A/D�(zhuǎn)換器是用�(lái)通過(guò)一定的電路將模擬量�(zhuǎn)�?yōu)�?shù)字量.模擬量可以是電壓、電流等電信�(hào),也可以是壓力、溫�、濕�、位�、聲音等非電信號(hào)。但在A/D�(zhuǎn)換前,輸入到A/D�(zhuǎn)換器的輸入信�(hào)必須�(jīng)各種傳感�把各種物理量�(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。A/D�(zhuǎn)換后,輸出的�(shù)字信�(hào)可以�8位�10��12位和16位等�
將模擬信�(hào)�(zhuǎn)換成�(shù)字信�(hào)的電�,稱為模�(shù)�(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱a/d�(zhuǎn)換器或adc,analog to digital converter),A/D�(zhuǎn)換的作用是將�(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量�(zhuǎn)換為�(shí)間離�、幅值也離散的數(shù)字信�(hào),因�,A/D�(zhuǎn)換一般要�(jīng)�(guò)取樣、保持、量化及編碼4�(gè)�(guò)�。在�(shí)際電路中,這些�(guò)程有的是合并�(jìn)行的,例�,取樣和保持,量化和編碼往往都是在轉(zhuǎn)換過(guò)程中同時(shí)�(shí)�(xiàn)的�
主要介紹以下三種方法:逐次逼近�、雙積分�、電壓頻率轉(zhuǎn)換法
1、逐次逼近�
逐次逼近式A/D是比較常�(jiàn)的一種A/D�(zhuǎn)換電�,轉(zhuǎn)換的�(shí)間為微秒�(jí)�
采用逐次逼近法的A/D�(zhuǎn)換器是由一�(gè)比較�、D/A�(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組�,如�4.21所示�
基本原理是從高位到低位逐位試探比較,好像用天平稱物體,從重到輕逐級(jí)增減砝碼�(jìn)行試��
逐次逼近�
逐次逼近� �(zhuǎn)換過(guò)程是:初始化�(shí)將逐次逼近寄存器各位清�;轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí),先將逐次逼近寄存器位�1,送入D/A�(zhuǎn)換器,經(jīng)D/A�(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較�,稱� Vo,與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量Vi�(jìn)行比較,若Vo<Vi,該�1被保留,否則被清�。然后再置逐次逼近寄存器次高位�1,將寄存器中新的�(shù)字量送D/A�(zhuǎn)換器,輸出的 Vo再與Vi比較,若Vo<Vi,該�1被保留,否則被清�。重�(fù)此過(guò)�,直至逼近寄存器位。轉(zhuǎn)換結(jié)束后,將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器,得到�(shù)字量的輸�。逐次逼近的操作過(guò)程是在一�(gè)控制電路的控制下�(jìn)行的�
2、雙積分�
采用雙積分法的A/D�(zhuǎn)換器由電子開(kāi)�(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。如�4.22所��
基本原理是將輸入電壓變換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔,再把此時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成�(shù)字量,屬于間接轉(zhuǎn)��
雙積分法
�4.22 雙積分式A/D�(zhuǎn)換的原理框圖
雙積分法A/D�(zhuǎn)換的�(guò)程是:先將開(kāi)�(guān)接通待�(zhuǎn)換的模擬量Vi,Vi采樣輸入到積分器,積分器從零�(kāi)始�(jìn)行固定時(shí)間T的正向積�,時(shí)間T到后,開(kāi)�(guān)再接通與Vi極性相反的基準(zhǔn)電壓VREF,將VREF輸入到積分器,�(jìn)行反向積�,直到輸出為0V�(shí)停止積分。Vi越大,積分器輸出電壓越大,反向積分時(shí)間也越長(zhǎng)。計(jì)�(shù)器在反向積分�(shí)間內(nèi)所�(jì)的數(shù)�,就是輸入模擬電壓Vi所�(duì)�(yīng)的數(shù)字量,實(shí)�(xiàn)了A/D�(zhuǎn)��
3、電壓頻率轉(zhuǎn)換法
采用電壓頻率�(zhuǎn)換法的A/D�(zhuǎn)換器,由�(jì)�(shù)�、控制門及一�(gè)具有恒定�(shí)間的�(shí)鐘門控制信號(hào)組成,如�4.23所示�
它的工作原理是V/F�(zhuǎn)換電路把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與模擬電壓成正比的脈沖信�(hào)�
電壓頻率�(zhuǎn)換法
�4.23 電壓頻率式A/D�(zhuǎn)換原理框�
電壓頻率�(zhuǎn)換法的工作過(guò)程是:當(dāng)模擬電壓Vi加到V/F的輸入端,便�(chǎn)生頻率F與Vi成正比的脈沖,在一定的�(shí)間內(nèi)�(duì)該脈沖信�(hào)�(jì)�(shù),時(shí)間到,統(tǒng)�(jì)到計(jì)�(shù)器的�(jì)�(shù)值正比于輸入電壓Vi,從而完成A/D�(zhuǎn)��
1、分辨率
2、穩(wěn)定時(shí)間(又稱�(zhuǎn)換時(shí)間)
3、量�
4、精�
�(dāng)前,�(shù)字處理系�(tǒng)正在飛速發(fā)�,在視頻�(lǐng)域,高清晰度�(shù)字電視系�(tǒng)(HDTV)的出�(xiàn),將廣播電視推向了一�(gè)更高的臺(tái)�,HDTV的分辨率與普通電視相比至少提高了一倍。在通信�(lǐng)�,過(guò)去無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)�(jì)都是靜態(tài)的,只能在規(guī)定范圍內(nèi)的特定頻段上使用專用�(diào)制器、編碼器和信道協(xié)議。而軟件無(wú)線電技�(shù)(SDR)能更加靈�、有效地利用頻譜,并能方便地升級(jí)和跟蹤新技�(shù),大大地推動(dòng)了無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)�。在高精度測(cè)量領(lǐng)�,儀表的分辨率在不斷提高,電流到�(dá)μA量級(jí),電壓到�(dá)mV甚至更低;在音頻�(lǐng)�,各種高性能音頻處理�(shè)備不斷涌�(xiàn),如DVD-Audio和超�(jí)音頻CD(SACD),它們能處理更高�(zhì)量的音頻信號(hào)�
為了滿足�(shù)字系�(tǒng)的發(fā)展要求,A/D�(zhuǎn)換器的性能也必須不斷提�,它將主要向以下幾�(gè)方向�(fā)�:
1.高轉(zhuǎn)換速度: �(xiàn)代數(shù)字系�(tǒng)的數(shù)�(jù)處理速度越來(lái)越快,要求獲取數(shù)�(jù)的速度也要不斷提高。比如,在軟件無(wú)線電系統(tǒng)�,A/D�(zhuǎn)換器的位置是非常�(guān)鍵的,它要求A/D�(zhuǎn)換器的輸入信�(hào)頻率�1GHz�5GHz之間,以目前的技�(shù)水平,還很難�(shí)�(xiàn)。因�,向超高速A/D�(zhuǎn)換器方向�(fā)展的趨勢(shì)是清晰可�(jiàn)��
2.高精度:�(xiàn)代數(shù)字系�(tǒng)的分辨率在不斷提�,比�,儀表的最小可�(cè)值在不斷地減小,因此,A/D�(zhuǎn)換器的分辨率也必須隨之提�;在音頻處理系�(tǒng)�,為了能獲得更加逼真的聲音效�,需要高精度的A/D�(zhuǎn)換器。目�,精度可�(dá)24位的A/D�(zhuǎn)換器也不能滿足要�?,F(xiàn)在,人們正致力于研制更高精度的A/D�(zhuǎn)換器�
3.低功耗:片上系統(tǒng)(SOC)已經(jīng)成為集成電路�(fā)展的趨勢(shì),在同一塊芯片上既有模擬電路又有�(shù)字電路。為了完成復(fù)雜的系統(tǒng)功能,大系統(tǒng)中每�(gè)子模塊的功耗應(yīng)盡可能地低,因此,低功耗A/D�(zhuǎn)換器是必不可少的。在以往的設(shè)�(jì)��5MSPS8�12位分辨率A/D�(zhuǎn)換器的典型功耗為100�150mW。這遠(yuǎn)不能滿足片上系統(tǒng)的發(fā)展要求,所�,低功耗將是A/D�(zhuǎn)換器一�(gè)必然的發(fā)展趨�(shì)�
總之,各種技�(shù)和工藝的相互滲�,揚(yáng)�(zhǎng)避短,開(kāi)�(fā)出適合各種應(yīng)用場(chǎng)合,能滿足不同需求的A/D�(zhuǎn)換器,將是模�/�(shù)字轉(zhuǎn)換技�(shù)的未�(lái)�(fā)展趨�(shì);高�、高精度、低功耗A/D�(zhuǎn)換器將是今后�(shù)�(jù)�(zhuǎn)換器�(fā)展的重點(diǎn)�
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