AD轉換器

a/d 轉換器即模數轉換器，或簡稱 adc，通常是指一個將模擬信號轉變為數位訊號的電子元件。 通常的模數轉換器是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數位訊號。由於數位訊號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準，比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小。而輸出的數字量則表示輸入信號相對於參考信號的大小。 模數轉換器最重要的參數是轉換的精度，通常用輸出的數位訊號的位數的多少表示。轉換器能夠準確輸出的數位訊號的位數越多，表示轉換器能夠分辨輸入信號的能力越強，轉換器的性能也就越好。

基本介紹

• 軟體名稱：a/d 轉換器
• 軟體語言：模數轉換器
• 簡稱：adc
• 工作原理：模擬信號轉換為數位訊號

轉換器的分類

下面簡要介紹常用的幾種類型的基本原理及特點：積分型、逐次逼近型、並行比較型/串並行型、∑-Δ調製型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。 　1）積分型（如tlc7135） 　積分型ad工作原理是將輸入電壓轉換成時間(脈衝寬度信號)或頻率(脈衝頻率)，然後由定時器/計數器獲得數字值。其優點是用簡單電路就能獲得高解析度，但缺點是由於轉換精度依賴於積分時間，因此轉換速率極低。初期的單片ad轉換器大多採用積分型，現在逐次比較型已逐步成為主流。 　2）壓頻變換型（如ad650） 　壓頻變換型（voltage-frequency converter）是通過間接轉換方式實現模數轉換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉換成頻率，然後用計數器將頻率轉換成數字量。從理論上講這種ad的解析度幾乎可以無限增加，只要採樣的時間能夠滿足輸出頻率解析度要求的累積脈衝個數的寬度。其優點是分辯率高、功耗低、價格低，但是需要外部計數電路共同完成ad轉換。 　3）並行比較型/串並行比較型（如tlc5510） 　並行比較型ad採用多個比較器，僅作一次比較而實行轉換，又稱flash(快速)型。由於轉換速率極高，n位的轉換需要2n-1個比較器，因此電路規模也極大，價格也高，只適用於視頻ad轉換器等速度特別高的領域。 　串並行比較型ad結構上介於並行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n/2位的並行型ad轉換器配合da轉換器組成，用兩次比較實行轉換，所以稱為half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實現ad轉換的叫做分級（multistep/subrangling）型ad，而從轉換時序角度又可稱為流水線（pipelined）型ad，現代的分級型ad中還加入了對多次轉換結果作數字運算而修正特性等功能。這類ad速度比逐次比較型高，電路規模比並行型小。 　4）∑-Δ(sigma?/font>delta)調製型（如ad7705） 　∑-Δ型ad由積分器、比較器、1位da轉換器和數字濾波器等組成。原理上近似於積分型，將輸入電壓轉換成時間(脈衝寬度)信號，用數字濾波器處理後得到數字值。電路的數字部分基本上容易單片化，因此容易做到高解析度。主要用於音頻和測量。 　5）電容陣列逐次比較型 　電容陣列逐次比較型ad在內置da轉換器中採用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列da轉換器中多數電阻的值必須一致，在單晶片上生成高精度的電阻並不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本製成高精度單片ad轉換器。最近的逐次比較型ad轉換器大多為電容陣列式的。 　6）逐次比較型（如tlc0831） 　逐次比較型ad由一個比較器和da轉換器通過逐次比較邏輯構成，從msb開始，順序地對每一位將輸入電壓與內置da轉換器輸出進行比較，經n次比較而輸出數字值。其電路規模屬於中等。其優點是速度較高、功耗低，在低分辯率（<12位）時價格便宜，但高精度（>12位）時價格很高。

轉換器的指標

ad轉換器的主要指標如下。 　（1）解析度（resolution）。指數字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。解析度又稱精度，通常以數位訊號的位數來表示。 　（2）轉換速率（conversion rate）。是指完成一次從模擬轉換到數字的ad轉換所需的時間的倒數。積分型ad的轉換時間是毫秒級屬低速ad，逐次比較型ad是微秒級屬中速ad，全並行/串並行型ad可達到納秒級。採樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉換的間隔。為了保證轉換的正確完成，採樣速率（sample rate）必須小於或等於轉換速率。因此習慣上將轉換速率在數值上等同於採樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和msps，表示每秒採樣千/百萬次（kilo / million samples per second）。 　（3）量化誤差（quantizing error）。由於ad的有限解析度而引起的誤差，即有限解析度ad的階梯狀轉移特性曲線與無限解析度ad（理想ad）的轉移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數字量的模擬變化量，表示為1lsb、1/2lsb。 　（4）偏移誤差（offset error）。輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調至最小。 　（5）滿刻度誤差（full scale error）。滿刻度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。 　（6）線性度（lineafity）。實際轉換器的轉移函式與理想直線的最大偏移，不包括以上3種誤差。 　ad的其他指標還有絕對精度（absolute accuracy）、相對精度（relative accuracy）、微分非線性、單調性和無錯碼、總諧波失真（thd，total harmonic distotortion）和積分非線性等。 　對於ad轉換器，選取的標準主要決定於採樣頻率和位數，以及價格、供貨周期、套用情況等其他因數。生產高速ad的主要廠家有ad公司、maxim公司以及ti公司（也就是bb公司）。這三家公司在高速ad上的產品種類不是很多，根據對各種ad晶片的查閱，選擇ti公司的ad轉換晶片ads5422。 　ads5422是14bit的最高採樣頻率可達62msps的高速ad轉換晶片，採用單－ 5v電源供電，在採樣頻率為10m時其最大動態範圍為82db，最高信噪比達到72db，其數字量輸出可以直接和5v或者3．3v的cmos晶片連線，模擬量輸入的峰峰值為4v，可以直接輸人0．5～4．5v的模擬量，封裝形式為64腳的扁平四方封裝，目前ti的官方報價為29美元/片（一次購買千片以上的單價）。國內也有該晶片出售，國內價格在300元左右。 　14bit的ad轉換適應信號的範圍為10lg（214）db=42db，基本上可以適應各種套用場合。ads5422的採樣頻率的大小由其輸人時鐘決定，輸入時鐘的範圍可以在16ns～1μs，輸人時鐘為16ns時對應採樣頻率為62mhz，ad可以接受3v或者5v的ttl或者cm0s電平。dsp可以提供該時鐘信號，並且可以軟體設定輸人時鐘的各種特徵量，包括時鐘頻率、高電平寬度等，基本上可以滿足ad5422對時鐘信號的要求。這裡確定ad的實際採樣頻率為60mhz。這樣，一秒鐘內採樣的數據量為50m個，由於dsp系統無法及時處理這些數據，在數據處理之前，必須將這些數據保存起來，使用Πfo保存1m個數據，也就是20ms內的採樣數據，1m個數據採集結束開始信號處理。由於高速ad採樣導致信號不穩定，甚至出現錯誤。將設計多層板，加強布線的合理性，從電路板上儘可能去除干擾；其次提高算法的效率，節省計算時間。 　和ads5422功能接近的其他型號的ad還有ad公司的ad9244。和ads5422相比，兩者數據位數都是14bit，在信噪比上兩者相近，時鐘輸入和操作方法相近，電源都是5v，輸出數位訊號都可以和3．3v的晶片兼容；其主要優點是功耗是ads5422的一半，500mw；其主要缺點是輸人模擬電壓峰峰值為ads5422的一半，只有2v。 　ad公司其他的高速ad晶片還有ad6644，為其早期產品，操作方法和ads5422、ad9244不一樣，ad6644功耗達到1．3w。和ad9244相比，沒有什麼優點，ad9244是其替代產品。 　高速ad的另外一個廠家maxim公司也有一批高速ad產品，但採樣頻率在40mhz以上沒有14bit數據的ad，其產品優勢主要集中在中速ad上。

設計方法

1、數據連線埠的設計 　由於輸出連線埠為輸出口，所以在數據連線埠的設計時要遵守輸出要鎖存的設計原則，但對於d/a轉換器內部具有鎖存器時，可以直接與數據匯流排相連。
數據連線埠的設計應考慮d/a 轉換器的內部結構和解析度，目前常見的d/a轉換器有：8位，10位、12 位，16位，當解析度大於匯流排寬度時，需要增加外部數據鎖存器，確保數據的同步。 　mov ax，n 　out port1，al 　out port2，ah 　out port3，al 　2、輸出周期設定 　可用軟體定時或硬體定時中斷的方法實現輸出周期的控制。

基本工作原理

d/a轉換器是計算機或其它數字系統與模擬量控制對象之間聯繫的橋樑，它的任務是將離散的數位訊號轉換為連續變化的模擬信號。在工業控制領域中，d/a轉換器是不可缺少的重要組成部分。
以下以一個四位的d/a轉換器說明d/a轉換器的工作原理： 　當d3=1 i3=vd/2r=vref/（1×2r） 　當d3=0 i3=0 　當d2=1 i2=vd/2r=vref/（2×2r） 　當d2=0 i2=0 　當d1=1 i1=vd/2r=vref/（4×2r） 　當d1=1 i1=0 　當d0=1 i0=vd/2r=vref/（8×2r） 　當d0=1 i0=0 　vout=－iout1×rf 　由此可見：隨著d3-d0的取值（0、1）的不同在運放輸出端可以得到不同的電壓量。如果用數字量來控制電子開關的通斷（1表示接通，0表示斷開） 　例如：d3d2d1d0 vout 　0000 0v 　0001 1/24vref*rf/r 　0010 2/24 vref*rf/r 　0011 3/24 vref*rf/r 　15/24 vref*rf/r 　可見：在輸出端可得到與輸入數字量成正比的模擬電壓量。