍符合SAR轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。如此一來，設(shè)計人員就能夠盡可能充分運(yùn)用轉(zhuǎn)換器的位元數(shù)。例如感測器產(chǎn)生50毫伏特的總輸出范圍，而類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的輸入范圍是5伏特，則此類比增益級所需的類比增益是~100V/V。此電路位置適合的類比裝置類型是運(yùn)算放大器或儀表放大器。
在圖2中，類比增益級之后是抗混疊濾波器。這個叁階至五階抗混疊(類比)濾波器會先移除疊加的類比訊號雜訊，訊號才會送達(dá)SAR轉(zhuǎn)換器。在訊號變成數(shù)位字組之前，AAF將減少會混疊回數(shù)位訊號的高頻率雜訊。類比濾波是資料獲取系統(tǒng)重要的部分。如果不使用類比濾波器，類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器取樣頻寬一半之外的訊號將混疊回訊號路徑。一旦數(shù)位化程序期間混疊訊號，便無法以頻帶內(nèi)和頻帶外的頻率區(qū)分雜訊。
SAR驅(qū)動器放大器會將訊號送到SAR類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器。這個驅(qū)動器放大器具備極大的驅(qū)動能力，能夠?qū)⒎€(wěn)定的訊號送到轉(zhuǎn)換器。一旦SAR類比數(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進(jìn)一步進(jìn)行訊號濾波，將該訊號轉(zhuǎn)換為可用的數(shù)位值。SAR轉(zhuǎn)換器是媒體解析應(yīng)用常見的架構(gòu)。SAR類比數(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訊號路徑
ΔΣ轉(zhuǎn)換器適合將直流各種頻率的訊號轉(zhuǎn)換為極高解析度的數(shù)位MHz訊號。圖3顯示ΔΣADC的基本感測器訊號路徑。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，這個配置圖看起來似乎比圖2的SAR類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器訊號路徑簡單，但是事實(shí)上并非如此。前文所述SAR類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器訊號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小訊號經(jīng)過濾波，提供ΔΣ轉(zhuǎn)換器適當(dāng)?shù)妮斎胗嵦柗秶?/strong>
數(shù)位或處理增益取代圖2中的類比增益單元。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12位元轉(zhuǎn)換器。ΔΣ轉(zhuǎn)換器的24位元也可用來取代增益的類比功能及這個數(shù)位引擎的電壓移位。
ΔΣ轉(zhuǎn)換器「便于設(shè)計」的抗混疊濾波器可將類比輸入訊號內(nèi)部的主要高頻率雜訊衰減。這個電阻式/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器激發(fā)來源及內(nèi)部類比增益級。
本文介紹多種感測器的一般特性以及基本的SAR類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器與ΔΣ類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器訊號路徑。經(jīng)過此次一般概述，可看出ΔΣ類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器能夠提供理想的訊號路徑，這類轉(zhuǎn)換器的訊號調(diào)節(jié)電路最少，不過，建議不要抱持如此的定見。選擇任何一種轉(zhuǎn)換器時，都必須注意準(zhǔn)確度、可重復(fù)性及成本等細(xì)節(jié)。
