在现实世界中,常见的信号大都是模拟量,像温度、声音、气压等,但在信号的处理与传输中,为了减少噪声的干扰,较多使用的是数字量。因此我们经常会将现实中的模拟信号,通过 ADC 转换为数字信号进行运算、传输、储存,再通过 DAC 转换为模拟信号,呈现出来。
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但要注意的是,现实中的模拟量连续的,意味着它有无限的分辨率,但转换为数字量之后,将会丢失一定的精度,在时间和幅度上都会变成离散的值。
ADC 基本原理ADC(Analog-to-Digital Converter)指模拟 / 数字转换器,可将真实世界的模拟信号,例如温度、压力、声音或者图像等,转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。
采样因为输入的模拟信号是连续的,而将要输出的数字信号是离散的,所以只能进行瞬时采样,再将采样值转换为输出的数字量,再重新开始下一轮的采样。
为了能准确无误用信号Vs 表示出模拟输入信号 V1,至少需要满足采样定理,即采样频率 fs 在模拟输入信号最高频率分量 fi(max) 的 2 倍以上(通常会取 3~5 倍,但太高的频率需要更快的工作速度,需要综合成本考虑):
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只要满足了采样定理,即可用低通滤波器,将 Vs 还原为 V1。滤波器电压传输系数应在低于 fi(max) 时保持不变,在 fs−fi(max)前迅速下降为 0。
保持保持电路能够采样结束后,让信号保持一段时间,使 ADC 有充分时间进行转换。一般采样脉冲频率越高、采样越密,采样值就越多,采样保持电路的输出信号就越接近输入信号的波形。采样 - 保持电路的基本形式如下:
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采样 - 保持的基本步骤:
- 当采样控制信号 VL 为高电平时,使 MOS 管 T 导通,V1 经过电阻 R1 和 MOS管 T,给电容 Ch 充电。
- 若取 R1=RF,则充电结束后 V0=VC=−V1。
- 当采样控制信号 VL 跌落回电平时,MOS 管 T 截止,电容 Ch 上的电压不会突变,所以 V0 也能保持一段时间,采样结果得以被记录下来。
量化采样得到的数字量,必须为某个规定的最小数值单位的整数倍,这个转换过程称为量化,所取的最小数量单位称为量化单位 Δ。数字信号最低有效位 LSB 的 1 所代表的数量大小就等于 Δ。
因为模拟电压是连续的,不一定能被 Δ 整除,因此会出现量化误差。
量化级越细,量化误差就越小,所用二进制代码的位数就越多,电路也越复杂。
编码将量化的结果用二进制(或其他进制)表示出来,称为编码。
ADC 常见类型
并联比较型(Flash) 并联比较型 ADC 又称 Flash ADC,属于直接 ADC,能将输入的模拟电压直接转换为输出的数字量,不需要经过中间变量转换。它由一系列电压比较器组成,每个比较器将输入信号与唯一的分压后的参考电压进行比较。比较器的输出连接编码器电路的输入,产生二进制的输出。
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不仅在操作理论方面是最简单的,而且在速度方面也是最有效的 ADC 技术,仅受比较器和栅极传播延迟的限制。不幸的是,对于任何给定数量的输出位,它是最密集的组件
并联比较型 ADC 的转换速度是最快的,但缺点是需要使用很多电压比较器和大规模的代码转换电路(常见的并联比较型输出大都在 8 位以下)。
逐次逼近型逐次逼近型(Successive Approximation)ADC 采用的是一种反馈比较型电路结构。由比较器、DAC、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑等组成:
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其原理是,设定一个数字量,通过 DAC 得到一个对应的输出模拟电压。将这个模拟电压和输入的模拟电压信号从最高位开始顺序地相比较,如果两者不相等,则调整所取的数字量,直到两个模拟电压相等为止,最后所取的这个数字量就是所求的转换结果。其过程像用天平去称量位置重量的物体,先加大砝码,再逐次添加或换用小砝码。
逐次逼近型 ADC 的优点是速度高,功耗低,在低分辨率(12 位)下具有性价比优势;缺点是转换速率一般,电路规模中等。
双积分型(V-T) 双积分型 ADC 是一种间接 ADC,它首先将输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号,随后在此时间宽度内,对固定频率的时钟进行脉冲计数,计数的值就是正比于模拟输入电压的数字信号。因此,也将这种 ADC 称为电压 - 时间变换型(V-T)ADC。
双积分型 ADC 由积分器、比较器、计数器、控制逻辑和时钟信号源组成,如图:
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双积分型 ADC 的优点是工作性能稳定(两次积分,排除 RC 参数差异)、抗干扰能力强(积分受噪声影响不大);缺点是转换速率低(转换精度依赖于积分时间)。
Σ-Δ 型Σ-Δ 调制型 ADC 的原理与上文的并联型与逐次逼近型 ADC 不同,它不是将采样信号的绝对值进行量化编码,而是将两次相邻采样值之差(增量)进行量化与编码的。其基本结构如下:
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它由线性电压积分器、1 位输出量化器、1 位输入 DAC 和一个求和电路组成。经过量化器处理输出的数字信号 V0,经过 DAC 转换为模拟信号 VF,并负反馈至输入端的求和电路,与输入信号 V1 相减,得到差值 VD。积分器对 VD 作线性积分,输出电压 VINT 至量化器,由量化器量化为 1 位的数字量输出。由于采用 1 为输出的量化器,所以在连续工作的状态下,输出信号 V0 是由 0 和 1 组成的数据流。
Σ-Δ 调制型 ADC 的优点是可以容易地做到高分辨率测量;缺点是转换速率低、电路规模大。
电压 - 频率变换型(V-F) 电压 - 频率变换型(V-F)ADC 是一种间接 ADC。主要由 V-F 变换器(也称为压控振荡器 Voltage Controlled Oscillator,简称 VCO)、计数器及其时钟信号控制闸门、寄存器、单稳态触发器等几部分构成:
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其原理是:
· 将输入的模拟电压信号转换为对应的频率信号。
· 在固定的时间内对频信号率计数。
· 计数结果正比于输入电压的幅值。
ADC 主要参数 · 分辨率 :输出数字量变化一个相邻数值所需输入模拟电压的变化量,一般用二进制的位数表示,分辨率为 n 表示是满刻度 Fs 的 2 的 n 次方分之一。
· 量化误差 :ADC 的有限位数对模拟量进行量化而引起的误差。要准确表示模拟量,ADC 的位数需要很大甚至无穷大,所以 ADC 器件都有量化误差。一个分辨率有限的 ADC 的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的 ADC 转化特性曲线之间的最大偏差就是量化误差。
· 转换速率 :每秒进行转换的次数。
· 转换量程 :ADC 所能测量的最大电压,一般等于参考电压,超过此电压有可能损毁 ADC。当信号较小时可以考虑降低参考电压来提高分辨率,改变参考电压后,对应的转换值也会改变,计算实际电压时需要将参考电压考虑进去,所以说一般参考电压都要做到很稳定且不带有高次谐波。
· 偏移误差 :ADC 输入信号为 0 时,但 ADC 转换输出信号不为 0 的值。
· 满刻度误差 :ADC 满刻度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。
· 线性度 :实际 ADC 的转移函数和理想直线的最大偏移。