AD转换器解析

主要技术指标
• ADC分辨率：指输出数字量变化一个最低有效位(LSB)所
需的输入模拟电压的变化量。
• ADC的精度：决定于量化误差及系统内其他误差之总和。
一般精度指标为满量程的±0. 02% ,高精度指标为满量程 的0. 001%。
• 转换速率：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。
换速率极低。
双积分型ADC • 双积分型ADC：是1种V—T型A/D转换器，
• 由积分器、比较器、计数器和部分控制电路组成。
• 最大优点：是工作稳定，抗干扰能力强。 • 最大缺点：是速度较慢，所以主要用于数字电压
表等低速测试系统中。 • 转换精度主要取决于位数、运算放大器和比较器 的灵敏度和零点漂移等因素，高精度的价格较贵。
• 自电子管ADC面世以来,经历了分立半导体、集成 电路数据转换器的发展历程。
• 计算机、数字通讯等数字系统是处理数字信号的 电路系统。然而，在实际应用中，遇到的大都是 连续变化的模拟量，因此，需要一种接口电路将 模拟信号转换为数字信号。A/D转换器正是基于这 种要求应运而生的。
• 1970年代初，由于MOS工艺的精度还不够高，模拟部分采 用双极工艺，数字部分采用MOS工艺，两部分不能做在同 一个芯片上。因此，A/D转换器只能采用多芯片方式实现， 成本很高。 • 1975年，一个采用NMOS工艺的10位逐次逼近型A/D转换器 成为最早出现的单片A/D转换器。 • 1976年，出现了分辨率为11位的单片CMOS积分型A/D转换 器。此时的单片集成A/D转换器中，数字部分占主体，模 拟部分只起次要作用；此时的MOS工艺相对于双极工艺还 存在许多不足。 • 1980年代，出现了采用BiCMOS工艺制作的单片集成A/D转 换器，但是工艺复杂，成本高。
电容阵列逐次比较型
• 电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电 容矩阵方式,也可称为电荷再分配型。
• 一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一 致,在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。 • 如果用电容阵列取代电阻阵列,可以用低廉成本制 成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转 换器大多为电容阵列式的。
积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD,逐次比 较型AD是微秒级属中速AD,全并行/串并行型AD可达 到纳秒级。
• 量化误差：由于AD 的有限分辨率而引起的误差,即有限
分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率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。 • 此外还要注意其它一些特性，如输入通道数（即A/D转换 路数）、输出方式，其中包括输出编码方式（如2进制码、 BCD码、7段显示译码）、输出逻辑电平（CMOS、LSTTL） 与微机接口能力等。
• A/D转换器（ADC）是将模拟信号转换成数 字信号的电路 • A/D转换过程包括取样、保持、量化和编码 4个步骤，一般，前2个步骤在取样-保持电 路中1次性完成，后2个步骤在A/D转换电路 中1次性完成。
• 量化：即化模拟量为数字量的过程，取样保持后 的样点值仍是连续的模拟信号，为了用数字量表 示，必须将其化成某个最小数量单位△的整数倍。 有只舍不入式量化和有舍有入式量化2种。 • 编码：转换之后的数字可以用10进制表示，也可 以用2进制数表示，或用BCD码表示等。一般多用2 进制码。
并行比较型/串并行比较型(如TLC5510)
• 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型。 • 由于转换速率极高, n位的转换需要2n - 1 个比较器,因此电路规模也极大,价格也高, 只适用于视频AD 转换器等速度特别高的领 域。
• 串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次 比较型之间,最典型的是由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,所以称为Halfflash型。
• 随着CMOS工艺的不断发展，采用CMOS工艺制作单片A/D转 换器已成为主流。这种A/D转换器的成本低、功耗小。 • 1990年代，便携式电子产品的普遍应用要求A/D转换器的 功耗尽可能地低。当时的A/D转换器功耗为mW级，而现在 已经可以降到μW级。A/D转换器的转换精度和速度也在不 断提高 • 目前，A/D转换器的转换速度已达到数百MSPS，分辨率已 经达到24位。
压频变换型(如AD650)
• 压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。 • 原理:首先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。 • 从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加,只 要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累 积脉冲个数的宽度。 • 优点:分辨率高、功耗低、价格低,但是需要外部 计数电路共同完成AD转换。
• 初期的单片ADC大多采用积分型,现在逐次 比较型已逐步成为主流。
逐次逼近型(如TLC0831) • 一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑 构成,从最高有效位开始,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。 • 优点是结构简单、速度较高、功耗低,在低 分辨率( < 12位)时价格便宜,但高精度( > 12位)时价格很高。
Σ-Δ调Biblioteka Baidu型(如AD7701)
• Σ- Δ型ADC以很低的采样分辨率( 1位)和很高的 采样速率将模拟信号数字化,通过使用过采样、噪 声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率,然后对 ADC输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率。
• Σ-Δ型ADC的电路结构是由非常简单的模拟电路 和十分复杂的数字信号处理电路构成。
常用的ADC类型 • • • • • • 积分型 逐次逼近型 并行比较型/串并行型 Σ -Δ调制型 电容阵列逐次比较型 压频变换型
积分型ADC
• 工作原理:是将输入电压转换成时间或频率,然后
由定时器/计数器获得数字值。
• 优点:是用简单电路就能获得高分辨率
• 缺点：是由于转换精度依赖于积分时间,因此转