本文介紹一種用于高精度測(cè)量應(yīng)用的低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）解決方案。電氣工程中的典型應(yīng)用是通過(guò)傳感器記錄物理量，并將這些量轉(zhuǎn)發(fā)到微控制器進(jìn)行進(jìn)一步處理。需要ADC將模擬傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在高精度應(yīng)用中，使用SAR-ADC或Σ-Δ型ADC。對(duì)于低功耗應(yīng)用，可以節(jié)省的每一 mW 都很重要。

采用Σ-Δ型ADC進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換

與SAR-ADC相比，Σ-Δ型ADC具有一些優(yōu)勢(shì)。首先，它們通常具有更高的分辨率。此外，它們通常集成了可編程增益放大器（PGA）和通用輸入/輸出（GPIO）。因此，Σ-Δ型ADC非常適合直流和低頻高精度信號(hào)調(diào)理和測(cè)量應(yīng)用。然而，由于高固定過(guò)采樣率，Σ-Δ型ADC通常具有較高的功耗，這意味著電池供電應(yīng)用的使用壽命較短。

如果輸入電壓很小（即在毫伏范圍內(nèi)），則首先必須對(duì)其進(jìn)行放大，以便ADC更容易對(duì)其進(jìn)行管理。需要PGA模擬前端（AFE）來(lái)連接具有10 mV輸出電壓的小電壓。例如，要將橋式電路的小電壓連接到輸入范圍為2.5 V的Σ-Δ型ADC，PGA的增益必須為250。然而，這會(huì)導(dǎo)致ADC輸入端產(chǎn)生額外的噪聲，因?yàn)樵肼曤妷阂矔?huì)被放大。因此，24位Σ-Δ型ADC的有效分辨率大幅降低至12位。但是，在某些情況下，不需要使用ADC中的所有代碼，在某些時(shí)候，進(jìn)一步放大不再提供動(dòng)態(tài)范圍的改善。Σ-Δ型ADC的另一個(gè)缺點(diǎn)是，其內(nèi)部復(fù)雜性通常會(huì)導(dǎo)致更高的成本。

將SAR-ADC與儀表放大器組合的優(yōu)點(diǎn)

一種同樣精確但更具成本效益和效率的替代方案是將SAR-ADC與儀表放大器（儀表放大器）結(jié)合使用，如圖1所示。

圖1.原理圖顯示了簡(jiǎn)化的電橋測(cè)量電路與儀表放大器和SAR-ADC的組合。

SAR-ADC的功能可分為兩個(gè)階段：數(shù)據(jù)采集階段和轉(zhuǎn)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甚至在兩次轉(zhuǎn)換之間關(guān)斷。因此，轉(zhuǎn)換階段繪制了最新的。功耗取決于轉(zhuǎn)換速率，并與采樣速率成線(xiàn)性比例。對(duì)于慢響應(yīng)測(cè)量的省電應(yīng)用（即測(cè)量量變化緩慢的測(cè)量（例如，溫度測(cè)量），應(yīng)使用低轉(zhuǎn)換速率來(lái)保持電流消耗，從而保持較低的損耗。圖2顯示了AD4003在不同采樣速率下的功率損耗。在1 kSPS時(shí)，功率損耗約為10 μW;在1 MSPS時(shí)，它已經(jīng)上升到10 mW。

圖2.AD4003的功耗與采樣速率的關(guān)系。

與這種緩慢的測(cè)量相比，Σ-Δ型ADC具有過(guò)采樣的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)使用比輸出速率高得多的內(nèi)部振蕩器頻率。這使得設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化采樣，以獲得更高的速度和更差的噪聲性能，或者針對(duì)具有更多濾波、噪聲整形（將噪聲推入測(cè)量感興趣區(qū)域之外的頻段）和更好的噪聲性能的較低速度。然而，這意味著與SAR-ADC相比，Σ-Δ型ADC的功耗要高得多。許多Σ-Δ型ADC的有效分辨率和無(wú)噪聲分辨率在其數(shù)據(jù)手冊(cè)中都有提及，因此便于比較權(quán)衡取舍。

結(jié)論

Σ-Δ型ADC與PGA和SAR-ADC與儀表放大器相結(jié)合，適用于高精度測(cè)量應(yīng)用中的信號(hào)轉(zhuǎn)換。這兩種解決方案具有相似的精度。然而，對(duì)于省電或電池供電的測(cè)量應(yīng)用，SAR-ADC和儀表放大器的組合更好，因?yàn)榕cPGA和Σ-Δ ADC組成的解決方案相比，它具有更低的功耗和更低的成本。此外，具有高增益的PGA通常會(huì)限制性能，因?yàn)樵肼曇矔?huì)被放大。本文僅介紹SAR-ADC的一種可能解決方案。還有集成度更高的解決方案，例如集成PGA的AD7124-4/AD7124-8等Σ-Δ轉(zhuǎn)換器。

審核編輯：郭婷