模数转换器ADC分类及参数

倩倩 发表于 2017-12-05 10:54:51 收藏 已收藏
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模数转换器ADC分类及参数

倩倩 发表于 2017-12-05 10:54:51

  现在的软件、无线电、数字图像采集都需要有高速的A/D采样保证有效性和精度,一般的测控系统也希望在精度上有所突破,人类数字化的浪潮推动了A/D转换器不断变革,而A/D转换器是人类实现数字化的先锋。A/D转换器发展了30多年,经历了多次的技术革新,从并行、逐次逼近型、积分型ADC,到近年来新发展起来的 ∑-Δ型 和 流水线型ADC,它们各有其优缺点,能满足不同的应用场合的使用。

  典型的模拟数字转换器将模拟信号转换为表示一定比例电压值的数字信号。然而,有一些模拟数字转换器并非纯的电子设备,例如旋转编码器,也可以被视为模拟数字转换器。

  数字信号输出可能会使用不同的编码结构。通常会使用二进制二补数(也称作“补码”)进行表示,但也有其他情况,例如有的设备使用格雷码(一种循环码)。

  ADC的分类

  模数转换器的种类很多,按工作原理的不同,可分成间接ADC和直接ADC。间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率,然后再把这些中间量转换成数字量,常用的有双积分型ADC。直接ADC则直接转换成数字量,常用的有并联比较型ADC和逐次逼近型ADC。

  积分型

  积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率),然后由定时器/计数器获得数字值。

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  逐次比较型

  逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成,从MSB开始,顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较,经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。

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  并行比较型/串并行比较型

  并行比较型AD采用多个比较器,仅作一次比较而实行转换,又称FLash(快速)型。由于转换速率极高,n位的转换需要2n-1个比较器。

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  串并行比较型

  Half flash(半快速)型:是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成,用两次比较实行转换。

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  三步或多步实现AD转换的叫做分级(Multistep/Subrangling)型AD,而从转换时序角度又可称为流水线(Pipelined)型AD,现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。

  

  Σ-Δ调制型

  Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型,将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号,用数字滤波器处理后得到数字值。

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  压频变换型

  压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。将输入的模拟信号转换成频率,然后用计数器将频率转换成数字量。

  模数转换器ADC分类及参数

  ADC的选型(技术指标)

  采样精度 —— 即分辨率,一般有8位、10位、12位、16位等;

  转换时间 —— 即每次采样所需的时间,表征 ADC 的转换速度,与 ADC 的时钟频率、采样周期、转换周期有关;

  数据输出方式 —— 如并口输出、串口输出;

  ADC类型 —— 如上面所提到的,ADC 有多种类型,不同类型的 ADC 有不同的性能极限;

  工作电压 —— 需要注意 ADC 的工作电压范围、能否直接测量负电压等;

  芯片封装 —— 芯片封装是否符合产品设计要求;

  性价比 —— 控制成本。

  我们选型的时候一般需要考虑以下一些参数:

  确定A/D转换器的精度:精度是反映转换器的实际输出接近理想输出的精确程度的物理量。

  分辩率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量,定义为满刻度与2n的比值。分辩率又称精度,通常以数字信号的位数来表示。

  量化误差 (Quantizing Error) 由于AD的有限分辩率而引起的误差,即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD(理想AD)的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量,表示为1LSB、1/2LSB。

  在转化过程中,由于存在量化误差和系统误差,精度会有所损失。其中量化误差对于精度的影响是可计算的,它主要决定于A/D转换器件的位数。

 模数转换器ADC分类及参数

  一般把8位以下的A/D转换器称为低分辨率ADC,9~12位称为中分辨率ADC,13位以上为高分辨率。A/D器件的位数越高,分辨率越高,量化误差越小,能达到的精度越高。

  A/D转换器的主要技术参数

  1. 转换精度

  (1)分辨率

  A/D转换器的分辨率以输出二进制(或十进制)数的位数来表示。它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。从理论上讲,n位输出的A/D转换器能区分2个不同等级的输入模拟电压,能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2n。在最大输入电压一定时,输出位数愈多,分辨率愈高。例如A/D转换器输出为8位二进制数,输入信号最大值为5V,那么这个转换器应能区分出输入信号的最小电压为9.53mV。

  (2)转换误差

  转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如给出相对误差≤±LSB/2,这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。

  2 转换时间

  转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始,到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关。不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较A/D转换器的转换速度最高,8位二进制输出的单片集成A/D转换器转换时间可达到50ns以内,逐次比较型A/D转换器次之,它们多数转换时间在10~50s以内,间接A/D转换器的速度最慢,如双积分A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间。在实际应用中,应从系统数据总的位数、精度要求、输入模拟信号的范围以及输入信号极性等方面综合考虑A/D转换器的选用。

  选择A/D转换器的转换速率

  转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。采样时间则是另外一个概念,是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成,采样速率 (Sample Rate)必须小于或等于转换速率。常用单位是ksps和Msps,表示每秒采样千/百万次。

  选择合适的量程

  模拟信号的动态范围较大,有时还有可能出现负电压。在选择时,待测信号的动态范围最好在A/D器件的量程范围内。

  选择A/D器件的输出接口

  A/D器件接口的种类很多,有并行总线接口的,有SPI、I2C、1-Wire等串行总线接口的。它们在原理和精度上相同,但是控制方法和接口电路会有很大差异。

  选择A/D器件的通道数和封装

  这与系统有关,通道数要满足整个采集系统的需要。封装则决定PCB布板的时候的大小,而且在高速应用的时候也影响连线的分布参数。

  选择A/D器件温度范围

  这仅仅与一些苛刻的环境有关,注意每个AD有固定的应用的温度范围。

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