1、【 ADC 】逐次比較式ADC 采樣頻率的選取及應用 (1)發布日期：2008-12-26    共閱166次摘要: 在設計數據采集系統時， 一項重要的任務是選擇模數轉換器(ADC) 的采樣頻率L 根據采樣理論， 采樣頻率至少應為輸入信號帶寬的兩倍， 實際往往采用更高的采樣頻率來保證數據采集系統的精度L 但當逐次比較式ADC 的采樣頻率過高時， 會使其內部采樣保持的開關電容充電不充分， 從而導致ADC 轉換誤差過大L選擇一個合適的采樣頻率是保證數據采集系統可靠工作的關鍵L通過建立ADC 及前向通道的等效模型及推導， 在保證ADC 的轉換精度下， 推出ADC 的采樣

2、時間與信號放大電路輸出阻抗的匹配關系， 得到ADC 最合適的采樣頻率。 關鍵詞：逐次比較式；模數轉換器；開關電容；采樣時間；轉換精度引言 數據采集系統的前向通道一般是由三部分組成的: 傳感器， 信號放大電路和模數轉換器(ADC) 。 逐次比較式的模數轉換器是試驗機控制系統的數據采集模塊及其它工業數據采集系統常采用的模數轉換器L在設計這類數據采集系統時， 一項重要的任務是選擇模數轉換器(ADC) 的采樣頻率。 根據采樣理論， 信號的采樣頻率至少應為輸入信號帶寬的兩倍，實際往往采用更高的采樣頻率來保證數據采集系統的精度。 但當逐次比較式ADC 的采樣頻率過高時，會導致ADC 轉換誤差過大。這是因為

3、這類ADC 的采樣保持部分是采用開關電容陣列的結構。 這種結構是靠信號放大電路的輸出電壓對其內部的開關電容陣列進行充電， 即ADC 的采樣階段。 然后對電容陣列的電壓值進行保持及轉換得到對應的數字量L而對開關電容陣列進行充電需要一定時間， 如果ADC 的采樣時間過短， 會導致ADC 內部的開關電容陣列并未完全充電， 即此時ADC 采得電壓值低于實際電壓值。 從而導致后面轉換結果與實際誤差過大而無效。 因此采樣時間必須能保證開關電容陣列的充分充電， 才能保證采樣值的精度。而開關電容陣列的充電時間取決于信號放大電路的輸出電阻和ADC 的轉換位數。 本文推導出ADC 的采樣時間與信號放大電路輸出阻抗

4、的匹配關系， 在保證ADC的轉換精度下， 得到不同轉換位數ADC 的最佳采樣頻率。模擬輸入電路的分析 測控系統的傳感器和信號放大電路經常采用差動式放大器和運算放大器變換電路等組成， 根據戴維南原理(Thven ins theo rem ) ， 可將其簡化成一個放大后的等效電壓信號源。 而逐次比較式ADC 的開關電容陣列結構， 在其采樣期間， 等效于一個等效電容通過一個等效內部電阻與信號源相連L因此整個前向通道可等效并簡化為圖1。 圖1 的等效電路對本文所分析T i 公司的TLC54X， TLC154X 和TLC254X 系列的逐次比1 較式ADC 都是有效的。由于對圖1 中ADC 的等效電容C

5、 i 的充電是呈指數變化， 見圖2根據理論分析， 充電時間越長， 其上的電壓U c 只是無限接近于等效信號源的電壓U s為保持一定采樣頻率， 在以下的分析中， 假定當等效電容C i 上的電壓值達到了1/16 L SB 的誤差范圍之內， 即算其進行了完全充電L因為在此采樣誤差下，再把其它的內部誤差， 如DNL 和NL 一起統計進來， 可把總共的轉換誤差控制在 1/2 L SB 之內。 以圖1 的等效電路為例， 在開關電容的充電時間內， 從0 V 到等效信號源的電壓值， 并在1/16L SB 誤差范圍L其計算公式如下: 式中:U c 為等效電容上的采樣電壓;U s 為等效信號源的電壓; R t 為

6、R s + R i; R s 為等效信號源的輸出電阻; R i 為ADC 的等效內部電阻; T C 為等效電容的充電時間。 等效電容在1?16 L SB 誤差范圍內的的電壓為 其中N 為ADC 轉換精度的位數 將式(2) 代入式(3) ， 得 其中時間常數T C = R t C i因此一個8 位ADC 中開關電容的充電時間為8。 32 倍的時間常數。表1將顯示各種位數的ADC 的充電時間。由上述計算過程可知，ADC 輸入采樣時間(T s)必須大于或等于其等效開關電容充電的時間常數，方可保證ADC 采樣值不超過1/16 的L SB 的誤差。為了驗證上述等效模型的有效性， 本文選用試驗機測控系統等

7、速加載來試驗， 見圖3。系統中的ADC 為TLC2543， TLC2543 是12 位精度SP I 接口的串行ADCL由TLC2543 數據手冊可知， 其前8個I/O clock 為采樣時間。在第12 個I/O clock 的下降沿開始AD 轉換。因此其采樣時間為 其中f I/O 為TLC2543 的I/O clock 頻率。 由表1 知12 位的TLC2543 的充電時間及公式(5)。 在Ci = 100 (pF) 及R i = 1 (k) 時， 另測得信號放大電路的輸出R s = 2 1 (k) 為保證TLC2543 的采樣誤差在1/16 L SB 之內， 單片機提供給TLC2543 的f I/O 不應高于2。 325MHz。當單片機提供給TLC2543 的f I/O 分別為4MHz 和2MHz 時， 其等速加載的控制結果見圖4 和圖5。 由圖4 可見， 由于其f I/O 大于2。 325 MHz，TLC2543 的內部等效電容充電不完全， 因此采樣誤差較大， 從而控制品質較差。圖5 中f I/O 小于2。 325MHz， TLC2543 的內部等效電容充電完全， 保證了其采樣誤差在1/16