利用比較器/DAC組合解決數據采集問(wèn)題

摘要：以下討論驗證了一個(gè)被現存A/D轉換器應用所忽略的選擇：有些條件下采用分立的比較器和D/A轉換器更容易實(shí)現A/D轉換。這種替代方案通常采用不同的測試方法，但是具有低成本、高速度、更大靈活性以及更低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

盡管當前趨勢全部集中一個(gè)方向-設計者需要使用A/D轉換器時(shí)通常選定一個(gè)集成的A/D轉換器(ADC)。大多數工程師并沒(méi)有意識到還有降低ADC性?xún)r(jià)比的其它替代方案。而模擬比較器、D/A轉換器(DAC)和信號處理一起恰好就是構成逐次逼近ADC的核心電路。

某些特定領(lǐng)域，分立比較器/DAC的使用非常普遍。自動(dòng)測試設備、核脈沖反應堆高度監測器以及自動(dòng)化時(shí)域反射計等，通常都采用這種技術(shù)，DAC用于驅動(dòng)比較器的一個(gè)輸入，另一個(gè)輸入由被監測信號驅動(dòng)。接下來(lái)是通用測試問(wèn)題以及特定方法的選擇，事實(shí)上，此時(shí)采用比較器/DAC組合比采用現成的ADC更受歡迎。

瞬態(tài)電壓分析

捕獲快速幅度變化事件(瞬態(tài))的強力技術(shù)就是采用處理器支持的高速ADC和RAM對其進(jìn)行簡(jiǎn)單量化(圖1)。單觸發(fā)事件可能必須采用這種方法，因為需要獲取瞬態(tài)細節。然而，如果瞬態(tài)是重復性的，則可采用DAC/比較器的方法測量它們的峰值幅度及其它特性(圖2)。

圖1. 采用強力法進(jìn)行瞬態(tài)分析，ADC電路耗電大且價(jià)格昂貴

圖2. 如果圖1應用可接受對幅度進(jìn)行重復測量，用DAC/比較器組合替代ADC可省電并降低成本

比較器的一個(gè)輸入引腳由DAC設置判定電平，瞬態(tài)信號施加到另一個(gè)輸入。通過(guò)調整DAC輸出可確定峰值瞬態(tài)幅度，超越門(mén)限時(shí)，采用數字鎖存捕獲比較器的輸出響應。僅需要比較器輸入支持瞬態(tài)帶寬，任意長(cháng)的DAC輸出建立時(shí)間并不會(huì )影響測量精度。這樣，在模擬域可用低成本DAC和比較器代替昂貴的ADC.

需注意的是，在監視模擬電壓時(shí)必須考慮容限。許多自診斷設備監視系統電壓、溫度以及其它模擬量，容限值在軟件中設置。然而，如果這種比較由比較器實(shí)現，設置值由DAC提供，這樣可減輕處理器負荷，因為只需要讀取一位來(lái)表示超限狀態(tài)。

這種技術(shù)(模擬域比較)與ADC技術(shù)(數字域比較)具有相同精度，對于一個(gè)設置點(diǎn)時(shí)，可通過(guò)簡(jiǎn)單比較實(shí)現，為什么還要對整個(gè)值進(jìn)行量化?必須提及的一種情況是：如果與幾個(gè)設置點(diǎn)進(jìn)行比較時(shí)，例如：報警上限/下限和關(guān)斷的下限/上限電平，可選擇ADC,否則需要4路DAC和4個(gè)比較器。

由DAC構建簡(jiǎn)單的ADC

便攜式儀器受成本和尺寸限制，有些情況下可以利用DAC實(shí)現A/D轉換功能。例如，蜂窩電話(huà)和醫療電子通常采用DAC調整LCD對比度電壓(圖3)。有時(shí)可通過(guò)簡(jiǎn)單添加一個(gè)比較器和開(kāi)關(guān)，監視溫度或電池電壓(如上所述)。那么現有DAC可執行兩種任務(wù)，在DAC執行模擬至數字轉換時(shí)關(guān)閉顯示器。作為另一種替代方案，由模擬開(kāi)關(guān)和電容構成的簡(jiǎn)單采樣/保持電路(圖4)可在A(yíng)/D轉換期間維持LCD的對比度電壓。

圖3. 該電路常見(jiàn)于便攜儀器

圖4. 對圖3增加兩個(gè)比較器，由DAC實(shí)現ADC功能，節省成本

另外一種方法就是用一個(gè)低成本雙路DAC替代現有單路DAC.雙路DAC中的一路用于產(chǎn)生LCD對比度電壓，另一路用于構成ADC.無(wú)論單路還是雙路，都需要DAC和比較器支持快速、驅動(dòng)DAC的簡(jiǎn)單程序，以及對比較器采樣來(lái)實(shí)現逐次逼近(參見(jiàn)sidebar,逐次逼近)。

設計考慮

DAC和比較器的結合非常簡(jiǎn)單。信號作用到比較器的同相輸入端，DAC提供的數字可編程門(mén)限作用到反相輸入端。只要信號比門(mén)限值大，比較器就會(huì )產(chǎn)生邏輯高電平輸出。但在使用時(shí)必須注意幾個(gè)方面。

為確保精確的門(mén)限電平，考慮到比較器的輸入偏置電流以及比例網(wǎng)絡(luò )，DAC的直流輸出阻抗應很小。在超低功耗電路中更應注意，DAC的輸出阻抗可能高達10kΩ。

DAC的另一個(gè)要求是低交流輸出阻抗。否則，比較器輸出的高速數字信號的壓擺率經(jīng)過(guò)布線(xiàn)寄生電容耦合，將產(chǎn)生輸入瞬態(tài)變化，導致自激并降低精度。如果允許犧牲一定的建立時(shí)間，可在比較器輸入端增加一個(gè)旁路電容來(lái)降低DAC的交流輸出阻抗。DAC輸出放大器的大電容負載可導致不穩定或振蕩，但這個(gè)問(wèn)題可在DAC輸出串聯(lián)一個(gè)電阻加以修正。

比較器的主要問(wèn)題是滯回。大多數比較器電路帶有滯回，以防止噪聲和振蕩，但使用滯回時(shí)必須謹慎-它會(huì )造成門(mén)限值隨輸出而改變。如果系統可對受輸出狀態(tài)影響的滯回進(jìn)行補償，可以接受這種配置;否則，應當避免滯回。

如果采用的比較器具有內部滯回并且不能禁止，可確保DAC輸出總是在相同方向逼近比較器門(mén)限，這樣可消除負面影響。通過(guò)在每位測試完成后將DAC設置為零，便于達到這一目的;例如，在本文最后列出的偽代碼后增加一行(參見(jiàn)sidebar,逐次逼近)。

另一選擇是，通過(guò)增加一個(gè)小電容反饋也可消除滯回，這會(huì )加速比較器在線(xiàn)性工作區的轉換?；蛘?，增加一個(gè)輸出觸發(fā)器或鎖存器，在給定時(shí)刻捕獲比較器輸出狀態(tài)。

當前比較器都能夠很好地處理擺率受限的輸入信號。例如，Maxim公司的MAX913和MAX912在這方面尤其有效，因為它們在線(xiàn)性工作區能夠確保穩定。圖5列舉了MAX913在高速、12位應用中的性能。圖6電路(超低功耗8位轉換器)在不使用時(shí)可將其關(guān)閉以節省能量。

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