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A/D转换电路

A/D转化电路,亦称“模拟数字转换器”,简称“模数转换器”。将模拟量或连续变化的量进行量化(离散化),转换为相应的数字量的电路。 A/D变换包含三个部分:抽样、量化和编码。一般情况下,量化和编码是同时完成的。 抽样是将模拟信号在时间上离散化的过程; 量化是将模拟信号在幅度上离散化的过程; 编码是指将每个量化后的样值用一定的二进制代码来表示。

什么是a/d.d/a转换:

随着数字技术,特别是信息技术的飞速发展与普及,在现代控制、通信及检测等领域,为了提高系统的性能指标,对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等),要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号,必须首先将这些模拟信号转换成数字信号,而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样,就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路-模数和数模转换器。

将模拟信号转换成数字信号的电路,称为模数转换器(简称a/d转换器或adc,analog to digital converter);将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器(简称d/a转换器或dac,digital to analog converter)。a/d转换器和d/a转换器已成为信息系统中不可缺的组成部分,为确保系统处理结果的精确度,a/d转换器和d/a转换器必须具有足够的转换精度;如果要实现快速变化信号的实时控制与检测,a/d与d/a转换器还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量a/d与d/a转换器的重要技术指标。随着集成技术的发展,现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的a/d和d/a转换器,它们具有愈来愈先进的技术指标。

1)分辨率(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2^n的比值。分辨率又称精度,通常以数字信号的位数来表示。

2) 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。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。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。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps,表 示每秒采样千/百万次(kilo / Million Samples per Second)。

3)量化误差 (Quantizing Error) 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、1/2LSB。

4)偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值,可外接电位器调至最小。

5)满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。

6)线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移,不包括以上三种误差。

其他指标还有:绝对精度(Absolute Accuracy) ,相对精度(Relative Accuracy),微分非线性,单调性和无错码,总谐波失真(Total Harmonic Distotortion缩写THD)和积分非线性。

a/d转换器的功能是把模拟量变换成数字量。由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同,因此生产出种类繁多的a/d转换芯片。a/d转换器按分辨率分为4位、6位、8位、10位、14位、16位和bcd码的3 1/2位。5 1/2位等。按照转换速度可分为超高速(转换时间≤330ns),次超高速(330~3.3μs),高速(转换时间3.3~333μs),低速(转换时间>330μs)等。a/d转换器按照转换原理可分为直接a/d转换器和间接a/d转换器。所谓直接a/d转换器,是把模拟信号直接转换成数字信号,如逐次逼近型,并联比较型等。其中逐次逼近型a/d转换器,易于用集成工艺实现,且能达到较高的分辨率和速度,故目前集成化a/d芯片采用逐次逼近型者多;间接a/d转换器是先把模拟量转换成中间量,然后再转换成数字量,如电压/时间转换型(积分型),电压/频率转换型,电压/脉宽转换型等。其中积分型a/d转换器电路简单,抗干扰能力强,切能作到高分辨率,但转换速度较慢。有些转换器还将多路开关。基准电压源。时钟电路。译码器和转换电路集成在一个芯片内,已超出了单纯a/d转换功能,使用十分方便。

下面简要介绍常用的几种类型的AD的基本原理及特点:积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。

1)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。其优点是用简单电路就能获得高分辨率, 但缺点是由于转换精度依赖于积分时间,因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型,现在逐次比较型已逐步成为主流。

2)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。其优点是速度较高、功耗低,在低分辩率(<12位)时价格便宜,但高精度(>12位)时价格很高。

3)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,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 Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现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。这类AD速度比逐次比较型高,电路 规模比并行型小。

4)Σ-Δ(Sigma-delta)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。电路的数字部分基本上容易单片化,因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。

5)电容阵列逐次比较型

电容阵列逐次比较型AD在内置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。

6)压频变换型

压频变换型(Voltage-Frequency Converter)是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是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。其优点是分辩率高、功耗低、价格低,但是需要外部计数电路共同完成AD转换。


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