AD转换器

模拟数字转换器即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 。

模数转换器的种类很多,按工作原理的不同,可分成间接ADC和直接ADC。

间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率,然后再把这些中间量转换成数字量,常用的有中间量是时间的双积分型ADC。

并联比较型ADC:由于并联比较型ADC采用各量级同时并行比较,各位输出码也是同时并行产生,所以转换速度快是它的突出优点,同时转换速度与输出码位的多少无关。并联比较型ADC的缺点是成本高、功耗大。因为n位输出的ADC,需要2n个电阻,(2n-1)个比较器和D触发器,以及复杂的编码网络,其元件数量随位数的增加,以几何级数上升。所以这种ADC适用于要求高速、低分辩率的场合。

逐次逼近型ADC:逐次逼近型ADC是另一种直接ADC,它也产生一系列比较电压VR,但与并联比较型ADC不同,它是逐个产生比较电压,逐次与输入电压分别比较,以逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型ADC每次转换都要逐位比较,需要(n+1)个节拍脉冲才能完成,所以它比并联比较型ADC的转换速度慢,比双分积型ADC要快得多,属于中速ADC器件。另外位数多时,它需用的元器件比并联比较型少得多,所以它是集成ADC中,应用较广的一种。

双积分型ADC:属于间接型ADC,它先对输入采样电压和基准电压进行两次积分,以获得与采样电压平均值成正比的时间间隔,同时在这个时间间隔内,用计数器对标准时钟脉冲(CP)计数,计数器输出的计数结果就是对应的数字量。双积分型ADC优点是抗干扰能力强;稳定性好;可实现高精度模数转换。主要缺点是转换速度低,因此这种转换器大多应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器仪表中,例如用于多位高精度数字直流电压表中。

AD转换器的主要指标如下：

(1)分辨率(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。分辨率又称精度,通常以数字信号的位数来表示。

(2)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。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。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。因此习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是Ksps和Msps,表示每秒采样千/百万次(Kilo / Million Samples Per Second)。

(3)量化误差(Quantizing Error)。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。

(4)偏移误差(Offset Error)。输人信号为雷时输出信号不为零的值,可外接电位器调至最小。

(5)满刻度误差(Full Scale Error)。满刻度输出时对应的输人信号与理想输人信号值之差。

(6)线性度(Lineafity)。实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移,不包括以上3种误差。

AD的其他指标还有绝对精度(Absolute Accuracy)、相对精度(Relative Accuracy)、微分非线性、单调性和无错码、总谐波失真(THD,Total Harmonic Distotortion)和积分非线性等。

对于AD转换器,选取的标准主要决定于采样频率和位数,以及价格、供货周期、应用情况等其他因数。生产高速AD的主要厂家有AD公司、Maxim公司以及TI公司(也就是BB公司)。这三家公司在高速AD上的产品种类不是很多,根据对各种AD芯片的查阅,选择TI公司的AD转换芯片ADS5422。

ADS5422是14bit的最高采样频率可达62Msps的高速AD转换芯片,采用单- 5V电源供电,在采样频率为10M时其最大动态范围为82dB,最高信噪比达到72dB,其数字量输出可以直接和5V或者3.3V的CMOS芯片连接,模拟量输入的峰峰值为4V,可以直接输人0.5～4.5V的模拟量,封装形式为64脚的扁平四方封装,目前TI的官方报价为29美元/片(一次购买千片以上的单价)。国内也有该芯片出售,国内价格在300元左右。

14bit的AD转换适应信号的范围为10lg(214)dB=42dB,基本上可以适应各种应用场合。ADS5422的采样频率的大小由其输人时钟决定,输入时钟的范围可以在16ns～1μs,输人时钟为16ns时对应采样频率为62MHz,AD可以接受3V或者5V的TTL或者CM0S电平。DSP可以提供该时钟信号,并且可以软件设置输人时钟的各种特征量,包括时钟频率、高电平宽度等,基本上可以满足AD5422对时钟信号的要求。这里确定AD的实际采样频率为60MHz。这样,一秒钟内采样的数据量为50M个,由于DSP系统无法及时处理这些数据,在数据处理之前,必须将这些数据保存起来,使用ΠFO保存1M个数据,也就是20ms内的采样数据,1M个数据采集结束开始信号处理。由于高速AD采样导致信号不稳定,甚至出现错误。将设计多层板,加强布线的合理性,从电路板上尽可能去除干扰;其次提高算法的效率,节省计算时间。

和ADS5422功能接近的其他型号的AD还有AD公司的AD9244。和ADS5422相比,两者数据位数都是14bit,在信噪比上两者相近,时钟输入和操作方法相近,电源都是5V,输出数字信号都可以和3.3V的芯片兼容;其主要优点是功耗是ADS5422的一半,500mW;其主要缺点是输人模拟电压峰峰值为ADS5422的一半,只有2V。

AD公司其他的高速AD芯片还有AD6644,为其早期产品,操作方法和ADS5422、AD9244不一样,AD6644功耗达到1.3W。和AD9244相比,没有什么优点,AD9244是其替代产品。

高速AD的另外一个厂家Maxim公司也有一批高速AD产品,但采样频率在40MHz以上没有14bit数据的AD,其产品优势主要集中在中速AD上。

1、数据端口的设计

由于输出端口为输出口,所以在数据端口的设计时要遵守输出要锁存的设计原则,但对于D/A转换器内部具有锁存器时,可以直接与数据总线相连。

数据端口的设计应考虑D/A 转换器的内部结构和分辨率,目前常见的D/A转换器有:8位,10位、12 位,16位,当分辨率大于总线宽度时,需要增加外部数据锁存器,确保数据的同步。

MOV  AX,N

OUT   PORT1,AL

OUT   PORT2,AH

OUT   PORT3,AL

2、输出周期设定

可用软件定时或硬件定时中断的方法实现输出周期的控制。

这种转换器的基本原理是把输入的模拟信号按规定的时间间隔采样,并与一系列标准的数字信号相比较,数字信号逐次收敛,直至两种信号相等为止。然后显示出代表此信号的二进制数,模拟数字转换器有很多种,如直接的、间接的、高速高精度的、超高速的等。每种又有许多形式。同模拟数字转换器功能相反的称为“数字模拟转换器”,亦称“译码器”,它是把数字量转换成连续变化的模拟量的装置,也有许多种和许多形式。

模拟数字转换器转换精度

1、分辨率

A/D转换器的分辨率以输出二进制(或十进制)数的位数来表示。它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。从理论上讲,n位输出的A/D转换器能区分2n个不同等级的输入模拟电压,能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2n。在最大输入电压一定时,输出位数愈多,分辨率愈高。例如A/D转换器输出为8位二进制数,输入信号最大值为5V,那么这个转换器应能区分出输入信号的最小电压为19.53mV  。

2、转换误差

转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如给出相对误差不大于±LSB/2,这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字  。

模拟数字转换器转换时间

转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始,到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间  。

不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较A/D转换器的转换速度最高,8位二进制输出的单片集成A/D转换器转换时间可达到50ns以内,逐次比较型A/D转换器次之,它们多数转换时间在10-50μs以内。间接A/D转换器的速度最慢,如双积分A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间。在实际应用中,应从系统数据总的位数、精度要求、输入模拟信号的范围以及输入信号极性等方面综合考虑A/D转换器的选用。

模数转换一般要经过采样、量化和编码这几个步骤  。

采样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号,也就是在时间上将模拟信号离散化  。

量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值,把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值  。

编码则是按照一定的规律,把量化后的值用二进制数字表示,然后转换成二值或多值的数字信号流。这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输  。