分立比较器/DAC组合解决数据采集问题 - 全文

 

以下讨论验证了一个被现存A/D转换器应用所忽略的选择：有些条件下采用分立的比较器和D/A转换器更容易实现A/D转换。这种替代方案通常采用不同的测试方法，但是具有低成本、高速度、更大灵活性以及更低功耗等优点。

　　瞬态电压分析

　　捕获快速幅度变化事件(瞬态)的“强力”技术就是采用处理器支持的高速ADC和RAM对其进行简单量化(图1)。单触发事件可能必须采用这种方法，因为需要获取瞬态细节。然而，如果瞬态是重复性的，则可采用DAC/比较器的方法测量它们的峰值幅度及其它特性(图2)。

　　比较器的一个输入引脚由DAC设置判定电平，瞬态信号施加到另一个输入。通过调整DAC输出可确定峰值瞬态幅度。超越门限时，采用数字锁存捕获比较器的输出响应。仅需要比较器输入支持瞬态带宽，任意长的DAC输出建立时间并不会影响测量精度。这样，在模拟域可用低成本DAC和比较器代替昂贵的ADC。

　　

 

　　图1 采用“强力” 法进行瞬态分析，ADC电路耗电大且价格昂贵

　　

 

　　图2 如果图1应用可接受对幅度进行重复测量，用DAC/比较器组合替代ADC可省电并降低成本。

　　需注意的是，在监视模拟电压时必须考虑容限。许多自诊断设备监视系统电压、温度以及其它模拟量，容限值在软件中设置。然而，如果这种比较由比较器实现，设置值由DAC提供，这样可减轻处理器负荷，因为只需要读取一位来表示超限状态。

　　这种技术(模拟域比较)与ADC技术(数字域比较)具有相同精度，对于一个设置点时，可通过简单比较实现，为什么还要对整个值进行量化?必须提及的一种情况是：如果与几个设置点进行比较时，例如报警上限/下限和关断的下限/上限电平，可选择ADC，否则需要4路DAC和4个比较器。

　　由DAC构建简单的ADC

　　便携式仪器受成本和尺寸限制，有些情况下可以利用DAC实现A/D转换功能。例如，蜂窝电话和医疗电子通常采用DAC调整LCD对比度电压(图3)。有时可通过简单添加一个比较器和开关，监视温度或电池电压(如上所述)。那么现有DAC可执行两种任务，在DAC执行模拟至数字转换时关闭显示器。作为另一种替代方案，由模拟开关和电容构成的简单采样/保持电路(图4)可在A/D转换期间维持LCD的对比度电压。

　　

 

　　图3 该电路常见于便携仪器

　　

 

　　图4 对图3增加两个比较器，由DAC实现ADC功能，节省成本。

　　另外一种方法就是用一个低成本双路DAC替代现有单路DAC。双路DAC中的一路用于产生LCD对比度电压，另一路用于构成ADC。无论单路还是双路，都需要DAC和比较器支持快速、驱动DAC的简单程序，以及对比较器采样来实现逐次逼近。

　　设计考虑

　　DAC和比较器的结合非常简单。信号作用到比较器的同相输入端，DAC提供的数字可编程门限作用到反相输入端。只要信号比门限值大，比较器就会产生逻辑高电平输出。但在使用时必须注意几个方面：

　　为确保精确的门限电平，考虑到比较器的输入偏置电流以及比例网络，DAC的直流输出阻抗应很小。在超低功耗电路中更应注意，DAC的输出阻抗可能高达10kΩ。

　　DAC的另一个要求是低交流输出阻抗。否则，比较器输出的高速数字信号的压摆率经过布线寄生电容耦合，将产生输入瞬态变化，导致自激并降低精度。如果允许牺牲一定的建立时间，可在比较器输入端增加一个旁路电容来降低DAC的交流输出阻抗。DAC输出放大器的大电容负载可导致不稳定或振荡，但这个问题可在DAC输出串联一个电阻加以修正。

　　比较器的主要问题是滞回。大多数比较器电路带有滞回，以防止噪声和振荡，但使用滞回时必须谨慎——它会造成门限值随输出而改变。如果系统可对受输出状态影响的滞回进行补偿，可以接受这种配置;否则，应当避免滞回。

　　如果采用的比较器具有内部滞回并且不能禁止，可确保DAC输出总是在相同方向逼近比较器门限，这样可消除负面影响。通过在每位测试完成后将DAC设置为零，便于达到这一目的;例如，在本文最后列出的伪代码后增加一行。

　　另一选择是，通过增加一个小电容反馈也可消除滞回，这会加速比较器在线性工作区的转换。或者，增加一个输出触发器或锁存器，在给定时刻捕获比较器输出状态。

　　当前比较器都能够很好地处理摆率受限的输入信号。例如，Maxim公司的MAX913和MAX912在这方面尤其有效，因为它们在线性工作区能够确保稳定。图5列举了MAX913在高速、12位应用中的性能。图6电路(超低功耗8位转换器)在不使用时可将其关闭以节省能量。

　　

 

　　图5 由于比较器在其线性工作区保持稳定，该高速、12位幅度采集器可处理低速输入电压。

　　

 

　　图6 该低电压、8位数据采集器替代ADC具有几个优势：低成本、低功耗、以及采样间隔期间关断功能。

　　DAC/比较器组合IC

　　Maxim提供3款单芯片器件可大大简化设计，这些芯片组合了比较器和DAC。每款器件都非常适合本文应用及其它多种应用。

　　例如，MAX516是一款4通道器件，具有亚微秒速度，非常适合多种中等速度、多通道应用(图7a)。

　　MAX910是单通道、高速、TTL输出DAC/比较器，具有8ns传输延迟(图7b)。类似器件(MAX911)具有更高速度——ECL互补输出、4ns传输延迟。

　　

 

　　图7 Maxim 8位DAC/比较器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确定物体重量的二进制权重(权重相对值为1、2、4、8、16等)的方式很容易说明。确定一个未知重量的最快方法(逐次逼近)，首先，将未知重量与最大权重进行比较。根据天平指示，要么移除该重量，要么增加下一个最大重量，按这种方式一直到最小的权重。物体的重量就是天平盘上剩余权重的总和。

　　在逐次逼近ADC中，内部DAC的位模拟系列二进制重量，比较器输出模拟天平指示。驱动权位处理的逻辑保存在封装好的ADC的逐次逼近寄存器(SAR)或者控制DAC/比较器电路的处理器软件子程序，该子程序可由不到20行的代码来实现(表1)。