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準(zhǔn)確度和速度

LTC2378-20 所實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確度水平以前只可通過使用速度低得多的 ADC 架構(gòu) (例如：ΔΣ ADC 或多斜率 ADC) 來獲得。高通道數(shù)自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備常常采用這種慢速 ADC 架構(gòu)以完成高精度 DC 測(cè)量，并利用多路復(fù)用器以使單個(gè)儀表能夠服務(wù)于多個(gè)輸入。ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)間通�？稍诤軐挼姆秶鷥�(nèi)調(diào)節(jié)，以犧牲速度來提高分辨率。不過，當(dāng)采樣速率高于 100ksps 時(shí)，測(cè)量分辨率常常被限制在 16 位以下。LTC2378-20 每秒能獲取百萬個(gè)讀數(shù)，每個(gè)讀數(shù)具有 2.3ppm 的噪聲分辨率 (噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差，104dB SNR)�？刹捎脭�(shù)字方式將同一模擬信號(hào)多個(gè)讀數(shù)的結(jié)果組合起來以改善噪聲分辨率，并產(chǎn)生超過多斜率 ADC 的性能。例如，通過對(duì) 10 個(gè)樣本塊進(jìn)行平均處理，LTC2378-20 實(shí)際上工作在 1Msps/10 = 100ksps 下，并具有一個(gè) 0.7ppm 的噪聲分辨率 (114dB SNR)。

ΔΣ ADC 和多斜率 ADC 可通過配置而在一個(gè)觀測(cè) / 積分周期中對(duì)一個(gè)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行平均處理，以抑制噪聲和干擾。通常采用一個(gè) 100ms 的觀測(cè)周期來同時(shí)抑制 50Hz 和 60Hz 線路頻率干擾，從而產(chǎn)生一個(gè)僅為 10sps 的吞吐速率。相應(yīng)地，當(dāng)采用一個(gè)多斜率 ADC 時(shí)，服務(wù)于 10 個(gè)多路復(fù)用通道將需要整整一秒鐘的時(shí)間。圖 2 示出了單個(gè)工作在 102.4ksps 采樣速率下的 LTC2378-20 ADC，其配置有一個(gè)多路復(fù)用電路，以在 100ms 的觀測(cè)周期內(nèi)同時(shí)測(cè)量所有 10 個(gè)信號(hào) (交錯(cuò)式)。在保持與 100ms 觀測(cè)周期相對(duì)應(yīng)的線路頻率干擾抑制的同時(shí)，吞吐速率有所增加，增加倍數(shù)為復(fù)用通道數(shù) (這里是 10 倍，但還可以更高)，從而大幅度提高了自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備的生產(chǎn)率。在此實(shí)例中，通過對(duì)在觀測(cè)周期中取自每個(gè)通道的 1024 個(gè)樣本進(jìn)行平均處理可增加噪聲分辨率，并提供 22 位的噪聲分辨率 (0.07ppm 或 70nVrms)。平均運(yùn)算可利用一個(gè)簡(jiǎn)單的加法器 (用可編程邏輯或處理器可輕松實(shí)現(xiàn)) 來完成。因此，LTC2378-20 顯著提升了測(cè)量速度，同時(shí)保持了先前架構(gòu)的重要優(yōu)勢(shì)。

圖 2：LTC2378-20 配置為在 100ms 的觀測(cè)周期內(nèi)對(duì) 10 個(gè)模擬輸入同時(shí)進(jìn)行讀取和平均操作

由于單個(gè) LTC2378-20 器件有可能取代多斜率設(shè)計(jì)所需的多個(gè)分立組件，因而為平衡成本、電路板空間和通道數(shù)開辟了一個(gè)頗具價(jià)值的設(shè)計(jì)自由度。利用一個(gè)或多個(gè) LTC2378-20 ADC 來替代一個(gè)多路復(fù)用儀表可縮減系統(tǒng)尺寸、降低功率、減少解決方案成本、并使速度提升至比傳統(tǒng)方法高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，由于該器件能夠以高達(dá) 1Msps 速率工作于其本機(jī)模式，如充當(dāng)一個(gè)奈奎斯特 (Nyquist) ADC，因此單個(gè) LTC2378-20 ADC 非常適用于那些有可能需要使用不止一種 ADC 的系統(tǒng)，比如：用一個(gè)多斜率 ADC 進(jìn)行高準(zhǔn)確度低噪聲測(cè)量，而用一個(gè) SAR ADC 來提高較低分辨率測(cè)量的速度。

簡(jiǎn)化并減少信號(hào)鏈路元件

使用高分辨率 ADC 能帶來一個(gè)有趣的好處：模擬信號(hào)鏈路的簡(jiǎn)化。較高分辨率的 ADC 可降低甚至免除增設(shè)模擬信號(hào)調(diào)理功能塊的需要。由于模擬部件常常產(chǎn)生非線性、漂移和其他誤差源，因此它們的減少甚至免除將使最終的系統(tǒng)設(shè)計(jì)既更加簡(jiǎn)單，也更加準(zhǔn)確。

寬動(dòng)態(tài)范圍傳感器通常與可變?cè)鲆娣糯笃髋鋵?duì)使用，以在傳感器的整個(gè)輸入范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)足夠的測(cè)量分辨率。例如：一個(gè)光學(xué)功率傳感器可能具有橫跨 6 個(gè)測(cè)量數(shù)量級(jí) (從 nW 到 mW) 的可用范圍。傳統(tǒng)的方法是采用一個(gè)對(duì)數(shù)放大器把高動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)調(diào)節(jié)至一個(gè)較低動(dòng)態(tài)范圍 ADC 的輸入范圍之中。增益在小輸入幅度時(shí)很高，并隨著輸入幅度的增加而滾降。這種方法的缺點(diǎn)是模擬對(duì)數(shù)功能部件會(huì)發(fā)生漂移，而且?guī)�寬隨輸入而變化。熱流量表是另一個(gè)傳統(tǒng)上需要可變?cè)鲆娴姆蔷�性傳感器實(shí)例。低熱流具有較高的靈敏度，因而導(dǎo)致測(cè)量指示需要較高的分辨率，而高熱流則具有較低的靈敏度和分辨率。 LTC2378-20 在噪聲方面具有超過 5 個(gè)數(shù)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍，而且它提供了 6 位級(jí)的 DC 準(zhǔn)確度 (1ppm)，這對(duì)于直接對(duì)此類信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理是足夠了�？刹捎脭�(shù)字信號(hào)處理方法來增加噪聲動(dòng)態(tài)范圍 (通過減小帶寬)，或?qū)崿F(xiàn)一種對(duì)數(shù)功能 (例如，數(shù)字代碼的簡(jiǎn)單右移或左移)，或者補(bǔ)償傳感器的非線性。

采用可編程增益放大器 (PGA) 和步進(jìn)衰減器是在具有一個(gè)低分辨率 ADC 的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍的其他方法。自動(dòng)量程電壓表即為一例;該儀表在其最靈敏的量程中啟動(dòng)，并在輸入超過低量程限值時(shí)立即切換至一個(gè)較高的量程 (通常大 10 倍)。不過，在切換量程時(shí)將出現(xiàn)中斷。理想的情況是：一個(gè)輸入量程的 100% 應(yīng)精確地等于下一個(gè)較大量程的 10%，但實(shí)際上始終存在著一定的誤差。同樣，LTC2378-20 出色的線性和動(dòng)態(tài)范圍特性允許將多個(gè)量程組合起來，從而消除了因切換量程而引起的中斷現(xiàn)象。