A/D �(zhuǎn)換器�模數(shù)�(zhuǎn)換器,或簡稱 ADC,通常是指一個將模擬信號�(zhuǎn)�?yōu)�?shù)字信號的電子元件� 通常的模�(shù)�(zhuǎn)換器是將一個輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為一個輸出的�(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身不具有實際意義,僅僅表示一個相對大�。故任何一個模�(shù)�(zhuǎn)換器都需要一個參考模擬量作為�(zhuǎn)換的標準,比較常見的參考標準為的可�(zhuǎn)換信號大小。而輸出的�(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小� 模數(shù)�(zhuǎn)換器最重要的參�(shù)是轉(zhuǎn)換的精度,通常用輸出的�(shù)字信號的位數(shù)的多少表�。轉(zhuǎn)換器能夠準確輸出的數(shù)字信號的位數(shù)越多,表示轉(zhuǎn)換器能夠分辨輸入信號的能力越�,轉(zhuǎn)換器的性能也就越好�
下面簡要介紹常用的幾種類型的基本原理及特點:積分�、逐次逼近�、并行比較型/串并行型、∑-Δ�(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換��
1)積分型(如TLC7135�
積分型AD工作原理是將輸入電壓�(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度信號)或頻�(脈沖頻率),然后由定時�/計數(shù)器獲得數(shù)字�。其�(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨�,但缺點是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間,因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片AD�(zhuǎn)換器大多采用積分�,現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流�
2)壓頻變換型(如AD650�
壓頻變換型(Voltage-Frequency Converter)是通過間接�(zhuǎn)換方式實�(xiàn)模數(shù)�(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率,然后用計數(shù)器將頻率�(zhuǎn)換成�(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加,只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬�。其�(yōu)點是分辯率高、功耗低、價格低,但是需要外部計�(shù)電路共同完成AD�(zhuǎn)��
3)并行比較型/串并行比較型(如TLC5510�
并行比較型AD采用多個比較器,僅作一次比較而實行轉(zhuǎn)�,又稱FLash(快�)型。由于轉(zhuǎn)換速率極高,n位的�(zhuǎn)換需�2n-1個比較器,因此電路規(guī)模也極大,價格也高,只適用于視頻AD�(zhuǎn)換器等速度特別高的�(lǐng)��
串并行比較型AD�(jié)�(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間,最典型的是�2個n/2位的并行型AD�(zhuǎn)換器配合DA�(zhuǎn)換器組成,用兩次比較實行�(zhuǎn)換,所以稱為Half flash(半快�)�。還有分成三步或多步實現(xiàn)AD�(zhuǎn)換的叫做分級(Multistep/Subrangling)型AD,而從�(zhuǎn)換時序角度又可稱為流水線(Pipelined)型AD,現(xiàn)代的分級型AD中還加入了對多次�(zhuǎn)換結(jié)果作�(shù)字運算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高,電路規(guī)模比并行型小�
4)∑-Δ(Sigma?/FONT>delta)�(diào)制型(如AD7705�
�-Δ型AD由積分器、比較器�1位DA�(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組�。原理上近似于積分型,將輸入電壓�(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度)信號,用�(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的�(shù)字部分基本上容易單片�,因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量�
5)電容陣列逐次比較�
電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA�(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�(zhuǎn)換器中多�(shù)電阻的值必須一致,在單芯片上生成高精度的電阻并不容�。如果用電容陣列取代電阻陣列,可以用低廉成本制成高精度單片AD�(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型AD�(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的�
6)逐次比較型(如TLC0831�
逐次比較型AD由一個比較器和DA�(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯�(gòu)�,從MSB開始,順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA�(zhuǎn)換器輸出進行比較,經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路�(guī)模屬于中�。其�(yōu)點是速度較高、功耗低,在低分辯率�<12位)時價格便�,但高精度(>12位)時價格很��
AD�(zhuǎn)換器的主要指標如��
?�?)分辨率(Resolution�。指�(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化�,定義為滿刻度與2n的比�。分辨率又稱精度,通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表��
?�?)轉(zhuǎn)換速率(Conversion Rate�。是指完成一次從模擬�(zhuǎn)換到�(shù)字的AD�(zhuǎn)換所需的時間的倒數(shù)。積分型AD的轉(zhuǎn)換時間是毫秒級屬低速AD,逐次比較型AD是微秒級屬中速AD,全并行/串并行型AD可達到納秒級。采樣時間則是另外一個概�,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�(zhuǎn)換速率。因此習慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受�。常用單位是Ksps和Msps,表示每秒采樣千/百萬次(Kilo � Million Samples Per Second��
?�?)量化誤差(Quantizing Error�。由于AD的有限分辨率而引起的誤差,即有限分辨率AD的階梯狀�(zhuǎn)移特性曲線與無限分辨率AD(理想AD)的�(zhuǎn)移特性曲線(直線)之間的偏差。通常�1個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量,表示為1LSB�1�2LSB�
�4)偏移誤差(Offset Error�。輸人信號為雷時輸出信號不為零的�,可外接電位器調(diào)至最��
?�?)滿刻度誤差(Full Scale Error)。滿刻度輸出時對應的輸人信號與理想輸人信號值之��
?�?)線性度(Lineafity)。實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函�(shù)與理想直線的偏移,不包括以上3種誤��
AD的其他指標還有精度(Absolute Accuracy�、相對精度(Relative Accuracy)、微分非線�、單�(diào)性和無錯碼、總諧波失真(THD,Total Harmonic Distotortion)和積分非線性等�
對于AD�(zhuǎn)換器,選取的標準主要決定于采樣頻率和位數(shù),以及價�、供貨周期、應用情況等其他因數(shù)。生�(chǎn)高速AD的主要廠家有AD公司、Maxim公司以及TI公司(也就是BB公司�。這三家公司在高速AD上的�(chǎn)品種類不是很�,根�(jù)對各種AD芯片的查�,選擇TI公司的AD�(zhuǎn)換芯片ADS5422�
ADS5422�14bit的采樣頻率可�62Msps的高速AD�(zhuǎn)換芯片,采用單- 5V電源供電,在采樣頻率�10M時其動態(tài)范圍�82dB,信噪比達到72dB,其�(shù)字量輸出可以直接�5V或�3�3V的CMOS芯片連接,模擬量輸入的峰峰值為4V,可以直接輸�0�5�4�5V的模擬量,封裝形式為64腳的扁平四方封裝,目前TI的官方報價為29美元/片(一次購買千片以上的單價�。國�(nèi)也有該芯片出�,國�(nèi)價格�300元左右�
14bit的AD�(zhuǎn)換適應信號的范圍�10lg�214)dB�42dB,基本上可以適應各種應用場合。ADS5422的采樣頻率的大小由其輸人時鐘決定,輸入時鐘的范圍可以�16ns�1μs,輸人時鐘為16ns時對應采樣頻率為62MHz,AD可以接受3V或�5V的TTL或者CM0S電平。DSP可以提供該時鐘信號,并且可以軟件�(shè)置輸人時鐘的各種特征�,包括時鐘頻�、高電平寬度�,基本上可以滿足AD5422對時鐘信號的要求。這里確定AD的實際采樣頻率為60MHz。這樣,一秒鐘�(nèi)采樣的數(shù)�(jù)量為50M個,由于DSP系統(tǒng)無法及時處理這些�(shù)�(jù),在�(shù)�(jù)處理之前,必須將這些�(shù)�(jù)保存起來,使用ΠFO保存1M個數(shù)�(jù),也就是20ms�(nèi)的采樣數(shù)�(jù)�1M個數(shù)�(jù)采集�(jié)束開始信號處�。由于高速AD采樣導致信號不穩(wěn)定,甚至出現(xiàn)錯誤。將�(shè)計多層板,加強布線的合理�,從電路板上盡可能去除干擾;其次提高算法的效�,節(jié)省計算時間�
和ADS5422功能接近的其他型號的AD還有AD公司的AD9244。和ADS5422相比,兩者數(shù)�(jù)位數(shù)都是14bit,在信噪比上兩者相�,時鐘輸入和操作方法相近,電源都�5V,輸出數(shù)字信號都可以�3�3V的芯片兼�;其主要�(yōu)點是功耗是ADS5422的一��500mW;其主要缺點是輸人模擬電壓峰峰值為ADS5422的一半,只有2V�
AD公司其他的高速AD芯片還有AD6644,為其早期產(chǎn)品,操作方法和ADS5422、AD9244不一�,AD6644功耗達�1�3W。和AD9244相比,沒有什么優(yōu)�,AD9244是其替代�(chǎn)品�
高速AD的另外一個廠家Maxim公司也有一批高速AD�(chǎn)�,但采樣頻率�40MHz以上沒有14bit�(shù)�(jù)的AD,其�(chǎn)品優(yōu)勢主要集中在中速AD��
1、數(shù)�(jù)端口的設(shè)�
由于輸出端口為輸出口,所以在�(shù)�(jù)端口的設(shè)計時要遵守輸出要鎖存的設(shè)計原�,但對于D/A�(zhuǎn)換器�(nèi)部具有鎖存器時,可以直接與數(shù)�(jù)總線相��
�(shù)�(jù)端口的設(shè)計應考慮D/A �(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)�(gòu)和分辨率,目前常見的D/A�(zhuǎn)換器有:8位,10��12 ��16�,當分辨率大于總線寬度時,需要增加外部數(shù)�(jù)鎖存器,確保�(shù)�(jù)的同��
MOV AX,N
OUT PORT1,AL
OUT PORT2,AH
OUT PORT3,AL
2、輸出周期設(shè)�
可用軟件定時或硬件定時中斷的方法實現(xiàn)輸出周期的控��
D/A�(zhuǎn)換器是計算機或其它數(shù)字系�(tǒng)與模擬量控制對象之間�(lián)系的橋梁,它的任�(wù)是將離散的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的模擬信�。在工業(yè)控制�(lǐng)域中,D/A�(zhuǎn)換器是不可缺少的重要組成部分�
以下以一個四位的D/A�(zhuǎn)換器說明D/A�(zhuǎn)換器的工作原理:
當D3=1 I3=Vd/2R=VREF/�1×2R�
當D3=0 I3=0
當D2=1 I2=Vd/2R=VREF/�2×2R�
當D2=0 I2=0
當D1=1 I1=Vd/2R=VREF/�4×2R�
當D1=1 I1=0
當D0=1 I0=Vd/2R=VREF/�8×2R�
當D0=1 I0=0
Vout=-Iout1×Rf
由此可見:隨著D3-D0的取值(0�1)的不同在運放輸出端可以得到不同的電壓量。如果用�(shù)字量來控制電子開�(guān)的通斷�1表示接��0表示斷開�
例如:D3D2D1D0 VOUT
0000 0V
0001 1/24VREF*Rf/R
0010 2/24 VREF*Rf/R
0011 3/24 VREF*Rf/R
15/24 VREF*Rf/R
可見:在輸出端可得到與輸入數(shù)字量成正比的模擬電壓��
維庫電子�,電子知識,一查百��
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