你使用過任何adc(δ-σ或sar)並使其工作在過取樣模式下嗎？
你是否得到了需要的結果？
你遇到過什麼問題嗎？ ……
以前有些關於δ-σ和sar（逐次逼近型）adc概述中，曾討論過訊雜比(snr)和有效位數(enob)相關的過取樣技術。過取樣技術最常用於δ-σ型adc，但也可用於sar adc。今天我們將對此做進一步討論。
過取樣描述
過取樣是一種高價效比的過程，以大幅高於奈奎斯特頻率的速率對輸入訊號進行取樣，提公升snr和解析度 (enob)，同時還能降低抗混疊濾波器的要求。原則上講，對adc進行4倍過取樣可額外提供1位解析度，或增加6 db的動態範圍。提公升過取樣率(osr)可降低整體雜訊並增加dr，因為過取樣為δdr = 10log10 (osr)，單位db。
類似於δ-σ型adc過取樣、高吞吐速率sar adc過取樣還能改善抗混疊效能，並降低總雜訊。很多情況下，過取樣是δ-σ型adc的固有屬性，可以順利實現，並且整合數字濾波器和抽取功能。然而，δ-σ型adc通常不適合用於輸入通道間的快速切換(多路復用)。如圖1所示，δ-σ型adc基本過取樣調製器對量化雜訊進行整形，使其大部分出現在目標頻寬以外，從而增加低頻下的整體動態範圍。然後，數字低通濾波器(lpf)過濾目標頻寬以外的雜訊，抽取器降低輸出資料速率，使其回落至奈奎斯特速率。
圖1. 奈奎斯特轉換器過取樣
5 msps、18/16位精密轉換器
關於其實際工作原理的示例，可參考ad7960和ad7961器件。這兩款器件分別是18/16位adc，最高轉換速率為5 msps。它們使用專有的容性數模轉換技術，可降低雜訊並改善線性度，同時不會產生延遲或流水線延遲。由於兼具低rms雜訊和高吞吐速率效能，因而實現了低噪底。這使得這些adc適合於過取樣應用。
ad7960/ad7961系列採用1.8 v和5 v電源供電，在自時鐘模式下進行轉換時，5 msps速率的功耗僅為39 mw；而在回波時鐘模式下進行轉換時，5 msps速率的功耗為46.5 mw。如圖2所示，功耗隨吞吐速率線性變化，使其非常適合低功耗可攜式應用。
圖2. ad7960功耗與吞吐速率的關係
ad7960/ad7961評估設定
ad7960/ad7961系列可將反相模擬輸入訊號(in+和in−)的差分電壓轉換為數字輸出訊號。模擬輸入in+和in−要求共模電壓等於基準電壓的一半。低雜訊、低功耗放大器ad8031緩衝來自低雜訊、低漂移adr4550的5 v基準電壓，還可緩衝ad7960/ad7961的共模輸出電壓(vcm)。
低雜訊和超低失真ada4899-1配置為單位增益緩衝器，並以0 v至5 v差分反相(相互之間呈180°反相)驅動ad7960/ad7961的輸入。電路使用+7 v和−2.5 v電源，用於ada4899-1驅動器的輸入，以最大程度降低功耗，實現最佳系統失真效能。使用eval-ad7960fmcz子板和eval-sdp-h1控制器板評估設定簡化原理圖如圖3所示。
圖3. ad7960/ad7961評估設定的原理示意圖(未顯示所有去耦)
上述內容開始討論了採用sar adc來降低雜訊、增加動態範圍和enob，方法是基於過取樣——一般用於低速、高解析度∆-σ型adc——其它器件較少採用。然後討論了使用評估板和軟體的sar adc測試結果。
接下裡，我們將繼續討論ad7960/ad7961。我們還將討論可用的評估板和軟體，它們可以進行分析。我們將看到這些adc的效能如何。通過adc的fft輸出，使用評估板可輕鬆看出效能。
測量結果
過取樣能力由ad7960/ad7961評估軟體對adc輸出樣本簡單求平均而實現，也就是說，將adc樣本數量相加，然後除以過取樣率，從而提公升動態範圍。該軟體允許使用者從配置選項卡的下拉列表中選擇高達256的過取樣率，如圖4所示。可實現的最大動態範圍受限於系統的低頻1/f雜訊，該雜訊在低於20 ksps的較低輸出資料速率下佔主導地位。
圖4. ad7960/ad7961評估軟體面板
從直流到fs/2範圍內的訊號頻譜以及平坦雜訊如圖5和圖6所示，表示可對雜訊進行過濾，使其降低至fs/(2 × osr)，以改善動態範圍和snr。此時，過取樣動態範圍是峰值訊號功率與adc輸出fft測量的雜訊功率之比，測量範圍為直流至fs/(2 × osr)，其中fs表示adc取樣速率。
圖5. ad7960在無輸入訊號且fin = 1 khz時的過取樣fft輸出
圖6. ad7961在無輸入訊號且fin = 1 khz時的過取樣fft輸出
(osr = 256，ref = 5 v)
如資料手冊所述，採用5 v基準電壓源時，ad7960和ad7961可分別實現100 db和96 db典型動態範圍；因此理論上由於256過取樣，我們應當看到動態範圍增加了24 db。
在實際中，這些器件測得的過取樣動態範圍分別為122 db和119 db，在19.53 ksps輸出資料速率下進行256倍過取樣時無輸入訊號，這與理論計算值相比動態範圍下降了1 db到2 db。它受到來自訊號鏈元件、輸入源和印刷電路板的低頻雜訊限制。採用1 khz滿量程正弦波輸入訊號時，這些器件分別可實現大約111 db和110 db的過取樣snr。圖7顯示ad7960如何隨過取樣率增加和輸出資料速率下降而實現動態範圍的增加。
圖7. ad7960動態範圍與輸出資料速率的關係
應用示例
mri系統工作頻段為1 mhz至100 mhz rf，而計算機斷層掃瞄(ct)和數字x射線工作在1016 hz至1018 hz頻率範圍內，並且需要讓病人暴露在電離輻射下，會損害活組織。mri梯度控制系統要求極高的動態範圍、緊湊的線性度以及從dc到幾十khz的快速響應時間，並且要求在模擬或數字域中，其梯度精確控制到大約1 ma (1 ppm)以內，以增強影象質量。
使用具有優異規格資料的過取樣sar adc (比如ad7960)可讓設計工程師實現高動態範圍，同時滿足mri系統的關鍵要求。這類系統要求可在醫院或醫生辦公室中重複、長期穩定測量。設計工程師應當注意的其它要求是高解析度、精度、低雜訊、快速重新整理速率和極低的輸出漂移。
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