A/D轉(zhuǎn)換器概述工作原理性能指標(biāo)

ID:116989 · 發(fā)表于 2016-4-27 09:56

A/D轉(zhuǎn)換器是用來通過一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量.模擬量可以是電壓、電流等電信號，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號。但在A/D轉(zhuǎn)換前，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號。A/D轉(zhuǎn)換后，輸出的數(shù)字信號可以有8位、10位、12位和16位等。

A/D轉(zhuǎn)換器的概述　　將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱a/d轉(zhuǎn)換器或adc,analog to digital converter），A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號，因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實(shí)際電路中，這些過程有的是合并進(jìn)行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉(zhuǎn)換過程中同時實(shí)現(xiàn)的。

A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理　　主要介紹以下三種方法：逐次逼近法、雙積分法、電壓頻率轉(zhuǎn)換法
　　1、逐次逼近法
　　逐次逼近式A/D是比較常見的一種A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時間為微秒級。
　　采用逐次逼近法的A/D轉(zhuǎn)換器是由一個比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成，如圖4.21所示。
　　基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進(jìn)行試探。
　　逐次逼近法

　　逐次逼近法轉(zhuǎn)換過程是：初始化時將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開始時，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器，稱為Ｖo，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量Ｖi進(jìn)行比較，若Ｖo<Ｖi，該位1被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為1，將寄存器中新的數(shù)字量送D/A轉(zhuǎn)換器，輸出的Ｖo再與Ｖi比較，若Ｖo<Ｖi，該位1被保留，否則被清除。重復(fù)此過程，直至逼近寄存器最低位。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。逐次逼近的操作過程是在一個控制電路的控制下進(jìn)行的。

　　2、雙積分法
　　采用雙積分法的A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。如圖4.22所示。
　　基本原理是將輸入電壓變換成與其平均值成正比的時間間隔，再把此時間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。
　　雙積分法

　　圖4.22 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的原理框圖

　　雙積分法A/D轉(zhuǎn)換的過程是：先將開關(guān)接通待轉(zhuǎn)換的模擬量Ｖi，Ｖi采樣輸入到積分器，積分器從零開始進(jìn)行固定時間Ｔ的正向積分，時間Ｔ到后，開關(guān)再接通與Ｖi極性相反的基準(zhǔn)電壓ＶＲＥF，將ＶＲＥF輸入到積分器，進(jìn)行反向積分，直到輸出為0V時停止積分。Ｖi越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時間也越長。計數(shù)器在反向積分時間內(nèi)所計的數(shù)值，就是輸入模擬電壓Ｖi所對應(yīng)的數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。
　　3、電壓頻率轉(zhuǎn)換法
　　采用電壓頻率轉(zhuǎn)換法的A/D轉(zhuǎn)換器，由計數(shù)器、控制門及一個具有恒定時間的時鐘門控制信號組成，如圖4.23所示。
　　它的工作原理是Ｖ/F轉(zhuǎn)換電路把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與模擬電壓成正比的脈沖信號。
　　電壓頻率轉(zhuǎn)換法

　　圖4.23 電壓頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理框圖

　　電壓頻率轉(zhuǎn)換法的工作過程是：當(dāng)模擬電壓Ｖi加到V/F的輸入端，便產(chǎn)生頻率F與Vi成正比的脈沖，在一定的時間內(nèi)對該脈沖信號計數(shù)，時間到，統(tǒng)計到計數(shù)器的計數(shù)值正比于輸入電壓Vi，從而完成A/D轉(zhuǎn)換。
3A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo) 　　1、分辨率
　　2、穩(wěn)定時間（又稱轉(zhuǎn)換時間）
　　3、量程
　　4、精度
4A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢　　當(dāng)前，數(shù)字處理系統(tǒng)正在飛速發(fā)展，在視頻領(lǐng)域，高清晰度數(shù)字電視系統(tǒng)(HDTV)的出現(xiàn)，將廣播電視推向了一個更高的臺階，HDTV的分辨率與普通電視相比至少提高了一倍。在通信領(lǐng)域，過去無線通信系統(tǒng)的設(shè)計都是靜態(tài)的，只能在規(guī)定范圍內(nèi)的特定頻段上使用專用調(diào)制器、編碼器和信道協(xié)議。而軟件無線電技術(shù)(SDR)能更加靈活、有效地利用頻譜，并能方便地升級和跟蹤新技術(shù)，大大地推動了無線通信系統(tǒng)的發(fā)展。在高精度測量領(lǐng)域，高級儀表的分辨率在不斷提高，電流到達(dá)μA量級，電壓到達(dá)mV甚至更低；在音頻領(lǐng)域，各種高性能專業(yè)音頻處理設(shè)備不斷涌現(xiàn)，如DVD-Audio和超級音頻CD(SACD)，它們能處理更高質(zhì)量的音頻信號。
　　為了滿足數(shù)字系統(tǒng)的發(fā)展要求，A/D轉(zhuǎn)換器的性能也必須不斷提高，它將主要向以下幾個方向發(fā)展:
　　1.高轉(zhuǎn)換速度: 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度越來越快，要求獲取數(shù)據(jù)的速度也要不斷提高。比如，在軟件無線電系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器的位置是非常關(guān)鍵的，它要求A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入信號頻率在1GHz和5GHz之間，以目前的技術(shù)水平，還很難實(shí)現(xiàn)。因此，向超高速A/D轉(zhuǎn)換器方向發(fā)展的趨勢是清晰可見的。
　　2.高精度：現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的分辨率在不斷提高，比如，高級儀表的最小可測值在不斷地減小，因此，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率也必須隨之提高;在專業(yè)音頻處理系統(tǒng)中，為了能獲得更加逼真的聲音效果，需要高精度的A/D轉(zhuǎn)換器。目前，最高精度可達(dá)24位的A/D轉(zhuǎn)換器也不能滿足要求�，F(xiàn)在，人們正致力于研制更高精度的A/D轉(zhuǎn)換器。
　　3.低功耗：片上系統(tǒng)(SOC)已經(jīng)成為集成電路發(fā)展的趨勢，在同一塊芯片上既有模擬電路又有數(shù)字電路。為了完成復(fù)雜的系統(tǒng)功能，大系統(tǒng)中每個子模塊的功耗應(yīng)盡可能地低，因此，低功耗A/D轉(zhuǎn)換器是必不可少的。在以往的設(shè)計中，5MSPS8～12位分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的典型功耗為100～150mW。這遠(yuǎn)不能滿足片上系統(tǒng)的發(fā)展要求，所以，低功耗將是A/D轉(zhuǎn)換器一個必然的發(fā)展趨勢。
　　總之，各種技術(shù)和工藝的相互滲透，揚(yáng)長避短，開發(fā)出適合各種應(yīng)用場合，能滿足不同需求的A/D轉(zhuǎn)換器，將是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的未來發(fā)展趨勢;高速、高精度、低功耗A/D轉(zhuǎn)換器將是今后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器發(fā)展的重點(diǎn)。

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