ADC原理及的應用

1、高精度Delta-SigmaA/D轉換器的原理與其應用本次在線座談主要介紹TI的高精度Delta-SigmaA/D轉換器的原理與其應用，Delta-Sigma轉換器的特點是將絕大多數的噪聲從動態(tài)轉移到阻態(tài)，通常Delta-Sigma轉換器被用于對本錢與精度有要求的低頻場合。本文首先將對TI的高精度Delta-SigmaA/D轉換器進展綜述性介紹，而后將介紹噪聲的測量與芯片ADS1232等。Delta-Sigma轉換器綜述Delta-Sigma轉換器是采用超采樣方法將模擬電壓轉換成數字量的1位轉換器，它由1位ADC、1位DAC與一個積分器組成，見圖1。Delta-Sigma轉換器優(yōu)點表現在低本錢

2、與高分辨率，適合用于現在的低電壓半導體工業(yè)的生產。心BACBit科鑿株蛆置Delta-Sigma轉換器組成Delta-Sigma轉換器由差分放大器、積分器、比擬器與1位的DAC組成，輸入信號減去來自1位DAC的信號將結果作為積分器的輸入，當系統得到穩(wěn)定工作狀態(tài)時，積分器的輸出信號是全部誤差電壓之和，同時積分器可以看作是低通濾波器，對噪聲有-6dB的抑制能力。積分器的輸出用1位ADC來轉換，而后比擬器將輸出數字1和0的位流。DAC將比擬級的輸出轉換為數字波形，回饋給差分放大器。Delta-Sigma轉換器原理詳述積分器將量化噪聲伸展到整個頻帶寬度，從而使噪聲成型，而濾波器可以過濾掉絕大多數的成型

3、噪聲。有幾個誤差源會降低整個系統的效果，為了滿足ADC的輸入X圍，很多信號要求一些放大電路和電平偏移電路，有時放大器在ADC的內部，有時使用外部放大器。無論是哪一種情況，放大器電壓、電壓漂移、輸入偏置電流或采樣噪聲將引入誤差信號。為了得到準確的ADC轉換結果，放大器的誤差應該通過調整來消除或減少。積分器對輸入低頻或直流信號內置一個低通濾波器，從而極大地降低了通道內的噪聲。典型的半導體放大器的噪聲分為兩個局部，1/F噪聲和對地噪聲，Delta-SigmaADC的主要應用是在低頻場合，因此1/F噪聲的影響占主要地位。選擇適宜的放大器可以控制1/F噪聲。由噪聲頻譜圖可知見圖2，器件的噪聲在高頻主要是

4、背景噪聲，而在低頻主要是1/F噪聲，當越接近我們想要得到的直流信號時，1/F噪聲越大。人們通常把1/F噪聲想象成漂移，它是一個非常低頻率的現象，常用的解決方法是采用窄波輸入。獲得窄波穩(wěn)定輸入的方法如圖3所示，如果有一個1mV的射調電壓加在差分放大器的同向輸入端，1mV的信號出現在正的輸出端，而在下面的電路中，1mV的信號被輸出到負的輸出端。由于它被交替地加到正的和負的輸出端，因此最后的結果是經過平均后，這1mV的射調電壓不會出現在輸出端，而這在Delta-Sigma轉換器中有顯著效果。因為差分放大器的輸出正好被積分器平均，漂移隨著時間與射調變化，對窄波穩(wěn)定電路來說，射調實際值是無關緊要的，因此

5、隨著時間的漂移和射調不會影響轉換的結果。圖4給出了一個4位ADC轉換為滿刻度正弦波時的時域變化情況。ADC采樣一個正弦信號的輸入，如果這一信號用一個DAC來呈現，那么采樣和量化的效果將很容易被注意到。采樣意味著在一個不連續(xù)的時間點輸出信號被捕捉，在這兩個點間輸出如此保持不變，輸入被采樣的速率是大家熟知的采樣頻率，奈奎斯特原理規(guī)定采樣必須至少是輸入信號帶寬的兩倍，采樣高于這最小要求的速率即是超采樣，Delta-Sigma即是利用超采樣的方法完成信號轉換，而量化的作用是將連續(xù)的模擬信號的幅度，變換成不連續(xù)的電平。OUTPUTDIGITALWORD11“Hi11M-innmil01100141O1Q

6、Ow0M1TIME1M14-trit(16ADCHmpllnga畫rmr盲input,tinndomaJa利用超采樣可將量化噪聲分布到更寬的頻率X圍，從而降低了背景噪聲的電平。依靠1位ADC后的數字濾波器,Delta-Sigma轉換器限制了噪聲帶寬。由于大局部噪聲不能通過數字濾波器，帶寬的有效噪聲得到降低。將量化噪聲分布在更寬的頻率X圍內，而后用濾波器濾去大局部噪聲的技術，即是Delta-Sigma轉換器應用低分辨率的ADC的根底。噪聲的測量SNR不同的方法可用于測量系統的噪聲性能，同樣系統噪聲也可用不同的方法表達，它具有高斯分布的特征，信噪比通常用于高速ADC系統，而ENOB通常用于低頻和直

7、流系統。高斯分布隨機噪聲一般具有高斯分布的特征，絕大多數的采樣值將分布在相關的區(qū)域內，如果一個測量系統要求一個峰峰的限制,那么99.9%的采樣應該分布在這個區(qū)域內，如圖5所示?？?ofPoiXJlatiari±168.3%±295.4%±399.7H直*j99.9%峰峰噪聲有效的噪聲告訴我們采樣值是隨機的，因而不能清楚地知道顯示的結果將是什么，如果一個顯示的位數是不能變化的,我們就叫做無噪聲碼。峰峰的噪聲是大量數據的統計測量，它不能被直接計算，它是有效噪聲的6.6倍。標準方差標準方差的標準定義要求計算每一個測量值與全部測量值的平均值的差值的均方根如公式1所示，由于

8、要在所有值被采樣后才能計算其平均值，所以在實際的數據采集系統中，其標準定義并不經常使用。一個簡易的方法是計算標準方差，它僅要求兩個數字即所有值的和與所有數字的平方和如公式2所示。f/r&-（如）ENOB的計算方法ENOB有兩種計算方法，第一種SNR=6.02N+1.76dB,ENOB=SNR-1.76dB/6.02;第二種方法是2ENOB=滿刻度值/RMS噪聲值=224/。其某某噪比是指信號的有效值與噪聲有效值的比值。ADS1232特點與應用ADS1232簡介ADS1232是一個精細的24位AD轉換器，內部帶有低噪聲可編程精細放大器，精細的Delta-SigmaAD轉換器和內置振蕩器。

9、ADS1232為橋路傳感器的應用與報告稱重儀器提供一個完全的前端解決方案，具有非常低的噪聲，當PGA=128倍時,20mV的輸入X圍內僅有17nVrms有效噪聲，采樣速率為10Hz與80Hz，對于50Hz與60Hz具有大于100dB的抑制能力。對于稱重儀器的應用，ADS1232是最容易使用的。第一它具有完整的前端，不需要外置放大電路。第二它沒有外部時鐘的要求。第三所有的功能均由管腳來控制，沒有存放器需要編程。另外稱重儀器的參考設計可通過ADS1232的EDM板進展評估。ADS1232提供一個低漂移、低噪聲的可編程增益儀表放大器，包含2個運放和3個精細匹配的電阻R1、RF1和RF2。它可選的增益

10、是1倍、2倍、64倍和128倍。在稱重儀器中，大量采用比例測量方法，在這里橋路的接地電壓同時為AD轉換器的參考電壓，因為橋路的輸出正比于橋路的接地電壓，而AD轉換器的結果也正比于參考電壓，因此采用比例方法測量時，AD轉換器的輸出結果只與橋路阻抗的變化有關，因此可以大大地提高測量精度。圖6給出了ADS1232在稱重儀器中的應用，這里ADS1232的放大倍數為128倍，數據速率為10次/秒。?7Vto53VO*豐0.1葉12W13O.IpF10AVDDREFPOVDDADS12328NGAINOCAPOfiDY/DOUTCAPSCLKAINP1XTAL2AINN1AINP2CLKIM/XTAL1A

11、INN2SPEEDM)-ftEFNTEMPAGNDDGNOIB1916g42117Gcin«1P871vnn的gWOtterMtcipproccsav嗯中的應用示例其他相關器件ADS1100:16位低功耗轉換器ADS1100是最小的16位ADC轉換器，采用SOT23-6封裝，內置增益可在1倍、2倍、4倍或8倍間進展選擇，其數據速率為8128次/秒，典型應用包括：手持式設備與監(jiān)視器、電池管理、消費產品與工業(yè)加工控制等。ADS1112:多通道16位ADCADS1112是一款16位精細的帶有自動校正的模數轉換器，有兩個差分輸入通道或三個單端輸入。內置2.078V電壓基準，其電源電壓為2.7

12、5.5V。它的主要特性表現在具有完整的小型數據獲取系統、輸入復用器、PGA與振蕩器。它支持I2C接口，典型應用包括手持式設備、便攜式監(jiān)控器與功率管理等。ADS1222:24位低功耗轉換器ADS1222是TI最低本錢的24位工業(yè)用Delta-Sigma轉換器和業(yè)內最小的兩通道差分輸入轉換器，具有很高的輸入阻抗、內置溫度傳感器、兩線串行輸入接口和自校準電路。其數據速率為240SPS,典型應用包括：手持式設備與工業(yè)加工控制。ADS1271:24位高性能轉換器ADS1271是一款獨特的將直流精度與交流性能組合在一起的高性能24位Delta-Sigma轉換器，通常工業(yè)上的Delta-Sigma轉換器利用

13、高階低通濾波器得到好的直流精度，但是限制了信號帶寬，因此僅適合直流測量。而音頻應用的高分辨率的ADC需要大的可用帶寬，但直流精度會因此變壞，而ADS1271卻將優(yōu)異的直流精度與交流性能組合在一起。其典型應用包括：壓力傳感器、測試與測量等。關于ADC的好文章刖曰在數據采集系統中，模數轉換器是其中至關重要的環(huán)節(jié)，模數轉換器的精度以與系統的本錢直接影響到系統的實用性,因此，如何提高模數轉換器的精度和降低系統的本錢是衡量系統是否具有實際應用價值的標準。一般，想提高模數轉換器的精度，勢必會引起本錢的增加，這就要求我們按照具體的精度要求合理的設計模數轉換器，來達到具體的要求和降低系統的本錢。在精度要求不是

14、很高的場合，我們經常利用嵌入微控制器片內的A/D轉換器來實現模數轉換，以此來降低系統的本錢，但由此又產生了另外的問題，嵌入式模數轉換器是否具有所要求的精度，假如超出測量X圍如何與測量電路進展接口，以與如何減小微控制器的電磁干擾提高嵌入式模數轉換器的精度問題。這都要求我們采取不同的措施來提高嵌入式模數轉換器的精度。1精度與分辨率ADC的精度和分辨率是兩個不同的概念。精度是指轉換器實際值與理論值之間的偏差；分辨率是指轉換器所能分辨的模擬信號的最小變化值。ADC分辨率的上下取決于位數的多少。一般來講，分辨率越高，精度也越高，但是影響轉換器精度的因素很多，分辨率高的ADC,并不一定具有較高的精度。精度

15、是偏移誤差、增益誤差、積分線性誤差、微分線性誤差、溫度漂移等綜合因素引起的總誤差。因量化誤差是模擬輸入量在量化取整過程中引起的，因此，分辨率直接影響量化誤差的大小，量化誤差是一種原理性誤差，只與分辨率有關，與信號的幅度，采樣速率無關，它只能減小而無法完全消除，只能使其控制在一定的X圍之內，一般在±1/2LSBX圍內。1.1偏移誤差偏移誤差是指實際模數轉換曲線中數字0的代碼中點與理想轉換曲線中數字0的代碼中點的最大差值電壓。這一差值電壓稱作偏移電壓，一般以滿量程電壓值的百分數表示。在一定溫度下，多數轉換器可以通過對外部電路的調整，使偏移誤差減小到接近于零，但當溫度變化時，偏移電壓又將出

16、現，這主要是由于輸入失調電壓與溫漂造成的。一般來說，溫度變化較大時，要補償這一誤差是很困難的。1.2增益誤差增益誤差是轉換器輸出全“1時，實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。它使傳輸特性曲線繞坐標原點偏離理想特性曲線一定的角度，即增益誤差表示模數轉換特性曲線的實際斜率與理想斜率的偏差，數值一般用滿量程的百分比表示。ADC的理想傳輸函數的關系式是%二甘段（2%1+2一%舛A+虹）1式中Un是沒有量化時的標準模擬電壓，由于存在增益誤差，式1變?yōu)橐捕?於+2F22式中的K為增益誤差因子。當K=l時，沒有增益誤差。當K>1時，傳輸特性曲線的斜率變大，臺階變窄，在輸入模擬信號達到滿量程值之前，

17、數字輸出就己全“'1狀態(tài)。當K<1時，傳輸特性曲線的斜率變小，臺階變寬，輸入模擬信號己超滿量程值時，數字輸出還未達到全“1狀態(tài)輸出。在一定溫度下，可通過外部電路的調整使K=1,從而消除增益誤差。1.3線性誤差線性誤差又稱積分線性誤差，是指在沒有偏移誤差和增益誤差的情況下，實際傳輸曲線與理想傳輸曲線之差。線性誤差一般不大于1/2LSB。因為線性誤差是由ADC特性隨輸入信號幅值變化而引起的，因此線性誤差是不能進展補償的，而且線性誤差的數值會隨溫度的升高而增加。1.4微分線性誤差微分線性誤差指實際代碼寬度與理想代碼寬度之間的最大偏差，以LSB為單位，微分線性誤差也常用無失碼分辨率表示。

18、由于時間和溫度的變化，電源可能會有一定的變化，有時可能是造成影響ADC精度的主要原因，因此在要求比擬高的場合，必須保證電源的穩(wěn)定性，使其隨溫度和時間的變化量在所允許的X圍之內，但在一般的場合，往往可以不考慮其對系統的影響。2嵌入式模數轉換器的結構與影響轉換的原因和消除方法嵌入式模數轉換器將模擬多路開關、采樣保持、A/D轉換、微控制器集成在一個芯片上，經常采用逐次比擬型進展A/D轉換，模擬輸入信號一般為非負單極性，且輸入信號的電壓X圍為0AVREF,A/D轉換器具有獨立的模擬電源與參考電壓。實際應用中，由于輸入信號的輸出電阻不同，如果輸出電阻過大，會引起實際測量的電壓分壓過小，因而引起測量值較實

19、際值偏小；或者由于輸入信號為雙極性模擬信號，不能直接與嵌入式微控制器相連，必須采取特殊措施，使雙極性模擬信號轉換為可以直接測量的非負單極性信號；還有如果輸入信號幅值過大，以至于超過參考電壓，也必須引入將壓環(huán)節(jié)，使輸入電壓低于參考電壓，等等，下面對以上影響逐一進展分析。2.1模擬輸入信號阻抗對采樣的影響采樣過程是采樣電容充電，跟蹤輸入模擬信號電壓的過程，由于采樣電路存在模擬多路開關阻抗、采樣開關阻抗和輸入信號源阻抗，因此，其轉換時間受模擬多路開關阻抗、采樣開關阻抗與輸入信號源阻抗的影響，模擬多路開關與輸入信號源的阻抗越大如此其轉換時間越長。逐次比擬型A/D的輸入端等效電路如如下圖所示：圖1逐次比

20、擬型A/D的輸入端等效電路其中，RIN為輸入模擬信號內阻，VS為輸入模擬電壓信號，RSH為模擬多路開關與采樣開關的等效電阻，VSH為采樣電容的充電電壓，由等效電路可以看出，輸入模擬信號內阻越大，如此采樣電容充電時間越長，因此，對于采樣頻率要求越高的場合，要求模擬輸入信號內阻必須越小，在應用時必須首先估算在規(guī)定的采樣頻率下，對模擬輸入信號內阻的要求。由電路理論可以求得RIN所允許的最大值假設采樣時間為T：T綜=7"膈為g一電&/血-)如果信號源內阻達不到要求，如此需使用一個輸出阻抗很小的緩沖器，例如可以使用電壓跟隨器，使信號源的輸出阻抗達到A/D轉換器所要求的輸入阻抗的X圍之內

21、。2.2模擬信號極性與幅值的變換A/D轉換器的時但須注意的在數據采集系統中，采集的模擬信號并非都是非負單極性信號，經常是雙極性信號，因此在使用嵌入式候，需要對模擬輸入信號進展極性轉換，我們可以采用運算放大器組成的線性網絡來對其極性與幅值進展轉換,是在引入線性網絡的同時，又引入了一定量的非線性誤差，其線性網絡原理圖可用如下圖表示:圖2線性網絡原理圖只要改變電阻R1、R2、R3的大小以與它們的比例關系便可調整模擬輸入信號的大小使其符合測量要求。下面介紹一種常用芯片AT90S8535關于其A/D轉換器使用時應該注意的情況。AT90S8535是ATMEL公司生產的一款基于AVRRISC結構的，低功耗的

22、8位單片機，其內部集成有模數轉換器，模數轉換器具有以下特點：10位分辨率；+2LSB準確度；0.5LSB集成線性度；65260轉換時間；8通道；自由運行模式和單次轉換模式；ADC轉換完畢中斷；休眠模式噪聲消除。AT90S8535具有10位分辨率的逐次逼近型A/D轉換器。ADC與一個8通道模擬多路器相連，這樣就允許A口作為ADC的輸入引腳。ADC包含一個采樣保持放大器，ADC框圖如下所示：ADC可以工作于兩種模式一一單次轉換和自由運行。在單次轉換模式下，用戶必須啟動每一次轉換，而在自由運行模式下，ADC會連續(xù)采樣并更新ADC數據存放器。ADCSR的ADFR位用于選擇A/D轉換器的運行模式。由于模擬通道的轉換總是要延遲到轉換的完畢，因此，自由運行模式可以用來掃描多個通道，而不中斷轉換器。一般來說，ADC轉換完畢中斷用于修改通道，但需考慮一下因素；結果一旦準備好，中斷就被觸發(fā)，在自由運行模式，中斷一被觸發(fā)，如此下一次轉換馬上開始。如果中斷觸發(fā)過后，模擬通道改變，而下一次轉換已經開始，如此仍舊使用以前設置。偵匚投制狀瘠苓9(ADCSB)(AEtH/ADCL)日9AD匚源法6V叫粒叫匚叫粒叫匚糧松輸入糧松輸入圖3ADC框圖3.1 ADC噪聲消除技術AT90S8535的內外部數字電路會產生電磁干擾，影響模擬測量精度。如果要求測量精度較高，應采取