面向高精度测量 如何实现节能模数转换

作者：ADI现场应用工程师Thomas Brand

电气工程中的一个典型应用是通过传感器记录物理量并转发给微控制器进行深入处理。此过程需要使用ADC将模拟传感器输出信号转换为数字信号。ADI在本文介绍了一种用于高精度测量应用的低功耗模数转换器(ADC)解决方案，即SAR-ADC或Σ-Δ ADC。因为在低功耗应用中，节省的每一毫瓦都将是有用的。

使用Σ-Δ ADC进行信号转换

与SAR-ADC相比，Σ-Δ ADC有一些优势。首先，它们通常具有更高的分辨率。此外，它们通常与可编程增益放大器(PGA)和通用输入/输出(GPIO)集成。因此，Σ-Δ ADC非常适合直流和低频高精度信号调理和测量应用。但是，由于固定过采样速率较高，Σ-Δ ADC通常功耗更高，在电池供电的应用中，会导致使用寿命缩短。

如果输入电压很小（即在毫伏范围内），则必须先放大输入电压，以便ADC更轻松地进行管理。需要使用PGA模拟前端(AFE)连接小于10mV输出的电压。例如，为了将桥式电路的小电压连接到具有2.5V输入范围的Σ-Δ ADC，PGA必须具有250的增益。但是，由于噪声电压也被放大，这会导致ADC输入端的噪声变大。24位Σ-Δ ADC的有效分辨率因此被大幅降低到12位。不过，在某些情况下，无需使用ADC中的所有码值，有时进一步放大也无法再改善动态范围。Σ-Δ ADC的另一个缺点是，由于其内部复杂性，通常成本较高。

将SAR-ADC与仪表放大器相结合的好处

一种同样准确但更经济和更高效的替代方案是将SAR-ADC与仪表放大器相结合，如图1所示。

图1.显示简化桥式测量电路与仪表放大器和SAR-ADC相结合的示意图

SAR-ADC的功能可分为两个阶段：数据采集阶段和转换阶段。基本上，在数据采集阶段，电流消耗很低。大多数SAR-ADC甚至会在转换间隙断电。转换阶段汲取的电流最多。功耗取决于转换率，并与采样速率成线性比例关系。对于针对慢速响应测量（即测量的量变化缓慢的测量，例如温度测量）的节能应用，应使用低转换率来保持电流汲取，从而降低损耗。图2显示了AD4003在不同采样速率下的功率损耗。在1kSPS时，功率损耗约为10µW；在1 MSPS时，已增加至10mW。

图2.AD4003中的功率损耗作为采样速率的一个函数

与这种慢速测量相比，Σ-Δ ADC具有过采样的优势，同时使用比输出速率高得多的内部振荡器频率。这使设计者能够将采样优化为速度较快、噪声性能较差；或者速度较低，而滤波、噪声整形（将噪声移至感兴趣测量区域之外的频带）及噪声性能较好。不过，这意味着与SAR-ADC相比，Σ-Δ ADC的功耗要高得多。许多Σ-Δ ADC的有效分辨率和无噪声分辨率均在其数据手册中有所提及，因此很容易比较权衡。

结论

Σ-Δ ADC与PGA的组合以及SAR-ADC与仪表放大器的组合都适用于高精度测量应用中的信号转换。这两种解决方案的准确性差不多。不过，对于节能或电池供电的测量应用，SAR-ADC与仪表放大器的组合更好，与由PGA和Σ-Δ ADC组成的解决方案相比，其功耗和成本更低。此外，具有高增益的PGA通常会限制性能，因为噪声也会被放大。本文仅介绍了一种适用于SAR-ADC的可行解决方案。还有更多的集成解决方案，例如AD7124-4/AD7124-8等集成PGA的Σ-Δ ADC。

关于ADI公司

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关于作者

Thomas Brand于2015年加入德国慕尼黑的ADI公司，当时他还在攻读硕士。毕业后，他参加了ADI公司的培训生项目。2017年，他成为一名现场应用工程师。Thomas为中欧的大型工业客户提供支持，并专注于工业以太网领域。他毕业于德国莫斯巴赫的联合教育大学电气工程专业，之后在德国康斯坦茨应用科学大学获得国际销售硕士学位。