1、不同原理不同原理A/DA/D轉(zhuǎn)換電路的原理轉(zhuǎn)換電路的原理引言 隨著時代的發(fā)展，電子技術(shù)日趨于高精度隨著時代的發(fā)展，電子技術(shù)日趨于高精度化即數(shù)字化。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，我們所化即數(shù)字化。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，我們所遇到的信號大都是連續(xù)變化的模擬量，因此，遇到的信號大都是連續(xù)變化的模擬量，因此，需要一種接口電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信需要一種接口電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。號。A/DA/D轉(zhuǎn)換器正是基于這種要求應(yīng)運(yùn)而生。轉(zhuǎn)換器正是基于這種要求應(yīng)運(yùn)而生。A/D轉(zhuǎn)換電路過程1. 取樣2. 保持3. 量化4. 編碼 A/D A/D轉(zhuǎn)換器有轉(zhuǎn)換器有直接轉(zhuǎn)換法直接轉(zhuǎn)換法和和間接轉(zhuǎn)換法間接轉(zhuǎn)換法兩大類。兩大類。

2、 直接法是通過一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行直接法是通過一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行比較比較，從，從而而直接直接將模擬量將模擬量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度高工作速度高，轉(zhuǎn)換精，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。直接直接A/DA/D轉(zhuǎn)換器有計(jì)數(shù)型、逐次轉(zhuǎn)換器有計(jì)數(shù)型、逐次比較型、并行比較型比較型、并行比較型等。等。 間接法是將取樣后的模擬信號先轉(zhuǎn)換成間接法是將取樣后的模擬信號先轉(zhuǎn)換成中間變量中間變量時間時間t t或頻或頻率率f f, , 然后再將然后再將t t或或f f轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度較低工作速度較低，但

3、，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強(qiáng)。，且抗干擾性強(qiáng)。間接間接A/DA/D轉(zhuǎn)換器有單次轉(zhuǎn)換器有單次積分型、雙積分型積分型、雙積分型等。等。A/DA/D轉(zhuǎn)換器的分類轉(zhuǎn)換器的分類常見的常見的A/DA/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器并行比較型轉(zhuǎn)換器并行比較型轉(zhuǎn)換器電壓頻率電壓頻率A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器循環(huán)余數(shù)式循環(huán)余數(shù)式A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器脈寬式脈寬式A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器多斜式積分多斜式積分A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器流水線流水線ADC(ADC(子區(qū)式子區(qū)式) )折疊插值折疊插值( (子區(qū)式子區(qū)式)

4、) - -型型A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 取樣保持 n位DAC 控制邏輯 + - + C 時鐘源 Qn-1Qn-2Qn-3 Q2Q1Q0 逐位逼近寄存器 （SAR） 輸出寄存器 轉(zhuǎn)換控 制信號 模擬輸入 u1 u1 偏移電壓 u0 u0 /2 UREF 比較器 UC CP US dn-1(MSB) dn-2 n位并行 d2 數(shù)字輸出 d1 d0 (LSB) 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D轉(zhuǎn)換器原理圖轉(zhuǎn)換器原理圖 逐次逼近型逐次逼近型ADC優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1)高速，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)100萬次每秒(MSPS)。(2)與其它ADC結(jié)構(gòu)相比，功耗相當(dāng)?shù)汀?3)在要求分辨率很

5、低(14位)情況 下，價格較高。(2)從傳感器產(chǎn)生的輸出信號在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換之前通常對模擬信號進(jìn)行調(diào)理，一般包括增益級和濾波，這樣會明顯提高成本。 R + C5 + C6 + C4 + C3 + C2 + C1 + C0 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 & & & & & & UREF ui d2 d1 d0 R/2 R R R R R R CP 電電 壓壓 比比 較較 器器 FF7 FF6 FF5 FF4 FF3 FF2 FF1 寄寄 存存 器器 編編 碼碼 器器 15U13REF 15U11R

6、EF 15U9REF 15U7REF 15U5REF 15U3REF 15U1REF 并行比較型并行比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 量化電平依據(jù)有舍有量化電平依據(jù)有舍有入劃分為入劃分為7 7個電平。個電平。量化單位為量化單位為 =(2/15)U=(2/15)UREFREF量化誤差為量化誤差為| |maxmax|= (1/15)U|= (1/15)UREFREF電壓比較器電壓比較器 U U+ +U U- -時，時，C Ci i1 1； U U+ +U U- -時，時，C Ci i0 0。 并行式并行式A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：它是模數(shù)轉(zhuǎn)換中速度最高的；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：(1)分辨率不太高；(2)面積和

7、功耗大；(3)成本相當(dāng)高；(4)需要2N一1比較器。雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器基本原理：基本原理：將輸入電壓變換成與其平均值成正比的時間間隔，再把此時間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。先將開關(guān)接通待轉(zhuǎn)換的模擬量i，i采樣輸入到積分器，積分器從零開始進(jìn)行固定時間的正向積分，時間到后，開關(guān)再接通與i極性相反的基準(zhǔn)電壓F，將F輸入到積分器，進(jìn)行反向積分，直到輸出為0V時停止積分。i越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時間也越長。計(jì)數(shù)器在反向積分時間內(nèi)所計(jì)的數(shù)值，就是輸入模擬電壓i所對應(yīng)的數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換優(yōu)點(diǎn)：(1)精度高；(2)功耗較低；(3)成本較低。缺點(diǎn)：

8、轉(zhuǎn)換速率受限制，轉(zhuǎn)換精度隨轉(zhuǎn)換速率的增加而降低。電壓頻率轉(zhuǎn)換法 由計(jì)數(shù)器、控制門及一個具有恒定時間的時鐘門控制信號組成，如圖所示。 它的工作原理是/F轉(zhuǎn)換電路把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與模擬電壓成正比的脈沖信號。電壓頻率轉(zhuǎn)換法 電壓頻率轉(zhuǎn)換法的工作過程是：當(dāng)模擬電壓i加到V/F的輸入端，便產(chǎn)生頻率F與Vi成正比的脈沖，在一定的時間內(nèi)對該脈沖信號計(jì)數(shù)，時間到，統(tǒng)計(jì)到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值正比于輸入電壓Vi，從而完成A/D轉(zhuǎn)換。 圖5 電壓頻率式A/D轉(zhuǎn)換原理框圖 電壓頻率電壓頻率A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：(1)高精度；(2)功耗較低；(3)價格較低，但還需要附加的計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：(1)類

9、似積分型ADC，它的轉(zhuǎn)換速率受限制，轉(zhuǎn)換器的精度隨轉(zhuǎn)換速率增加而降低。100-300 SPS的轉(zhuǎn)換速率對應(yīng)的轉(zhuǎn)換精度一般為12位。(2)需要外部計(jì)數(shù)電路完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。一ADC主要有兩部分來組成：相對較小的模擬調(diào)制部分和較復(fù)雜的數(shù)字濾波部分。眾所周知，ADC的模擬部分是影響它性能和面積的關(guān)鍵部分，而一ADC在獲得很高分辨率的同時，仿真器件并不需要很高的匹配率，這樣設(shè)計(jì)的過采樣ADC不但精度高、功耗低，電路結(jié)構(gòu)本身也具有數(shù)字信號處理能力，很容易制成低通過采樣ADC和帶通過采樣ADC，而并不增加芯片面積。過采樣ADC是通過提高數(shù)字電路的復(fù)雜度，而降低在模擬電路上的技術(shù)要求，換取精度的提高。這是它比其

10、它ADC的獨(dú)特的方面。-A/DA/D轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換：優(yōu)點(diǎn)：(1)分辨率高達(dá)24位；(2)比積分型及壓頻變換型ADC的轉(zhuǎn)換速率高；(3)采用混合信號CMOS制造工藝，在一塊芯片上很容易實(shí)現(xiàn)低價格、高分辨率數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理；(4)由于采用高倍率過采樣技術(shù)，降低了對傳感器信號進(jìn)行濾波的要求，實(shí)際上取消了信號調(diào)理。A/D轉(zhuǎn)換主要技術(shù)指標(biāo)精度：量化間隔(分辨率) = Vmax/電平數(shù)(即滿量程值)例：某8位ADC的滿量程電壓為5V，則其分辨率為5V/256=19.6mV 量化誤差: 用數(shù)字（離散）量表示連續(xù)量時，由于數(shù)字量字長有限而無法精確地表示連續(xù)量所造成的誤差。 (字長越長，精度越高)A/D轉(zhuǎn)換主

11、要技術(shù)指標(biāo)例：滿量程電壓=10V，A/D變換器位數(shù)=10位，則轉(zhuǎn)換時間: 轉(zhuǎn)換一次需要的時間。精度越高（字長越長），轉(zhuǎn)換速度越慢。絕對量化誤差 10/211 = 4.88mV相對量化誤差 1/211 *100% = 0.049%絕對量化誤差=量化間隔/2= (滿量程電壓/2n)/2相對量化誤差 =(1/2)(1/量化電平數(shù)目) 100%輸入動態(tài)范圍: 允許轉(zhuǎn)換的電壓的范圍。如05V、010V等。A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展趨勢v 高轉(zhuǎn)換速度:v 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度越來越快，要求獲取數(shù)據(jù)的速度也要不斷提高。比如，在軟件無線電系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器的位置是非常關(guān)鍵的，它要求A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入信號頻率在1GHz和5GHz之間，以目前的技術(shù)水平，還很難實(shí)現(xiàn)。因此，向超高速A/D轉(zhuǎn)換器方向發(fā)展的趨勢是清晰可見的。A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展趨勢v 高精度：v 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的分辨率在不斷提高，比如，高級儀表的最小可測值在不斷地減小，因此，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率也必須隨之提高;在專業(yè)音頻處理系統(tǒng)中，為了能獲得更加逼真的聲音效果，需要高精度的A/D轉(zhuǎn)換器。目前，最高精度可達(dá)24位的A/D轉(zhuǎn)換器也不能滿足要求?，F(xiàn)在，人們正致力于研制更高精度的A/D轉(zhuǎn)換器。2003200420052006A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展趨勢v 低功耗：v 片上系統(tǒng)(SOC)已經(jīng)成為集成電路發(fā)展