数据转换器:集成、低成本更需了解系统

 

　　业界分析人士都一致认为，便携性、"绿色"节能以及在终端设备中集成更多的传感器是系统发展趋势。这些趋势推动了对于模数转换器 (ADC) 和数模 (DAC) 转换器高通道数、高速度和高性能的需求，同时也要求更低的功耗预算、更小的体积和更低的成本。

　　数据转换器厂商们正通过制造更多集成了其他电路组件的数据转换器来满足这些需求。许多微控制器内核的周围集中了大量的外围器件，但是一些性能需求正推动某些专用模拟前端或其他模拟"配套"芯片的发展，其与一块单独的处理器协调工作。

　　例如，TI 最近推出的 ADS1298。这是一套完整的心电图 (ECG) 系统前端器件。它将 8 个具有可编程增益放大器的 24 位 ADC 和大量配套电路一起集成到单个 BGA 或 TQFP 封装中。由于数据转换器成为单封装集成系统的组成部分，它们往往会变为更加特定的应用;ADS1298 的产品说明书提及了许多具体功能和术语，而 ECG 设备行业以外的一些制造厂商可能并不熟悉这些东西。这是否就意味着您只能将 ADS1298 用于 ECG 应用呢?

　　若我们想要研究这些集成器件，了解它们如何让您的系统受益，只需对其进行分解并看它们如何实现所谓的信号链即可，如图 1 所示。

　　

 

　　图 1 信号链结构图

　　图 1 所示结构图能代表对某个信号进行处理的所有系统。如果它是一个测量或者数据采集系统，则信号链开始于传感器，通过信号调节电路传输，进入 ADCr，然后以处理器作为结束。如果它是一个控制系统，或者一个音频处理系统，又或者是一个软件无线电设备，则可能会有一些必须转回模拟信号的处理器输出;具体请见结构图右手侧二分之一处。

　　不管您想要设计的是哪一种系统，都有一种较好的方法来选定实现您的信号链的一些组件。一般而言，处理器是要选定的第一个组件。它的选定一般是基于对该器件(您的公司已经在以前的一些设计中使用过的器件)的熟悉程度，或者针对其具有的特定外围器件和功能来选择。因此，您可以从图 1 中心位置开始，然后向外循序渐进。

　　这就意味着，数据转换器是下一个需要做出的选择，而以模拟电路作为开始是符合逻辑的。让我们假设我们正设计一个测量系统，因此我们只需要思考如何选择一个 ADC。这里，重要的问题是您的测量系统需要多高的精度，以及您进行测量时需要多快的速度。当然，还有许多其他事项需要考虑，但重要的是速度和精度。请注意，我并没有说数据转换器有多少位之类的话—只是说您的测量系统需要多高的精度(物理参数)。就这点而言，更好的说法是您的测量系统需要至少 250ppm 的精度，而非选定一个 12 位的转换器。

　　如果我们真的由里向外进行，则下一个步骤就是信号调节了，但其目的是接收传感器提供的所有信号，然后将其与数据转换器的输入范围匹配。因此，我们首先必须明白传感器提供给我们的是什么样的信号。比如说，传感器最大能够输出 2V，那么您希望传感器能测量的大小便为 2*250ppm = 0.5mV。

　　现在，您可以考虑如何测量该 0.5mV 变化了。完成这一工作的一种方法是使用一个放大器对信号进行增益处理，以求让其与您转换器的满度范围相匹配—假设它为 5V。利用 2.5 增益，传感器的 0.5mV 变为 1.25mV，因此转换器需要从 5V 解析出 1.25mV，即 1/4000。因此，一个 12 位转换器可以起作用。另一种方法是使用一个可以直接测量 0.5mV 的高精度转换器，其完全不需要信号调节。选择哪种方法，具体取决于去除放大器而使用高精度转换器所节省的功率、体积和成本的多少。还可能存在另一种情况，即传感器阻抗使其无法直接进入转换器，这时我们就不能去除放大器。

　　理解系统信号链以及每个模块的需求，可帮助您确定这些高度集成的转换器中是否真正有一个能帮您完成设计的转换器。您肯定会将 ADS1298 用于除 ECG 以外的一些系统，但只有您的信号链需要将所有模块都集成到设备中时，它所带来的诸多好处才具有吸引力。

　　今后，我们将用数字域探讨准确采集信号的基本原理。许多我们认为理所当然的法则或者建议都需要我们深入推敲，以使不同的设计应用到不同的系统需求中。