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如何進(jìn)行ADC的外圍電路設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2021-11-25 00:00:00    瀏覽:2790次
    ADC,也即數(shù)模轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器。對(duì)于ADC,小編在往期文章中有所介紹,如管道ADC的優(yōu)缺點(diǎn)、流水線ADC結(jié)構(gòu)分析等。為增進(jìn)大家對(duì)ADC的認(rèn)識(shí),本文將對(duì)ADC外圍電路設(shè)計(jì)方法予以介紹。如果你對(duì)ADC,抑或是對(duì)本文即將闡述的內(nèi)容具有興趣,不妨繼續(xù)往下閱讀哦。
    在使用ADC芯片時(shí),由于ADC的型號(hào)多樣化,其性能各有局限性,所以為了使ADC能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)需要以及滿足后繼電路的要求,必需對(duì)ADC的外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。ADC外圍電路的設(shè)計(jì)通常包括模擬電路、數(shù)字電路和電源電路的設(shè)計(jì)。
一、模擬電路設(shè)計(jì)
1.1前置放大器電路的設(shè)計(jì)
    市場(chǎng)上除了少數(shù)的ADC本身帶有放大電路外,多數(shù)ADC都不具備此結(jié)構(gòu),而一般模/數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)是比較小的,因此通常需要使用模擬放大器,來提升輸入電壓。模擬放大器一般選用集成運(yùn)算放大器、儀表放大器或隔離放大器等。使用模擬放大器時(shí)要著重考慮放大器的帶寬和精度,當(dāng)選擇運(yùn)算放大器時(shí),其帶寬和精度都應(yīng)當(dāng)優(yōu)于所選擇的ADC。
    模擬放大器不僅能放大模擬輸入信號(hào),而且還具有阻抗變化的作用。對(duì)于輸入電阻比較小的ADC,而信號(hào)源的內(nèi)阻又比較大時(shí),需要選用高輸入阻抗、低輸出阻抗的放大器,有時(shí)也可以加接電壓跟隨器,以提高輸入阻抗,從而達(dá)到匹配的目的。
 
1.2采樣保持電路的設(shè)計(jì)
    采樣保持電路可以使ADC轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換期間保持電壓不變,因此對(duì)于沒有采樣保持電路的ADC,必需在模擬輸入之前加接采樣保持電路。在選用采樣保持器時(shí),要注重捕獲時(shí)間和頂級(jí)率的選擇,因?yàn)樗鼈冎苯雨P(guān)系到模/數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體性能。捕獲時(shí)間實(shí)質(zhì)就是采樣保持器的采樣階段所需的時(shí)間,它要與ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間合理配合,過大則影響ADC的轉(zhuǎn)換速率,過小則容易產(chǎn)生功能混亂或數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象。
    在ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程中,采樣保持電路進(jìn)入保持階段。通常采樣保持電路是靠電容來進(jìn)行電壓保持的,由于電容和采樣開關(guān)中漏電流以及保持電路中偏置電流的影響,使保持的模擬電壓隨時(shí)間的延續(xù)而有所下降(或上升),其下降的速率就是采樣保持電路的頂級(jí)率。頂級(jí)率過大就會(huì)影響轉(zhuǎn)換精度。頂級(jí)率和捕獲時(shí)間不但與采樣保持電路有關(guān),而且還與外接的保持電容有關(guān),增大電容時(shí),可以減小頂級(jí)率,但捕獲時(shí)間將增大,因此需要全面考慮。對(duì)于模擬輸入電壓變化緩慢的系統(tǒng),可以不使用采樣保持電路,一般模擬輸入電壓變化不超過1/2LSB時(shí),就可不用。
1.3多路開關(guān)的設(shè)計(jì)
    多路開關(guān)也是ADC的主要外圍設(shè)備之一。設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下問題:實(shí)際中,部分ADC的輸入電阻較小,而模擬多路開關(guān)并不是理想開關(guān),其導(dǎo)通電阻較大,因此ADC與模擬多路開關(guān)之間的阻抗并不匹配,這將影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行精度,因此不容忽視,這時(shí)可在多路開關(guān)與ADC之間加接高輸入阻抗的電壓跟隨器;此外模擬多路開關(guān)存在漏電流,而且各路開關(guān)是并聯(lián)的,當(dāng)開關(guān)的路數(shù)較多時(shí),漏電流就不能忽視,這時(shí)可采用分級(jí)模擬開關(guān)來解決這個(gè)問題;在多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,當(dāng)通道切換時(shí),模擬電壓將產(chǎn)生階躍變化,這時(shí)應(yīng)等階躍變化穩(wěn)定后,再讓采樣保持電路進(jìn)入采樣階段;具有分級(jí)流水結(jié)構(gòu)的ADC和∑-△型的ADC,其輸出的數(shù)據(jù)是滯后的,因此需要全面考慮轉(zhuǎn)換器外圍電路所需的穩(wěn)定時(shí)間以及ADC對(duì)多路開關(guān)的階躍變化所需的響應(yīng)時(shí)間等。
二、數(shù)字外圍電路的設(shè)計(jì)
    ADC的輸出是數(shù)字電路,它與后繼電路相連接所需要的數(shù)據(jù)線可以分為并行接口和串行接口兩種型式。
2.1并行接口電路的設(shè)計(jì)
    絕大多數(shù)ADC的數(shù)據(jù)輸出都具備并行接口,可以很方便地與下級(jí)電路(微處理器等)的數(shù)據(jù)總線相連接,數(shù)據(jù)傳送速度快。ADC的數(shù)據(jù)總線常用的有8位和16位,但一般10~16位的ADC既能與16位的接口方式與16位的微控制器直接相連,又能以8位接口方式與8位微控制器相連。并行接口除了并行的數(shù)據(jù)線外,還需要許多控制信號(hào)線和狀態(tài)信號(hào)線,如啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)線、讀/寫信號(hào)線、片選信號(hào)線等。由于各種ADC的芯片各不相同,所以在設(shè)計(jì)時(shí),必須弄清具體型號(hào)的各信號(hào)定義、時(shí)序以及使用微控制器的總線時(shí)序,從而才能設(shè)計(jì)出滿足時(shí)序要求的接口電路。
2.2串行接口電路的設(shè)計(jì)
    串行接口只需要1根雙向數(shù)據(jù)線、或者2條傳輸方向相反的數(shù)據(jù)線和少量的控制線。這樣能大大地減少芯片的引腳數(shù)目,進(jìn)而簡(jiǎn)化了整機(jī)的布線。實(shí)際中多數(shù)微型控制器都有串行接口,這樣給串行數(shù)據(jù)輸出的ADC使用提供了便利的條件,不過這種傳輸方式速度慢、效率低,但隨著芯片工作頻率的提高,串行傳輸速率也得到了改善。常見的串行接口有通用異步接收/發(fā)送器、串行外圍接口和I2C總線等,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的方式。


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