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以下討論驗(yàn)證了一個(gè)被現(xiàn)存A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用所忽略的選擇:有些條件下采用分立的比較器和D/A轉(zhuǎn)換器更容易實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。這種替代方案通常采用不同的測(cè)試方法,但是具有低成本、高速度、更大靈活性以及更低功耗等優(yōu)點(diǎn)。
瞬態(tài)電壓分析
捕獲快速幅度變化事件(瞬態(tài))的“強(qiáng)力”技術(shù)就是采用處理器支持的高速ADC和RAM對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單量化(圖1)。單觸發(fā)事件可能必須采用這種方法,因?yàn)樾枰@取瞬態(tài)細(xì)節(jié)。然而,如果瞬態(tài)是重復(fù)性的,則可采用DAC/比較器的方法測(cè)量它們的峰值幅度及其它特性(圖2)。
比較器的一個(gè)輸入引腳由DAC設(shè)置判定電平,瞬態(tài)信號(hào)施加到另一個(gè)輸入。通過調(diào)整DAC輸出可確定峰值瞬態(tài)幅度。超越門限時(shí),采用數(shù)字鎖存捕獲比較器的輸出響應(yīng)。僅需要比較器輸入支持瞬態(tài)帶寬,任意長(zhǎng)的DAC輸出建立時(shí)間并不會(huì)影響測(cè)量精度。這樣,在模擬域可用低成本DAC和比較器代替昂貴的ADC。
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圖1 采用“強(qiáng)力” 法進(jìn)行瞬態(tài)分析,ADC電路耗電大且價(jià)格昂貴
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圖2 如果圖1應(yīng)用可接受對(duì)幅度進(jìn)行重復(fù)測(cè)量,用DAC/比較器組合替代ADC可省電并降低成本。
需注意的是,在監(jiān)視模擬電壓時(shí)必須考慮容限。許多自診斷設(shè)備監(jiān)視系統(tǒng)電壓、溫度以及其它模擬量,容限值在軟件中設(shè)置。然而,如果這種比較由比較器實(shí)現(xiàn),設(shè)置值由DAC提供,這樣可減輕處理器負(fù)荷,因?yàn)橹恍枰x取一位來表示超限狀態(tài)。
這種技術(shù)(模擬域比較)與ADC技術(shù)(數(shù)字域比較)具有相同精度,對(duì)于一個(gè)設(shè)置點(diǎn)時(shí),可通過簡(jiǎn)單比較實(shí)現(xiàn),為什么還要對(duì)整個(gè)值進(jìn)行量化?必須提及的一種情況是:如果與幾個(gè)設(shè)置點(diǎn)進(jìn)行比較時(shí),例如報(bào)警上限/下限和關(guān)斷的下限/上限電平,可選擇ADC,否則需要4路DAC和4個(gè)比較器。
由DAC構(gòu)建簡(jiǎn)單的ADC
便攜式儀器受成本和尺寸限制,有些情況下可以利用DAC實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能。例如,蜂窩電話和醫(yī)療電子通常采用DAC調(diào)整LCD對(duì)比度電壓(圖3)。有時(shí)可通過簡(jiǎn)單添加一個(gè)比較器和開關(guān),監(jiān)視溫度或電池電壓(如上所述)。那么現(xiàn)有DAC可執(zhí)行兩種任務(wù),在DAC執(zhí)行模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)關(guān)閉顯示器。作為另一種替代方案,由模擬開關(guān)和電容構(gòu)成的簡(jiǎn)單采樣/保持電路(圖4)可在A/D轉(zhuǎn)換期間維持LCD的對(duì)比度電壓。
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圖3 該電路常見于便攜儀器
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圖4 對(duì)圖3增加兩個(gè)比較器,由DAC實(shí)現(xiàn)ADC功能,節(jié)省成本。
另外一種方法就是用一個(gè)低成本雙路DAC替代現(xiàn)有單路DAC。雙路DAC中的一路用于產(chǎn)生LCD對(duì)比度電壓,另一路用于構(gòu)成ADC。無論單路還是雙路,都需要DAC和比較器支持快速、驅(qū)動(dòng)DAC的簡(jiǎn)單程序,以及對(duì)比較器采樣來實(shí)現(xiàn)逐次逼近。
設(shè)計(jì)考慮
DAC和比較器的結(jié)合非常簡(jiǎn)單。信號(hào)作用到比較器的同相輸入端,DAC提供的數(shù)字可編程門限作用到反相輸入端。只要信號(hào)比門限值大,比較器就會(huì)產(chǎn)生邏輯高電平輸出。但在使用時(shí)必須注意幾個(gè)方面:
為確保精確的門限電平,考慮到比較器的輸入偏置電流以及比例網(wǎng)絡(luò),DAC的直流輸出阻抗應(yīng)很小。在超低功耗電路中更應(yīng)注意,DAC的輸出阻抗可能高達(dá)10kΩ。
DAC的另一個(gè)要求是低交流輸出阻抗。否則,比較器輸出的高速數(shù)字信號(hào)的壓擺率經(jīng)過布線寄生電容耦合,將產(chǎn)生輸入瞬態(tài)變化,導(dǎo)致自激并降低精度。如果允許犧牲一定的建立時(shí)間,可在比較器輸入端增加一個(gè)旁路電容來降低DAC的交流輸出阻抗。DAC輸出放大器的大電容負(fù)載可導(dǎo)致不穩(wěn)定或振蕩,但這個(gè)問題可在DAC輸出串聯(lián)一個(gè)電阻加以修正。
比較器的主要問題是滯回。大多數(shù)比較器電路帶有滯回,以防止噪聲和振蕩,但使用滯回時(shí)必須謹(jǐn)慎——它會(huì)造成門限值隨輸出而改變。如果系統(tǒng)可對(duì)受輸出狀態(tài)影響的滯回進(jìn)行補(bǔ)償,可以接受這種配置;否則,應(yīng)當(dāng)避免滯回。
如果采用的比較器具有內(nèi)部滯回并且不能禁止,可確保DAC輸出總是在相同方向逼近比較器門限,這樣可消除負(fù)面影響。通過在每位測(cè)試完成后將DAC設(shè)置為零,便于達(dá)到這一目的;例如,在本文最后列出的偽代碼后增加一行。
另一選擇是,通過增加一個(gè)小電容反饋也可消除滯回,這會(huì)加速比較器在線性工作區(qū)的轉(zhuǎn)換。或者,增加一個(gè)輸出觸發(fā)器或鎖存器,在給定時(shí)刻捕獲比較器輸出狀態(tài)。
當(dāng)前比較器都能夠很好地處理擺率受限的輸入信號(hào)。例如,Maxim公司的MAX913和MAX912在這方面尤其有效,因?yàn)樗鼈冊(cè)诰€性工作區(qū)能夠確保穩(wěn)定。圖5列舉了MAX913在高速、12位應(yīng)用中的性能。圖6電路(超低功耗8位轉(zhuǎn)換器)在不使用時(shí)可將其關(guān)閉以節(jié)省能量。
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圖5 由于比較器在其線性工作區(qū)保持穩(wěn)定,該高速、12位幅度采集器可處理低速輸入電壓。
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圖6 該低電壓、8位數(shù)據(jù)采集器替代ADC具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì):低成本、低功耗、以及采樣間隔期間關(guān)斷功能。
DAC/比較器組合IC
Maxim提供3款單芯片器件可大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),這些芯片組合了比較器和DAC。每款器件都非常適合本文應(yīng)用及其它多種應(yīng)用。
例如,MAX516是一款4通道器件,具有亞微秒速度,非常適合多種中等速度、多通道應(yīng)用(圖7a)。
MAX910是單通道、高速、TTL輸出DAC/比較器,具有8ns傳輸延遲(圖7b)。類似器件(MAX911)具有更高速度——ECL互補(bǔ)輸出、4ns傳輸延遲。
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圖7 Maxim 8位DAC/比較器IC包括4通道MAX516(a)、高速、TTL兼容MAX910(b)、以及ECL兼容MAX911(未列出)
逐次逼近
逐次逼近采用天平和一系列用于確定物體重量的二進(jìn)制權(quán)重(權(quán)重相對(duì)值為1、2、4、8、16等)的方式很容易說明。確定一個(gè)未知重量的最快方法(逐次逼近),首先,將未知重量與最大權(quán)重進(jìn)行比較。根據(jù)天平指示,要么移除該重量,要么增加下一個(gè)最大重量,按這種方式一直到最小的權(quán)重。物體的重量就是天平盤上剩余權(quán)重的總和。
在逐次逼近ADC中,內(nèi)部DAC的位模擬系列二進(jìn)制重量,比較器輸出模擬天平指示。驅(qū)動(dòng)權(quán)位處理的邏輯保存在封裝好的ADC的逐次逼近寄存器(SAR)或者控制DAC/比較器電路的處理器軟件子程序,該子程序可由不到20行的代碼來實(shí)現(xiàn)(表1)。
評(píng)論
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