ADC選型和基本原理TI省名師優(yōu)質(zhì)課獲獎(jiǎng)?wù)n件市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

ADCselectionandBasicprinciplesBasicprinciples第1頁采樣過程是經(jīng)過模擬電子開

關(guān)S實(shí)現(xiàn)。模擬電子開關(guān)每

隔一定時(shí)間間隔閉合次，

當(dāng)一個(gè)連續(xù)模擬信號(hào)通這

個(gè)電子開關(guān)時(shí)，就會(huì)轉(zhuǎn)換若

干個(gè)離散脈沖信號(hào)。輸入模擬電壓uiCP取樣展寬信號(hào)ui′SADC電子開關(guān)S受CP控制...Dn-1D1D0ADC量化編碼電路N位數(shù)字量輸出經(jīng)過采樣脈沖作用，轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散、但幅值上仍連續(xù)離散模擬信號(hào)。量化編碼就是先將幅值連續(xù)可變采樣信號(hào)量化成幅值有限離散信號(hào)，再將這些離散信號(hào)用對(duì)應(yīng)量化電平一組二進(jìn)制代碼表示。第2頁uiInputsignalwaveformsamplingcircuit

Discretesamplingcircuitoutputwaveform

tuSamplingIntervalTimeSampleHoldingTime

第3頁Basicsampled-datasystemsThefigureshowsatypicalsampleddataDSPsystemblockdiagram.Theactualanalog-to-digitalconversion,analogsignalusuallymustgothroughcertaintypesofsignalconditioningcircuits,thesesignalstoperformasamplification,attenuation,andfilteringsuchfunctions.Requireslow-pass/bandpassfiltertounwantedsignalseliminatedfromtheusefulbandwidth,andcanpreventtheoccurrenceofaliasing.第4頁1.SamplingandkeepingSamplingTheorem(Nyquist‘sLaw):asignalwithabandwidthfmustbesampledatarate>2,orinformationaboutthesignalwillbelost.Ifthesamplingfrequencylessthantwicethebandwidthoftheanalogsignal,aliasingphenomenonappears.usually,=(3~5)第5頁Quantizationandcoding1.Quantization:Digitalsignal,notonlyintimeisdiscrete,butalsonumericalvalueofthechangeisnotcontinuous.Thatthesizeofanydigitalisonlyacertainspecifiedminimumnumberofintegerunits.Therefore,beforeA/Dconversionmustalsobesampledvoltageintothesmallestintegralmultipleofthenumberofunits,theconversionprocessisknownas"quantitative."

第6頁2.coding:Thequantizedsignalwiththecorrespondingquantizationlevelofabinarycodetorepresenttheprocesscalledencoding.QuantifythevoltagedifferencebetweenthetwoiscalledquantizationintervalS,themedianquantitativevoltagemorefinerquantizationlevel,Svalueswillbecome.第7頁Eg:To01Vanalogvoltageforthethreebinaryencoding.Analogvoltage0V1/8V2/8V3/8V4/8V5/8V6/8V7/8V1VBinarycode000001010011100101110111Codecorrespondingtothediscretelevelsimulation0ε→0V

1ε→1/8V2ε→2/8V3ε→3/8V4ε→4/8V5ε→5/8V6ε→6/8V7ε→7/8VWecansee，themaximumquantizationerroris

ε=1/8V。第8頁Classification1.SAR（逐次迫近）型ADC：逐次比較型AD由一個(gè)比較器和DA轉(zhuǎn)換器經(jīng)過逐次比較邏輯組成，從MSB開始，次序地對(duì)每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低，在低分辯率（<12位）時(shí)價(jià)格廉價(jià)，但高精度（>12位）時(shí)價(jià)格很高。TLC0831(德州儀器企業(yè)（TI）推出TLC0831/2是廣泛應(yīng)用8位A/D轉(zhuǎn)換器。)

TLC0831能夠外接高精度基準(zhǔn)以提升轉(zhuǎn)換精度，TLC0832基準(zhǔn)輸入在片內(nèi)與VCC連接。TLC0831/2操作非常類似TLC0834/8（更多輸入通道），為以后升級(jí)提供便利。

第9頁第10頁2.Σ-Δ(Delta-Sigma)調(diào)制型ADC：Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間(脈沖寬度)信號(hào)，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路數(shù)字部分基本上輕易單片化，所以輕易做到高分辨率。主要用于音頻和測(cè)量。

第11頁第12頁3.右圖為12位流水線ADC結(jié)構(gòu)圖。輸入Vin首先被采樣/保持（S&H）電路所采樣，同時(shí)第一級(jí)閃速ADC把它量化為3位，此3位輸出送給一3位DAC（含有12位精度），輸入信號(hào)減去此DAC輸出，放大4倍送給下一級(jí)（第二級(jí)），繼續(xù)重復(fù)上述過程，每級(jí)提供3位，直到最終一級(jí)4位閃ADC。對(duì)應(yīng)某一次采樣，因?yàn)槊考?jí)在不一樣時(shí)間得到變換結(jié)果，所以在進(jìn)行數(shù)字誤差校正前用移位存放器對(duì)各級(jí)結(jié)果先按時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。注意只要某一級(jí)完成了某一采樣變換，得到結(jié)果并把差值送給下一級(jí)，它就能夠處理下一個(gè)采樣。所以流水線操作提升了處理能力。第13頁流水線ADC結(jié)構(gòu)適合于幾Msps到100Msps采樣速率，其復(fù)雜性隨分辨率增加只是線性（而不是指數(shù)）增加，含有高速、高精度和低功耗特征，適合用于各種場(chǎng)所，尤其是數(shù)字通訊領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)性能經(jīng)常比微分非線性(DNL)和積分非線性等傳統(tǒng)ADC特征更主要。在大多數(shù)應(yīng)用中，流水線ADC數(shù)據(jù)延遲都無關(guān)緊要。第14頁ADCmainkeyspecifications1.ResolutionADCoutputisusuallyexpressedinbinarybits.Themorebits,thesmallertheerror,thehighertheconversionaccuracy.2.ConversiontimeADCreferstothecompletionofameasurementoftheanalog-to-digitalconversioniscompletedtheamountoftimerequired.ItreflectsthespeedofADCconversionrate.第15頁3.AbsoluteAccuracyItMeanstheADCconvertedfromdigitaltoanalogrepresentstheactualdifferencebetweenanaloginputvalues,usuallyrepresentedbydigitalsimulationofthelowestinputUlsb（最低有效位電壓）tomeasure.4.SFDR(SpuriousFreeDynamicrange)INADC:無雜散動(dòng)態(tài)范圍是指載波頻率(最大信號(hào)成份)RMS（有效值）幅度與次最大噪聲成份或諧波失真成份RMS值之比，SFDR通常以dBc(相對(duì)于載波頻率幅度)表示。第16頁5.SNR（SignaltoNoiseRatio）：Affecttheusefulsignalpowerandnoisepowerratioofsignal#6.OffsetError：Inputsignaliszero,butthevalueoftheoutputsignalisnotzero.Itcanbesolvedbyusingaexternalpotentiometertotheminimum.#7.線性度(Linearity)實(shí)際轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線最大偏移。#8.其它指標(biāo)還有：相對(duì)精度(RelativeAccuracy)，微分非線性，單調(diào)性和無錯(cuò)碼，總諧波失真（TotalHarmonicDistotortion縮寫THD）和積分非線性。第17頁ADCINTI第18頁BasicADC(ADC0809)

左圖是ADC0809集成芯片引腳圖。它是一個(gè)28腳芯片，采取CMOS工藝制成8位ADC，內(nèi)部采取逐次比較結(jié)構(gòu)形式。各引腳作用以下：

IN0~IN7為8個(gè)模擬信號(hào)輸入端。由地址譯碼器控制將其中一路送入轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ADDRESSA、B、C、D

是模擬信道地址選擇。

CP為時(shí)鐘脈沖輸入端。ALE是地址鎖存允許信號(hào)，高電平時(shí)可進(jìn)行模擬信道地址選擇；START是開啟信號(hào)。上升沿將存放器清零，下降沿開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC為模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，高電平有效；2-1~2-8是數(shù)字量輸出端口；REF(+)為正參考電壓輸出；REF(-)是負(fù)參考電壓輸出。第19頁

集成ADC0809芯片內(nèi)部包含模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換兩大部分。模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)由8路模擬開關(guān)和3位地址鎖存器與譯碼器組成，地址鎖存器允許信號(hào)ALE將三位地址信號(hào)A、B、C和D進(jìn)行鎖存，然后由譯碼電路選通其中一路摸信號(hào)加到A/D轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換部分包含比較器、逐次迫近存放器SAR、256R電阻網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、控制與時(shí)序電路等，另外含有三態(tài)輸出鎖存緩沖器，其輸出數(shù)據(jù)線可直接連CPU數(shù)據(jù)總線。第20頁第21頁ADS5483ADC擁有同類競(jìng)爭(zhēng)處理方案難以企及高信噪比(SNR)與無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)，可經(jīng)過第二奈奎斯特區(qū)(Nyquistzone)接收來自DC輸入頻率。采樣速率為135MSPSADC在輸入頻率(IF)為70MHz時(shí)可實(shí)現(xiàn)78.6dBFSSNR以及95dBcSFDR，與同類ADC相比，SNR高出3.5dB，SFDR高出8dB。更高性能ADS5483能夠顯著增強(qiáng)設(shè)計(jì)靈活性，進(jìn)而使眾多應(yīng)用受益匪淺。比如，其不但可針對(duì)測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)提供更高準(zhǔn)確度，而且還能憑借更高帶寬在包含空中接口等在內(nèi)無線通信領(lǐng)域提供更高靈敏度，如WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX（全球微波互聯(lián)接入）、LTE以及多載波3GSM等。第22頁奈奎斯特帶寬被定義為從dc到fs/2頻譜。該頻譜被分割為一個(gè)有著無限數(shù)目標(biāo)奈奎斯特區(qū)，如圖所表示，每個(gè)區(qū)有一個(gè)與0.5fs相等帶寬。實(shí)際上理想采樣器—繼FFT處理器之后—由ADC所取代。FFT處理器只能提供從dc到fs/2輸出，如出現(xiàn)在第一個(gè)奈奎斯特區(qū)中信號(hào)或混疊。第23頁ADS795x該系列器件不但可針對(duì)高密度應(yīng)用實(shí)現(xiàn)優(yōu)異線性與AC性能，而且優(yōu)化后還能最大程度地提升諸如手持式醫(yī)療儀器、可編程邏輯控制器以及數(shù)字電源等電池供電及低電壓應(yīng)用性能。ADS795x產(chǎn)品系列高度集成了眾多組件，如GPIO、可編程告警閾值、板上定序器以及SPI兼容接口等，能最大程度地降低板級(jí)空間要求，并簡(jiǎn)化與主機(jī)設(shè)備連接及相關(guān)軟件。第24頁ADS54R463該新型管線式ADC可針對(duì)高于500MHz輸入頻率(IF)提供業(yè)界最廣無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)以及最高信噪比(SNR)，從而不但可為數(shù)字預(yù)失真(DPD)處理方案實(shí)現(xiàn)更高效功率放大器線性化，為影像與通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更廣覆蓋范圍與更高靈敏度，而且還可為寬帶測(cè)試與測(cè)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)更高準(zhǔn)確度。第25頁ADS5485ADS5485具備高速度、高分辨率以及超低噪聲等優(yōu)異特征可顯著優(yōu)化相關(guān)應(yīng)用性能。比如，該款A(yù)DC可針對(duì)70MHz輸入頻率(IF)實(shí)現(xiàn)75dBFS信噪比以及87dBc無雜散動(dòng)態(tài)范圍。ADS5485經(jīng)