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AD�(zhuǎn)換器
閱讀�30704�(shí)間:2010-12-27 09:55:34

  A/D �(zhuǎn)換器模數(shù)�(zhuǎn)換器,或簡稱 ADC,通常是指一�(gè)將模擬信�(hào)�(zhuǎn)�?yōu)�?shù)字信�(hào)�電子元件� 通常的模�(shù)�(zhuǎn)換器是將一�(gè)輸入電壓信號(hào)�(zhuǎn)換為一�(gè)輸出的數(shù)字信�(hào)。由于數(shù)字信�(hào)本身不具有實(shí)際意�,僅僅表示一�(gè)相對大小。故任何一�(gè)模數(shù)�(zhuǎn)換器都需要一�(gè)參考模擬量作為�(zhuǎn)換的�(biāo)�(zhǔn),比較常見的參考標(biāo)�(zhǔn)為的可轉(zhuǎn)換信�(hào)大小。而輸出的�(shù)字量則表示輸入信�(hào)相對于參考信�(hào)的大小� 模數(shù)�(zhuǎn)換器最重要的參�(shù)是轉(zhuǎn)換的精度,通常用輸出的�(shù)字信�(hào)的位�(shù)的多少表�。轉(zhuǎn)換器能夠�(zhǔn)確輸出的�(shù)字信�(hào)的位�(shù)越多,表示轉(zhuǎn)換器能夠分辨輸入信號(hào)的能力越�(qiáng),轉(zhuǎn)換器的性能也就越好�

分類

  下面簡要介紹常用的幾種類型的基本原理及特�(diǎn):積分型、逐次逼近�、并行比較型/串并行型、∑-Δ�(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換��

  1)積分型(如TLC7135�

  積分型AD工作原理是將輸入電壓�(zhuǎn)換成�(shí)�(脈沖寬度信號(hào))或頻�(脈沖頻率),然后由定時(shí)�/�(jì)�(shù)器獲得數(shù)字值。其�(yōu)�(diǎn)是用簡單電路就能獲得高分辨率,但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分�(shí)�,因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片AD�(zhuǎn)換器大多采用積分型,�(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流�

  2)壓頻變換型(如AD650�

  壓頻變換型(Voltage-Frequency Converter)是通過間接�(zhuǎn)換方式實(shí)�(xiàn)模數(shù)�(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信�(hào)�(zhuǎn)換成頻率,然后用�(jì)�(shù)器將頻率�(zhuǎn)換成�(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加,只要采樣的�(shí)間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖�(gè)�(shù)的寬�。其�(yōu)�(diǎn)是分辯率高、功耗低、價(jià)格低,但是需要外部計(jì)�(shù)電路共同完成AD�(zhuǎn)��

  3)并行比較型/串并行比較型(如TLC5510�

  并行比較型AD采用多�(gè)比較�,僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)�,又稱FLash(快�)�。由于轉(zhuǎn)換速率極高,n位的�(zhuǎn)換需�2n-1�(gè)比較�,因此電路規(guī)模也極大,價(jià)格也�,只適用于視頻AD�(zhuǎn)換器等速度特別高的�(lǐng)��

  串并行比較型AD�(jié)�(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間,最典型的是�2�(gè)n/2位的并行型AD�(zhuǎn)換器配合DA�(zhuǎn)換器組成,用兩次比較�(shí)行轉(zhuǎn)換,所以稱為Half flash(半快�)型。還有分成三步或多步�(shí)�(xiàn)AD�(zhuǎn)換的叫做分級(jí)(Multistep/Subrangling)型AD,而從�(zhuǎn)換時(shí)序角度又可稱為流水線(Pipelined)型AD,現(xiàn)代的分級(jí)型AD中還加入了對多次�(zhuǎn)換結(jié)果作�(shù)字運(yùn)算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高,電路規(guī)模比并行型小�

  4)∑-Δ(Sigma?/FONT>delta)�(diào)制型(如AD7705�

  �-Δ型AD由積分器、比較器�1位DA�(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組�。原理上近似于積分型,將輸入電壓�(zhuǎn)換成�(shí)�(脈沖寬度)信號(hào),用�(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的�(shù)字部分基本上容易單片�,因此容易做到高分辨�。主要用于音頻和測量�

  5)電容陣列逐次比較�

  電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA�(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式,也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA�(zhuǎn)換器中多�(shù)電阻的值必須一致,在單芯片上生成高精度的電阻并不容�。如果用電容陣列取代電阻陣列,可以用低廉成本制成高精度單片AD�(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型AD�(zhuǎn)換器大多為電容陣列式��

  6)逐次比較型(如TLC0831�

  逐次比較型AD由一�(gè)比較器和DA�(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯�(gòu)�,從MSB開始,順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA�(zhuǎn)換器輸出�(jìn)行比�,經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字�。其電路�(guī)模屬于中�。其�(yōu)�(diǎn)是速度較高、功耗低,在低分辯率�<12位)�(shí)�(jià)格便�,但高精度(>12位)�(shí)�(jià)格很��

指標(biāo)

  AD�(zhuǎn)換器的主要指�(biāo)如下�

 ?�?)分辨率(Resolution)。指�(shù)字量變化一�(gè)最小量�(shí)模擬信號(hào)的變化量,定義為滿刻度與2n的比�。分辨率又稱精度,通常以數(shù)字信�(hào)的位�(shù)來表示�

 ?�?)轉(zhuǎn)換速率(Conversion Rate)。是指完成一次從模擬�(zhuǎn)換到�(shù)字的AD�(zhuǎn)換所需的時(shí)間的倒數(shù)。積分型AD的轉(zhuǎn)換時(shí)間是毫秒�(jí)屬低速AD,逐次比較型AD是微秒級(jí)屬中速AD,全并行/串并行型AD可達(dá)到納秒級(jí)。采樣時(shí)間則是另外一�(gè)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�(zhuǎn)換速率。因此習(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�。常用單位是Ksps和Msps,表示每秒采樣千/百萬次(Kilo � Million Samples Per Second)�

 ?�?)量化誤差(Quantizing Error�。由于AD的有限分辨率而引起的誤差,即有限分辨率AD的階梯狀�(zhuǎn)移特性曲線與無限分辨率AD(理想AD)的�(zhuǎn)移特性曲線(直線)之間的偏差。通常�1�(gè)或半�(gè)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�。輸人信�(hào)為雷�(shí)輸出信號(hào)不為零的值,可外接電位器�(diào)至最��

  �5)滿刻度誤差(Full Scale Error�。滿刻度輸出�(shí)對應(yīng)的輸人信�(hào)與理想輸人信�(hào)值之��

 ?�?)線性度(Lineafity)。實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函�(shù)與理想直線的偏移,不包括以上3種誤��

  AD的其他指�(biāo)還有精度(Absolute Accuracy)、相對精度(Relative Accuracy�、微分非線�、單�(diào)性和無錯(cuò)�、總諧波失真(THD,Total Harmonic Distotortion)和積分非線性等�

  對于AD�(zhuǎn)換器,選取的�(biāo)�(zhǔn)主要決定于采樣頻率和位數(shù),以及價(jià)格、供貨周�、應(yīng)用情況等其他因數(shù)。生�(chǎn)高速AD的主要廠家有AD公司、Maxim公司以及TI公司(也就是BB公司�。這三家公司在高速AD上的�(chǎn)品種類不是很�,根�(jù)對各種AD芯片的查�,選擇TI公司的AD�(zhuǎn)換芯片ADS5422�

  ADS5422�14bit的采樣頻率可�(dá)62Msps的高速AD�(zhuǎn)換芯�,采用單� 5V電源供電,在采樣頻率�10M�(shí)其動(dòng)�(tài)范圍�82dB,信噪比�(dá)�72dB,其�(shù)字量輸出可以直接�5V或�3�3V的CMOS芯片連接,模擬量輸入的峰峰值為4V,可以直接輸�0�5�4�5V的模擬量,封裝形式為64腳的扁平四方封裝,目前TI的官方報(bào)�(jià)�29美元/片(一次購買千片以上的單價(jià)�。國�(nèi)也有該芯片出售,國內(nèi)�(jià)格在300元左��

  14bit的AD�(zhuǎn)換適�(yīng)信號(hào)的范圍為10lg�214)dB�42dB,基本上可以適應(yīng)各種�(yīng)用場�。ADS5422的采樣頻率的大小由其輸人�(shí)鐘決�,輸入時(shí)鐘的范圍可以�16ns�1μs,輸人時(shí)鐘為16ns�(shí)對應(yīng)采樣頻率�62MHz,AD可以接受3V或�5V的TTL或者CM0S電平。DSP可以提供該時(shí)鐘信�(hào),并且可以軟件設(shè)置輸人時(shí)鐘的各種特征�,包括時(shí)鐘頻�、高電平寬度等,基本上可以滿足AD5422對時(shí)鐘信�(hào)的要�。這里確定AD的實(shí)際采樣頻率為60MHz。這樣,一秒鐘�(nèi)采樣的數(shù)�(jù)量為50M�(gè),由于DSP系統(tǒng)無法及時(shí)處理這些�(shù)�(jù),在�(shù)�(jù)處理之前,必須將這些�(shù)�(jù)保存起來,使用ΠFO保存1M�(gè)�(shù)�(jù),也就是20ms�(nèi)的采樣數(shù)�(jù)�1M�(gè)�(shù)�(jù)采集�(jié)束開始信�(hào)處理。由于高速AD采樣�(dǎo)致信�(hào)不穩(wěn)�,甚至出�(xiàn)�(cuò)誤。將�(shè)�(jì)多層�,加�(qiáng)布線的合理性,從電路板上盡可能去除干擾;其次提高算法的效率,節(jié)省計(jì)算時(shí)間�

  和ADS5422功能接近的其他型�(hào)的AD還有AD公司的AD9244。和ADS5422相比,兩者數(shù)�(jù)位數(shù)都是14bit,在信噪比上兩者相近,�(shí)鐘輸入和操作方法相近,電源都�5V,輸出數(shù)字信�(hào)都可以和3�3V的芯片兼�;其主要�(yōu)�(diǎn)是功耗是ADS5422的一��500mW;其主要缺點(diǎn)是輸人模擬電壓峰峰值為ADS5422的一�,只�2V�

  AD公司其他的高速AD芯片還有AD6644,為其早期產(chǎn)�,操作方法和ADS5422、AD9244不一�,AD6644功耗達(dá)�1�3W。和AD9244相比,沒有什么優(yōu)�(diǎn),AD9244是其替代�(chǎn)品�

  高速AD的另外一�(gè)廠家Maxim公司也有一批高速AD�(chǎn)�,但采樣頻率�40MHz以上沒有14bit�(shù)�(jù)的AD,其�(chǎn)品優(yōu)勢主要集中在中速AD上�

D/A�(zhuǎn)換器接口的設(shè)�(jì)方法

  1、數(shù)�(jù)端口的設(shè)�(jì)

  由于輸出端口為輸出口,所以在�(shù)�(jù)端口的設(shè)�(jì)�(shí)要遵守輸出要鎖存的設(shè)�(jì)原則,但對于D/A�(zhuǎn)換器�(nèi)部具有鎖存器�(shí),可以直接與�(shù)�(jù)總線相��

D/A轉(zhuǎn)換器接口

  �(shù)�(jù)端口的設(shè)�(jì)�(yīng)考慮D/A �(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)�(gòu)和分辨率,目前常見的D/A�(zhuǎn)換器有:8��10��12 位,16�,當(dāng)分辨率大于總線寬度時(shí),需要增加外部數(shù)�(jù)鎖存�,確保數(shù)�(jù)的同��

  MOV  AX,N

  OUT   PORT1,AL

  OUT   PORT2,AH

  OUT   PORT3,AL

  2、輸出周期設(shè)�

  可用軟件定時(shí)或硬件定�(shí)中斷的方法實(shí)�(xiàn)輸出周期的控制�

D/A�(zhuǎn)換器的基本工作原�

  D/A�(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字系�(tǒng)與模擬量控制對象之間�(lián)系的橋梁,它的任�(wù)是將離散的數(shù)字信�(hào)�(zhuǎn)換為連續(xù)變化的模擬信�(hào)。在工業(yè)控制�(lǐng)域中,D/A�(zhuǎn)換器是不可缺少的重要組成部分�

D/A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理圖

  以下以一�(gè)四位的D/A�(zhuǎn)換器說明D/A�(zhuǎn)換器的工作原理:

  �(dāng)D3=1  I3=Vd/2R=VREF/�1×2R�

  �(dāng)D3=0  I3=0

  �(dāng)D2=1  I2=Vd/2R=VREF/�2×2R�

  �(dāng)D2=0  I2=0

  �(dāng)D1=1  I1=Vd/2R=VREF/�4×2R�

  �(dāng)D1=1  I1=0

  �(dāng)D0=1  I0=Vd/2R=VREF/�8×2R�

  �(dāng)D0=1  I0=0

  Vout=-Iout1×Rf

  由此可見:隨著D3-D0的取值(0�1)的不同在運(yùn)放輸出端可以得到不同的電壓量。如果用�(shù)字量來控制電子開�(guān)的通斷�1表示接通,0表示斷開�

  例如:D3D2D1D0   VOUT

  0000     0V

  0001     1/24VREF*Rf/R

  0010     2/24 VREF*Rf/R

  0011     3/24 VREF*Rf/R

  15/24 VREF*Rf/R

  可見:在輸出端可得到與輸入數(shù)字量成正比的模擬電壓��

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