模数转换电路课件

第四章、模数转换电路20112011年年1212月月第四章、模数转换电路2011年12月内容内容1、AD基本原理2、指标3、转换类型逐次逼近型并行（闪电式）积分型V/F流水线高分辨率4、模数转换电路选用5、模数转换技术发展方向 6、典型应用内容1、AD基本原理1、AD基本原理采样 量化 最大量化误差LSB/2=2-NUR/2编码1、AD基本原理采样 2、指标模数转换电路主要技术指标包括：分辨率分辨率采样速率采样速率精度、满度误差、线性误差、精度、满度误差、线性误差、信噪比信噪比功耗功耗通道数通道数供电电压供电电压输入信号范围输入信号范围数据接口数据接口封装形式封装形式2、指标模数转换电路主要技术指标包括：转换时间转换时间转换时间转换时间8bit AD7821 0.66us16bit ADC71 50us22bit AD1175K 50ms6bit AD9006 AD9016 470MSPS8bit AD0809 100us12bit AD574 40kSPS12bit ICL7109高精度、双积分式12位模/数变换器 Operates At Up to 30 Conversions/s 转换时间8bit AD7821 0.66us3.1、逐次逼近型1000000000003.1、逐次逼近型100000000000逐次逼近型特点：特点：lN N次操作次操作 时钟决定转换时间时钟决定转换时间l较快速度，采样速率可达较快速度，采样速率可达 1MSPS1MSPSl功耗低功耗低l精度较高精度较高l结构简单结构简单举例：举例：ADC0809ADC0809AD574AD574AD7672 3us AD7672 3us 逐次逼近型特点：3.2、并行（闪电式、闪烁式）组成：电阻分压器、电压比较器、缓冲器及编码器 特点：模数转换速度高,采样速率在1GSPS以上,闪烁式缺点:分辨率不高，功耗大，成本高 3.2、并行（闪电式、闪烁式）组成：电阻分压器、电压比较器 特点：特点：分辨率低：分辨率低：8 8位位电路复杂：电路复杂：256256比较器、译码器、比较器、译码器、锁存器锁存器超高速超高速 100 100MSPS MSPS 译码译码3.2、并行（闪电式、闪烁式）特点：3.2、并行（闪电式、闪烁式）半闪烁式半闪烁式半闪烁式半闪烁式ADC ADC ADC ADC 由于功率和体积等因素的限制，要制造高分辨率闪烁由于功率和体积等因素的限制，要制造高分辨率闪烁式式ADC比较困难。由两个较低分辨率的闪烁式比较困难。由两个较低分辨率的闪烁式ADC构构成较高分辨率的半闪烁式成较高分辨率的半闪烁式ADC或分级型或分级型ADC是制造高是制造高速速ADC的主要方式之一。的主要方式之一。例：例：ADC600半闪烁式ADC 由于功率和体积等因素的限制，要制造高分辨率闪3.3、积分型模数转换器 表达式与时钟频率无表达式与时钟频率无关，只取决参考电压关，只取决参考电压在积分型在积分型ADCADC中采用了中采用了积分器，对交流噪声产积分器，对交流噪声产生的干扰有很强的抑制生的干扰有很强的抑制能力。能力。优点：分辨率高，可优点：分辨率高，可达达2222位，功耗低、成本位，功耗低、成本低。低。缺点是：转换速率低，缺点是：转换速率低，1212位积分型位积分型ADCADC的转换的转换速率为速率为100100300SPS300SPS。积分型积分型ADCADC主要应用于主要应用于低速、精密测量等领域，低速、精密测量等领域，如数字电压表等。如数字电压表等。3.3、积分型模数转换器 表达式与时钟频率无关，只取决参考电3.4、V/F型模数转换器 nV/FV/F型型ADCADC和积分型和积分型ADCADC都属于间接都属于间接ADCADCnV/FV/F型型ADCADC的原理是先将输入模拟电压信号转换成与频率与电压的原理是先将输入模拟电压信号转换成与频率与电压成正比的脉冲信号，定时时间内对脉冲信号进行计数，计数结成正比的脉冲信号，定时时间内对脉冲信号进行计数，计数结果即为正比于输入模拟电压信号的数字量果即为正比于输入模拟电压信号的数字量n从理论上讲，从理论上讲，V/FV/F型型ADCADC的分辨率随着计数定时时间的增加而提的分辨率随着计数定时时间的增加而提高，但受到高，但受到V/FV/F转换精度等因素的限制转换精度等因素的限制n其优点是：精度高、价格较低、功耗较低其优点是：精度高、价格较低、功耗较低n缺点是：转换速率低，缺点是：转换速率低，1212位位V/FV/F型型ADCADC的转换速率为的转换速率为100100300SPS300SPS。3.4、V/F型模数转换器 V/F型ADC和积分型ADC都属3.5、流水线型模数转换器 具有简单重复的结构，良好的线性和低失调特性，较高的转换速率和分辨率。缺点是流水线太长会影响转换速度，需要严格的时序控制以及对工艺要求较高。3.5、流水线型模数转换器 具有简单重复的结构，良好的线性和3.5、高分辨率A/D -型ADC不是直接根据抽样信号的幅值大小进行量化编码，而是根据前一量化值与后一量化值的差值的大小来进行编码。-调制器以极高的采样频率对输入模拟信号进行采样，并将两个采样之间的差值进行1位数字量化，从而得到用1位数码表示的数字信号；将这种-调制器输出的1位数字信号送到数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。3.5、高分辨率A/D -型ADC不是直接根据抽样信号n优点为：由于-调制器的采样速率，比奈奎斯特采样频率高出许多倍，因此，-模数转换器又称为过采样A/D转换器，在-模数转换器前面不需要加抗混叠滤波器；这种类型的ADC采用了1位数字量化器，从而大大减小了模数转换器的制作难度；-模数转换器采用了-调制技术和数字抽取滤波技术，可以获得极高的分辨率，可以达到24位；由于采用了1位数字量化器，采样与量化编码可以同时完成，不需要采样保持电路，简化了系统结构。n缺点为：功耗稍高，当实现高速转换时，需要高阶-调制器。优点为：基本原理基本原理输入最高频率输入最高频率fb fs1=256 fbAD7714 AD7705 ADS1605基本原理输入最高频率fb fs1=256 fb调制器量化原理调制器量化原理调制器量化原理多路情况多路情况多路情况4、模数转换电路选用 根据其应用场合，在考虑主要技术指标的同时，兼顾其它因素。根据其应用场合，在考虑主要技术指标的同时，兼顾其它因素。针对实际应用的具体要求尽量做到选型合理，简化设计、提高性针对实际应用的具体要求尽量做到选型合理，简化设计、提高性能、降低成本、提高性价比。能、降低成本、提高性价比。专用功能模数转换器专用功能模数转换器采用专用功能模数转换器可以大大减轻了设计负担、降低采用专用功能模数转换器可以大大减轻了设计负担、降低产品成本和提供高仪器可靠性。因此，专用功能模数转换产品成本和提供高仪器可靠性。因此，专用功能模数转换器是首选目标。如对音频信号进行采集、储存和处理时，器是首选目标。如对音频信号进行采集、储存和处理时，可以选用音频模数转换器可以选用音频模数转换器AD1974AD1974；对多路电容式传感器进；对多路电容式传感器进行检测时，可以选用电容式模数转换器行检测时，可以选用电容式模数转换器AD7142AD7142，它可以将，它可以将1414路电容式传感器的电容量转换为数字量；设计电表时可路电容式传感器的电容量转换为数字量；设计电表时可以直接采用电能计量模数转换器以直接采用电能计量模数转换器ADE71xxADE71xx和和ADE75xx ADE75xx 系列；系列；设计误差小于设计误差小于22度的温度测量仪表时，可以选用温度模度的温度测量仪表时，可以选用温度模数转换器数转换器 AD7814AD7814，其温度测量范围为，其温度测量范围为-55-55度度125度。度。分辨率和信噪比分辨率和信噪比分辨率是模数转换器最主要的技术指标之一。在选择模数分辨率是模数转换器最主要的技术指标之一。在选择模数转换器时，分辨率必需满足要求，而且一定要考虑其信噪转换器时，分辨率必需满足要求，而且一定要考虑其信噪比、使用环境等因素，使实际转换精度符合要求。比、使用环境等因素，使实际转换精度符合要求。4、模数转换电路选用 根据其应用场合，在考虑主要技术指标的同4、模数转换电路选用 采样速率采样速率l根据奈奎斯特（根据奈奎斯特（NyquistNyquist）采样定理，采样速率必须大于输入）采样定理，采样速率必须大于输入信号最高频率的两倍，才可以实现不失真采样。在模数转换信号最高频率的两倍，才可以实现不失真采样。在模数转换器前需要对输入信号进行抗混叠滤波，即加低通滤波器。由器前需要对输入信号进行抗混叠滤波，即加低通滤波器。由于一般信号放大器具有有限的带宽，实际起到低通滤波作用，于一般信号放大器具有有限的带宽，实际起到低通滤波作用，因此，在模数转换器采样速率较高情况下，可以省掉低通滤因此，在模数转换器采样速率较高情况下，可以省掉低通滤波器。波器。l若选用若选用-型型ADCADC，由于其对输入信号进行了过采样，不需，由于其对输入信号进行了过采样，不需要加抗混叠滤波器。要加抗混叠滤波器。通道数通道数l在多路信号同步采样情况下，需要采用多通道同步采样模数在多路信号同步采样情况下，需要采用多通道同步采样模数转换器。如转换器。如ADS7864ADS7864可实现可实现500kHz 500kHz 采样率、采样率、12 12 位分辨率对位分辨率对6 6路信号同步采样路信号同步采样。供电电压和功耗供电电压和功耗l在设计电池供电仪表或设备时，在满足分辨率和采样速率等在设计电池供电仪表或设备时，在满足分辨率和采样速率等基本要求后，应尽量采用低功耗、低电源的模数转换器。基本要求后，应尽量采用低功耗、低电源的模数转换器。4、模数转换电路选用 采样速率4、模数转换电路选用 输入信号范围输入信号范围l尽量使模数转换器输入信号范围和要转换的信号范围匹配，使模数转换器的分辨率得到更有效的使用。为使传感器的输出信号直接和模数转换器相连，去掉信号调理电路带来的影响，可以选用分辨率高的-型ADC。数据接口数据接口l根据微处理器的类型、通讯速率和模数转换器应用场合选择模数转换器的数据接口和控制信号接口。性价比性价比l每一种ADC都有各自的优点和缺点。在选用ADC时，不仅要考虑分辨率、速度和功耗等主要指标，还要考虑输入通道类型和数量、输入信号的形式、输入信号范围、供电电源、内部是否有基准电源、是否有采样保持器、数据接口类型等。在满足要求的同时，不需要追求更高指标，因为某项指标更高可能会影响到其它指标，而且价格会成倍增长。4、模数转换电路选用 输入信号范围5、模数转换技术发展方向模数转换速度和分辨率提高 16位100200MHz及810位10GHz的高性能 A/D转换器是先进雷达、电子战和通讯系统的关键器件之一，是未来重点发展目标和方向。2004年美国国家半导体公司ADC081000 8位模拟数字转换器采用折叠/内插结构，采样率高达1.6GHz，1.9V额定供电电压，功耗不超过1.4W，具有低噪音、低失真特性，采用低电压差分信号传输（LVDS）接口。2006年ADC08B3000芯片,3GSPS的速度捕捉输入信号，然后将有关数据存入4KB的先进先出(FIFO)存储器缓冲器，再由一个或两个8位的CMOS输出总线以不超过400Mbps的较低速度将模拟/数字转换器先进先出缓冲器的数据传往处理器，功耗不超3.6W。2007年德州仪器(TI),400 MSPS 的14 位模数转换器 ADS5474。能够支持各种高带宽应用，其中包括测试与测量设备、软件无线电、雷达系统以及通信仪表等。2007年Cirrus Logic公司.CS5560 分辨率为24位，转换率为50kSPS；CS5570 的分辨率为16位，转换率为100kSPS；CS5580/81的分辨率为14位，转换率为200kSPS。国内复旦大学,）中等分辨率（）高速模数转换器。低功耗l采用CMOS工艺和低电压技术开发各种低功耗ADC。lTCL5510是美国TI公司生产的采用CMOS工艺制造的位高阻抗并行A/D芯片，能提供的采样率为20MSPS。由于采用了半闪速结构及CMOS工艺，因而大大减少了器件中比较器的数量，TCL5510的功耗仅为130mW。5、模数转换技术发展方向模数转换速度和分辨率提高 专用功能模数转换器l专用功能模数转换器内部集成了其他功能模块，如音频模数转换器AD1974、电容数字转换器（CDC）AD7142、电能计量模数转换器ADE71xx和ADE75xx 系列、隔离模数转换器AD7400、温度模数转换器 AD7814和视频解码器ADV718x、ADV74xx系列。l专用功能模数转换器减轻了设计负担、降低了成本、灵活方便、提供高可靠性。外围器件集成l将基准电源、采样保持器和增益放大器和模数转换电路集成在一块芯片上。与计算机及通信网络的兼容性l数据和控制信号接口与计算机及通信网络兼容，如并行接口、USART、LVDS、I2C、PWM、SPI和USB等。光学模数转换器的发展模数转换器从采用的技术上来说主要有3种：l半导体模数转换器,小于10 Gspsl超导材料模数转换器l光学模数转换器（OADC）目前对光学模数转换器的研究,主要集中在微波数字雷达。1 000 Gsps采样速率的装置，使其具有对毫米波信号进行直接宽带模数转换的能力。光学模数转换技术还处于探索阶段,具有广阔的研究前景。5、模数转换技术发展方向专用功能模数转换器5、模数转换技术发展方向6、典型应用AD7672（逐次逼近型）ADC0809ad5746、典型应用AD7672（逐次逼近型）AD7672特点：特点：特点：特点：AD7672特点：AD7672框图框图框图框图AD7672框图AD7672电源电压电源电压电源电压电源电压AD7672电源电压AD7672输入范围：AD7672输入范围：AD7672单极性输入输出关系AD7672单极性输入输出关系AD7672单极性失调调零、满度调零AD7672单极性失调调零、满度调零失调调零、满度调零过程失调调零、满度调零过程AD7672双极性输入（AD584）AD7672双极性输入（AD584）AD7672双极性输入输出关系AD7672双极性输入输出关系AD7672失调调零、满度调零过程失调调零：满度调零：AD7672失调调零、满度调零过程失调调零：满度调零：AD7672 与PC总线连接启动启动，读低，读低8位位转换结束转换结束中断中断读高读高8位位AD7672 启动，读低8位转换结束中断读高8位原理原理原理ADC0809ADC0809ADC574ADC574