Этот динамический диапазон АЦП может быть увеличен путем введения усилителя с программируемым усилением или одновременной работой нескольких АЦП, используя последующую цифровую обработку для усреднения результатов, но этот метод может быть непрактичным с точки зрения ограничений питания, размеров и стоимости. Избыточное число выборок позволяет АЦП достигать высокого динамического диапазона при низкой стоимости, при удачном сочетании с размером, рассеиванием тепла и потреблением.
Избыточность выборки достигается путем осуществления выборки на более высокой частоте, чем требует критерий Найквиста (превышение полосы сигнала вдвое), для цели улучшения отношения сигнал/шум (SNR) и эффективного числа битов (ENOB). Когда АЦП работает в режиме избыточной выборки, шум квантования распределяется так, что его большая часть оказывается вне интересующей полосы сигнала, в результате увеличивается динамический диапазон на нижних частотах. Этот шум, вне полосы интереса, может быть удален с использованием цифровой обработки, как показано на рисунке 1. Коэффициент избыточности выборки (OSR) есть отношение действительной частоты выборки к частоте выборки согласно критерию Найквиста. Выигрыш в динамическом диапазоне (ΔDR), соответствующий этой избыточности: ΔDR = log2 (OSR) × 3 dB. Для примера, 4х кратная избыточность позволяет получить дополнительных 6db динамического диапазона или прибавки к разрешению в 1 бит.
Рисунок 1. Избыточная выборка в преобразователе Найквиста.
Избыточность выборки по своей природе реализована в большинстве сигма-дельта (Σ-Δ) АЦП с интегрированным цифровым фильтром, в котором частота тактирования модулятора обычно в 32… 256 раз превышает значение полосы сигнала, но Σ-Δ АЦП ограничены в применении, когда требуется быстрое переключение между входными каналами. АЦП аппроксимирующей архитектуры не имеет задержек реакции и конвейерных, применим в высокоскоростных управляющих цепях при быстром переключении входных каналов, и позволяет работать с избыточной выборкой. Однако обе архитектуры АЦП способны точно измерять низкочастотные сигналы, потребление энергии аппроксимирующим АЦП пропорционально частоте выборки со снижением потребления энергии по крайней мере 50% в сравнении с Σ-Δ АЦП, который обычно потребляет фиксированное значение энергии. Восемнадцатибитный аппроксимирующий АЦП AD7960 производства ADI с частотой выборки 5МГц — пример подобного высокопроизводительного прибора с потреблением, пропорциональным частоте выборки.
Фильтр, подавляющий верхние частоты, расположенный на входе аппроксимирующего АЦП, минимизирует наложение спектров и снижает шум путем ограничения полосы. Высокие коэффициенты избыточности выборки и цифровой фильтр в Σ-Δ АЦП минимизируют требования связанные с наложением спектров на их входе, а избыточность выборки снижает общий шум. Для достижения лучшей гибкости разработчик может реализовать собственный цифровой фильтр на ПЛИС.
Низкий уровень шума и высокая линейность высококачественных аппроксимирующих АЦП позволяет применять их с увеличением полосы, высокой точности и отдельными выборками в выделенном промежутке времени, требуемом для быстрых измерений и задач управления. Их высокая производительность, низкое потребление и малый размер помогают разработчикам удовлетворить требованиям к пространству, тепловыделению, потреблению и другим общим ключевым задачам в системах с высокой плотностью. Аппроксимирующие АЦП также достигают наименьшего уровня шума по отношению к полной шкале входного сигнала, обладая высоким отношением сигнал/шум и великолепной линейностью, однако, в отличие от Σ-Δ АЦП они не могут подавлять шум вида 1/f вблизи постоянной составляющей и составляющих 50/60 Гц.
У аппроксимирующих и Σ-Δ АЦП есть свои преимущества и недостатки. Разработчик системы сбора данных должен сделать компромиссный выбор на основе характеристик, скорости, размера, потребления и стоимости.