ADC选型指南.doc
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1、 ADC选型手册一ADC的定义模数转换器即A/D转换器,或简称ADC,(简称a/d转换器或adc,analog to digital converter)通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义,仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准,比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。二 ADC的基本原理在A/D转换中,因为输入的模拟信号在时间上是连续的,而输出的数字信号是离散量,所以进行转换时只能按一定的时间间隔对
2、输入的模拟信号进行采样,然后再把采样值转换为输出的数字量。通常A/D转换需要经过采样、保持量化、编码四个步骤。也可将采样、保持合为一步,量化、编码合为一步,共两大步来完成。 (1)采样和保持:采样,就是对连续变化的模拟信号进行定时测量,抽取其样值。采样结束后,再将此取样信号保持一段时间,使A/D转换器有充分的时间进行A/D转换。采样保持电路就是完成该任务的。其中,采样脉冲的频率越高,采样越密,采样值就越多,其采样保持电路的输出信号就越接近于输入信号的波形。因此,对采样频率就有一定的要求,必须满足采样定理即: fs2fImax 其中fImax 是输入模拟信号频谱中的最高频率(2)量化和编码:所谓
3、量化,就是把采样电压转换为以某个最小单位电压 的整数倍的过程。分成的等级称为量化级 ,A 称为量化单位。所谓编码 , 就是用二进制代码来表示量化后的量化电平。采样后得到的采样值不可能刚好是某个量化基准值 , 总会有一定的误差 , 这个误差称为量化误差。显然 , 量化级越细 , 量化误差就越小 , 但是 , 所用的二进制代码的位数就越多 , 电路也将越 复杂。量化方法除了上面所述方法外 , 还有舍尾取整法 , 这里不再赘述。采样的话时间非常短,起动AD转换后,就把模拟值读进去了。AD转换需要时间,转换完成后有标志位变了,表示转换完成,可不断查询标志位状态,标志位变了转换完成后,就可读取数据。如果
4、CPU忙,可用中断方式,开AD转换中断,得有线路硬件,AD转换完成后自动申请中断,中断读取数据很快。(3)ADC的基本结构和相关解释1)其中滤波器决定ADC的采样频率(能够采样多大频率的模拟信号),主要是涉和带宽,根据香浓采样定理和输入信号的频率范围,确定相应的滤波带宽。在Nyquist采样定理中已经提过,要满足采样定理必须要求信号带宽有限,使用大于2倍的最高信号频率采样才能保证信号的不混叠。低通滤波器的一个考虑就是使信号带宽有限,以便于后期的信号采样,这个低通滤波器是硬件实现的。另一方面,实际情况中我们也只会对某个频频段的信号感兴趣,低通滤波器的另一个考虑就是滤波得到感兴趣的信号。比如,测量
5、汽车声音信号,其频率大部分在5KHz以下,我们则可以设置低通滤波器的截止频率在7KHz左右。程控的实现方法就是使用模拟通道选择芯片(如74VHC4051等)。2)多路开关主要用于选择是单端输入和差分输入。对多个变化较为缓慢的模拟信号进行A/D转换时,利用多路模拟开关将各路模拟信号轮流与A/D转换器接通,使一个A/D转换器能完成多个模拟信号的转换。3)采样保持电路:A/D转换器完成一次转换需要时间,在这段时间内模拟输入信号应保持不变,否则将影响AD转换的精度。更为详细的描述如下:将采样频率提高到kfs(k2)称为过采样。(4)量化和编码三 ADC的分类1)积分型 积分型AD工作原理是将输入电压转
6、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)时价格很高。 具体工作过程如下,举例说明:设逐次逼近寄存器SAR 是8位,基准电压10.24V, 模拟输入电压8.3V,转换成二
7、进制数码。工作过程如下:转换开始之前,先将SAR 清零; 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(Pi
8、pelined)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。 应用场合:这种ADC的最大优点是具有较快的转换速度,但是,所用的比较器和其他硬件较多,输出数字量位数越多,转换电路将越复杂。因此,这种类型的转换器适用于高速度、低精度要求的场合。优点:模数转换的速度高缺点:分辨率不高,功耗大、成本高 4)-(Sigma-delta)调制型(如AD7705) -型AD又称为过采样转换器,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
9、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。 -型ADC基本原理:-型ADC包含了1个差分放大器、1个积分器、1个比较器、以和由1位DA(一个简单的开关,可以将差分放大器的反相输入端接到正或者负参考电压)的构成的反馈环。反馈DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。-型ADC原理框图从-型ADC的原理框图可以看出,-型结合了逐次比较型和积分型ADC。5)压频变换型ADC6) 流水线型ADC四 名词解释:(1)ADC采样速率 SPS简介SPS(sample per sencond,每秒采样次数),是衡量数模转换(ADC)时采样速率的单位。注意采
10、样速率和转换速率的区别,数模转换是先采样再转换,采样速率小于等于转换速率的采样才是有意义的。即采样时间大于转换时间才是有意义的。类似的单位有KSPS(每秒采样多少千次)、MSPS(每秒采样多少兆次)等。 ksps 表示每秒采样千次,是转化速率的单位。 (2)ADC的转换速率和转换时间(ConversiontimeandConversionrate)所谓的转换速率(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
11、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)。 ThroughPut Rate 称为输出速率,或者吞吐速率、转换速率。“转换速率”这个名词有些资料用Conversion rate表示,有些资料用ThroughPut Rate 或者 T-Put Rate表示。在选择一个AD转换芯片的时候要考虑到位数、转换速度、输出方式等。位数很容易理解,由分辨率决定。一次完整的转换过程
12、要经过模数转换时间、休止时间、下次转换的准备时间等,这些时间构成一个完整的转换周期。比如ADI生产的AD7610,转换周期为4us,也就是第i次转换开始经过4us以后可以进行下一次转换。转换速率是转换周期的倒数,表征每秒最多多少次完整的采样,因此决定了采样频率的上限。转换速率等于采样保持时间和量化时间(从模拟到二级制的转换时间)的倒数。ADC的转换速度主要取决于转换电路的类型。并联比较型ADC的转换速度最快,如一个8位二进制集成ADC的转换时间可在50ns之内;逐次比较型ADC的转换时间都在10100us之间,较快的也不会小于1us;双积分型ADC的转换时间多在数十到数百ms之间。 引申:转换
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