Δ∑轉(zhuǎn)換器中的轉(zhuǎn)換時(shí)延

小信號(hào)傳感器通常生成慢速移動(dòng)的DC信號(hào)。對(duì)這類傳感器來(lái)說(shuō)，Δ∑ADC就可以作為完整的高分辨率、低噪聲解決方案，而無(wú)需大部分仿真輸入電路。一些系統(tǒng)采用多個(gè)傳感器，這些傳感器要求輸出端帶多路復(fù)用器的高分辨率、低噪聲ADC相匹配。例如，汽車診斷應(yīng)用就是一種多路復(fù)用傳感器系統(tǒng)，其通過眾多小信號(hào)傳感器監(jiān)控溫度、胎壓、氣囊就緒情況等(如圖1所示)。盡管上述系統(tǒng)中，位于多路復(fù)用器輸入端的傳感器會(huì)產(chǎn)生低頻(接近DC)信號(hào)，但信道間的切換還是需要支持高速響應(yīng)的 ADC。
ADC的時(shí)延以兩種常見的測(cè)量單位表示，分別是周期與秒。周期時(shí)延是指轉(zhuǎn)換初始與可用相應(yīng)輸出數(shù)據(jù)間的完整數(shù)據(jù)周期數(shù)量。零時(shí)延或零周期時(shí)延有時(shí)也稱作無(wú)時(shí)延。以秒數(shù)計(jì)量的時(shí)延時(shí)間能告訴用戶完全穩(wěn)定轉(zhuǎn)換的執(zhí)行速度。
在圖1所示的系統(tǒng)中，必須確保多通道ADC具備分辨率高、噪聲低、零周期時(shí)延，以及低時(shí)延時(shí)間等特點(diǎn)。
2? ADC 周期時(shí)延
對(duì)ADC來(lái)說(shuō)，周期時(shí)延是指輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換初始階段與可用相應(yīng)輸出數(shù)據(jù)間的完整數(shù)據(jù)周期數(shù)量(見圖2)。這種時(shí)延定義下的測(cè)量單位為N周期時(shí)延，這里的N是整數(shù)。圖2顯示了零周期時(shí)延(零時(shí)延) ADC與4周期時(shí)延ADC之間的計(jì)時(shí)示意圖。在圖2(a)的零周期時(shí)延下，N+0采樣周期啟動(dòng)。獲得N+0的輸出數(shù)據(jù)后啟動(dòng)N+1采樣周期。
具備零時(shí)延的Δ∑轉(zhuǎn)換器將在采樣周期中持續(xù)獲得輸入采樣，并不斷將信號(hào)調(diào)制為噪聲成形圖。Δ∑轉(zhuǎn)換器的數(shù)字低通／抽取濾波器累加噪聲成形信號(hào)，并在N+0周期末尾生成輸出代碼。如果數(shù)據(jù)在新采樣周期啟動(dòng)前可用，則Δ∑轉(zhuǎn)換器的時(shí)延為零。輸出代碼表示經(jīng)過濾的過采樣輸入信號(hào)。在N+1環(huán)節(jié)中，轉(zhuǎn)換器將啟動(dòng)下一個(gè)采樣周期。
圖2(b)為4周期時(shí)延，N+0采樣周期啟動(dòng)，四個(gè)轉(zhuǎn)換周期完成后提供N+0輸出數(shù)據(jù)。
SAR ADC支持零時(shí)延，許多Δ∑轉(zhuǎn)換器也同樣支持。圖1顯示了本應(yīng)用中較好的選擇，即采用高分辨率的零時(shí)延Δ∑ADC。Δ∑ADC的一些數(shù)據(jù)表顯示能支持單周期轉(zhuǎn)換，這實(shí)際也表示該轉(zhuǎn)換器支持零時(shí)延。
德州儀器(TI)提供多種多路復(fù)用型零時(shí)延Δ∑ADC，支持低噪聲、高分辨率的解決方案(見圖3)。這些Δ∑轉(zhuǎn)換器支持濾波器工作掩碼，而且在一個(gè)周期結(jié)束時(shí)提供完全穩(wěn)定的信號(hào)。例如，TI 的16通道24位ADS1258內(nèi)置五階正弦數(shù)字濾波器，隨后是可編程的一階平均濾波器。該轉(zhuǎn)換器配置為自動(dòng)掃描模式時(shí)，周期時(shí)延為零。在自動(dòng)掃描模式中，ADS1258會(huì)自動(dòng)掃描選中的通道，且支持先斷后接開關(guān)。
3? ADC 時(shí)延時(shí)間
時(shí)延時(shí)間通常視作理想步進(jìn)輸入在一定誤差裕度內(nèi)整合為最終數(shù)字輸出值所需的時(shí)間。誤差帶可表示為預(yù)定義的總輸出電壓步進(jìn)百分比。轉(zhuǎn)換的時(shí)延時(shí)間是指從信號(hào)采集開始到數(shù)據(jù)可從轉(zhuǎn)換器下載之間的間隔。與周期時(shí)延參數(shù)形成對(duì)比的是，時(shí)延時(shí)間(或建立時(shí)間)永遠(yuǎn)不會(huì)等于零。
圖4比較了多種多路復(fù)用Δ∑ADC 的時(shí)延時(shí)間性能。不同器件的零時(shí)延Δ∑ADC的時(shí)延時(shí)間不同，具體取決于系統(tǒng)時(shí)鐘與轉(zhuǎn)換器的數(shù)字濾波器的級(jí)數(shù)。大型應(yīng)用需要多路復(fù)用ADC必須快速在整個(gè)通道中進(jìn)行周期循環(huán)。這類應(yīng)用的時(shí)延時(shí)間往往至關(guān)重要。如果ADS1258配置為自動(dòng)掃描模式(零時(shí)延)，那么輸出數(shù)據(jù)在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)就會(huì)完全穩(wěn)定。ADS1258在自動(dòng)掃描模式下的極小時(shí)延時(shí)間為42μs。
如果已有中間或掩碼數(shù)字濾波器的結(jié)果的話，那么我們可縮短零時(shí)延Δ∑ADC的吞吐時(shí)間。在此模式下，數(shù)字輸出結(jié)果不一定完全穩(wěn)定。對(duì)這類器件而言，吞吐時(shí)間總短于時(shí)延時(shí)間?？s短吞吐時(shí)間最適合慢速產(chǎn)生較小電壓變動(dòng)的傳感器(如溫度傳感器、壓力傳感器或測(cè)壓組件等)。就這種類型的傳感器而言，更好的做法應(yīng)當(dāng)是進(jìn)行幾次轉(zhuǎn)換，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。
如果ADS1258配置為固定信道模式，那么用戶就能獲得五階數(shù)字濾波器的中間結(jié)果。在ADS1258的固定信道模式下，轉(zhuǎn)換器不能逐通道自動(dòng)周期循環(huán)，輸出數(shù)據(jù)不一定完全穩(wěn)定。ADS1258在固定信道模式下的極小吞吐時(shí)間為8μs (是完全穩(wěn)定的時(shí)延時(shí)間的五分之一)。
4 結(jié)論
對(duì)采用多個(gè)傳感器的應(yīng)用而言，使用多路復(fù)用Δ∑ADC有成本與效率優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也必須考慮到ADC可能引起的轉(zhuǎn)換時(shí)延問題，以及外部處理的時(shí)延問題。TI ADS1258支持低噪聲、零時(shí)延的16通道24位轉(zhuǎn)換。該器件的單周期低時(shí)延功能在每次轉(zhuǎn)換周期的末尾提供完全穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。在自動(dòng)掃描模式下，ADS1258能在700μs內(nèi)完成全部16個(gè)信道的轉(zhuǎn)換。對(duì)每個(gè)ADC 都要考慮周期時(shí)延與整體轉(zhuǎn)換時(shí)間問題，確保器件能發(fā)揮預(yù)定作用。
參考文獻(xiàn)
[1] ADS1258 數(shù)據(jù)表 (SBAS297D)
[2] dataconverter.ti.com