AD转换器解析.ppt
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1、 量化:即化模拟量为数字量的过程,取样保持后的样点值仍是连续的模拟信号,为了用数字量表示,必须将其化成某个最小数量单位的整数倍。有只舍不入式量化和有舍有入式量化2种。 编码:转换之后的数字可以用10进制表示,也可以用2进制数表示,或用BCD码表示等。一般多用2进制码。 计算机、数字通讯等数字系统是处理数字信号的电路系统。然而,在实际应用中,遇到的大都是连续变化的模拟量,因此,需要一种接口电路将模拟信号转换为数字信号。A/D转换器正是基于这种要求应运而生的。 1970年代初,由于MOS工艺的精度还不够高,模拟部分采用双极工艺,数字部分采用MOS工艺,两部分不能做在同一个芯片上。因此,A/D转换器
2、只能采用多芯片方式实现,成本很高。 1975年,一个采用NMOS工艺的10位逐次逼近型A/D转换器成为最早出现的单片A/D转换器。 1976年,出现了分辨率为11位的单片CMOS积分型A/D转换器。此时的单片集成A/D转换器中,数字部分占主体,模拟部分只起次要作用;此时的MOS工艺相对于双极工艺还存在许多不足。 1980年代,出现了采用BiCMOS工艺制作的单片集成A/D转换器,但是工艺复杂,成本高。 随着CMOS工艺的不断发展,采用CMOS工艺制作单片A/D转换器已成为主流。这种A/D转换器的成本低、功耗小。 1990年代,便携式电子产品的普遍应用要求A/D转换器的功耗尽可能地低。当时的A/
3、D转换器功耗为mW级,而现在已经可以降到W级。A/D转换器的转换精度和速度也在不断提高 目前,A/D转换器的转换速度已达到数百MSPS,分辨率已经达到24位。 常用的ADC类型 积分型逐次逼近型并行比较型/串并行型 -调制型电容阵列逐次比较型压频变换型积分型ADC工作原理:是将输入电压转换成时间或频率,然后由定时器/计数器获得数字值。优点:是用简单电路就能获得高分辨率缺点:是由于转换精度依赖于积分时间,因此转换速率极低。 双积分型ADC 双积分型ADC:是1种VT型A/D转换器, 由积分器、比较器、计数器和部分控制电路组成。 最大优点:是工作稳定,抗干扰能力强。 最大缺点:是速度较慢,所以主要
4、用于数字电压表等低速测试系统中。 转换精度主要取决于位数、运算放大器和比较器的灵敏度和零点漂移等因素,高精度的价格较贵。 初期的单片ADC大多采用积分型,现在逐次比较型已逐步成为主流。逐次逼近型(如TLC0831) 一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成,从最高有效位开始,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。 优点是结构简单、速度较高、功耗低,在低分辨率( 12位)时价格很高。 并行比较型/串并行比较型(如TLC5510) 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型。由于转换速率极高, n位的转换需
5、要2n - 1个比较器,因此电路规模也极大,价格也高,只适用于视频AD 转换器等速度特别高的领域。 串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间,最典型的是由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,所以称为Halfflash型。-调制型(如AD7701) - 型ADC以很低的采样分辨率( 1位)和很高的采样速率将模拟信号数字化,通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率,然后对ADC输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率。-型ADC的电路结构是由非常简单的模拟电路和十分复杂的数字信号处理电路构成。 电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型AD在内置
6、DA转换器中采用电容矩阵方式,也可称为电荷再分配型。 一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致,在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。 如果用电容阵列取代电阻阵列,可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。 压频变换型(如AD650) 压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。 原理:首先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。 从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加,只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。 优点:分辨率高、功耗低、价格低,但是需要外部计数电路共同完成AD转换。主要技术指标ADC分
7、辨率:指输出数字量变化一个最低有效位(LSB)所需的输入模拟电压的变化量。 ADC的精度:决定于量化误差及系统内其他误差之总和。一般精度指标为满量程的0. 02% ,高精度指标为满量程的0. 001%。 转换速率: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。 积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD,逐次比 较型AD是微秒级属中速AD,全并行/串并行型AD可达到纳秒级。 量化误差:由于AD 的有限分辨率而引起的误差,即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率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 /2L
8、SB。 此外还要注意其它一些特性,如输入通道数(即A/D转换路数)、输出方式,其中包括输出编码方式(如2进制码、BCD码、7段显示译码)、输出逻辑电平(CMOS、LSTTL)与微机接口能力等。 自电子管ADC面世以来,经历了分立半导体、集成电路数据转换器的发展历程。 ADC的生产已进入全集成化阶段,同时在转换速度和转换精度等主要指标上有了重大突破,还开发了一些具有与计算机直接接口功能的芯片。在集成技术中,又发展了模块、混合和单片机集成数据转换器技术。 ADC主要的应用领域不断拓宽,广泛应用于多媒体、通讯、自动化、仪器仪表等领域。对不同的领域的不同要求,例如接口、电源、通道、内部配置的要求,每一
9、类ADC都有相应的优化设计方法;同时,用户不仅要考虑到ADC本身的工艺和电路结构,而且还应考虑到ADC的外围电路,如相应的信号调理电路等模拟电路的设计。 随着通信事业、多媒体技术和数字化设备的飞速发展,信号处理越来越趋向数字化,促进了高速DAC有了长足进步,牵动着DAC制造商研制出许多新结构、新工艺及各种特殊用途的高速DAC。 高速DAC的应用领域主要有三个方面:数字化仪器,包括波形重建和任意波形发生器;直接数合成(DDS) ,包括接收器本机振荡器、跳频无线电设备、通信系统、正交调制(QAM)系统和雷达系统;图形显示系统,包括失量扫描和光栅扫描。 数据转换器技术是模拟信号和数字信号之间的重要桥
10、梁,低电压、大电流、高效率、小尺寸、低成本是ADC /DAC转换器发展的趋势。 ADC /DAC转换器的效率和密度也在不断增加。 通信与网络设备的集成化趋势需要ADC /DAC转换器集成更多的功能,同时具有更宽的输出电压或多路输出。近年来转换器产品已达到数千种,ADC和DAC的市场呈稳步增长的发展趋势,它们在现代军用和民用电子系统中均显示出其重要性。 目前生产AD/DA的主要厂家有ADI、TI、BB、PHILIP、MOTOROLA等,武汉力源公司拥有多年从事电子产品的经验和雄厚的技术力量支持,已取得排名世界前列的模拟IC生产厂家ADI、TI公司代理权,经营全系列适用各种领域场合的AD/DA器件
11、。 常见的A/D转换器的有效位数有4、6、8、10、12、14、16位以及BCD码输出的位、位和位等多种;转换速度有低速(1s)、中速(1ms)、高速(1s)和超高速(1ns)等;就芯片组成而言,有些芯片不但包括ADC基本电路,还包括多路转换开关、时钟电路、基准电压源或210转换器等,功能更加齐全。常见ADC芯片A/D转换器的比较与分类表1对各种A/D转换器的分辨率、转换速度和功耗等性能进行了比较。根据A/D转换器的速度和精度,大致可分为三类。 1)高速低(或中等)精度A/D转换器,具体的结构有全并行、两步型、插值折叠型和流水线型。此类A/D转换器速度快,但是精度不高,而且消耗的功耗大,占用的
12、芯片面积也很大,主要用于视频处理、通信、高速数字测量仪器和雷达等领域。 2)中速中等精度A/D转换器。这一类型的A/D转换器是以速度来换取精度,如逐次逼近型A/D转换器。数据输出通常是串行的,它们的转换速度在几十kHz到几百kHz之间,精度也比高速A/D转换器高(1016位),主要用于传感器、自动控制、音频处理等领域。 3)中速或低速高精度A/D转换器。此类A/D转换器速度不快,但精度很高(1624位),如-A/D转换器。该类型A/D转换器主要用于音频、通信、地球物理测量、测试仪、自动控制等领域。 为了满足数字系统的发展要求,A/D转换器的性能也必须不断提高,它将主要向以下几个方向发展: 高转
13、换速度:现代数字系统的数据处理速度越来越快,要求获取数据的速度也要不断提高。比如,在软件无线电系统中,A/D转换器的位置是非常关键的,它要求A/D转换器的最大输入信号频率在1GHz和5GHz之间,以目前的技术水平,还很难实现。因此,向超高速A/D转换器方向发展的趋势是清晰可见的。 高精度:现代数字系统的分辨率在不断提高,比如,高级仪表的最小可测值在不断地减小,因此,A/D转换器的分辨率也必须随之提高;在专业音频处理系统中,为了能获得更加逼真的声音效果,需要高精度的A/D转换器。目前,最高精度可达24位的A/D转换器也不能满足要求。现在,人们正致力于研制更高精度的A/D转换器。 低功耗:片上系统
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