1ms完成12位轉(zhuǎn)換！老工程師的“單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器”新改進(jìn)太香了

很久以前，人類從原始的模擬泥沼中掙脫出來(lái)，開(kāi)始接觸數(shù)字技術(shù)。他們很快注意到并量化了一個(gè)根本需求：將他們新獲得的量化數(shù)值信息與老工程師所構(gòu)建的經(jīng)典連續(xù)體連接起來(lái)。于是，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)應(yīng)運(yùn)而生。

當(dāng)然，ADC方案和原理圖有很多種。其中最早、最簡(jiǎn)單的方案之一就是單斜率型ADC。

單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)有兩種主要類型。其中一種是生成線性模擬電壓斜坡并將其與輸入信號(hào)進(jìn)行比較。斜坡從零(或接近零)上升到與輸入信號(hào)相等所需的時(shí)間與輸入信號(hào)的幅度成正比，并以此作為數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果。

在另一種單斜坡轉(zhuǎn)換器中，電容器被充電至輸入電壓，然后線性下降至零。所需時(shí)間與輸入電壓Vin成正比，并計(jì)入轉(zhuǎn)換結(jié)果。

雖然簡(jiǎn)單廉價(jià)無(wú)疑是優(yōu)點(diǎn)，但過(guò)猶不及。圖1中的電路在基本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改進(jìn)(成本也略有增加)，旨在獲得更高的精度(甚至兩個(gè)數(shù)量級(jí))以及更快的速度。

圖1：簡(jiǎn)單快速單斜率(SSSS)ADC雙相轉(zhuǎn)換周期。

工作原理如下：

(CONVERT =1)開(kāi)關(guān)U1將C1充電至Vin

(CONVERT=0)C1由Z1Q1提供的100µA電流線性放電。

注意：Z1、C1和R2應(yīng)為精密型元件。

轉(zhuǎn)換分兩個(gè)階段進(jìn)行，由配置為輸出的GPIO位選擇(CONVERT/ACQUIRE)。

在采集(1)期間，單刀雙擲開(kāi)關(guān)U1將積分電容C1連接到輸入源，并將其充電至Vin。充電的采集時(shí)間常數(shù)為：

C1(RsZ1+U1Ron,+Q2的輸入阻抗)=~10µs

要以12位分辨率完成½-lsb精度的充電，需要以下ACQUIRE間隔：

10μs*loge(2(12+1))=90μs

然后，控制微控制器可以將CONVERT返回為零，從而將C1的輸入端切換到地，使比較器晶體管的基極變?yōu)樨?fù)電壓，電壓階躍為-Vin，再加上“一點(diǎn)點(diǎn)”(~12mV)。

最后一點(diǎn)是由C2提供的，用于補(bǔ)償Q2有限的電壓增益和存儲(chǔ)時(shí)間所導(dǎo)致的零點(diǎn)偏移。

Q1從飽和狀態(tài)恢復(fù)后，INTECTATE變?yōu)檎怠Ｔ诖藸顟B(tài)下，直到C1放電完畢，Q1重新導(dǎo)通為止。此時(shí)間段為：

Vin*C1/100µA=200µs/v=最大1ms

如果連接的計(jì)數(shù)器/外設(shè)以20MHz運(yùn)行，則最大計(jì)數(shù)累積和轉(zhuǎn)換分辨率將為4000，即11.97位。

圖2示意了這種1毫秒或約12位的轉(zhuǎn)換周期。注意其固有特性包含良好的積分非線性(INL)和微分非線性(DNL)。

圖2：SSSS ADC波形。采集時(shí)間(12位)為90µs。積分時(shí)間最大為1ms(VinC1/Iq1=200µs/V)。幅度為5Vpp。

當(dāng)然，并非所有信號(hào)源都能很好地承受這種轉(zhuǎn)換順序帶來(lái)的負(fù)載，也并非所有應(yīng)用都會(huì)發(fā)現(xiàn)可用的LM4041基準(zhǔn)和R1C1的容差足夠精確。

圖3展示了針對(duì)這兩個(gè)限制的解決方法。典型的RRIO CMOS放大器用于A1可以消除輸入負(fù)載問(wèn)題，而R5的微調(diào)則提供了一種便捷的方法來(lái)改進(jìn)轉(zhuǎn)換校準(zhǔn)。

                           圖3：A1輸入緩沖器卸載Vin，R5校準(zhǔn)微調(diào)提高精度。

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