[资料] A/D转换

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高级工程师

发表于 2018-1-8 14:19:19   323 查看 0 回复 显示全部楼层 倒序浏览
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   实现模拟量变换成数字量的设备称为模数转换器(ADC),简称 A/D。
  1.A/D转换器的基本原理与分类
   根据 A/D转换器的原理可将 A/D转换器分成两大类。一类是直接型 A/D转换器,另一类是间接型A/D转换器。在直接型A/D转换器中,输入的模拟电压被直接转换成数字代码,不经任何中间变量;在间接型 A/D转换器中,首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量(时间、频率、脉冲宽度等等),然后再把这个中间变量转换为数字代码输出.
   尽管 A/D转换器的种类很多,但目前应用较广泛的主要有三种类型:逐次逼近式 A/D 转换器、双积分式A/D转换器和V/F变换式A/D转换器。下面简要介绍前两种A/D转换器的基本原理。
   (1)逐次逼近式 A/D转换器原理。图5.26是逐次逼近式A/D转换器的电路原理图,其主要原理为:将一待转换的模拟输入信号UIN 与一个推测信号Ui相比较,根据推测信号大于还是小于输入信号来决定增大还是减少该推测信号,以便向模拟信号逼近。推测信号由D/A转换器的输出获得,当推测信号与模拟信号相等时,向 D/A 转换器输入的数字就是对应模拟输入量的数字量。其 “推测”值的算法如下:使二进制计数器中(输出锁存器)的每一位从最高位起依次置1,每接一位时,都要进行测试。若模拟输入信号UIN 大于推测信号Ui,则比较器输出为1,并使该位保持为1。无论哪种情况,均应继续比较下一位,直到最末位为止。此时,D/A 转换器的数字输入即为对应模拟输入信号的数字量。将此数字量输出就完成了 A/D转换过程。
   (2)双积分式A/D转换器原理。图5.27是双积分式 A/D转换器工作原理图。其原理如下:电路先对未知的输入模拟电压UIN 进行固定时间的积分,然后转为对标准电压进行反向积分,直到积分输出返回起始值,则对标准电压积分的时间T 正比于模拟输入电压UIN,如图5.28所示,输入电压大,则反向积分时间长。用高频率标准时钟脉冲来测量时间T,即可以得到相应模拟电压的数字量。
   2.A/D转换器的主要技术指标
   (1)量化误差与分辨率。A/D转换器的分辨率习惯上以输出二进制位数或者 BCD 码位数来表示,也有用输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量来表示。A/D 转换器的分辨率的定义为满刻度电压与2n 之比值,其中n为 A/D转换器的位数。与一般测量仪表的分辨率表达方式不相同,不采用可分辨的输入模拟电压相对值表示。
   量化误差是由 ADC的有限分辨率而引起的误差。图5.29和图5.30所示的都是8位 A/D转换器的转移特性曲线,在不计其他误差的情况下,一个分辨率有限的 ADC的阶梯状转移特性曲线与具有无限分辨率的 ADC转移特性曲线(直线)之间的最大偏差,称之为量化误差。

   例如,A/D转换器 AD574A 的分辨率为12位,满刻度为10V,即该转换器的输出数据可以用212 个二进制数进行量化,其分辨力为1LSB①。其分辨率为

   BCD码输出的 A/D转换器一般用位数表示分辨率,例如,5G14433双积分式 A/D 转换器,分辨率为3(1/2)。满度字位为1999,用百分为表示其分辨率时,分辨率为
  (1/1999)×100% =0.05%。
  量化误差和分辨率是统一的,量化误差是由于有限数字对模拟数值进行离散取值(量化)而引起的误差。因此,量化误差理论上为一个单位分辨率,即 ±1/2LSB。提高分辨率可减少量化误差。
  (2)转换精度。A/D转换器转换精度反映了一个实际 A/D转换器在量化值上与一个理想A/D转换器进行模/数转换的差值,可表示成绝对误差或相对误差,与一般测试仪表的定义相似。例如,手册上给出8位逐次比较式 A/D转换器 ADC0801的不可调整的总误差为小于等于 ±1/4LSB,如以相对误差表示则为0.1%。
   对于 A/D转换器不同厂家,不同产品其精度指标表达方式可能不完全相同,有的给出综合误差指标,有的给出分项误差指标。通常给出的分项误差指标有:非线性误差、失调误差或零点误差、增益误差或标度误差、微分非线性误差等。
   必须指出,A/D转换器的精度指标是反映实际 A/D转换器与理想 A/D转换器的差别。既然理想 A/D转换器存在着量化误差,那么实际的 A/D转换器无疑也存在着量化误差。精度所对应的误差指标是不包括量化误差的。
   (3)转换时间与转换速率。A/D 转换器完成一次转换所需要的时间为 A/D 转换时间。通常,转换速率是转换时间的倒数。
   (4)失调(零点)温度系数和增益温度系数。这两项指标都是表示 A/D转换器受环境温度影响的程度。一般用每摄氏度温度变化所产生的相对误差作为指标,以10-6/℃ 为单位表示。
   (5)对电源电压变化的抑制比。A/D转换器对电源电压的抑制比(PSRR)用改变电源电压使数据发生 ±1LSB变化时所对应的电源电压变化范围来表示。
   3.A/D转换器选择原则
   当确定使用 A/D转换器以后,按下列原则选择 A/D转换器芯片。
   (1)根据测量系统总误差,选择 A/D转换器精度及分辨率。用户提出的数据采集精度要求是综合精度要求,它包括了传感器精度、信号调理电路精度和 A/D转换精度。应将综合精度在各个环节上进行分配,以确定对 A/D转换器的精度要求,据此确定 A/D转换器的位数。
   (2)根据信号对象的变化率及转换精度要求,确定 A/D 转换速度,以保证系统的实时性要求。
   (3)根据环境条件选择 A/D转换芯片的一些环境参数要求,如工作温度、功耗、可靠性等级等性能。
   (4)根据计算机接口特征,考虑如何选择 A/D转换器的输出状态,例如,A/D转换器是并行输出还是串行输出;是二进制码还是 BCD码输出;是用外部时钟、内部时钟还是不用时钟;有无转换结束状态信号;与TTL、CMOS及ECL电路的兼容性;与微型计算机接口是否易联等输出功能。
   (5)其他,还要考虑到成本、资源、是否是流行芯片等因素。
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