作者 ANNE WATSON SWAGER，副主編

設計人員對更高的分辨率和更快的轉換速度似乎永不滿足的需求催生了新一代的 A/D 轉換器，它們提供了前所未有的靈活性。新的 22 位轉換器在模塊化封裝中結合了高精度、極寬的動態范圍和微處理器兼容性。這些特性使它們成為笨重的臺式 DVM 的有吸引力的替代品。此外，與使用更傳統技術的轉換器相比，新的過采樣技術顯著降低了 16 至 20 位轉換器的成本。

目前有 3 家制造商提供過采樣（也稱為 sigma-delta 和 delta-sigma）轉換器，其他制造商計劃很快進入市場（見方框，“轉換器結合模擬和數字濾波“）。許多高分辨率產品制造商是數據轉換器市場的主流廠商。Analog Devices、Analogic、Burr-Brown 和 Micro Networks 都有設計高分辨率 ADC 的經驗。然而，Thaler Corp 的第一個轉換器是 20 位高精度 ADC，而摩托羅拉已經憑借過采樣轉換器進入了該領域。Prema Precision Electronics 是一家西德精密萬用表制造商，生產的 25 位 ADC 是市面上最高分辨率的轉換器。這些高分辨率轉換器是專用 ADC，而不是包含內部 ADC 和 DAC 并用作模擬接口電路的產品。廣告

根據許多 ADC 制造商的說法，向越來越高分辨率發展的主要原因是數據采集系統設計人員希望利用其傳感器的每一位分辨率。他們認為，如果系統中必須存在限制因素，則應該是傳感器，而不是 ADC。另一個原因是更高分辨率的轉換器可以提供有關一組數據的額外且通常是關鍵的詳細信息。

確保這些數據的準確性是一項非常艱巨的設計任務。即使是少量的系統噪聲也會破壞高分辨率轉換器的數據。該問題的通常解決方案是仔細布局和接地，這將提高系統精度，使其達到 ADC 的極限。但是，很難找到真正準確的 16 位轉換器。例如，許多 16 位轉換器只有 14 位精度。這種精度水平對于許多逐次逼近類型尤其如此。盡管轉換器的積分非線性可能為 14 位（相當于 ±0.003% FSR），但它仍可提供 16 位的無丟失代碼性能。請注意，一些 14 位 ADC 的線性度與許多 16 位產品的線性度相匹配。

高分辨率 A/D 轉換器的世界有些分散。許多轉換器旨在用于非常專業的市場。逐次逼近轉換器服務于許多通用數據采集系統。其他轉換器與特定應用密切相關。幸運的是，每個轉換器都屬于兩個一般分類之一：那些設計用于在直流意義上實現最高可能的直流精度，以及那些設計用于信號處理和良好的交流規格。兩個通用應用與這些類別相關：精密測量系統和 DSP 應用。

許多過采樣轉換器旨在用于信號處理應用，因此它們的數據表通常會引用完整的動態規格。但這種趨勢并不局限于過采樣轉換器。隨著 DSP 應用的激增，專門針對這些應用的高分辨率轉換器的數量也在增加。為了幫助設計人員評估和比較轉換器的交流性能，許多新轉換器都經過了全面測試，并針對 S/N 比和 THD 等動態特性進行了規定。

對于需要盡可能高動態范圍的應用，請查看高分辨率積分轉換器。這些高精度轉換器本身就是一個世界。ATE、過程控制和稱重系統是它們的典型應用領域。這些超高分辨率轉換器還用于醫療和科學儀器，這些儀器必須能夠區分元素或化學濃度的極小差異。

實現高分辨率和高精度

Prema Precision Electronics 的 25 位轉換器具有 0.001% 的非線性和 0.5 ppm/°C 的典型溫度系數，適合稱重系統和精確的數據收集。該轉換器采用獲得專利的多斜坡方法，可連續集成測量信號以消除干擾。為了使用這個 ADC，您必須開發自己的微處理器控制。對于 20 毫秒、200 毫秒、2 秒和 20 秒的積分時間，您可以分別獲得 15 位、18 位、21 位和 25 位結果。該軟件還控制增益和偏移調整的處理。ADC 5601 的一個關鍵特性是其緊湊的 2×2×0.4 英寸尺寸。

Analog Devices 的 22 位 AD1175 專為依賴 DVM 和 DMM 進行專門測量的數據采集系統而設計。其分辨率和準確度可與 6.5 位 DVM 相媲美。AD1175 數據表引用了 133 dB 的寬動態范圍。該范圍高于 2 22所 指示的值，因為該器件的輸入精度保證為比標稱滿量程輸入范圍高 10%。

與 Prema 的 ADC 5601 不同，AD1175 是一個完整的基于微機的測量子系統。它由三個主要元素組成：線性化、自動歸零積分器、單片機和定制 CMOS 控制器/總線接口芯片。

AD1175 不需要任何外部元件，其所有數字輸入和輸出均兼容 LSTTL。模擬輸入是高阻抗、1-G?、高 CMRR、真正的差分輸入對。AD1175 通過 8 位數據總線與任何基于微處理器的系統連接。ADI公司最近發布了一款適用于AD1175的PC兼容評估卡，售價495美元。該卡附帶簡單的基本軟件，允許您向 AD1175 發送命令并測試其性能。

AD1175 采用類似于經典雙斜率技術的多斜率積分原理。輸入信號在整數個線周期內進行積分，然后 ADC 對已知參考電壓將積分器輸出驅動回零所需的時間進行數字測量。您可以選擇在 60 或 50 Hz 時最大線路頻率噪聲抑制的積分時間。每次轉換都會發生內部自動歸零，而不會降低吞吐率。在每個自動歸零周期中，都會采集并保持轉換器主要元件的器件偏移和低頻噪聲；它們將在轉換中被取消。該電路將 AD1175 的輸入失調漂移保持在 0.5 μV/°C 以下。

高精度需要穩定性

ADC100 是 Thaler 首次進入 A/D 轉換器市場。他們過去的設計重點一直是參考技術。與 AD1175 一樣，ADC100 具有控制所有內部功能的板載微處理器，并且很快將提供用于它的 PC 評估卡。應用 ADC100 需要兩個外部部件：一個 25MHz 晶振和一個集成電容器，兩者均由 Thaler 提供。該公司引用 ADC100 的模擬輸入阻抗為 200 G?。

Thaler 的 ADC100 在偏移和增益穩定性方面比 AD1175 有一些優勢。盡管 ADC100 的精度和吞吐量較低，但它完全適用于 -25 至 +85°C 的工作溫度。AD1175 的范圍為 0 至 70°C。此外，ADC100 的 0.1 和 0.5 ppm/°C 的最大偏移和比例因子誤差與 AD1175 的 ±0.5 μV/°C 和 ±1-ppm/°C 誤差相比毫不遜色。ADC100 的板載微處理器在啟動時自動執行自動歸零，但 Thaler 建議您在 ADC 完全預熱后重復它以確保最大精度。

Thaler 強調在計算系統精度時必須考慮溫度影響（參考文獻 1）。該公司警告說，即使在標準實驗室環境中，溫度效應也會顯著降低系統的準確性。為了計算精度，您必須同時考慮轉換器和內部或外部基準的增益誤差。溫度范圍內的最大誤差是轉換器的線性誤差加上組合增益 TC 和溫度的乘積。

V/F 轉換器還可以提供高分辨率。AV/F 轉換器與計數器/時間 IC 相結合，讓您可以用分辨率換取轉換時間，反之亦然。Dymec 的 32824 儀表 A/D 轉換器和 5024 可編程計數器/定時器（15 美元）共同構成了支持頻率計數和周期平均測量技術的 A/D 系統。該 ADC 以 10 次轉換/秒的速度實現 10 μV 的靈敏度，這相當于 10v 信號中的 20 位分辨率。對于 1 秒的轉換時間，該系統的靈敏度為 1.1 μV 或 23 位。模擬前端與系統的其余部分完全隔離。這種隔離保證了 ADC 在模擬部分沒有接地環路和數字噪聲，如果系統要實現 10 μV 或更高的靈敏度，這是兩個絕對要求。

500kHz 轉換率是可能的

這些高精度、高分辨率的部件僅代表市場的一部分。有許多應用程序需要可用的最高速度。然而，高速是相對的。您不會找到任何具有兆赫轉換率的高分辨率轉換器。當前最先進的高速加高分辨率轉換器的轉換速率為 500 kHz。但是你會為這個速度付出很多。Analogic、Analog Solutions、Burr-Brown 和 Datel 的高速產品價格在 500 到 900 美元之間。Analogic 和 Burr-Brown 都在 1989 年初推出了 500kHz 轉換器。

Analogic 的 AM40016/40116 和 AM41016/41116/41216 模塊化 16 位轉換器基于包含內部 S/H 放大器的多通道閃存架構。AM40016 專為多個多路復用通道的數字化而定制，例如在自動測試設備中。AM41016 系列具有低失真特性，專為頻域應用而設計。兩個轉換器系列的輸入阻抗均為 10 8 ?，并保證在 0 至 60°C 范圍內不會丟失代碼。

由于 AM41016 系列設計用于數字化快速、時變信號，因此其數據表包含完整的動態規格。輸入為 10 kHz 時的 S/N 比為 88 dB；10 kHz 處的峰值失真為 -93 dB；10 kHz 處的總諧波失真為 -89 dB。Analog 對其大部分產品提供動態測試，并發布技術說明來解釋該過程。

Burr-Brown 希望為那些對小尺寸和低功耗尤為重要的高速、高分辨率應用占領市場。Burr-Brown 的 ADC 701 和配套的 SHC702 S/H 放大器（168 美元）都是混合設計，其特點是 ADC-S/H 對。ADC 和 S/H 對一起消耗 2.8W。S/H 時序由 ADC 直接提供。不需要其他定時電路。SHC702 和 ADC701 之間只需要兩個連接：SHC702 模擬輸出到 ADC701 輸入和來自 ADC701 輸入的數字保持命令。

與 Analogic 的轉換器一樣，ADC701 基于 3 步架構，Burr-Brown 為 ADC/SHC 對提供動態規格。輸入頻率為 5 kHz 的 S/N 比為 93 dB。20 kHz 時的總諧波失真為 0.00068%。20kHz 輸入的無雜散動態范圍為 107dB。有兩個溫度范圍可供選擇：15 至 55°C 和 0 至 70°C。

過采樣技術發展迅速

盡管這些高精度和高速轉換器已經提升了最先進的技術水平，但在過采樣轉換器市場中仍然存在大量活動。這種趨勢很可能會持續下去。由于采用單片結構，這些轉換器是一種極低成本、高分辨率的替代方案。盡管在絕對精度方面它們無法與集成轉換器競爭，但它們是高分辨率、中等精度和信號處理應用的理想選擇。

Crystal Semiconductor 是 16 位 6 過采樣轉換器的先驅，擁有多種針對特定應用的新產品。摩托羅拉最近推出了其首款過采樣轉換器，專業音頻設備制造商 Carillon Technology 也發布了基于 sigma-delta 架構的 3 芯片組。

Crystal Semiconductor 的三個新 delta-sigma 部件之一是其 CS5501 的升級。指定為 CS5503，它是第一款專為精密測量應用而設計的 20 位單片 A/D 轉換器。CS5503 的 ±0.0003% 典型線性誤差及其最大 ±4 LSB 的偏移和滿量程誤差使這款轉換器（售價 27.70 美元）成為成本極低的替代品。CS5503 以 CMOS 時鐘或晶體設置的速率連續采樣。

Crystal 的其他新產品 CS5317 和 CS5326 分別針對電信和音頻市場。CS5317 適用于高端語音頻段應用，例如 V.32 調制解調器、語音識別系統、電話系統線路卡和高分辨率聲納。該轉換器具有內部 PLL，可簡化復雜數據系統中的時鐘同步。內部 PLL 使恢復主時鐘對用戶透明。CS5317 在其 10kHz 帶寬內的總諧波失真為 80dB，互調失真小于 84dB。CS5326 是具有 25kHz 帶寬的立體聲 16 位 ADC。其輸出字速率可在 30 至 50 kHz 范圍內調節。它的信噪比為 92 dB，總諧波失真為 0.0015%。

Crystal 的這些產品說明了這個市場的特定應用性質。摩托羅拉采取了不同的方法。其新的 56ADC 是一款多功能轉換器，面向一般信號處理用戶。56ADC在一個芯片上提供了一套完整的模數轉換功能。它需要一個 5V 單電源。將 56ADC 連接到 Motorola、TI、NEC 或 AT&T 的 DSP 不需要膠合邏輯。其動態規格包括 90-dB S/N 比和 90-dB 信噪比，適用于 0 至 45.5 kHz 的輸入信號。

56ADC 的多功能性源于其內部數字濾波的實現。抽取過程分為梳狀濾波器和 FIR 濾波器。兩個過濾器的輸出都是可訪問的。根據您選擇的輸出，該器件可以用作 12 位 400-kHz 轉換器或 16 位 100-kHz 轉換器。這種 2 級設計消除了多路復用限制。

過采樣和復用很少混合

有些應用不太適合過采樣轉換器。只有一個 ADC 來測量各種傳感器輸出并因此需要在 ADC 之前進行信號復用的系統無法利用這些轉換器。過采樣技術涉及較長的流水線延遲，這使得通道之間的多路復用變得不切實際。根據您系統的成本，缺乏多路復用能力可能不是一個明顯的缺點。您可以用單獨的過采樣轉換器代替昂貴的 ADC 和多路復用器。

摩托羅拉的 56ADC 不適合需要 16 位分辨率的多路復用情況。通過第二個數字濾波器的流水線延遲約為 325 μsec。但是，如果 12 位分辨率對您的系統來說已經足夠，您可以使用梳狀濾波器輸出。輸入和梳狀濾波器輸出之間的流水線延遲約為 15 μsec。此轉換時間與其他 12 位產品相比具有競爭力，因此您可以在相同的多路復用情況下使用梳狀濾波器輸出。

積分、分段和 sigma-delta 轉換器通常針對精密直流或信號處理應用。高分辨率市場的其余部分由各種 16-bvit 逐次逼近轉換器完善。逐次逼近是主力架構，因為它提供適中的速度和適中的精度。這些轉換器服務于大多數標準數據采集系統。許多可用的逐次逼近類型在成本、速度、尺寸、功耗和內部功能方面存在差異。

許多較新的逐次逼近轉換器，即所謂的采樣轉換器，包括內部 S/H 放大器，這些放大器旨在與其配套的 ADC 兼容。選擇采樣 ADC 的優勢很簡單：您不必做那么多前端模擬設計；ADC和S/H放大器的聯合性能由制造商保證；和內部 S/H 放大器可節省電路板空間。如果您的系統需要外部 S/H 放大器（例如，如果您在不同放大器之間進行多路復用），那么選擇與您的 ADC 和系統目標兼容的 S/H 放大器非常重要（參考文獻 2）。

許多逐次逼近轉換器具有自校準或自動校準電路。標準校準方法對內部 DAC 使用激光微調電阻器。然而，Crystal 的 CS5101 和 CS5102 DAC 由一組二進制加權電容器組成。為確保準確性，這些電容器在復位或上電時使用數字邏輯在芯片上進行校準。這種校準使轉換器能夠保證 16 位無丟失代碼，并提供固有的 S/H 功能——模擬輸入的值始終由至少一個電容器保持。

逐次逼近轉換器具有最多的內部特性，包括基準、時鐘、S/H 放大器、多路復用器以及串行和并行端口。一些較新的轉換器也與微處理器兼容并具有短周期能力。如果您只需要 14 位精度的結果，則可以減少轉換時間。

Burr-Brown 的 ADC700 包括一個基準、一個時鐘和一個 8 位微處理器接口。Sipex Corp 的混合系統部門擁有多種 16 位逐次逼近混合轉換器。它的最新產品是 16 位 μP 控制的數據采集系統 SP9488。它包括一個內部多路復用器、一個儀表放大器和一個 16 位采樣 ADC。多路復用器是用戶可選擇的。您可以將轉換器配置為接受 8 個差分輸入或 16 個單端輸入。您可以使用 16 位數據總線讀取轉換結果或 ADC 的狀態字，將控制位寫入 ADC，以及選擇新的輸入信號。

對于軍事和惡劣環境應用，大多數制造商提供的逐次逼近轉換器額定用于擴展溫度性能。Micro Networks 的轉換器在溫度范圍內不會丟失代碼。該公司還生產通過 MIL-STD-883 篩選的轉換器。其新的 MN6295/6296 ADC 系列包括額定有四個電氣性能等級和兩個工作溫度范圍的轉換器。MN6295T/6296T 在 -55 至 _125°C 范圍內保證 14 位分辨率且沒有丟失代碼，并且完全針對動態性能進行了規定。整個溫度范圍內的 S/N 比為 82 dB；諧波和雜散噪聲規格，如果 -85 dB。輸入頻率高達 25 kHz（轉換器的奈奎斯特頻率）可以保證這種動態性能。

毫無疑問，高分辨率 ADC 市場將繼續增長。未來的 16 位轉換器設計將專注于提高速度和降低成本。更多產品將具有 16 至 20 位分辨率，過采樣轉換器將繼續提供低成本解決方案。DSP和A/D轉換器之間的聯系會更加緊密，集成A/D和DSP功能的設備可能在不遠的將來。

參考

應用說明 4，“提高系統精度”，Thaler Corp，1988 年 9 月。

Little、Al 和 Bob Burnett，“S/H amp-ADC matrimony 提供準確的采樣”，EDN，1988 年 2 月 4 日，第 153 頁。