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模数转换器的工作原理是什么?

2021年02月21日 11:37来源:河源

模数转换器(Analog to Digital Converter,简称A/D转换器,或ADC),通常是将模拟信号转变为数字信号。作为模拟电路中重要的元器件,本文将会介绍模数转换器的原理、分类及技术指标等基础知识。

ADC的发展

随着电子技术的迅速发展以及计算机在自动检测和自动控制系统中的广泛应用,利用数字系统处理模拟信号的情况变得更加普遍。数字电子计算机所处理和传送的都是不连续的数字信号,而实际中遇到的大都是连续变化的模拟量,模拟量经传感器转换成电信号的模拟量后,需经模/数转换变成数字信号才可输入到数字系统中进行处理和控制,因而作为把模拟电量转换成数字量输出的接口电路-A/D转换器是现实世界中模拟信号向数字信号的桥梁,是电子技术发展的关键和瓶所在。

自电子管A/D转换器面世以来,经历了分立半导体、集成电路数据转换器的发展历程。在集成技术中,又发展了模块、混合和单片机集成数据转换器技术。在这一历程中,工艺制作技术都得到了很大改进。单片集成电路的工艺技术主要有双极工艺、CMOS工艺以及双极和CMOS相结合的BiCMOS工艺。模块、混合和单片集成转换器齐头发展,互相发挥优势,互相弥补不足,开发了适用不同应用要求的A/D和D/A转换器。近年来转换器产品已达数千种。

ADC原理

D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量,以电压或电流的形式输出。

模数转换器的基本工作原理

模数转换一般要经过采样、保持和量化、编码这几个步骤。

ADC的主要类型

目前有多种类型的ADC,有传统的并行、逐次逼近型、积分型ADC,也有近年来新发展起来的∑-Δ型和流水线型ADC,多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。低功耗、高速、高分辨率是新型的ADC的发展方向,同时ADC的这一发展方向将适应现代数字电子技术的发展。

并行比较ADC

并行比较ADC是现今速度最快的模/数转换器,采样速率在1GSPS以上,通常称为"闪烁式"ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。这种结构的ADC所有位的转换同时完成,其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。增加输出代码对转换时间的影响较小,但随着分辨率的提高,需要高密度的模拟设计以实现转换所必需的数量很大的精密分压电阻和比较器电路。输出数字增加一位,精密电阻数量就要增加一倍,比较器也近似增加一倍。

闪烁式ADC的分辨率受管芯尺寸、过大的输入电容、大量比较器所产生的功率消耗等限制。结果重复的并联比较器如果精度不匹配,还会造成静态误差,如会使输入失调电压增大。同,这一类型的ADC由于比较器的亚稳压、编码气泡,还会产生离散的、不精确的输出,即所谓的"火花码"。这类ADC的优点是模/数转换速度最高,缺点是分辨率不高,功耗大,成本高。

半闪烁式adc的原理框

现代发展的高速 ADC电路结构主要采用这种全并行的ADC,但由于功率和体积的限制,要制造高分辨率闪烁式ADC是不现实的。

由两个较低分辨率的闪烁式ADC构成较高分辨率的半闪烁式ADC或分级型ADC是当今世界制造高速ADC的主要方式。2所示是一个8位的两级并行半闪烁式ADC的原理框。其转换过程分为两步:

第一步是粗化量化。先用并行方式进行高4位的转换,作为转换后的高4位输出,同时再把数字输出进行D/A转换,恢复成模拟电压。

第二步是进一步细化量化。把原输入电压与D/A 转换器输出的模拟电压相减,其差值再进行低4全的A/D转换。然后将上述两级A/D转换器的数字输出并联后作为总的输出。这样,在转换速度上作出了一点牺牲,但解决了分辨率提高和元件数目刷增的矛盾。

逐次逼近型adc的原理

逐次逼近型ADC

逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模/数转换方法,它由比较器、D/A转换器、比较寄存器SAR、时钟发生器以及控制逻辑电路组成,将采样输入信号与已知电压不断进行比较,然后转换成二进制数。

其原理如3所示,首先将DAC的最高有效位MSB保存到SAR,接着将该值对应的电压与输入电压进行比较。比较器输出被反馈到DAC,并在一次比较前对其进行修正。在逻辑控制电路和时钟驱动下,SAR不断进行比较和移位操作,直到完成LSB的转换,此时所产生的 DAC输出逼近输入电压的±1/2LSB。当每一位都确定后,转换结果被锁存到SAR并作为ADC输出。

积分型ADC

积分型adc原理

积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC,是应用比较广泛的一类转换器。它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。与此同时,在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数,从而实现A/D转换。其原理如4所示。其工作分为两个阶段,第一阶段为采样期;第二阶段为比较期。通过两次积分和计数器的计数可以得到模拟信号的数字值D=2nV1/VR,其中n为计数器的位数,V1为输入电压在固定时间间隔内的平均值。

压频变换型ADC

前面所讲到的并行比较ADC和逐次逼近型ADC均属于直接转换ADC,而积分型和下面所讲到的压频变换型ADC则属于间接ADC。压频变换型ADC是先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号,然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数,计数结果即为正比于输入模拟电压信号的数字量。从理论上讲,这种ADC的分辨率可以无限增加,只要采用时间长到满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度即可。其优点是:精度高、价格较低、功耗较低。缺点是:类似于积分型ADC,其转换速率受到限制,12位时为100~300SPS。

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