摘要: 许多需要采样保持放大器的应用由于这些设备在今天的目录中缺乏而处于高位和干燥。使用ADC后接DAC可以提供此功能,并产生传统采样保持方法无法实现的特性。
许多需要采样保持放大器的应用由于这些设备在今天的目录中缺乏而处于高位和干燥。使用ADC后接DAC可以提供此功能,并产生传统采样保持方法无法实现的特性。图1所示的电路是一种被称为“无限采样保持”的拓扑的简单而紧凑的实现。事实上,它不会保持无限长的时间,但会一直保持到电源关闭或直到需要新的样品。它被称为“无限”的原因是它不下垂。它是由ADC馈送DAC形成的。没有下垂,因为样本在DAC的寄存器中作为数字代码保存。
图1所示 无限采样保持原理图
无限采样保持的整体精度由ADC和DAC的误差贡献决定,但在大多数方面与许多旧的,现在已经过时的集成采样保持放大器相当或更好。采样保持放大器从市场上消失的主要原因是大多数adc现在都包含内部采样电路。为什么不使用这些设备作为采样器?另一种方法是用开关或二极管桥和FET放大器来构建采样保持放大器。大多数设计工程师并不认为这是一个非常有吸引力的选择。
图1中的无限采样保持使用LTC1417串行14位ADC与LTC1658串行14位DAC接口。ADC的短采集时间,再加上外部触发电路,可以产生各种有用的功能,如峰值检测,采样驻留在波形中的手段,如视频中的黑色参考电平,相位测量方案,电容测量或时分复用,所有这些都不需要处理器的干预。当然,这样的功能可以由微处理器对ADC的输出进行处理,可选地修改结果并将其发送到一个或多个dac。当然,不需要处理器的方案的优点是低功耗和低成本;此外,低功耗处理器的采样率可能比实际高得多。这类函数的使用几乎是无穷无尽的,可能的变化也是如此。
电路操作
图1中的电路将LTC1417的串行输出直接传递给LTC1658,而不需要粘合逻辑。如果两个部分的参考电压基本相同,则其功能非常类似于仪表放大器,然后是采样保持放大器。在LTC1417的情况下,内部2.5V基准是稳定的,但高阻抗,但REFCOMP端子(标记为4.096V并确定ADC的满量程)名义上仅为4.096V。LT1077缓冲2.5V输出,并提供1.634的增益,为LTC1658产生适当的4.096V参考电压。如果输出部分位于一定距离或跨越电位屏障,则在LTC1658上需要单独的4.096V基准。
LTC1417用于“内部转换时钟模式”,其中转换和数据传输同时发生。在采样数据和数据输出之间有一个转换延迟。如果波形频繁采样并且需要尽快更新,则必须在所需采样时执行第一次转换,然后进行虚拟转换以传输数据。CS /LD可以对DAC的线路进行门控,只允许将所需的转换传递给DAC。另外,最快的更新将发生在并行设备上。
在ADC和DAC之间使用现场可编程门阵列(FPGA),可以在将数字数据发送到DAC之前对其进行修改。如果使用并行I/O转换器,即使在简单的可编程阵列设备(PAL)中也可以进行一些简单而有用的操作,例如将有符号数据转换为绝对值数据。由此产生的输出是原始交流信号的全波整流版本。
采样率转换器
在某些情况下,无限采样保持可以用作采样率转换方案(参见图2)。LTC1417可以同步采样输入波形中的一些重复特征,可能以相当高的转换率,或者执行欠采样。欠采样涉及采样频率高于(可能远高于)奈奎斯特(f(S)/2)。由此产生的输出频率是采样频率或其其中一个谐波与输入频率之间的差。这种类型的采样通常要求被采样信号的带宽小于奈奎斯特(1/2 f(S)),否则多个信号分量会折叠到相同的信号频带并相互干扰。然后可以对DAC的输出进行带通滤波,并通过与低功耗处理器相关联的较慢ADC以较低且可能不相关的速率重新采样。该电路可用于重复率高达400kHz的电容式传感方案,在DAC后使用低通滤波器,以降低随后使用较慢的ADC进行重采样的噪声。这有效地将系统带宽降低到低通滤波器的2倍。如果原始ADC处存在的噪声大于几个LSB,则DAC后的滤波效果和使用更高分辨率的ADC进行重采样可以揭示原始ADC和DAC的量化底限以下的细节。积分线性受到无限采样保持的限制,但分辨率可以更高。如果一个重复的波形是有噪声的,使用高采样率的无限采样保持,然后是低通滤波器,以较低的速率重新采样,可以提供一个√N相对于直接以较低的速率采样所能达到的噪声水平的改进(其中N =样本数)。如果功率或预算限制不允许使用DSP,这种方法是有意义的。该电路的总电流消耗小于5mA。
图2 采样率转换方案框图
使用这种拓扑的其他优点是在孔径不确定性方面。在低功耗处理器响应中断的速度和一致性方面可能存在限制的情况下,对响应外部时基或触发器的信号进行采样可以消除处理器中与非确定性行为相关的不确定性。如果从采样波形中还需要直接控制电压,DAC可能是产生它的最佳方式,即使随后由处理器使用数字输出。
LTC1417的采集时间通常为150ns,孔径抖动仅为5ps。经典采样保持放大器常见的由电荷注入引起的基座误差不是这个无限采样保持的问题。然而,还有其他误差源,如失调电压、量化误差以及ADC和DAC中的微分和积分非线性。在这个特殊的例子中,DAC比ADC具有更显著的非线性和偏移误差。如果需要更高的线性度和偏移性能,可以使用16位乘法DAC,如LTC1595,因为14位ADC (LTC1417)提供16位字。
由于该串行方案只需要三条接口线,因此使用光隔离器或其他一些隔离方案是实用的,允许输出处于不同的电位或远离输入,当然,通过DAC的乘法特性提供可变增益。
图1中的插入图显示了一个非常便宜的方案,通过该方案,ADC的输出可以电平移位数百伏,前提是ADC和DAC之间的高频噪声最小。这通常是高压电源与低压电路有共同接地的情况。这种电容耦合数字数据的方法只使用波形中的高频内容。在两个子系统之间会出现瞬变的情况下,不应该使用它。电容器的额定电压必须足够,并应遵守机构接受的爬电距离。
降频转换器
如果ADC的转换时钟以固定频率驱动,并且输入信号为欠采样,则图3中的电路可以将频率下变频到LTC1417的全部线性带宽。例如,如果LTC1417的输入端接收到带限455kHz的中频信号,并且使用400kHz的转换时钟,则在DAC的输出端出现55kHz的差频。这种输出可以在有源低通或带通滤波后以多种方式使用。例如,结合频率合成器,混频器和精密整流器,可以使用LTC2420 20位微功率无延迟 转换器和PIC构建频谱分析仪。随后用低速ADC对该信号进行滤波和重采样,使低功耗处理器能够表征高频信号,并获得远远超过其处理能力的采样率。在DAC后使用有源滤波器产生窄带响应,如果在中频下进行滤波,则不可能产生窄带响应。
图3 下变频器采样在奈奎斯特区3(区3从f(S)延伸到f(S) × 1.5)
在使用无限采样保持对更高频率进行欠采样的情况下,进行的下变频会放大相位抖动的影响。这可能是一种祝福,也可能是一种诅咒。幸运的是,频率稳定性和抖动效应更容易测量。缺点是,在频谱分析应用中使用锁相环作为可调采样时钟可能只会暴露锁相环的相位抖动,而不是暴露输入信号。还请注意,欠采样信号需要相应低于采样时钟的频率必须被抑制,否则它们将折叠到基带中,并与感兴趣的信号不可分割。
单级的另一种下变频方案可以在偏置频率的次倍处使用欠采样(见图4)。例如,如果需要从455kHz中频信号直接产生1kHz音调,则454kHz采样超出了LTC1417和LTC1658的能力。在上面提到的55kHz输出速率下,输出实际上并不稳定,但由于每个步骤都在DAC的转换限制内,因此结果是合理的。另一方面,如果ADC以454kHz/10 (45.4kHz)采样,则差分频率将为1kHz,但DAC更新速率将允许有足够的时间进行结算,并且失真将低于以ADC的全速率或接近全速率运行所导致的失真。如果DAC更新速率为45kHz,那么DAC后面的低通滤波器应该将45kHz更新速率抑制50dB或更多。
图4 基于无限采样保持和LTC2420 20位得尔塔-西格马 ADC的频谱分析仪框图
结论
使用无限采样保持作为采样保持是直接的,并提供保持时间不可能与基于电容的采样保持放大器。通过在ADC/DAC组合之前或之后添加电路,可以定制这些特性,以适应许多不同的应用。可以使用其他线性技术的ADC和dac,由单个ADC驱动的多个dac可以提供来自单个波形的多个输出,也可以通过多路复用器对多个输入进行采样。
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