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A/D转换器 更新时间:2014-08-06 10:37

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A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量.模拟量可以是电压、电流等电信号,也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前,输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后,输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。

A/D转换器的概述

  •   将模拟信号转换成数字信号的电路,称为模数转换器(简称a/d转换器或adc,analog to digital converter),A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号,因此,A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中,这些过程有的是合并进行的,例如,取样和保持,量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。

    A/D转换的转换过程

A/D转换器的工作原理

  •   主要介绍以下三种方法:逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法

      1、逐次逼近法

      逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路,转换的时间为微秒级。

      采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成,如图4.21所示。

      基本原理是从高位到低位逐位试探比较,好像用天平称物体,从重到轻逐级增减砝码进行试探。

      逐次逼近法

     

       

    逐次逼近式A/D转换器原理框图

      逐次逼近法  转换过程是:初始化时将逐次逼近寄存器各位清零;转换开始时,先将逐次逼近寄存器最高位置1,送入D/A转换器,经D/A转换后生成的模拟量送入比较器,称为    Vo,与送入比较器的待转换的模拟量Vi进行比较,若Vo<Vi,该位1被保留,否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1,将寄存器中新的数字量送D/A转换器,输出的    Vo再与Vi比较,若Vo<Vi,该位1被保留,否则被清除。重复此过程,直至逼近寄存器最低位。转换结束后,将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器,得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。

      2、双积分法

      采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。如图4.22所示。

      基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔,再把此时间间隔转换成数字量,属于间接转换。

      双积分法

    双积分式A/D转换的原理框图

      图4.22  双积分式A/D转换的原理框图

      双积分法A/D转换的过程是:先将开关接通待转换的模拟量Vi,Vi采样输入到积分器,积分器从零开始进行固定时间T的正向积分,时间T到后,开关再接通与Vi极性相反的基准电压VREF,将VREF输入到积分器,进行反向积分,直到输出为0V时停止积分。Vi越大,积分器输出电压越大,反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值,就是输入模拟电压Vi所对应的数字量,实现了A/D转换。

      3、电压频率转换法

      采用电压频率转换法的A/D转换器,由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成,如图4.23所示。

      它的工作原理是V/F转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。

      电压频率转换法

    电压频率式A/D转换原理框图

      图4.23 电压频率式A/D转换原理框图

      电压频率转换法的工作过程是:当模拟电压Vi加到V/F的输入端,便产生频率F与Vi成正比的脉冲,在一定的时间内对该脉冲信号计数,时间到,统计到计数器的计数值正比于输入电压Vi,从而完成A/D转换。

A/D转换器性能指标

  •   1、分辨率

      2、稳定时间(又称转换时间)

      3、量程

      4、精度

A/D转换器的发展趋势

  •   当前,数字处理系统正在飞速发展,在视频领域,高清晰度数字电视系统(HDTV)的出现,将广播电视推向了一个更高的台阶,HDTV的分辨率与普通电视相比至少提高了一倍。在通信领域,过去无线通信系统的设计都是静态的,只能在规定范围内的特定频段上使用专用调制器、编码器和信道协议。而软件无线电技术(SDR)能更加灵活、有效地利用频谱,并能方便地升级和跟踪新技术,大大地推动了无线通信系统的发展。在高精度测量领域,高级仪表的分辨率在不断提高,电流到达μA量级,电压到达mV甚至更低;在音频领域,各种高性能专业音频处理设备不断涌现,如DVD-Audio和超级音频CD(SACD),它们能处理更高质量的音频信号。

      为了满足数字系统的发展要求,A/D转换器的性能也必须不断提高,它将主要向以下几个方向发展:

      1.高转换速度: 现代数字系统的数据处理速度越来越快,要求获取数据的速度也要不断提高。比如,在软件无线电系统中,A/D转换器的位置是非常关键的,它要求A/D转换器的最大输入信号频率在1GHz和5GHz之间,以目前的技术水平,还很难实现。因此,向超高速A/D转换器方向发展的趋势是清晰可见的。

      2.高精度:现代数字系统的分辨率在不断提高,比如,高级仪表的最小可测值在不断地减小,因此,A/D转换器的分辨率也必须随之提高;在专业音频处理系统中,为了能获得更加逼真的声音效果,需要高精度的A/D转换器。目前,最高精度可达24位的A/D转换器也不能满足要求。现在,人们正致力于研制更高精度的A/D转换器。

      3.低功耗:片上系统(SOC)已经成为集成电路发展的趋势,在同一块芯片上既有模拟电路又有数字电路。为了完成复杂的系统功能,大系统中每个子模块的功耗应尽可能地低,因此,低功耗A/D转换器是必不可少的。在以往的设计中,5MSPS8~12位分辨率A/D转换器的典型功耗为100~150mW。这远不能满足片上系统的发展要求,所以,低功耗将是A/D转换器一个必然的发展趋势。

       总之,各种技术和工艺的相互渗透,扬长避短,开发出适合各种应用场合,能满足不同需求的A/D转换器,将是模拟/数字转换技术的未来发展趋势;高速、高精度、低功耗A/D转换器将是今后数据转换器发展的重点。

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