電氣工程中的一個典型應用是通過傳感器記錄物理量并轉發(fā)給微控制器進行深入處理。此過程需要使用ADC將模擬傳感器輸出信號轉換為數(shù)字信號。ADI在本文介紹了一種用于高精度測量應用的低功耗模數(shù)轉換器(ADC)解決方案，即SAR-ADC或Σ-Δ ADC。因為在低功耗應用中，節(jié)省的每一毫瓦都將是有用的。

使用Σ-Δ ADC進行信號轉換

與SAR-ADC相比，Σ-Δ ADC有一些優(yōu)勢。首先，它們通常具有更高的分辨率。此外，它們通常與可編程增益放大器(PGA)和通用輸入/輸出(GPIO)集成。因此，Σ-Δ ADC非常適合直流和低頻高精度信號調(diào)理和測量應用。但是，由于固定過采樣速率較高，Σ-Δ ADC通常功耗更高，在電池供電的應用中，會導致使用壽命縮短。

如果輸入電壓很小（即在毫伏范圍內(nèi)），則必須先放大輸入電壓，以便ADC更輕松地進行管理。需要使用PGA模擬前端(AFE)連接小于10mV輸出的電壓。例如，為了將橋式電路的小電壓連接到具有2.5V輸入范圍的Σ-Δ ADC，PGA必須具有250的增益。但是，由于噪聲電壓也被放大，這會導致ADC輸入端的噪聲變大。24位Σ-Δ ADC的有效分辨率因此被大幅降低到12位。不過，在某些情況下，無需使用ADC中的所有碼值，有時進一步放大也無法再改善動態(tài)范圍。Σ-Δ ADC的另一個缺點是，由于其內(nèi)部復雜性，通常成本較高。

將SAR-ADC與儀表放大器相結合的好處

一種同樣準確但更經(jīng)濟和更高效的替代方案是將SAR-ADC與儀表放大器相結合，如圖1所示。

圖1 顯示簡化橋式測量電路與儀表放大器和SAR-ADC相結合的示意圖

SAR-ADC的功能可分為兩個階段：數(shù)據(jù)采集階段和轉換階段。基本上，在數(shù)據(jù)采集階段，電流消耗很低。大多數(shù)SAR-ADC甚至會在轉換間隙斷電。轉換階段汲取的電流最多。功耗取決于轉換率，并與采樣速率成線性比例關系。對于針對慢速響應測量（即測量的量變化緩慢的測量，例如溫度測量）的節(jié)能應用，應使用低轉換率來保持電流汲取，從而降低損耗。圖2顯示了AD4003在不同采樣速率下的功率損耗。在1kSPS時，功率損耗約為10μW；在1 MSPS時，已增加至10mW。

圖2 AD4003中的功率損耗作為采樣速率的一個函數(shù)

與這種慢速測量相比，Σ-Δ ADC具有過采樣的優(yōu)勢，同時使用比輸出速率高得多的內(nèi)部振蕩器頻率。這使設計者能夠?qū)⒉蓸觾?yōu)化為速度較快、噪聲性能較差；或者速度較低，而濾波、噪聲整形（將噪聲移至感興趣測量區(qū)域之外的頻帶）及噪聲性能較好。不過，這意味著與SAR-ADC相比，Σ-Δ ADC的功耗要高得多。許多Σ-Δ ADC的有效分辨率和無噪聲分辨率均在其數(shù)據(jù)手冊中有所提及，因此很容易比較權衡。

結論

Σ-Δ ADC與PGA的組合以及SAR-ADC與儀表放大器的組合都適用于高精度測量應用中的信號轉換。這兩種解決方案的準確性差不多。不過，對于節(jié)能或電池供電的測量應用，SAR-ADC與儀表放大器的組合更好，與由PGA和Σ-Δ ADC組成的解決方案相比，其功耗和成本更低。此外，具有高增益的PGA通常會限制性能，因為噪聲也會被放大。本文僅介紹了一種適用于SAR-ADC的可行解決方案。還有更多的集成解決方案，例如AD7124-4/AD7124-8等集成PGA的Σ-Δ ADC。  

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Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結合模擬、數(shù)字和軟件技術的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

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Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現(xiàn)場應用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶提供支持，并專注于工業(yè)以太網(wǎng)領域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學電氣工程專業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。