模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器工作原理A/D轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter)又叫模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,即是將模擬信號(hào)(電壓或是電流的形式)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這種數(shù)字信號(hào)可讓儀表,計(jì)算機(jī)外設(shè)接口或是微處理機(jī)來加以操作或勝作使用。 A/D 轉(zhuǎn)換器 (ADC)的型式有很多種，方式的不同會(huì)影響測(cè)量后的精準(zhǔn)度。A/D 轉(zhuǎn)換器的功能是把模擬量變換成數(shù)字量。由于實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的工作原理和采用工藝技術(shù)不同，因此生產(chǎn)出種類繁多的A/D 轉(zhuǎn)換芯片。A/D 轉(zhuǎn)換器按分辨率分為4 位、6 位、8 位、10 位、14 位、16 位和BCD碼的31/2 位、51/2 位等。按

2、照轉(zhuǎn)換速度可分為超高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間=330ns），次超高速（3303.3S），高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間3.3333S），低速（轉(zhuǎn)換時(shí)間330S）等。A/D 轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換原理可分為直接A/D 轉(zhuǎn)換器和間接A/D 轉(zhuǎn)換器。所謂直接A/D 轉(zhuǎn)換器，是把直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，如逐次逼近型，并聯(lián)比較型等。其中逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器，易于用集成工藝實(shí)現(xiàn)，且能達(dá)到較高的分辨率和速度，故目前集成化A/D 芯片采用逐次逼近型者多；間接A/D 轉(zhuǎn)換器是先把模擬量轉(zhuǎn)換成中間量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如電壓/時(shí)間轉(zhuǎn)換型（積分型），電壓/頻率轉(zhuǎn)換型，電壓/脈寬轉(zhuǎn)換型等。 其中積分型A/D 轉(zhuǎn)換器電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，切能作到高分

3、辨率，但轉(zhuǎn)換速度較慢。 有些轉(zhuǎn)換器還將多路開關(guān)、基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘電路、譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)芯片內(nèi)，已超出了單純A/D 轉(zhuǎn)換功能，使用十分方便。ADC 經(jīng)常用于通訊、數(shù)字相機(jī)、儀器和測(cè)量以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，可方便數(shù)字訊號(hào)處理和信息的儲(chǔ)存。大多數(shù)情況下，ADC 的功能會(huì)與數(shù)字電路整合在同一芯片上，但部份設(shè)備仍需使用獨(dú)立的ADC。行動(dòng)電話是數(shù)字芯片中整合ADC 功能的例子，而具有更高要求的蜂巢式基地臺(tái)則需依賴獨(dú)立的ADC 以提供最佳性能。ADC 具備一些特性，包括：1. 模擬輸入，可以是單信道或多信道模擬輸入；2. 參考輸入電壓，該電壓可由外部提供，也可以在ADC 內(nèi)部產(chǎn)生；3. 頻率輸入，通常

4、由外部提供，用于確定ADC 的轉(zhuǎn)換速率；4. 電源輸入，通常有模擬和數(shù)字電源接腳；5. 數(shù)字輸出，ADC 可以提供平行或串行的數(shù)字輸出。在輸出位數(shù)越多(分辨率越好)以及轉(zhuǎn)換時(shí)間越快的要求下，其制造成本與單價(jià)就越貴。  一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換過程中，必須包括取樣、保持、量化與編碼等幾部分電路。 AD轉(zhuǎn)換器需注意的項(xiàng)目：  取樣與保持 量化與編碼 分辨率 轉(zhuǎn)換誤差 轉(zhuǎn)換時(shí)間 絕對(duì)精準(zhǔn)度、相對(duì)精準(zhǔn)度 取樣與保持 由于取樣時(shí)間極短，取樣輸出為一串?dāng)嗬m(xù)的窄脈沖。要把每個(gè)取樣的窄脈沖信號(hào)數(shù)字化，是需要一定的時(shí)

5、間。 因此在兩次取樣之間，應(yīng)將取樣的模擬信號(hào)暫時(shí)儲(chǔ)存到下個(gè)取樣脈沖到來，這個(gè)動(dòng)作稱之為保持。在模擬電路設(shè)計(jì)上，因此需要增加一個(gè)取樣-保持電路。為了保證有正確轉(zhuǎn)換，模擬電路要保留著還未轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。 一個(gè)取樣-保持電路可保證模擬電路中取樣時(shí)，取樣時(shí)間的穩(wěn)定并儲(chǔ)存，通常使用電容組件來儲(chǔ)存電荷。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的基本原理，Nyquist取樣定理，若要能正確且忠實(shí)地呈現(xiàn)所擷取的模擬信號(hào)，必須取樣頻率至少高于最大頻率的2倍。 例如，若是輸入一個(gè)100Hz的正弦波的話，最小的取樣頻率至少要2倍，即是200Hz。 雖說理論值是如此，但真正在應(yīng)用時(shí)，最好是接近10倍才會(huì)有

6、不錯(cuò)的還原效果(因取樣點(diǎn)越多)。若針對(duì)多信道的A/D轉(zhuǎn)換器來說，就必須乘上信道數(shù)，這樣平均下去，每一個(gè)通道才不會(huì)有失真的情況產(chǎn)生。 量化與編碼 量化與編碼 是A/D轉(zhuǎn)換器的核心組成的部分，一般對(duì)取樣值的量化方式有下列兩種： 只舍去不進(jìn)位 首先取一最小量化單位=U/2n，U是輸入模擬電壓的最大值，n是輸出數(shù)字?jǐn)?shù)值的位數(shù)。 當(dāng)輸入模擬電壓U在0之間，則歸入0，當(dāng)U在2之間，則歸入1。透過這樣的量化方法產(chǎn)生的最大量化誤差為/2，而且量化誤差總是為正，+1/2LSB。  有舍去有進(jìn)位 如果量化單位=2U/(2 n+11)，

7、當(dāng)輸入電壓U在0/2之間，歸入0，當(dāng)U在/23/2之間的話，就要?dú)w入1。這種量化方法產(chǎn)生的最大量化誤差為/2，而且量化誤差有正，有負(fù)，為±1/2LSB。  量化結(jié)果也造成了所謂的量化誤差。 解析度 指A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小模擬輸入量。通常用轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8-bit，10-bit，12-bit與16-bit等。位數(shù)越高，分辨率越高。若小于最小變化量的輸入模擬電壓的任何變化，將不會(huì)引起輸出數(shù)字值的變化。 采用12-bit 的AD574，若是滿刻度為10V的話，分辨率即為10V / 212 = 2.44mV。 而

8、常用的8-bit 的ADC0804，若是滿刻度為5V的話，分辨率即為5V / 28 = 19.53mV。  選擇適用的A/D轉(zhuǎn)換器是相當(dāng)重要的，并不是分辨率越高越好。 不需要分辨率高的場(chǎng)合，所擷取到的大多是噪聲。 分辨率太低，會(huì)有無法取樣到所需的信號(hào)。 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率是指，對(duì)于允許范圍內(nèi)的模擬信號(hào)，它能輸出離散數(shù)字信號(hào)值的個(gè)數(shù)。這些信號(hào)值通常用二進(jìn)制數(shù)來存儲(chǔ)，因此分辨率經(jīng)常用作為單位，且這些離散值的個(gè)數(shù)是2的冪指數(shù)。例如，一個(gè)具有8位分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以將模擬信號(hào)編碼成256個(gè)不同的離散值（因?yàn)?8 = 256），從0到255（即

9、無符號(hào)整數(shù)）或從-128到127（即帶符號(hào)整數(shù)），至于使用哪一種，則取決于具體的應(yīng)用。分辨率同時(shí)可以用電氣性質(zhì)來描述，使用單位。使得輸出離散信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)變化所需的最小輸入電壓的差值被稱作最低有效位（Least significant bit, LSB）電壓。這樣，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率Q等于LSB電壓。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電壓分辨率等于它總的電壓測(cè)量范圍除以離散電壓間隔數(shù)：這里N是離散電壓間隔數(shù)，EFSR是總的電壓測(cè)量范圍， EFSR由下式給出這里VRefHi和VRefLow是轉(zhuǎn)換過程允許電壓的上下限。正常情況下，電壓間隔數(shù)等于這里M是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率，以比特為單位。 轉(zhuǎn)換誤差&#

10、160;通常以相對(duì)誤差的形式輸出，其表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出數(shù)字值與理想輸出數(shù)字值的差別，并用最低有效位LSB的倍數(shù)表示。 轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是A/D轉(zhuǎn)換完成一次所需的時(shí)間。 從啟動(dòng)信號(hào)開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束并得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出值為止的時(shí)間間隔。轉(zhuǎn)換時(shí)間越短則轉(zhuǎn)換速度就越快。 精準(zhǔn)度 對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器，精準(zhǔn)度指的是在輸出端產(chǎn)生所設(shè)定的數(shù)字?jǐn)?shù)值，其實(shí)際需要的模擬輸入值與理論上要求的模擬輸入值之差。 精確度依計(jì)算方式不同，可以區(qū)分為 絕對(duì)精確度 相對(duì)精確度； 所謂的絕對(duì)精確度是指實(shí)際輸出值與理想理論輸出值的接近程度，

11、其相關(guān)的關(guān)系是如下式子所列： 絕對(duì)精確度  相對(duì)精準(zhǔn)度指的是滿刻度值校準(zhǔn)以后，任意數(shù)字輸出所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬輸入值(中間值)與理論值(中間值)之差。  對(duì)于線性A/D轉(zhuǎn)換器，相對(duì)精準(zhǔn)度就是它的線性程度。由于電路制作上影響，會(huì)產(chǎn)生像是非線性誤差，或是量化誤差等減低相對(duì)精準(zhǔn)度的因素。  相對(duì)精確度是指實(shí)際輸出值與一理想理論之滿刻輸出值之接近程度，其相關(guān)的關(guān)系是如下式子所列： 相對(duì)精準(zhǔn)度  基本上，一個(gè)n-bit的轉(zhuǎn)換器就有n個(gè)數(shù)字輸出位。這種所產(chǎn)生的位數(shù)值是等效于在A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端的模擬大小特性值。  如果外部所要輸入電壓或是電流量較大的話，所轉(zhuǎn)換后的的位數(shù)值也就較大。  透過并列端口接口或是微處理機(jī)連接A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須了解如何去控制或是驅(qū)動(dòng)這顆A/D轉(zhuǎn)換器的問題。因此需要了解到A/D轉(zhuǎn)換器上的控制信號(hào)有哪些。