第6章 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)第6章模/數(shù)轉(zhuǎn)換器第6章模/數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的分類A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理A/D轉(zhuǎn)換器的選擇和使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器概念模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種器件，它把采集到的采樣模擬信號經(jīng)量化和編碼后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并輸出。簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常需要一個參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量表示模擬輸入量相對于參考信號的大小參考信號通常是可轉(zhuǎn)換的最大信號的大小模數(shù)轉(zhuǎn)換器概念模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程一般包括量化和編碼兩個階段量化是將模擬信號量程分成若干離散量級，并確定輸入模擬信號的量級編碼是對每一量級分配唯一對應(yīng)的數(shù)字碼，并確定輸入模擬信號的代碼最小量化單位受參考標(biāo)準(zhǔn)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)影響，它們之間的關(guān)系可表達(dá)為：模數(shù)轉(zhuǎn)換器概念現(xiàn)在的集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常已經(jīng)集成了從采樣、保持到量化、編碼的全部過程模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選用則具體取決于輸入信號的大小，輸出信號的形式，控制性質(zhì)、轉(zhuǎn)換速度、分辨率和轉(zhuǎn)換精度等多個技術(shù)指標(biāo)6.1A/D轉(zhuǎn)換器的分類從轉(zhuǎn)換原理來看，A/D轉(zhuǎn)換器可以分為直接比較型和間接比較型兩種基本類型直接比較型是直接將輸入電壓與參考電壓進(jìn)行比較，將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)值量，它用數(shù)模網(wǎng)絡(luò)建立起的一套基準(zhǔn)電壓，從高位起進(jìn)行逐位與被測電壓進(jìn)行比較，直到二者達(dá)到或接近平衡間接比較型不直接將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字，而是先將電壓轉(zhuǎn)換為某個中間物理量，再將中間物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量直接比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括以下多種類型連續(xù)轉(zhuǎn)換型逐次逼近型斜波電壓比較型直接比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常轉(zhuǎn)換速度較快，但是由于是瞬時比較，抗干擾能力差間接比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器間接比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器常見以下類型電壓－時間型電壓－頻率型通常間接比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器為平均值響應(yīng)，抗干擾能力較強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度較慢6.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨模擬輸入信號的最小變化量分辨率取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和滿量程電壓，一般情況下，常用A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n來間接代表分辨率6.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)位數(shù)級數(shù)相對分辨率分辨率82560.391%39.1mV1010240.0977%9.77mV1240960.0244%2.44mV14163840.0061%0.61mV16655360.0015%0.15mVA/D轉(zhuǎn)換器分辨率與位數(shù)之間的關(guān)系（滿量程電壓為10V）6.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)量程量程是指A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換模擬信號的電壓范圍精度絕對精度：對應(yīng)于輸出數(shù)碼的實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差相對精度：絕對精度與滿量程電壓值之比的百分?jǐn)?shù)6.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是指按照規(guī)定的精度將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出所需要的時間。一般用微秒（μs）或毫秒（ms）表示。通常轉(zhuǎn)換時間是根據(jù)模擬輸入電壓值來規(guī)定的，但對某些轉(zhuǎn)換器來說，其轉(zhuǎn)換的時間與模擬輸入電壓大小無關(guān)，只取決于轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，因此轉(zhuǎn)換時間是恒定的，而對另一些轉(zhuǎn)換器來說，其轉(zhuǎn)換時間則與待轉(zhuǎn)換信號的值有關(guān)通常情況下，A/D轉(zhuǎn)換器有用于指示轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號6.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率是指能夠重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)對于瞬時值響應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器來說，所需的轉(zhuǎn)換速率取決于所要求的轉(zhuǎn)換精度和被轉(zhuǎn)換信號的頻率對于平均值響應(yīng)的轉(zhuǎn)換器，被轉(zhuǎn)換的采樣模擬量是直流（或緩慢變化）電壓，而干擾則是交變的，因此轉(zhuǎn)換一次的時間越長，其抑制干擾的能力就越強(qiáng)。平均值響應(yīng)的轉(zhuǎn)換器是在犧牲轉(zhuǎn)換時間的情況下提高轉(zhuǎn)換精度的6.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)偏移誤差偏移誤差是指能使最低有效位成“1”狀態(tài)時的實(shí)際輸入電壓與理論輸入電壓之差。這一差值電壓稱作偏移電壓，一般以滿量程電壓值的百分?jǐn)?shù)表示由于偏移電壓的存在，A/D轉(zhuǎn)換器的傳輸特性曲線在橫軸方向有一個相應(yīng)的位移，而誤差特性則有一個縱向位移偏移誤差示意偏移實(shí)際曲線Ui輸出數(shù)碼001010011100101110111偏移誤差Ui誤差圖6.2偏移誤差(a)(b)理想曲線6.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)增益誤差增益誤差是指滿量程輸出數(shù)碼時，實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。它使傳輸特性曲線繞坐標(biāo)原點(diǎn)偏離理想特性曲線一定的角度，一般用滿量程電壓的百分?jǐn)?shù)表示K=1K<1K>1圖6.3增益誤差Ui輸出數(shù)碼001010011100101110111FSR增益誤差6.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)線性誤差線性誤差是指在沒有增益誤差和偏移誤差的條件下，實(shí)際傳輸特性曲線與理想特性曲線之差實(shí)際曲線理想曲線Ui001010011100101110111輸出數(shù)碼圖6.4線性誤差線性誤差6.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)輸出電平輸出電平通常采用TTL電平，但也有其他的電平型式工作溫度能保證額定的精度指標(biāo)的溫度范圍對基準(zhǔn)電源的要求基準(zhǔn)電源的精度將對整個系統(tǒng)的精度產(chǎn)生影響，在選用時應(yīng)考慮是否要外加精密參考電源6.3逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入Ui+

-A去碼/留碼邏輯環(huán)形計數(shù)器數(shù)據(jù)寄存器時序與邏輯控制D／A轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸出鎖存器基準(zhǔn)電源UREFUf=UREF

(a12-1

+

a22-2

+

…

+

an2-n)并行數(shù)字量輸出圖6.5逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)SAR比較器逐次逼近比較過程tU123456781.02410.24Ui5.127.688.968.328.08.168.248.288.30V時鐘脈沖12345678圖6.6逐次逼近比較過程表6.28位逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換過程

次數(shù)

SAR中的數(shù)碼D/Ａ產(chǎn)生的

(V)

去／留碼判斷

本次操作后SAR

中的數(shù)碼

12345678

1000000011000000111000001101000011001000110011001100111011001111

5.127.688.968.328.08.168.248.28

，留1，留1，留0，留0，留1，留1，留1，留1

10000000110000001100000011000000110010001100110011001110110011116.4雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器控制電路控制門時鐘脈沖計數(shù)器K1K2K3K4RK1K2K3K4K5CR2R3R1K5+UREFUi-UREF轉(zhuǎn)換控制信號并行數(shù)字輸出復(fù)零圖6-7雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖積分器比較器6.4雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器是一種間接比較型A/D轉(zhuǎn)換器，屬于電壓－時間型A/D轉(zhuǎn)換器主要由積分器、電壓比較器、計數(shù)器、時鐘發(fā)生器和控制邏輯等部分組成工作過程分為三個階段預(yù)備階段采樣階段編碼階段6.4雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器積分器輸入積分器輸出計數(shù)器UiUREFUOXt1t2t’2N1N2N’2圖6-8積分器輸出波形6.4雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器雙斜式轉(zhuǎn)換本質(zhì)上是積分過程，因此是平均值轉(zhuǎn)換，所以對疊加在信號上的隨機(jī)和周期性噪聲干擾有較好的抑制能力雙斜式積分轉(zhuǎn)換速度較慢，一般不高于20次/秒對采樣模擬信號而言，雙斜積分轉(zhuǎn)換器式斷續(xù)工作的6.6A/D轉(zhuǎn)換器的選擇和使用A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定應(yīng)該從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動態(tài)平滑性兩方面考慮從靜態(tài)精度方面來看量化誤差是模擬信號數(shù)字化時產(chǎn)生誤差的主要部分，而量化誤差的大小與A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)相關(guān)量化誤差與測量誤差之間的關(guān)系也影響到A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)與誤差的關(guān)系圖6.22位數(shù)與誤差的關(guān)系位數(shù)誤差8910111213量化誤差與測量誤差關(guān)系圖6.23ξ與的關(guān)系eqeMeqeMξ0.10.30.50.70.91.01.11.21.31.4A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)選擇A/D轉(zhuǎn)換器的精度應(yīng)與測量裝置的精度相匹配要求量化誤差在總誤差中所占的比重要小，使它不顯著地擴(kuò)大測量誤差必須根據(jù)目前測量裝置的精度水平，對A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)提出恰當(dāng)?shù)囊?。A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇從動態(tài)平滑性方面來看量化單位大小及被測信號的變化頻率對動態(tài)平滑性有較大的影響量化單位太小容易產(chǎn)生高頻噪聲信號通常滿足靜態(tài)精度要求的位數(shù)也能滿足動態(tài)平滑性要求對動態(tài)平滑性要求較高的系統(tǒng)，可能需要進(jìn)行平滑處理A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的選擇A/D轉(zhuǎn)換器從啟動到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)就是每秒能夠完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)，稱為轉(zhuǎn)換速率確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率時，應(yīng)該考慮系統(tǒng)的采樣速率采樣/保持器是否需要原則上，采集直流和變化非常緩慢的模擬信號時，可不用采樣/保持器，對于其他模擬信號都要加采樣/保持器現(xiàn)在常用的A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部通常都集成了采樣/保持器工作電壓和基準(zhǔn)電壓不同的A/D轉(zhuǎn)換器可能需要不同的工作電壓，可以根據(jù)需要選擇工作電源，也可以根據(jù)工作電源來選擇適宜的A/D轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓是提供給A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時的參考電壓，這是保證轉(zhuǎn)換精度的基本條件。在要求較高精度時，基準(zhǔn)電壓可能需要單獨(dú)用高精度穩(wěn)定電源供給其他影響A/D轉(zhuǎn)換器選擇的因素輸入電壓范圍輸出電平形式輸出編碼格式輸出接口形式輸入通道數(shù)和封裝被測信號特性6.7A/D轉(zhuǎn)換器與微機(jī)接口A/D轉(zhuǎn)換器與微機(jī)的接口主要解決兩個問題A/D轉(zhuǎn)換器的