(文章來(lái)源:電子工程世界)
在物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算成為生活一部分,在行業(yè)媒體大肆宣揚(yáng)之際,通過(guò)采用最先進(jìn)的技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計(jì),老式電子元件并未停止前進(jìn)的步伐。其中一個(gè)例子是模數(shù)轉(zhuǎn)換器,該器件現(xiàn)在可以超過(guò)每秒一兆次采樣(MSPS)的速率實(shí)現(xiàn)32位分辨率,輕松通過(guò)傳統(tǒng)的計(jì)量基準(zhǔn)測(cè)試。
這些高精度轉(zhuǎn)換器可以顯示高于16位的分辨率,規(guī)定可比靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,并且在儀表儀器和大型通用采集系統(tǒng)(測(cè)試、設(shè)備認(rèn)證)、專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)(醫(yī)療應(yīng)用和光譜學(xué)數(shù)字成像)等專(zhuān)用領(lǐng)域以外,它們已經(jīng)進(jìn)入許多過(guò)程控制應(yīng)用、可編程控制器、大型電機(jī)控制以及電能輸配等領(lǐng)域。目前,幾種ADC架構(gòu)在精度方面不相上下;根據(jù)不同需求,具體的選擇視模數(shù)轉(zhuǎn)換原理、逐次逼近寄存器(SAR)以及Σ-Δ而定,在數(shù)MSPS速率下,這些架構(gòu)分別支持最高24位或以上的分辨率,為24位或更多,在幾百kSPS速率下支持32位分辨率。
圖1所示為適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的這類(lèi)分區(qū)的一個(gè)典型示例。在調(diào)節(jié)差分或非差分信號(hào)(放大、縮放、自適應(yīng)和電平轉(zhuǎn)換等)之后,在數(shù)字化之前對(duì)后者進(jìn)行濾波以滿(mǎn)足奈奎斯特準(zhǔn)則。根據(jù)ADC的過(guò)采樣速率,要使用額外的數(shù)字濾波來(lái)達(dá)到采集系統(tǒng)的規(guī)格要求。
由于對(duì)超寬輸入動(dòng)態(tài)范圍的需求增加,許多上述應(yīng)用采用了最先進(jìn)的高分辨率ADC。隨著動(dòng)態(tài)范圍的增加,系統(tǒng)性能預(yù)計(jì)會(huì)提高,模擬調(diào)節(jié)鏈會(huì)減小,擁堵、能耗,甚至是材料成本都會(huì)下降。
在超快高分辨率模數(shù)編碼器出現(xiàn)之前,一般通過(guò)以下辦法解決動(dòng)態(tài)范圍問(wèn)題:使用快速可編程增益放大器、更快的比較器和/或并聯(lián)若干ADC,最后加上合適的數(shù)字處理模塊,以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)信號(hào)的數(shù)字化,區(qū)分接近噪聲水平的小信號(hào)。實(shí)際上,量化噪聲和熱噪聲被同化為白噪聲,該噪聲在整個(gè)奈奎斯特頻帶及以外均勻分布。過(guò)采樣之后,通過(guò)濾波和嚴(yán)格以最小所需采樣速率(或2 × BW)限制有用頻帶,頻帶每降低一個(gè)倍頻程,噪聲能量將降低3 dB,如圖2所示。換句話說(shuō),過(guò)采樣因子為4時(shí)最為理想,在理論上使信噪比增加了6dB;即是說(shuō),增加了一位,如等式1所示:
圖1.典型測(cè)量信號(hào)鏈。
圖2.通過(guò)添加數(shù)字抽取濾波器比較頻譜噪聲密度。
總之,過(guò)采樣有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn),一是可以提升信噪比,二是可以放寬對(duì)位于ADC之前的抗混疊模擬濾波器的要求。
(責(zé)任編輯:fqj)
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模數(shù)轉(zhuǎn)換器
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