AD转换器及其应用.pdf

AD转换器及其应用一A/D转换器的根本原理定义：能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。A/D转换器转化模拟量的四个步骤：采样、保持、量化、编码。模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。1取样定理将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。取样定理：设取样脉冲s(t)的频率为f，输入模拟信号*(t)的最高频率分量的S频率为fma*，必须满足fs≥2fma*y(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。通常取fs＝〔2.5～3〕fma*。由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。s(t)有效期间，开关管VT导通，u向C充电，u(=uc)跟随uI的变化而变化；I0s(t)无效期间，开关管VT截止，u(=uc)保持不变，直到下次采样。〔由于集成0运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放。〕2量化和编码数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位△。将采样－保持电路的输出电压归化为量化单位△的整数倍的过程叫做量化。用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可防止会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多〔n越大〕，量化误差越小。划分量化电平的两种方法〔a〕量化误差大；〔b〕量化误差小3采样-保持电路t时刻S闭合，C被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益0H都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uo＝ui。t时刻采样阶段完毕，S断开，1电路处于保持阶段。假设A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则C没有放H电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。二AD转换器的几个重要参数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2n的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化围为0～5V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×28＝20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×212≈1.22mV。2转换速率(ConversionRate)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，逐次比拟型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可到达纳秒级。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。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以承受的。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。其他指标还有：绝对精度(AbsoluteAccuracy)，相对精度(RelativeAccuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真〔TotalHarmonicDistotortion缩写THD〕和积分非线性。三AD转换器的几种类型1逐次逼近型A/D转换器按照天平称重的思路，逐次比拟型A/D转换器，就是将输入模拟信号与不同的参考电压做屡次比拟，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。1.1根本工作原理转换开场前先将所有存放器清零。开场转换以后，时钟脉冲首先将存放器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比拟器中与ui进展比拟。假设ui＞uo，说明数字过大了，故将最高位的1去除；假设ui＜uo，说明数字还不够大，应将这一位保存。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比拟以后确定这个1是否应该保存。这样逐位比拟下去，一直到最低位为止。比拟完毕后，存放器中的状态就是所要求的数字量输出。