ADC種類(lèi)分不清?技術(shù)指標(biāo)一團(tuán)漿糊?來(lái)看看吧
發(fā)布時(shí)間:2019-09-18 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】下面簡(jiǎn)要介紹常用的幾種基本原理及特點(diǎn):積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、Σ-Δ調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。
ADC轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)
下面簡(jiǎn)要介紹常用的幾種基本原理及特點(diǎn):積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、Σ-Δ調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。
(1)積分型
積分型AD工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間(脈沖寬度信號(hào))或頻率(脈沖頻率),然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是用簡(jiǎn)單電路就能獲得高分辨率,抗干擾能力強(qiáng)(為何抗干擾能力強(qiáng),因?yàn)閷?duì)于零點(diǎn)正負(fù)的白噪聲,可以通過(guò)積分將其濾掉。),但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)間,因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片AD轉(zhuǎn)換器大多采用積分型,現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。
(2)逐次比較型SAR
逐次比較型AD由一個(gè)比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過(guò)逐次比較邏輯構(gòu)成。從MSB開(kāi)始,按順序?qū)γ恳晃粚⑤斎腚妷号c內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較,經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等,其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低,在低分辯率(12位)時(shí)價(jià)格很高。
(3)并行比較型/串并行比較型
并行比較型AD采用多個(gè)比較器,僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換,又稱快速型。由于轉(zhuǎn)換速率極高,n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個(gè)比較器,因此電路規(guī)模也極大,價(jià)格也高,只適用于視頻AD轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。
串并行比較型AD結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間,最典型的是由2個(gè)n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成,用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換,所以稱為半快速型。還有分成三步或多步實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的叫做分級(jí)(Multistep/Subrangling)型AD,而從轉(zhuǎn)換時(shí)序角度又可稱為流水線(Pipelined)型AD,現(xiàn)代的分級(jí)型AD中還加入了對(duì)多次轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算而修正特性等功能。這類(lèi)AD的速度比逐次比較型高,電路規(guī)模比并行型小。
(4)Σ-Δ調(diào)制型(如AD7705)
Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型,將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間(脈沖寬度)信號(hào),用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化,因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測(cè)量。
(5)電容陣列逐次比較型
電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式,也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致,但在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列,就可以用低廉成本制成高精度單片AD轉(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。
(6)壓頻變換型(如AD650)
壓頻變換型轉(zhuǎn)換器(Voltage-Frequency Converter)是通過(guò)間接轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率,然后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無(wú)限增加,只要采樣的時(shí)間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數(shù)的寬度。其優(yōu)點(diǎn)是分辯率高、功耗低、價(jià)格低,但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。
AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)
(1)分辯率(Resolution)
指數(shù)字量變化一個(gè)最小量時(shí)模擬信號(hào)的變化量,定義為滿刻度與2^n的比值。通常以數(shù)字信號(hào)的位數(shù)來(lái)表示。
(2)轉(zhuǎn)換速率(Conversion Rate)
是指完成一次從模擬到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需時(shí)間的倒數(shù)。積分型AD的轉(zhuǎn)換時(shí)間是毫秒級(jí),屬低速AD,逐次比較型AD是微秒級(jí),屬中速AD,而全并行/串并行型AD可達(dá)到納秒級(jí)。采樣時(shí)間則是另外一個(gè)概念,是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成,采樣速率(Sample Rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習(xí)慣于讓轉(zhuǎn)換速率的數(shù)值等同于采樣速率,這也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps,表示每秒采樣千/百萬(wàn)次(kilo/Million Samples per Second)。
(3)量化誤差(Quantizing Error)
由于AD的有限分辯率而引起的誤差,即有限分辯率AD的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無(wú)限分辯率AD(理想AD)的轉(zhuǎn)移特性曲線(直線)之間的最大偏差。通常是1個(gè)或半個(gè)最小數(shù)字量的模擬變化量,表示為1LSB、1/2LSB。
(4)偏移誤差(Offset Error)
輸入信號(hào)為零時(shí)輸出信號(hào)不為零的值,可外接電位器調(diào)至最小。
(5)滿刻度誤差(Full Scale Error)
滿刻度輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)與理想輸入信號(hào)值之差。
(6)線性度(Linearity)
實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移,不包括以上三種誤差。在說(shuō)精度之前,首先要說(shuō)分辨率。最近已經(jīng)有貼子專門(mén)討論了這個(gè)問(wèn)題,結(jié)論是分辨率決不等同于精度。比如一塊精度0.2%(或常說(shuō)的準(zhǔn)確度0.2級(jí))的四位半萬(wàn)用表,測(cè)得A點(diǎn)電壓1.0000V,B點(diǎn)電壓1.0005V,可以分辨出B比A高0.0005V,但A點(diǎn)電壓的真實(shí)值可能在0.9980~1.0020之間不確定。
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