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工业应用Sigma-Delta ADC常见问题解答

wonderwall 在 2013-1-10 建立的討論區
最後回覆由Sunshine於2014-10-13提供

问题:峰峰值噪声与有效噪声的区别,峰峰值分辨率与有效分辨率的区别?无失码分辨率又是指的什么?

答案:无失码分辨率是对ADC线性性能的评价指标。峰峰值分辨率和有效值分辨率是评价ADC噪声性能的重要指标。它们之间的关系是

峰峰值分辨率=有效分辨率-2.7 bits

这个关系的理论基础是,噪声通常是随机的,并且它的分布是正态分布。那么

Vnoise (peak-to-peak) = Vnoise (rms) x 6.6;99.9%的出现概率

如果转换为分辨率,就是2.7位的差别。(log26.6=2.7)

如果对应于ADC的转换结果,峰峰值分辨率是没有跳码的位数,也就是保持稳定的位数。

我们以AD7799为例,在数据手册中都会有两个表格,如下所示:

点击看大图
第一个表格是在不同的增益和数据输出速率的条件下有效噪声的值。第二个表格是在不同的增益和数据输出速率的条件下的有效分辨率和峰峰值分辨率。例如,在16.7Hz数据输出速率,64倍增益条件下,有效噪声是0.065uV,对应的有效分辨率为20位,峰峰值分辨率为17.5位。
要了解具体的原理和推导,请参见ADI网站上的应用笔记AN-615“Peak to Peak Resolution vs. Effective Resolution”


问题:为什么转换结果的后几位总在跳,是不是正常?

答案:判断是不是正常要先了解造成这种情况的原因。如果排除掉输入信号的原因,ADC转换结果的不稳定是由于噪声引起的。在ADC的数据手册中对ADC在不同配置的情况下的噪声有详细的数据表格。所以对于用户ADC的转换结果的分析,要进行与数据手册相同测试条件的测试,然后与表格中数据进行比较。

数据手册中的噪声性能表格中的数据结果的测试条件是:使用高精度低噪声的参考电压源,短路ADC的差分输入端并接到正确的共模电平上,然后设置ADC的增益、滤波器系数,CHOP模式,BUFFER状态等等,然后采集足够多的转换结果,一般至少要几百个样本,做噪声分析。ADC的噪声是呈正态分布,所以通过软件可以计算出这些样本的均值和标准偏差,标准偏差乘以6.6就得到峰峰值的噪声,然后通过满量程值与峰峰值噪声的比就能够计算出成峰峰值分辨率。这个分辨率与数据手册中表格中相同配置情况下的峰峰值分辨率比较就可以知道ADC的性能是不是正常了。

通常比较简单的检验方法可以采一组足够多的数据,找出最大值和最小值相减,这是ADC转换结果中跳动的码值,然后转换为位数,就可以大概得到峰峰值分辨率,也就是无跳动的分辨率,与数据手册中相比就可以了。如果测试结果与数据手册的指标相近,那么就正常,如果相差很远,就要仔细检查电路和PCB设计了。

 


问题:在使用多通道SIGMA-DELTA ADC时,通道切换的速度很慢?

 

答案:数据手册上所示的数据输出速率指的是在对同一通道进行连续采样时的输出数据速率。一旦进行了通道切换,ADC内部的sigma-delta的调制器以及数字滤波器要有一定的建立时间。大多数ADC内部的数据滤波器是sinc3滤波器,所以通道切换后会需要3个数据输出的时间才能建立起来。对于ADC在通道转换后,DRDY信号会在滤波器完全建立起来以后才会有效,所以用户没有必要把前三次的转换结果丢掉。

但是对于AD7732/4/8/9系列产品,它们的设计是经过特别设计处理的,所以它的通道切换速度以及转换速度非常快,适用于多通道快速切换采样的应用。

要了解更详细的内容,请参见ADI网站上的应用笔记AN-665“Channel Switching Using Δ-ΣADCs”。

 


问题:什么情况下要使用内部的BUFFER?

 

答案:Sigma-Delta ADC的前端是开关电容结构的。这种结构在稳定状态下具有比较大的输入阻抗,但是当它工作在开和关切换的情况下,会需要一定的充电电流。这个电流的大小与采样频率,输入信号的差分电压和输入电容的大小有关。如果不用内部的buffer,那么这个动态的负载会对外部的电阻和电容的大小有限制。如果外部的电阻电容值太大的话,在ADC采样阶段,输入信号就不能对ADC的输入电容进行足够的充电,因此会造成ADC的增益误差。对于在不使用内部buffer的情况下所能允许的最大外部电阻电容值以及它带来的误差,都会在数据手册中有说明。如果你的前端的输出阻抗及电容较大,请使用内部Buffer.

要了解更多内容,请参考ADI网站的技术资料“Industrial Converter Technical Note – ICV002 Input Buffers on Σ-ΔADCs”。

 


问题:怎样使用50/60Hz抗工频干扰功能?

 

答案:要使用ADC的50/60Hz抗工频干扰的功能,只需设置ADC内部的滤波器参数。在某种特定滤波器设置下,内部数字滤波器的响应会在50/60Hz频率下有较强抑制。对于不同器件,请参见数据手册。以AD7799为例,在数字滤波器设置为19.6Hz的输出数据速率时,只对60Hz具有抑制,为90dB。而当数字滤波器设为16.7Hz时,只对50Hz有抑制,为80dB。当滤波器设为4.17Hz时,对50Hz和60Hz都具有74dB的抑制。所以不同的滤波器设置,对50/60Hz的抑制效果是不同的。在某些滤波器的设置下,对50/60Hz基本没有抑制。

要了解更详细的内容,请参见ADI网站上的应用笔记AN-611 “50 Hz/60 Hz Rejection on Σ-Δ ADCs”。

 


问题:我的信号是双极性的信号,能不能直接输入到单电源供电的ADC?

 

答案:首先,我们要先对我们的输入信号有准确的理解。一般在差分输入的情况下,会造成误解。对于差分信号来讲,所谓的双极性是指的相对双极性,还是针对于地的绝对双极性信号?数据手册上对于差分情况下的双极性输入范围的定义,如+/-20mV, +/-80mV, +/-1.25V或者+/-2.5V的输入信号范围,是指的差分信号的差值,也就是说差分信号的正端AIN+与负端AIN-的差可以是正的,也可以是负的,但是这对差分信号的对地绝对电压值不一定是负的。举个例子,差分信号正端AIN+的输入范围是1V到3V,差分信号负端AIN-的输入信号范围是3V到1V,那么差分输入信号的范围是-2V到2V。可以看到,差分信号的范围是-2V到2V的双极性信号, 但它们各自的绝对电平都是正的。所以在输入ADC前一定要知道差分输入信号的绝对电压和差值。那么单电源供电的ADC能不能处理绝对电压是负的信号呢?

这取决于你有没有使能内部的缓冲器。如果没有使能ADC内部的缓冲器,ADC的输入可以是负的,可以到-30mV。如果使能了内部缓冲器,那么输入的模拟信号一定是正的,并且要大于某一电压,具体输入范围,请参见数据手册。所以,一旦使用了内部缓冲器,请一定注意输入信号的对地的绝对电压值的范围。

但是对于AD7732/4,这两颗芯片的模拟输入有特殊处理,可以处理双极性的输入信号。

ADI的有些ADC可以双电源供电,AD7710, AD7711和AD7712,在双电源供电情况下,可以输入双极性信号。

 


问题:什么是CHOP模式,它有什么作用?

 

答案:CHOP模式主要是用来去除ADC的偏移误差,包括在温度变化情况下和电源电压变化的情况下产生的任何偏移误差,同时也能去除一些低频的噪声。CHOP的实现方法是不停的交换ADC差分输入的两端,然后把没交换前的结果和交换后的测量结果进行平均,就可以得到去掉偏移误差的结果。但是请注意,使用CHOP模式以后,ADC的数据输出速率在相同滤波器参数设置的时候会不同。具体请参见数据手册。

要了解更多的关于CHOPPING的工作原理和注意事项,请参见ADI网站上的应用笔记AN-609 “Chopping on Σ-Δ ADCs”。



问题:什么是单端信号,什么是全差分,什么是伪差分?

答案:单端信号对于ADC来说只有一个输入端,它的参考端是ADC的地。对于单端信号来讲,它的缺点是信号的偏移误差和噪声会影响ADC的输入动态范围。全差分是一对独立的信号,ADC转换的是这对信号的差值,它们的共模信号则被抑制掉。这对信号的共模电压可以处于ADC输入信号范围内的任何电压。差分信号会具有两倍单端信号的摆幅,同时差分信号能够抑制共模噪声,所以可以得到更高的信噪比。

伪差分与差分信号类似,伪差分信号也是一对信号,但它的参考端或负端是一个直流电平,用来去除正端信号中的直流成分。

下图示出了各种信号的典型波形。

各种信号的典型波形

http://www.analog.com/zh/content/cast_faq_ICV/fca.html#top


问题:ADI的SIGMA-DELTA ADC的输出码的格式是什么?

答案:当ADC的输入设为单极性输入时,ADC的输出码是直接二进制形式。以16位ADC为例,当输入为0V时,输出码是0x0000;当输入是一半量程时,输出码为0x8000;当输入为满量程时,输出为0xFFFF。

如果ADC的输入是双极性的,那么ADC的输出码为偏移二进制形式,以16位ADC为例,当输入为负的满量程,输出码为0x0000;当输入为0V,输出码为0x8000;当输入为正的满量程,输出为0xFFFF。

 


问题:怎样选择SIGMA-DELTA ADC的参考源?

 

答案:对于sigma-delta ADC来讲,需要选择噪声和温漂都很小的参考源。对于5V电源供电的ADC, 可选的型号包括AD780, ADR421, ADR381, ADR291, REF43和REF192. 对于3V电源供电的ADC,可选的型号包括AD589 和 AD1580。

另外,有些产品已经内置了电压参考源,而无需外接参考源,如AD7792、AD7793、AD7794。

ADI对于ADC的电压参考源选型提供了一个工具,您也可以通过这个工具给您的ADC选择合适的电压参考源。这个工具的链接是:

http://www.analog.com/Analog_Root/static/techSupport/designTools/voltagereference/
license/voltageReference_general.html?download=download.html

对于压力测量或者电子秤的应用,ADC的参考源可以由电桥传感器的激励源提供,这种测量方法叫做比例测量。应用这种方法,激励源中的噪声会被抵消掉。如果电桥的激励电压较高,可以用电阻分压得到ADC的参考电压。

 


问题:用串口配置芯片让其转换,但是/DRDY一直为高,芯片不转换?

 

答案:1. 检查配置是否正确。ADC的寄存器是可读可写的,当你配置完这些寄存器以后,可以再读一遍这些寄存器,看看是否写入的值与读出的值相同。

2.对于有SYNC管脚或是FSYNC寄存器位的产品,请注意这个管脚和寄存器的配置。它的作用是用来复位ADC的,如果这位或者这个管脚没有配置正确的话,ADC一直处于复位状态,无法正常转换。

3.对于那些具有硬件power down, reset 或者standby模式的产品,检查相应管脚的电平是否正确。

 


问题:为什么SPI口在正常工作了一段时间后就被锁住了,/DRDY一直为高,读出的值也都全为1?

 

答案:可能性1:在读写过程中,发出了错误的SCLK脉冲的个数。用逻辑分析仪捕捉控制的时钟和信号,看是否SCLK的脉冲个数是正确的。注意在读、写操作的间歇,请置SCLK为高电平。

可能性2:在SCLK信号上有比较大的噪声尖峰,让ADC把这些尖峰也认为是有效脉冲。注意,在DIN没用的时候,把它置高。在SCLK线上串连一个小电阻以减小噪声的尖峰。

可能性3:在早期的产品中,如AD7710,SCLK的输入端没有集成施密特触发器,如果对于SCLK信号采用了光耦,那么对SCLK信号的上升沿和下降沿有很大的延长,这样会使芯片时序工作不正常。

可能性4:检查MCU的I/O电平是否与ADC的I/O电平是否兼容。

 


问题:什么情况下做自校准,什么情况下做系统校准?

 

答案:自校准,校准的是ADC自身的偏移误差和增益误差。它操作起来比较简单,只需设置芯片的模式寄存器。ADC会自动的在内部把输入连接到0或者是满量程,不需要用户在外部连接0信号或是满量程信号。大部分ADC在出厂时都已经校准过,能够保证数据手册的精度。但是为了达到更高的精度,当ADC工作的条件改变时,如工作温度、电源电压、增益、滤波器设置或其它ADC内部设置改变时,都需要重新做校准。

系统校准消除的是系统的偏移误差和增益误差。在用户做系统校准时,需要把系统的零点信号和满量程信号输入给ADC并保持稳定,然后再置模式寄存器启动校准。当ADC完成了系统校准以后,以后所做的每次转换都会按照校准得到的系数自动被修正,而不需要用户在软件中再做任何的计算或修正。系统校准得到的校准系数是存储在芯片的寄存器中的,掉电以后会丢掉。所以如果用户在下次上电时希望不再做校准而使用以前的校准系数,那么就需要把这次的校准系数从校准系数寄存器中读取出来然后存储到非易失性的存储体内,如E2PROM中,那么以后每一次上电时,就可以从E2PROM中读出系数,再写入ADC的校准系数寄存器就可以了。在做系统校准时,请注意输入的系统满量程和零点信号要在一定范围之内,具体要求请参见数据手册关于系统校准限制的部分。与自校准一样,当ADC工作的条件改变时,如工作温度、电源电压、增益、滤波器设置或其它ADC内部设置改变时,都需要重新做系统校准。而且当系统零点和满量程点的信号定义改变时,也要重新做系统校准。

如果要了解更多关于不同产品校准的问题,请参考ADI网站上的应用笔记AN-553 “Adjusting the Calibration Coefficients on the AD771x Family of Sigma Delta Converters”和 AN-663“AD7732/AD7734/AD7738/AD7739 Calibration Registers ”。

 


问题:在PCB布局布线时,应注意些什么?

 

答案:Sigma-Delta ADC具有非常高的分辨率以及极低的噪声,因此PCB的布局布线对于实现ADC的高性能有非常大的影响。在PCB的布局不线中需要注意以下方面:

  1. 电源:如果可能,尽量使用单独的模拟电源和单独的数字电源。而且模拟部分的电源要使用线性电源。如果使用单电源给AVDD和DVDD供电的话,AVDD和DVDD之间应用磁珠进行隔离。在所有的AVDD的管脚要用0.1μF和10μF进行去耦到模拟地上,所有数字电源管脚要用0.1uF进行去耦,接到数字地上。电源线在PCB上要走尽量宽的线。
  2. 地:系统要分为模拟地和数字地两部分,模拟地和数字地都要是大面积的地平面。ADC芯片本身模拟管脚与数字管脚都物理上分隔开了,因此ADC可以跨在模拟地平面和数字地平面的中间,ADC的AGND管脚要接到系统模拟地,ADC的DGND管脚要接到系统数字地。模拟地和数字地最终在ADC的附近进行一点相接。
  3. 信号:信号的模拟部分和数字部分要分开,模拟信号线和数字信号线也要分开,模拟信号线和数字信号线不要穿插。在芯片下面避免走数字信号。

如果要了解更多,请参考ADI网站上的技术资料“Obtaining Optimum Performance From the AD7731 Sigma Delta ADC”。



问题:多通道Sigma-Delta ADC 产品?

答案:在一些应用中,客户需要同时采样多路数据,以下列出几款产品:

AD7716:22bit,无PGA,带滤波器,4通道单端输入,串行输出

AD7719:一路24bit,一路16bit,带PGA,无滤波器,105SPS,串行输出或SPI输出

AD7724:无PGA和滤波器,2通道差分输入,串行输出

結果