AD轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用

1、AD 轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用一 A/D 轉(zhuǎn)換器的基本原理定義：能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換器 或 ADC 。A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化模擬量的四個步驟： 采樣、保持、量化、編碼 。模擬電子開關(guān) S在采樣脈沖 CPS的控制下重復(fù)接通、 斷開的過程。 S接通時， ui(t)對 C充電，為采樣過程； S斷開時， C 上的電壓保持不變，為保持過程。在 保持過程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組 n 位的二進制數(shù)輸 出。1 取樣定理 將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時間上離散的模擬量稱為采樣。取樣定理：設(shè)取樣脈沖 s(t)的頻率為 fS，輸入模擬信號 x(t) 的最高頻率分

2、量的 頻率為 fmax，必須滿足fs f 2maxy(t)才可以正確的反映輸入信號 (從而能不失真地恢復(fù)原模擬信號 )。通常取 fs ( 2.5 3) fmax 。由于 A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時間，在每次采樣以后，需要把采樣電壓保持一段s(t)有效期間，開關(guān)管 VT 導(dǎo)通， uI向C 充電， u0 (=uc)跟隨 uI 的變化而變化；s(t)無效期間，開關(guān)管 VT 截止，u0 (=uc)保持不變，直到下次采樣。 (由于集 成運放 A 具有很高的輸入阻抗，在保持階段，電容 C 上所存電荷不易泄放。 ) 2 量化和編碼數(shù)字量最小單位所對應(yīng)的最小量值叫做量化單位 。 將采樣保持電路的輸出電壓歸化為量

3、化單位 的整數(shù)倍的過程叫做量化。 用二進制代碼來表示各個量化電平的過程，叫做編碼。一個 n位二進制數(shù)只能表示 2n個量化電平，量化過程中不可避免會產(chǎn)生誤差， 這種誤差稱為量化誤差。量化級分得越多( n 越大)，量化誤差越小。劃分量化電平的兩種方法a)量化誤差大；(b)量化誤差小3 采樣 -保持電路t0時刻 S閉合， CH 被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個放大器的增益 都為 1，因此這一階段 uo跟隨 ui 變化，即 uoui。t1時刻采樣階段結(jié)束， S斷開， 電路處于保持階段。 若 A2的輸入阻抗為無窮大， S為理想開關(guān)， 則 CH沒有放電 回路，兩端保持充電時的最終電壓值不變，從而保證

4、電路輸出端的電壓uo 維持不變。二 AD 轉(zhuǎn)換器的幾個重要參數(shù)1 分辯率 (Resolution) 指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量， 定義為滿 刻度與 2n 的比值。分辯率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn) 換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為 05V，輸出 8 位二進制數(shù)可以 分辨的最小模擬電壓為 5V2 8 20mV；而輸出 12 位二進制數(shù)可以分辨的最小 模擬電壓為 5V2 12 1.22mV。2 轉(zhuǎn)換速率 (Conversion Rate) 是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的 AD 轉(zhuǎn)換所需 的時間的

5、倒數(shù)。積分型 AD 的轉(zhuǎn)換時間是毫秒級屬低速 AD ，逐次比較型 AD 是 微秒級屬中速 AD ，全并行 /串并行型 AD 可達到納秒級。 采樣時間則是另外一個 概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率 (Sample Rate) 必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。 因此有人習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率 也是可以接受的。常用單位是 ksps和 Msps，表示每秒采樣千 /百萬次( kilo / Million Samples per Secon)d。3 量化誤差 (Quantizing Error) 由于 AD 的有限分辯率而引起的誤差，即有限分 辯率 AD 的階梯狀轉(zhuǎn)移特性

6、曲線與無限分辯率 AD(理想 AD )的轉(zhuǎn)移特性曲線 (直線)之間的最大偏差。 通常是 1 個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量， 表示為 1LSB、1/2LSB。4 偏移誤差 (Offset Error) 輸入信號為零時輸出信號不為零的值， 可外接電位器 調(diào)至最小。5 滿刻度誤差 (Full Scale Error) 滿度輸出時對應(yīng)的輸入信號與理想輸入信號值 之差。6 線性度 (Linearity) 實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移，不包括以 上三種誤差。其他指標還有： 絕對精度 (Absolute Accuracy) ，相對精度 (Relative Accuracy)， 微分非線性，單調(diào)

7、性和無錯碼，總諧波失真( Total Harmonic Distotortion 縮寫 THD)和積分非線性。三 AD 轉(zhuǎn)換器的幾種類型1 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器按照天平稱重的思路，逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器，就是將輸入模擬信號與不同 的參考電壓做多次比較， 使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量的對 應(yīng)值。1.1 基本工作原理轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最 高位置成 1，使輸出數(shù)字為 1000。這個數(shù)碼被 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬 電壓 uo，送到比較器中與 ui 進行比較。若 ui uo，說明數(shù)字過大了，故將最高 位的 1 清除；若 ui

8、uo，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣 的方式將次高位置成 1，并且經(jīng)過比較以后確定這個 1 是否應(yīng)該保留。這樣逐位 比較下去，一直到最低位為止。 比較完畢后， 寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字 量輸出。1.2 3 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換開始前，先使 Q1=Q2=Q3=Q4=0， Q5=1，第一個 CP 到來后， Q1=1， Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是 FFA被置 1，F(xiàn)FB和 FFC被置 0。這時加到 D/A 轉(zhuǎn)換器輸 入端的代碼為 100，并在 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓輸出 uo。uo 和 ui 在比較器中比較，當若 uiuo 時，比較器輸出

9、uc=1；當 uiuo 時， uc=0。第二個 CP 到來后，環(huán)形計數(shù)器右移一位，變成 Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，這 時門 G1 打開，若原來 uc=1，則 FFA 被置 0，若原來 uc=0，則 FFA 的 1 狀態(tài)保 留。與此同時， Q2 的高電平將 FFB 置 1。第三個 CP 到來后，環(huán)形計數(shù)器又右移一位，一方面將 FFC 置 1，同時將門 G2打開，并根據(jù)比較器的輸出決定 FFB的 1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第四個 CP 到來后，環(huán)形計數(shù)器 Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，門 G3 打開，根據(jù) 比較器的輸出決定 FFC的 1 狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第五個 CP 到來后，環(huán)形計

10、數(shù)器 Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，F(xiàn)FA、FFB、FFC 的 狀態(tài)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過門 G6、G7、G8 送出。2 雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器1.1 電路組成它由積分器（由集成運放 A 組成）、過零比較器（ C）、時鐘脈沖控制門（ G） 和定時器 /計數(shù)器（ FF0FFn）等幾部分組成。1.2 工作原理（1）準備階段 首先控制電路使計數(shù)器清零， 同時使開關(guān) S2 閉合，待積分電容放電完畢， 再 S2使斷開。（2）第一次積分階段在轉(zhuǎn)換過程開始時 （t=0），開關(guān) S1與 vI 接通，正的輸入電壓 vI加到積分器的 輸入端。積分器從 0V 開始對 vI 積分：vO1 0t vI dt由于

11、vO0V ，比較器輸出 vC=0，時鐘脈沖控制門 G 被關(guān)閉，計數(shù)停止。在此階段 結(jié)束時 vO 的表達式可寫為1vO(t2) VPt12( VREF )dt 0設(shè) T2=t2 t1，于是有VRETF2 2nTC VI設(shè)在此期間計數(shù)器所累計的時鐘脈沖個數(shù)為 ，則T2=TC2VnTCVI V R E F可見， T2 與 V I成正比， T2 就是雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換過程的中間變量。T22n VITC VREF上式表明，在計數(shù)器中所計得的數(shù) (=Qn-1Q1Q0)，與在取樣時間 T1 內(nèi)輸 入電壓的平均值 VI 成正比。只要 VIVREF，轉(zhuǎn)換器就能將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量， 并能從計數(shù)器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果

12、。如果取 VREF=2nV ，則 =VI，計數(shù)器所計的數(shù)在數(shù) 值上就等于被測電壓。在第二次積分階段結(jié)束后，控制電路又使開關(guān) S2閉合，電容 C 放電，積分器 回零。 待下3 并聯(lián)比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器它由電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換器三部分組成。用電阻鏈把參考電壓 VREF分壓，得到從 1 VREF到13 VREF之間 7個比較電平， 15 REF 15 REF量化單位 =2 VREF 。然后，把這 7個比較電平分別接到 7個比較器 C1 C7的輸15入端作為比較基準。 同時將將輸入的模擬電壓同時加到每個比較器的另一個輸入 端上，與這 7 個比較基準進行比較。0uiVREF/15 時，7 個比

13、較器輸出全為 0，CP到來后， 7 個觸發(fā)器都置 0。 經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為 d2d1d0000。VREF/15 ui3VREF/15 時，7 個比較器中只有 C1 輸出為 1，CP 到來后，只有 觸發(fā)器 FF1 置 1，其余觸發(fā)器仍為 0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為 d2d1d0=001。3VREF/15 ui5VREF/15時，比較器 C1、C2輸出為 1，CP 到來后，觸發(fā)器 FF1、 FF2置 1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為 d2d1d0010。5VREF/15 ui7VREF/15時，比較器 C1、 C2、 C3輸出為 1，CP到來后，觸 發(fā)器 FF1、 FF

14、2、 FF3 置 1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為 d2d1d0=011。依此類推，可以列出 ui 為不同等級時寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進制數(shù)。輸入模擬電壓vI寄存器狀態(tài)（代碼轉(zhuǎn)換器輸入）數(shù)字量輸出（代碼轉(zhuǎn)換器輸出）Q7 Q6Q5Q4 Q3Q2 Q1D2D1D01( 0 1 )VREF15000000000013( 15 15)VREF0000001001( 1AD574 AD574 是美國 AD 公司生產(chǎn)的 12 位高速逐次逼近型模數(shù)變換器。片內(nèi)自 備時鐘基準源， 變換時間快 （25 s），數(shù)字量輸出具有三態(tài)緩沖器，可直接與微機5 155)VREF0000011010( 5 7 )VR

15、EF15 15) REF00001110117 9 V( )VREF15 1500011111009 11( 195 1115)VREF0011111101( 1115 13 )VREF15 15011111111013( 15 1 )VREF1111111111四 幾款常用的 ADC 介紹1 ADC0809ADC0809 8 通道 8位a/d轉(zhuǎn)換器,ADC0809 是帶有 8位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 8路多 路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的 CMOS 組件。它是逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換 器，可以和單片機直接接口。 ADC0809 由一個 8 路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與 譯碼器、一個 A/D 轉(zhuǎn)

16、換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通 8 個模 擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器 用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量， 當 OE 端為高電平時， 才可以從三態(tài)輸出鎖存器 取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。的總線接 El，又可直接采用雙極性模擬 信號輸入，有著廣泛的應(yīng)用場合，供電 電源為1 5 V，邏輯電源為 +5 V。同類產(chǎn)品 AD6503 Maxim 的 MAX13 系列和 MAX10 系列的 ADCMaxim 推出了 MAX1300-MAX1303 及 MAX1032-MAX1035 系列 16 位/14 位 ADC 。該系列器件是首款具有 12V 輸入

17、范圍的 ADC 。用戶可以通過軟件將 設(shè)備的每個輸入信道遠程配置為特定的電壓范圍。 每個輸入信道可配置為七種不 同的單端輸入范圍或三種不同的差分輸入范圍。 該系列的 AD 轉(zhuǎn)換器均采用標準 I2C 通信。4 TLC5510TLC5510 是美國公司生產(chǎn)的新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器件 (ADC) ，它是一種采用 CMOS 工藝制造的位高阻抗并行 A/D 芯片，能提供的最小采樣率為 20MSPS。 由于 TLC5510 采用了半閃速結(jié)構(gòu)及 CMOS 工藝，因而大大減少了器件中比較器 的數(shù)量，而且在高速轉(zhuǎn)換的同時能夠保持較低的功耗。在推薦工作條件下， TLC5510 的功耗僅為 130。由于 TLC5510 不僅具 有高速的 A/D 轉(zhuǎn)換功能，而且還帶有內(nèi)部采樣保持電路，從而大大簡化了外圍 電路的設(shè)計；同時，由于其內(nèi)部帶有了