利用比較器/DAC組合解決數據采集問題

摘要：以下討論驗證了一個被現存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點。

盡管當前趨勢全部集中一個方向-設計者需要使用A/D轉換器時通常選定一個集成的A/D轉換器(ADC)。大多數工程師并沒有意識到還有降低ADC性價比的其它替代方案。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。

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

瞬態電壓分析

捕獲快速幅度變化事件(瞬態)的強力技術就是采用處理器支持的高速ADC和RAM對其進行簡單量化(圖1)。單觸發事件可能必須采用這種方法，因為需要獲取瞬態細節。然而，如果瞬態是重復性的，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. 采用強力法進行瞬態分析，ADC電路耗電大且價格昂貴

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

比較器的一個輸入引腳由DAC設置判定電平，瞬態信號施加到另一個輸入。通過調整DAC輸出可確定峰值瞬態幅度，超越門限時，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帶寬，任意長的DAC輸出建立時間并不會影響測量精度。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表示超限狀態。

這種技術(模擬域比較)與ADC技術(數字域比較)具有相同精度，對于一個設置點時，可通過簡單比較實現，為什么還要對整個值進行量化?必須提及的一種情況是：如果與幾個設置點進行比較時，例如：報警上限/下限和關斷的下限/上限電平，可選擇ADC,否則需要4路DAC和4個比較器。

由DAC構建簡單的ADC

便攜式儀器受成本和尺寸限制，有些情況下可以利用DAC實現A/D轉換功能。例如，蜂窩電話和醫療電子通常采用DAC調整LCD對比度電壓(圖3)。有時可通過簡單添加一個比較器和開關，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，在DAC執行模擬至數字轉換時關閉顯示器。作為另一種替代方案，由模擬開關和電容構成的簡單采樣/保持電路(圖4)可在A/D轉換期間維持LCD的對比度電壓。

圖3. 該電路常見于便攜儀器

圖4. 對圖3增加兩個比較器，由DAC實現ADC功能，節省成本

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

設計考慮

DAC和比較器的結合非常簡單。信號作用到比較器的同相輸入端，DAC提供的數字可編程門限作用到反相輸入端。只要信號比門限值大，比較器就會產生邏輯高電平輸出。但在使用時必須注意幾個方面。

為確保精確的門限電平，考慮到比較器的輸入偏置電流以及比例網絡，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過布線寄生電容耦合，將產生輸入瞬態變化，導致自激并降低精度。如果允許犧牲一定的建立時間，可在比較器輸入端增加一個旁路電容來降低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，但這個問題可在DAC輸出串聯一個電阻加以修正。

比較器的主要問題是滯回。大多數比較器電路帶有滯回，以防止噪聲和振蕩，但使用滯回時必須謹慎-它會造成門限值隨輸出而改變。如果系統可對受輸出狀態影響的滯回進行補償，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限，這樣可消除負面影響。通過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sidebar,逐次逼近)。

另一選擇是，通過增加一個小電容反饋也可消除滯回，這會加速比較器在線性工作區的轉換。或者，增加一個輸出觸發器或鎖存器，在給定時刻捕獲比較器輸出狀態。

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)在不使用時可將其關閉以節省能量。

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