AD轉(zhuǎn)換的基本原理_百度文庫

1、AD AD轉(zhuǎn)換的基本原理-入門教程2010年01月10日 星期日 15:43AD轉(zhuǎn)換的基本原理-入門教程 我們處在一個(gè)數(shù)字時(shí)代，而我們的視覺、聽覺、感覺、嗅覺等所感知的卻是一個(gè)模擬世界。如何將數(shù)字世界與模擬世界聯(lián)系在一起，正是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC大顯身手之處。任何一個(gè)信號(hào)鏈系統(tǒng)，都需要傳感器來探測(cè)來自模擬世界的電壓、電流、溫度、壓力等信號(hào)。這些傳感器探 測(cè)到的信號(hào)量被送到放大器中進(jìn)行放大，然后通過ADC把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過處理器、DSP或FPGA信號(hào)處理后，再經(jīng)由DAC還原為模擬信號(hào)。 所以ADC和DAC在信號(hào)鏈的框架中起著橋梁的作用，即模擬世界與數(shù)字世界

2、的一個(gè)接口。 : C! u7 J7 P& U3 y3 D# |信號(hào)鏈系統(tǒng)概要: v: D5 D1 F# f一個(gè)信號(hào)鏈系統(tǒng)主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、采樣與保持電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC組成，見圖1。DAC，簡(jiǎn)單來講就是數(shù)字信號(hào)輸入，模擬信號(hào)輸出，即 它是一種把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)的器件。以理想的4 bit DAC為例，其輸入有bit0 到bit3，其組合方式有16種。使用R-2R梯形電阻的4bit DAC在假定Vbit0到Vbit3都等于1V時(shí)，R-2R間的四個(gè)抽頭電壓有四種，分別為V1到V4。* ?5 z- Q8 n# e3 % d7 + e9 W Y" L* c3 N5 y1

3、o: G0 J4 A/ b   r0 z4 S( D/ k- y采樣保持電路也叫取樣保持電路，它的定義是指將一個(gè)電壓信號(hào)從模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)時(shí)需要保持穩(wěn)定性直到完成轉(zhuǎn)換工作。它有兩個(gè)階段，一個(gè)是 zero phase，一個(gè)是compare phase。采樣保持電路的比較器通常要求其offset比較小，這樣才能使ADC的精度更好。通常在比較器的后面需要放置一個(gè)鎖存器，其目的是為了保持 穩(wěn)定性。; f* w1 t6 I9 , Z- L b" ; I. E在采樣電壓快速變化時(shí)，需要用到具有FET開關(guān)的采樣與保持電路。當(dāng)FET開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓保存在某個(gè)位置如C1中，當(dāng)

4、開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電壓仍保持在該位置中進(jìn)行鎖存，直到下一個(gè)采樣脈沖的到來。& Z2 f, Y2 N! E5 b9 eADC與DAC在功用上正好相反，它是模擬信號(hào)輸入，數(shù)字信號(hào)輸出，是一個(gè)混合信號(hào)器件。- n4 n$ E- U2 N( H. N1 i# M模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 0 v9 e6 Z7 p   N& JADC按結(jié)構(gòu)分有很多種，按其采樣速度和精度可分為：% ' g5 I. o U. J9 m7 b多比較器快速（Flash）ADC；6 t! q5 w n2 J   s! O8 d/ i數(shù)字躍升式（Digital Ramp）ADC；5

5、t$ V! H4 I5 R1 I% L4 ?9 k逐次逼近ADC；/ e$ Y1 V( X3 e/ O管道ADC；3 V* u4 w' Z" h ' H. ! R% |Sigma-Delta ADC。Y/    ( W6 H5 M. V3 T$ x任何一種ADC的輸出都等于2的N次方乘以它的增益（輸入信號(hào)），再除以它的參考電壓。1 e+ 7 H+ E. o   x   j1 U每一種類型的ADC都各具特性，下面重點(diǎn)介紹前三種類型。4 S3 Z& m/ q# F3 v   Y6 &a

6、mp; x* 由圖2可以看出，不同的ADC有著不同的特性，對(duì)于Sigma-Delta ADC來講，其分辨率可以達(dá)到24bit以上，但其采樣速率比較低。逐次逼近型ADC比較適應(yīng)于中等采樣率、分辨率在16bit以下的應(yīng)用。管道ADC主 要用于高采樣率的應(yīng)用，其分辨率則在16bit以下。多比較器ADC也是一種高速ADC，但因?yàn)槠潴w積和功耗較大、分辨率較低，目前應(yīng)用中很少使用它。9 ! r6 b7 E9 N3 - d5 g4 s0 N* 7 8 4 R$ b; 4 + & p: F+ Q% W3 0 K- h% I多比較器（Flash）ADC中用到的比較器很多，如一個(gè)8位的ADC就需要255個(gè)

7、比較器。該類產(chǎn)品采樣速率確實(shí)很高，但因?yàn)槎鄠€(gè)比較器的存在，其功耗很大，而且管芯也較大。ADC0820、ADC1175等產(chǎn)品都是這種類型的ADC。. y1 $ h1 k2 t5 數(shù)字躍升式ADC是用連續(xù)搜索的方法獲得編碼，因?yàn)樗俾侍?、效率太低，因此很少使用? e$ D1 m' l2 C" V3 i9 " y$ Y5 F逐次逼近型ADC在逐次逼近的方法上分為兩種，以3比特采樣為例，它首先將基準(zhǔn)電壓分為7個(gè)比較電壓，使輸入信號(hào)同時(shí)與這7個(gè)電壓進(jìn)行比較，最 接近的比較電壓是表示數(shù)值；第二種是將輸入電壓逐次接近電壓的二分之一、四分之一、八分之一等，順序產(chǎn)生比較后的數(shù)字信號(hào)

8、。因?yàn)樽儞Q過程是將輸入信號(hào)與基 準(zhǔn)信號(hào)比較，所以，基準(zhǔn)電壓必需是穩(wěn)定準(zhǔn)確的。輸入信號(hào)的最高電平應(yīng)保持穩(wěn)定，充分利用變換器達(dá)到高的分辨率。對(duì)于任何逐次逼近ADC，都有5個(gè)組成部 分：第一部分是DAC，其中含有一個(gè)算術(shù)邏輯測(cè)試單元，會(huì)比較DAC的輸出和模擬信號(hào)的輸入，直到兩者接近；第二部分是輸出寄存器；第三部分是比較器，逐 次逼近ADC僅含有一個(gè)比較器，所以功耗和管芯尺寸都比較小；第四部分是邏輯電路；第五部分是時(shí)鐘。有一個(gè)要求是：DAC的精度一定要高于ADC。/ 8 s& q3 n- g% v( k: e4 M/ z逐次逼近型ADC因其功耗小、成本低、尺寸小以及性能等方面的優(yōu)點(diǎn)，成為了目前

9、市場(chǎng)上最具成本效益的ADC，也是最常見的ADC。" x   p" n- q% m( I m# R U0 h逐次逼近ADC的工作原理是它首先得到最高的有效位，然后是第二個(gè)最高有效位，直到得到最后一個(gè)。ADCV08832是一個(gè)低功耗版本的器件，它的操作電壓較低。- F( f8 g0 L* 8 P+ vT1 |6 & f1 x3 |' g' dADC的若干應(yīng)用8 b7 J% M7 j8 Y6 A E" F+ q9 y3 o1 : l第一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的例子，是使用溫度傳感器LM19、ADC變換器來讀取溫度，通過USB接口送入筆記本電腦，見圖3。其演示板將很快提供。   U. N- U! n4 C3 . k* z2 9 B2 7 M9 c9 p% _ # I   c. $ P4 W4 c, n8 x第二個(gè)應(yīng)用是遠(yuǎn)程按鍵檢測(cè)，它是用ADC感測(cè)很多個(gè)按鍵的輸入，然后只有一路產(chǎn)生輸出，這樣可以節(jié)省很多個(gè)GPIO接口，實(shí)現(xiàn)起來非常方便，比如應(yīng)用在MP3上等，見圖4。$ T' J% & R4 h& |; B1 g- r8 e6 1 B% ?* p6 f 2 h4 * % x( L-