模数转换器ADC

模数转换器ADC

摘要

模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。那么我们应该如何选择模数转换器的类型则是最为重要的，以达到功能性和经济性的良好结合，以下便是我针对数模转换器选择的介绍。

模数转换器的选择

积分型

积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。

逐次比较型

逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。

并行比较型/串并行比较型

并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器。

串并行比较型

Half flash(半快速)型：是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换。

三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。

Σ-Δ调制型

Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。

压频变换型

压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。

优点缺点分析：

我们选型的时候一般需要考虑以下一些参数：

确定A/D转换器的精度：精度是反映转换器的实际输出接近理想输出的精确程度的物理量。

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。

量化误差(Quantizing Error) 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。

在转化过程中，由于存在量化误差和系统误差，精度会有所损失。其中量化误差对于精度的影响是可计算的，它主要决定于A/D转换器件的位数。

一般把8位以下的A/D转换器称为低分辨率ADC，9~12位称为中分辨率ADC，13位以上为高分辨率。A/D器件的位数越高，分辨率越高，量化误差越小，能达到的精度越高。

选择A/D转换器的转换速率

转换速率(Conversion Rate)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。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(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。常用单位是ksps 和Msps，表示每秒采样千/百万次。

选择合适的量程

模拟信号的动态范围较大，有时还有可能出现负电压。在选择时，待测信号的动态范围最好在A/D器件的量程范围内。

选择A/D器件的输出接口

A/D器件接口的种类很多，有并行总线接口的，有SPI、I2C、1-Wire等串行总线接口的。它们在原理和精度上相同，但是控制方法和接口电路会有很大差异。

选择A/D器件的通道数和封装

这与系统有关，通道数要满足整个采集系统的需要。封装则决定PCB布板的时候的大小，而且在高速应用的时候也影响连线的分布参数。

选择A/D器件温度范围

这仅仅与一些苛刻的环境有关，注意每个AD有固定的应用的温度范围。

常用的选型表：

进行数位选择时的注意事项

常用的数模转换器的精度多由其需求的精度来进行确定，这就要求我们在运用一定的算法的前提下，要总和对魔术转换器内的传感器、转换器、控制机构、信号预处理电路和输出电路的精度进行分析与控制。

一般情况下，我们在考虑两个主要因素，即静态精度和动态平滑性。其中，静态精度是模拟信号在进行数字化转化时所产生的的误差主体。

因此，我们在考虑其静态精度时，要尤其注意输入信号的量化误差随着信号转化而在输出信号时产生的误差。现在使用的大多数测量装置的精度一般不小于0.1%，一般取0.05%-0.1%之间，与其相对应的二进制数（包含号位）为11-12位，一次来提高静态精度。如果其量程很大时，我们可以采用双精度的转换方案以满足量程的需求。

当在进行动态平滑性考虑时，可以用软件程度来模拟其数学模型的动态曲线，然后通过不断的改变模拟的位数来对动态曲线进行调整，然后选取所需平滑程度的动态曲线，并确定出模拟该动态曲线所使用的位数。一般来说分辨率越高，平滑性越好。数位在13位以上的具有较高的分辨率，其平滑性较好；在9-12位间的位中等分辨率，其平滑性一般；在8位一下的位低分辨率，其平滑性较差，要适当选择其位数，避免选取的过低以影响精度，也不要选取的过高以增加成本。通过以上对选择模数转换器的技术指标和注意事项的介绍，使得我对其基础知识有了初步的了解，可以帮助我在更深的学习中打下坚实的基础。