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为什么不使用音频编解码器芯片作为测量ADC / DAC?
发布时间:2021-03-22 15:40:58  阅读次数:

为什么不使用音频编解码器芯片作为测量ADC / DAC?(图1)

研尚科技的客户在一个项目中,向我们提出了这一问题,来看看研尚的技术专家是如何解答的。


客户问题描述

我正在一个需要同时进行ADC / DAC的项目中。典型的微控制器中的板载ADC的规格非常薄弱,而具有良好规格的单独ADC则比音频编解码器贵得多。例如,比较以下三个选项:

  • 某具有三个16位,最大50ksps的ADC,有效达到不到15位的水平。这可能是针对高分辨率ADC的最佳选择。它还具有一些高速12位ADC和一些DAC。价格:3.26美元


  • 一个基于I2S的音频编解码器,它具有六个具有17.5有效位的24位,96ksps ADC(如果我对数据手册的阅读是正确的话)。它还具有八个规格相似的DAC。所有输入/输出均为全差分,并且可以关闭ADC上的高通滤波器。价格:4.90美元


  • 具有类似规格的最便宜的TI ADC是,这是一款24位,105ksps ADC,还具有约17.5有效位。但是,这是$ 6.31的一部分,并且只有一个通道!四通道器件的价格为14.65美元。


因此,使用音频编解码器进行测量似乎很有吸引力。


为什么不这样做呢?使用音频编解码器进行测量是否有任何意外的缺点?


研尚专家解答

音频编解码器的线性度很高且噪声极低,但是它们通常通过交流耦合消除直流偏移,并且它们的绝对精度(比例因子)不是很严格地控制,因为这些方面在音频工作中并不那么重要。这使得它们不太适合通用ADC / DAC应用。


我在下面介绍一般概念。当然,所提到的内容需要大量的工程设计-电路仅用于说明工作原理。选择校准算法,参考转换器,开关以及模拟缓冲和信号处理将决定设计的性能。


数模转换器

一般要求是要有一个多于n个输出通道的DAC通道。还需要参考ADC。每个输出通道都可以取自两个相邻DAC之一。ADC被馈送来自DAC之一的输出。当n个DAC馈入输出时,一个正在馈入ADC并进行校准。校准完成后,DAC返回其输出占空比,下一个DAC连接至ADC。



上面的示例显示了用于获得3个输出的4CH DAC。开关位置如下:

  • CH1校准,CH2-4输出:SW1闭合,SW11下降,SW12下降,SW13下降。

  • CH2校准,CH1,3-4输出:SW2关闭,SW11上升,SW12下降,SW13下降。

  • CH3校准,CH1-2,4输出:SW3关闭,SW11向上,SW12向上,SW13向下。

  • (如图所示)CH4校准,CH1-3输出:SW4关闭,SW11向上,SW12向上,SW13向上。


将测试波形施加到正在校准的通道,并使用“体面的” ADC捕获。有很多可负担得起的,DC精确度的ADC,甚至是sigma-delta的ADC。可以测量捕获的波形以得出校准系数-至少在偏移和增益方面。校准本身通过数字信号输入到DAC中进行。


为了使开关毛刺馈通最小,输出选择器开关可以是光致动MOSFET。包括一对SW1x的一对单极开关中的每一个都可以被定相以重叠操作。当SW1x的两个极都连接到输出时,输出实际上是平均值。只需一点点,您就需要为两个通道提供相同的输出数据。请注意,每个通道具有不同的校准,因此将相同的输出馈送到两个通道DAC需要馈入不同的二进制输入。


如果正确开发了此概念,则可以以非常合理的成本来产生非常准确的高性能输出。如果您小心的话,只需花几美元,就可以得到16位以上的准确通道。由于大多数音频DAC产生小幅度信号,因此需要对信号进行缩放和放大。除非它们具有足够的直流精度,否则任何信号处理阶段都应在校准环路内。该概念还固有地确保了每个通道的诊断。


模数转换器

可以反向应用相同的方法:具有一个额外的ADC通道和一个参考DAC。每个ADC的输入可以来自三个源:两个相邻输入通道之一或参考DAC。当n个ADC对输入进行采样时,一个对来自DAC的参考信号进行采样并进行校准。校准完成后,ADC返回其输入占空比,下一个ADC连接至DAC。


上面的示例显示了一个用于对3个输入进行采样的4CH ADC。开关位置如下:

CH1校准,CH2-4输入:SW1闭合,SW11下降,SW12下降,SW13下降。

CH2校准,CH1,3-4输入:SW2关闭,SW11向上,SW12向下,SW13向下。

CH3校准,CH1-2,4输入:SW3关闭,SW11向上,SW12向上,SW13向下。

(如图所示)CH4校准,CH1-3输入:SW4关闭,SW11向上,SW12向上,SW13向上。


多层次设计

可以将相同的概念应用于参考转换器。假设您有一个6通道音频编解码器,具有6个输入和6个输出。您可以将其应用于4通道模拟I / O设计,剩下5个DAC用于输出,一个DAC用于辅助基准,5个ADC用于输入,一个ADC用于辅助基准。最后,您只需要一个主要的基准ADC或DAC。一个可用于校准辅助参考,一个可用于校准另一个辅助参考,最后,辅助参考可用于校准用于I / O数据转换的ADC和DAC。这可以被称为是微型的标准实验室了



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