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作者: 发布时间:2017-03-09 来源: 繁体版
精密模数转换器应用广泛,如仪器仪表和测量、电力线继电保 护、过程控制、电机控制等。目前,SAR 型ADC 的分辨率可 达18 位甚至更高,采样速率为数MSPS;Σ-Δ 型ADC 的分辨 率则达到24 位甚至32 位,采样速率为

精密模数转换器应用广泛,如仪器仪表和测量、电力线继电保 护、过程控制、电机控制等。目前,SAR 型ADC 的分辨率可 达18 位甚至更高,采样速率为数MSPS;Σ-Δ 型ADC 的分辨 率则达到24 位甚至32 位,采样速率为数百kSPS。为了充分 利用高性能ADC 而不限制其能力,用户在降低信号链噪声方 面(例如实现滤波器)面临的困难越来越多。DPz自动化在线网

本文讨论在ADC 信号链中实现模拟和数字滤波器以便达到最 佳性能所涉及到的设计挑战和考虑。如图1 所示,数据采集信 号链可以使用模拟或数字滤波技术,或两者的结合。精密SAR 型和Σ-Δ 型ADC 一般在第一奈奎斯特区进行采样,因此,本 文将着重讨论低通滤波器。本文的意图不是讨论低通滤波器的 具体设计技术,而是讨论其在ADC 电路中的应用。DPz自动化在线网

一般数据采集信号链DPz自动化在线网

图1.一般数据采集信号链 DPz自动化在线网

数字滤波器考虑DPz自动化在线网

SAR 型和Σ-Δ 型ADC 正在稳步实现更高的采样速率和输入带 宽。以两倍奈奎斯特速率对一个信号过采样,会将ADC 量化 噪声能量均匀扩散到两倍频段中。这样便很容易设计数字滤波 器来限制数字化信号的频带,然后通过抽取来提供所需的最终 采样速率。这种技术可降低带内量化误差并提高ADC SNR。 它还能放宽滤波器滚降要求,从而减轻抗混叠滤波器的压力。 过采样降低了对滤波器的要求,但需要更高采样速率ADC 和 更快的数字处理。DPz自动化在线网

1. 对ADC 使用过采样速率所取得的实际SNR 改善DPz自动化在线网

利用过采样和抽取滤波器所取得的SNR 改善,可从N 位ADC 的 理论SNR 求得:SNR = 6.02 &TImes; N + 1.76 dB + 10 &TImes; log10[OSR], OSR = fs/(2 &TImes; BW)。注意:此公式仅适用于只存在量化噪声的 理想ADC。DPz自动化在线网

奈奎斯特转换器过采样DPz自动化在线网

图7.奈奎斯特转换器过采样

还有很多其他因素会将噪声引入ADC 转换代码中。例如:信 号源和信号链器件的噪声,芯片热噪声,散粒噪声,电源噪声, 基准电压噪声,数字馈通噪声,以及采样时钟抖动引起的相位 噪声。这种噪声可能会均匀分布在信号频段中,表现为闪烁噪 声。因此,实际实现的ADC SNR 改善幅度一般低于用公式计 算出的值。DPz自动化在线网

2. EVAL-AD7960FMCZ 评估板上利用过采样实现的动态改善DPz自动化在线网

在应用笔记AN-1279 中,256×过采样下18 位AD7960 ADC 的 实测动态范围为123 dB。这是用于高性能数据采集信号链,如 光谱分析、磁共振成像 (MRI)、气相色谱分析、振动、石油/ 天然气勘探和地震系统等。DPz自动化在线网

如图8 所示,与理论SNR 改善幅度计算相比,测得的过采样 动态范围低1 dB 至2 dB。原因是来自信号链器件的低频噪声 限制了总体动态范围性能。DPz自动化在线网

 精密ADC用滤波器设计的实际挑战和考虑DPz自动化在线网

 精密ADC用滤波器设计的实际挑战和考虑DPz自动化在线网

图8.OSR 256 时的动态范围改善

精密ADC用滤波器设计的实际挑战和考虑
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