工業過程控制、便攜式醫療設備和自動化測試設備中使用的多路復用數據采集系統（DAS）需要更高的通道密度，用戶希望測量來自多個傳感器的信號，并將許多輸入通道監控和掃描到單個ADC或多個ADC中。多路復用的總體優勢是每個通道所需的ADC數量更少，從而節省了印刷電路板（PCB）空間、功耗和成本。自動化測試設備和電力線監控應用中的一些系統需要每個通道的專用采樣保持放大器和ADC，以便同時對輸入進行采樣，以獲得更高的每通道采樣率，并以額外的PCB面積和功耗為代價保留相位信息。系統設計人員根據最終應用中的性能、功耗、尺寸和成本要求進行權衡。他們選擇一種轉換器架構和拓撲，并使用市場上可用的分立或集成元件實現其信號鏈。圖 1 顯示了多路復用 DAS 的簡化框圖，用于監控和順序采樣各種傳感器類型。有時，信號鏈在多路復用器和ADC之間利用緩沖放大器或可編程增益放大器。

圖1.典型的多路復用數據采集系統。

多路復用器輸入在切換通道時會出現小的電壓毛刺或反沖。這種反沖是多路復用器的導通和關斷時間、導通電阻和負載電容的函數。具有低導通電阻的大型開關通常會產生較大的輸出電容，每次切換輸入時都必須將其充電至新電壓。如果輸出未穩定到新電壓，則會發生串擾誤差。因此，多路復用器的帶寬必須足夠，并且必須在多路復用器輸入端使用緩沖放大器或大電容來建立滿量程階躍。此外，流過導通電阻的漏電流會引入增益誤差，因此兩者都應保持較小。

SAR 與 Σ-Δ 模數轉換器架構

圖2顯示了基于電荷再分配電容數模轉換器（DAC）陣列的逐次逼近寄存器（SAR）的基本轉換器架構。它在每個轉換起始邊沿對輸入信號進行一次采樣，比較每個時鐘邊沿上的位，并通過控制邏輯調整數模轉換器的輸出，直到該輸出與模擬輸入非常接近。因此，它需要來自獨立外部時鐘的N個時鐘周期，以迭代方式實現單個N位轉換。

圖2.基本 SAR ADC 架構。

圖3所示為一種基本的Σ-Δ型ADC架構，該架構以過采樣頻率（Kf）連續采樣模擬輸入信號S）的調制器，其轉換輸出是在Kf處采集的一系列樣本的加權平均值S.更高分辨率的Σ-Δ型ADC具有更長的轉換時間，因為它需要2N樣本以完成單個轉換。

圖3.基本Σ-Δ型ADC架構。

內部比較器噪聲和DAC線性度決定了SAR ADC轉換的精度，而調制器中積分器的建立時間（開關）決定了Σ-Δ型ADC轉換的精度。SAR ADC面臨的挑戰之一是，在一次轉換結束和下一次轉換開始之間的采集時間內，驅動放大器需要建立注入模擬輸入的開關瞬態電流。

SAR ADC的輸入帶寬（數十MHz）高于采樣頻率。所需的輸入信號帶寬通常在數十到數百kHz之間，因此需要抗混疊來濾除折疊回目標帶寬的不需要的混疊。在Σ-Δ型ADC的情況下，所需的輸入信號帶寬通常在直流到幾kHz之間，數字濾波器的輸入帶寬低于調制器的采樣頻率，因此放寬了抗混疊要求。數字濾波器去除目標帶寬之外的噪聲，然后抽取器將輸出數據速率降低回奈奎斯特速率。

多路復用應用挑戰

精密SAR ADC因其易用性、低功耗、小封裝和低延遲而在許多應用中很受歡迎，可簡化多路復用DAS中的快速通道切換。精密Σ-Δ型ADC在工業和音頻應用中很受歡迎，用于帶外抑制，并在實施斬波時抑制接近直流（50 Hz/60 Hz）的1/f噪聲成分。在這種情況下，高分辨率換取了ADC的采樣速率。

SAR ADC本質上是異步的，可實現快速控制環路設計，與轉換相關的延遲或流水線延遲幾乎為零，并且對接近滿量程的階躍輸入的快速響應，因此，它是許多多路復用應用的熱門選擇。而Σ-Δ轉換器架構傳統上是單調的（這意味著它可以在任何一個時間點進行轉換），并使用集成調制器進行過采樣和數字抽取濾波，這需要全局內部或外部時鐘源來同步所有內部模塊，從而導致非零周期延遲或建立時間問題。一些系統還依賴于在數字化過程中具有跨多個通道的均勻性，具有低延遲，從而能夠使用SAR ADC實現更輕松、更快速的通道切換。盡管數字濾波器存在延遲（群延遲），但Σ-Δ型ADC通常用于多路復用各種傳感器類型，如溫度、壓力或稱重傳感器，以緩慢的輸出數據速率（如過程控制）采集小的電壓變化。這主要是由于其高分辨率、高精度、噪聲和動態范圍性能，而SAR ADC通常需要在每個通道上進行低通濾波或緩沖，這增加了空間和成本方面的復雜性。

一些精密SAR ADC的吞吐速率較高，允許以快速掃描速率多路復用多個通道，用于數字化過程，因此需要的ADC數量更少，從而節省PCB面積和成本。精密Σ-Δ型ADC多路復用的輸出數據速率受到數字濾波器類型建立時間的限制，這限制了其建立多路復用器通道快速滿量程轉換的能力。建立時間也因所用數字濾波器的類型而異。用戶必須等待數字濾波器的完全建立時間，才能獲得有效的轉換結果，然后才能將通道切換到下一個通道。一些帶有內置sinc（sinx/x）數字濾波器的Σ-Δ型ADC通過屏蔽內部數字濾波器結果來實現單周期建立或零延遲，并在第一次轉換內或啟動新的采樣周期之前輸出完全建立的數據結果。這些ADC的輸出數據速率始終小于其完全建立的延遲時間。

兩類精密ADC在多路復用應用中面臨的共同問題是帶寬、建立時間和輸入范圍要求。在多路復用DAS中，當輸入通道切換到下一個通道時，關鍵挑戰之一是ADC必須能夠支持較大的電壓幅度階躍變化和快速轉換，即使對于直流型信號也是如此，因為輸入階躍可能會從負滿量程電壓（有時為地）變為正滿量程電壓，反之亦然。換句話說，輸入通道之間的大電壓階躍在很短的時間內產生，ADC輸入必須能夠建立這個大電壓階躍。這給ADC驅動器帶來了額外的負擔，在這種情況下，ADC驅動器的大信號帶寬成為選擇ADC驅動器的關鍵規格。幅度步長較大時，會出現非線性效應，壓擺率和輸出電流特性限制了ADC驅動器能力和輸出響應。多路復用器通道切換必須與ADC轉換引腳同步，并且應在轉換開始后的小開關延遲（數十ns）后切換到下一個通道，以允許最大時間建立所選通道。為了保證最大吞吐量下的性能，多路復用系統中的所有元件必須在多路復用器開關和下一次轉換開始之間完全建立于ADC輸入端。

集成式和分立式多路復用精密 DAS 解決方案

根據客戶的需求，目前市場上有兩種類型的精密 DAS 解決方案可用于多路復用應用：集成組件和分立組件。分立式多路復用解決方案的優勢在于，可以根據其性能要求靈活地選擇合適的信號調理組件。用戶仍然需要擔心與通道切換、時序和建立時間相關的復雜設計問題。有人可能會說，用戶可以靈活地切換多路復用器輸入通道并進行外部校準以校準誤差，但這可能會以犧牲性能和靈活性為代價來增加電路板的尺寸和成本。一些客戶還喜歡在FPGA上進行自己的定制數字濾波，而不是靈活地使用芯片上可用的數字濾波。

如果客戶使用基于多路復用的集成解決方案，則無需擔心通道切換、排序和建立時間問題。此外，這種方法可以提供每個通道的配置，具有不同的輸入范圍和誤差校準選項。在這種情況下，客戶在信號調理方面的靈活性較低，但這種方法可以簡化他們的設計，節省面積和物料清單成本，同時提供足夠的性能。目前市面上一些高度集成的SAR和Σ-Δ型ADC減輕了與設計精密DAS相關的許多挑戰。這些IC無需緩沖、電平轉換、放大、衰減或以其他方式調理輸入信號。它們還消除了共模抑制、噪聲、通道切換、時序和建立時間方面的問題。

系統設計人員在根據多路復用數據采集系統的性能、功耗、尺寸和成本要求選擇SAR或Σ-Δ轉換器架構時，應考慮此處介紹的設計優缺點。

審核編輯：郭婷