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ADC转换器的分类介绍以及技术指标

2019-09-19 16:24:23
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来源: 网络整理

ADC转换器,Analog-to-Digital Converter的缩写,指模/数转换器或者模数转换器 。是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。真实世界的模拟信号,例如温度、压力、声音或者图像等,需要转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。模/数转换器可以实现这个功能,在各种不同的产品中都可以找到它的身影。

ADC转换器的分类

下面简要介绍常用的几种基本原理及特点: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,抗干扰能力强(为何抗干扰能力强,因为对于零点正负的白噪声,可以通过积分将其滤掉。),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SAR

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,按顺序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。

(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进行数字运算而修正特性等功能。这类AD的速度比逐次比较型高,电路规模比并行型小。

(4)Σ-Δ调制型(如AD7705)

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,但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,就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(如AD650)

压频变换型转换器(Voltage-FrequencyConverter)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。

AD转换器的主要技术指标

(1)分辩率(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。通常以数字信号的位数来表示。

(2)转换速率(ConversionRate)

是指完成一次从模拟到数字的AD转换所需时间的倒数。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,而全并行/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(SampleRate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯于让转换速率的数值等同于采样速率,这也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps,表示每秒采样千/百万次(kilo/MillionSamplesperSecond)。

(3)量化误差(QuantizingError)

由于AD的有限分辩率而引起的误差,即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率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(OffsetError)

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(FullScaleError)

满刻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。在说精度之前,首先要说分辨率。最近已经有贴子专门讨论了这个问题,结论是分辨率决不等同于精度。比如一块精度0.2%(或常说的准确度0.2级)的四位半万用表,测得A点电压1.0000V,B点电压1.0005V,可以分辨出B比A高0.0005V,但A点电压的真实值可能在0.9980~1.0020之间不确定。


标签: 转换器
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