采用Δ-Σ和SARADC的過采樣模式提升ADC動態(tài)范圍您使用過任何ADC（Δ-Σ或SAR）并使其工作在過采樣模式下嗎？您是否得到了需要的結(jié)果？您遇到過什么問題嗎？以前有些關(guān)于Δ-Σ和SAR（逐次逼近型）ADC概述中，曾討論過信噪比（SNR）和有效位數(shù)（ENOB）相關(guān)的過采樣技術(shù)。過采樣技術(shù)最常用于Δ-Σ型ADC，但也可用于SARADC。本文將對此做進一步討論。首先是系統(tǒng)級概要介紹：用于光譜分析、磁共振成像（MRI）、氣相色譜分析、振動、石油/天然氣勘探和地震儀的高性能數(shù)據(jù)采集信號鏈要求具備高動態(tài)范圍（DR）性能，同時降低功耗、尺寸和成本。獲得較高動態(tài)范圍的一種方法，是對轉(zhuǎn)換器過采樣，以便精確監(jiān)控并測量來自傳感器微弱和強烈的輸入信號。還有其它多種方法可以提升ADC動態(tài)范圍，比如并行運行多個ADC并對輸出結(jié)果進行數(shù)字后期處理以獲得平均值，或者使用可編程增益放大器。然而，有些設計師可能會覺得這些方法太麻煩，或者覺得不能在他們的系統(tǒng)中實現(xiàn)——這主要是因為功耗、尺寸以及成本的限制。本技術(shù)文章重點討論高吞吐速率、5MSPS、18/16位精密SAR轉(zhuǎn)換器的過采樣，利用直觀的ADC樣本求均值，提升動態(tài)范圍性能。過采樣描述過采樣是一種高性價比的過程，以大幅高于奈奎斯特頻率的速率對輸入信號進行采樣，提升SNR和分辨率（ENOB），同時還能降低抗混疊濾波器的要求。原則上講，對ADC進行4倍過采樣可額外提供1位分辨率，或增加6dB的動態(tài)范圍。提升過采樣率（OSR）可降低整體噪聲并增加DR，因為過采樣為ΔDR=10log10（OSR），單位dB。類似于Δ-Σ型ADC過采樣、高吞吐速率SARADC過采樣還能改善抗混疊性能，并降低總噪聲。很多情況下，過采樣是Δ-Σ型ADC的固有屬性，可以順利實現(xiàn)，并且集成數(shù)字濾波器和抽取功能。然而，Δ-Σ型ADC通常不適合用于輸入通道間的快速切換（多路復用）。如圖1所示，Δ-Σ型ADC基本過采樣調(diào)制器對量化噪聲進行整形，使其大部分出現(xiàn)在目標帶寬以外，從而增加低頻下的整體動態(tài)范圍。然后，數(shù)字低通濾波器（LPF）過濾目標帶寬以外的噪聲，抽取器降低輸出數(shù)據(jù)速率，使其回落至奈奎斯特速率。圖1.奈奎斯特轉(zhuǎn)換器過采樣5MSPS、18/16位精密轉(zhuǎn)換器關(guān)于其實際工作原理的示例，可參考AD7960和AD7961器件。這兩款器件分別是18/16位ADC，最高轉(zhuǎn)換速率為5MSPS。它們使用專有的容性數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)，可降低噪聲并改善線性度，同時不會產(chǎn)生延遲或流水線延遲。由于兼具低RMS噪聲和高吞吐速率性能，因而實現(xiàn)了低噪底。這使得這些ADC適合于過采樣應用。AD7960/AD7961系列采用1.8V和5V電源供電，在自時鐘模式下進行轉(zhuǎn)換時，5MSPS速率的功耗僅為39mW；而在回波時鐘模式下進行轉(zhuǎn)換時，5MSPS速率的功耗為46.5mW。如圖2所示，功耗隨吞吐速率線性變化，使其非常適合低功耗便攜式應用。圖2.AD7960功耗與吞吐速率的關(guān)系圖3.AD7960/AD7961評估設置的原理示意圖（未顯示所有去耦）AD7960/AD7961評估設置AD7960/AD7961系列可將反相模擬輸入信號（IN+和IN?）的差分電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號。模擬輸入IN+和IN?要求共模電壓等于基準電壓的一半。低噪聲、低功耗放大器AD8031緩沖來自低噪聲、低漂移ADR4550的5V基準電壓，還可緩沖AD7960/AD7961的共模輸出電壓（VCM）。低噪聲和超低失真ADA4899-1配置為單位增益緩沖器，并以0V至5V差分反相（相互之間呈180°反相）驅(qū)動AD7960/AD7961的輸入。電路使用+7V和-2.5V電源，用于ADA4899-1驅(qū)動器的輸入，以最大程度降低功耗，實現(xiàn)最佳系統(tǒng)失真性能。使用EVAL-AD7960FMCZ子板和EVAL-SDP-H1控制器板評估設置簡化原理圖如圖3所示。在本文第一部分，我們開始討論采用SARADC來降低噪聲、增加動態(tài)范圍和ENOB，方法是基于過采樣——一般用于低速、高分辨率?-Σ型ADC——其它器件較少采用。然后，我們進而討論了使用評估板和軟件的SARADC測試結(jié)果。在第二部分，我們將繼續(xù)討論AD7960/AD7961。我們還將討論可用的評估板和軟件，它們可以進行分析。我們將看到這些ADC的性能如何。通過ADC的FFT輸出，使用評估板可輕松看出性能。測量結(jié)果過采樣能力由AD7960/AD7961評估軟件對ADC輸出樣本簡單求平均而實現(xiàn)，也就是說，將ADC樣本數(shù)量相加，然后除以過采樣率，從而提升動態(tài)范圍。該軟件允許用戶從配置選項卡的下拉菜單中選擇高達256的過采樣率，如圖4所示?？蓪崿F(xiàn)的最大動態(tài)范圍受限于系統(tǒng)的低頻1/f噪聲，該噪聲在低于20kSPS的較低輸出數(shù)據(jù)速率下占主導地位。圖4.AD7960/AD7961評估軟件面板從直流到fs/2范圍內(nèi)的信號頻譜以及平坦噪聲如圖5和圖6所示，表示可對噪聲進行過濾，使其降低至fs/（2×OSR），以改善動態(tài)范圍和SNR。此時，過采樣動態(tài)范圍是峰值信號功率與ADC輸出FFT測量的噪聲功率之比，測量范圍為直流至fs/（2×OSR），其中fs表示ADC采樣速率。圖5.AD7960在無輸入信號且fIN=1kHz時的過采樣FFT輸出（OSR=256，REF=5V）圖6.AD7961在無輸入信號且fIN=1kHz時的過采樣FFT輸出（OSR=256，REF=5V）如數(shù)據(jù)手冊所述，采用5V基準電壓源時，AD7960和AD7961可分別實現(xiàn)100dB和96dB典型動態(tài)范圍；因此理論上由于256過采樣，我們應當看到動態(tài)范圍增加了24dB。在實際中，這些器件測得的過采樣動態(tài)范圍分別為122dB和119dB，在19.53kSPS輸出數(shù)據(jù)速率下進行256倍過采樣時無輸入信號，這與理論計算值相比動態(tài)范圍下降了1dB到2dB。它受到來自信號鏈組件、輸入源和印刷電路板的低頻噪聲限制。采用1kHz滿量程正弦波輸入信號時，這些器件分別可實現(xiàn)大約111dB和110dB的過采樣SNR。圖7顯示AD7960如何隨過采樣率增加和輸出數(shù)據(jù)速率下降而實現(xiàn)動態(tài)范圍的增加。圖7.AD7960動態(tài)范圍與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系應用示例MRI系統(tǒng)工作頻段為1MHz至100MHzRF，而計算機斷層掃描（CT）和數(shù)字X射線工作在1016Hz至1018Hz頻率范圍內(nèi)，并且需要讓病人暴露在電離輻射下，會損害活組織。MRI梯度控制系統(tǒng)要求極高的動態(tài)范圍、緊湊的線性度以及從DC到幾十kHz的快速響應時間，并且要求在模擬或數(shù)字域中，其梯度精確控制到大約1mA