面向高精度测量 如何实现节能模数转换

使用Σ-Δ ADC进行信号转换

与SAR-ADC相比，Σ-Δ ADC有一些优势。首先，它们通常具有更高的分辨率。此外，它们通常与可编程增益放大器(PGA)和通用输入/输出(GPIO)集成。因此，Σ-Δ ADC非常适合直流和低频高精度信号调理和测量应用。但是，由于固定过采样速率较高，Σ-Δ ADC通常功耗更高，在电池供电的应用中，会导致使用寿命缩短。

如果输入电压很小（即在毫伏范围内），则必须先放大输入电压，以便ADC更轻松地进行管理。需要使用PGA模拟前端(AFE)连接小于10mV输出的电压。例如，为了将桥式电路的小电压连接到具有2.5V输入范围的Σ-Δ ADC，PGA必须具有250的增益。但是，由于噪声电压也被放大，这会导致ADC输入端的噪声变大。24位Σ-Δ ADC的有效分辨率因此被大幅降低到12位。不过，在某些情况下，无需使用ADC中的所有码值，有时进一步放大也无法再改善动态范围。Σ-Δ ADC的另一个缺点是，由于其内部复杂性，通常成本较高。

将SAR-ADC与仪表放大器相结合的好处

一种同样准确但更经济和更高效的替代方案是将SAR-ADC与仪表放大器相结合，如图1所示。

图1 显示简化桥式测量电路与仪表放大器和SAR-ADC相结合的示意图

SAR-ADC的功能可分为两个阶段：数据采集阶段和转换阶段。基本上，在数据采集阶段，电流消耗很低。大多数SAR-ADC甚至会在转换间隙断电。转换阶段汲取的电流最多。功耗取决于转换率，并与采样速率成线性比例关系。对于针对慢速响应测量（即测量的量变化缓慢的测量，例如温度测量）的节能应用，应使用低转换率来保持电流汲取，从而降低损耗。图2显示了AD4003在不同采样速率下的功率损耗。在1kSPS时，功率损耗约为10μW；在1 MSPS时，已增加至10mW。

图2 AD4003中的功率损耗作为采样速率的一个函数

与这种慢速测量相比，Σ-Δ ADC具有过采样的优势，同时使用比输出速率高得多的内部振荡器频率。这使设计者能够将采样优化为速度较快、噪声性能较差；或者速度较低，而滤波、噪声整形（将噪声移至感兴趣测量区域之外的频带）及噪声性能较好。不过，这意味着与SAR-ADC相比，Σ-Δ ADC的功耗要高得多。许多Σ-Δ ADC的有效分辨率和无噪声分辨率均在其数据手册中有所提及，因此很容易比较权衡。

结论

Σ-Δ ADC与PGA的组合以及SAR-ADC与仪表放大器的组合都适用于高精度测量应用中的信号转换。这两种解决方案的准确性差不多。不过，对于节能或电池供电的测量应用，SAR-ADC与仪表放大器的组合更好，与由PGA和Σ-Δ ADC组成的解决方案相比，其功耗和成本更低。此外，具有高增益的PGA通常会限制性能，因为噪声也会被放大。本文仅介绍了一种适用于SAR-ADC的可行解决方案。还有更多的集成解决方案，例如AD7124-4/AD7124-8等集成PGA的Σ-Δ ADC。  

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关于作者

Thomas Brand于2015年加入德国慕尼黑的ADI公司，当时他还在攻读硕士。毕业后，他参加了ADI公司的培训生项目。2017年，他成为一名现场应用工程师。Thomas为中欧的大型工业客户提供支持，并专注于工业以太网领域。他毕业于德国莫斯巴赫的联合教育大学电气工程专业，之后在德国康斯坦茨应用科学大学获得国际销售硕士学位。