2017-03-09 16:16:03

精密模數轉換器應用廣泛,如儀器儀表和測量、電力線繼電保 護、過程控製、電機控製等。目前,SAR 型ADC 的分辨率可 達18 位甚至更高,采樣速率為數MSPS;Σ-Δ 型ADC 的分辨 率則達到24 位甚至32 位,采樣速率為數百kSPS。為了充分 利用高性能ADC 而不限製其能力,用戶在降低信號鏈噪聲方 麵(例如實現濾波器)麵臨的困難越來越多。

本文討論在ADC 信號鏈中實現模擬和數字濾波器以便達到最 佳性能所涉及到的設計挑戰和考慮。如圖1 所示,數據采集信 號鏈可以使用模擬或數字濾波技術,或兩者的結合。精密SAR 型和Σ-Δ 型ADC 一般在第一奈奎斯特區進行采樣,因此,本 文將著重討論低通濾波器。本文的意圖不是討論低通濾波器的 具體設計技術,而是討論其在ADC 電路中的應用。

一般數據采集信號鏈

圖1.一般數據采集信號鏈

數字濾波器考慮

SAR 型和Σ-Δ 型ADC 正在穩步實現更高的采樣速率和輸入帶 寬。以兩倍奈奎斯特速率對一個信號過采樣,會將ADC 量化 噪聲能量均勻擴散到兩倍頻段中。這樣便很容易設計數字濾波 器來限製數字化信號的頻帶,然後通過抽取來提供所需的最終 采樣速率。這種技術可降低帶內量化誤差並提高ADC SNR。 它還能放寬濾波器滾降要求,從而減輕抗混疊濾波器的壓力。 過采樣降低了對濾波器的要求,但需要更高采樣速率ADC 和 更快的數字處理。

1. 對ADC 使用過采樣速率所取得的實際SNR 改善

利用過采樣和抽取濾波器所取得的SNR 改善,可從N 位ADC 的 理論SNR 求得:SNR = 6.02 &TImes; N + 1.76 dB + 10 &TImes; log10[OSR], OSR = fs/(2 &TImes; BW)。注意:此公式僅適用於隻存在量化噪聲的 理想ADC。

奈奎斯特轉換器過采樣

圖7.奈奎斯特轉換器過采樣

還有很多其他因素會將噪聲引入ADC 轉換代碼中。例如:信 號源和信號鏈器件的噪聲,芯片熱噪聲,散粒噪聲,電源噪聲, 基準電壓噪聲,數字饋通噪聲,以及采樣時鍾抖動引起的相位 噪聲。這種噪聲可能會均勻分布在信號頻段中,表現為閃爍噪 聲。因此,實際實現的ADC SNR 改善幅度一般低於用公式計 算出的值。

2. EVAL-AD7960FMCZ 評估板上利用過采樣實現的動態改善

在應用筆記AN-1279 中,256×過采樣下18 位AD7960 ADC 的 實測動態範圍為123 dB。這是用於高性能數據采集信號鏈,如 光譜分析、磁共振成像 (MRI)、氣相色譜分析、振動、石油/ 天然氣勘探和地震係統等。

如圖8 所示,與理論SNR 改善幅度計算相比,測得的過采樣 動態範圍低1 dB 至2 dB。原因是來自信號鏈器件的低頻噪聲 限製了總體動態範圍性能。

 精密ADC用濾波器設計的實際挑戰和考慮

 精密ADC用濾波器設計的實際挑戰和考慮

圖8.OSR 256 時的動態範圍改善

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