模数转换电路

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章、模数转换电路,2011,年,12,月,1,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,2,1、,AD,基本原理,采样,量化 最大量化误差,LSB/2=2,-N,U,R,/2,编码,3,2、指标,模数转换电路主要技术指标包括：,分辨率,采样速率,精度、满度误差、线性误差、,信噪比,功耗,通道数,供电电压,输入信号范围,数据接口,封装形式,4,转换时间,8bit AD7821 0.66us,16bit ADC71 50us,22bit AD1175K 50ms,6bit AD9006 AD9016 470MSPS,8bit AD0809 100us,12bit AD574 40kSPS,12bit ICL7109,高精度、双积分式,12,位模,/,数变换器,Operates At Up to 30 Conversions/s,5,3.1,、逐次逼近型,1,6,逐次逼近型,特点：,N,次操作 时钟决定转换时间,较快速度，采样速率可达,1MSPS,功耗低,精度较高,结构简单,举例：,ADC0809,AD574,AD7672 3us,7,3.2,、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,8,特点：,分辨率低：8位,电路复杂：,256比较器、译码器、 锁存器,超高速 100,MSPS,译码,3.2,、并行（闪电式、闪烁式 ）,9,半闪烁式,ADC,由于功率和体积等因素的限制，要制造高分辨率闪烁式,ADC,比较困难。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,是制造高速,ADC,的主要方式之一。,例：,ADC600,10,3.3,、积分型模数转换器,表达式与时钟频率无关，只取决参考电压,在积分型,ADC,中采用了积分器，对交流噪声产生的干扰有很强的抑制能力。,优点：分辨率高，可达,22,位，功耗低、成本低。,缺点是：转换速率低，,12,位积分型,ADC,的转换速率为,100,300SPS,。,积分型,ADC,主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表等。,11,3.4,、,V/F,型模数转换器,V/F,型,ADC,和积分型,ADC,都属于间接,ADC,V/F,型,ADC,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，计数结果即为正比于输入模拟电压信号的数字量,从理论上讲，,V/F,型,ADC,的分辨率随着计数定时时间的增加而提高，但受到,V/F,转换精度等因素的限制,其优点是：精度高、价格较低、功耗较低,缺点是：转换速率低，,12,位,V/F,型,ADC,的转换速率为,100,300SPS,。,12,3.5,、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。,13,3.5,、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。,14,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。,缺点为：功耗稍高，当实现高速转换时，需要高阶,-,调制器。,15,基本原理,输入最高频率,f,b,f,s1,=256 f,b,AD7714 AD7705 ADS1605,16,调制器量化原理,17,多路情况,18,4,、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。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。,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，可以选用音频模数转换器,AD1974,；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,AD7142,，它可以将,14,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,ADE71xx,和,ADE75xx,系列；设计误差小于,2,度的温度测量仪表时，可以选用温度模数转换器,AD7814,，其温度测量范围为,-55,度,125,度。,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。,19,4,、模数转换电路选用,采样速率,根据奈奎斯特（,Nyquist,）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，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。,若选用,-,型,ADC,，由于其对输入信号进行了过采样，不需要加抗混叠滤波器。,通道数,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,ADS7864,可实现,500kHz,采样率、,12,位分辨率对,6,路信号同步采样,。,供电电压和功耗,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。,20,4,、模数转换电路选用,输入信号范围,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,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,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。,21,5,、模数转换技术发展方向,模数转换速度和分辨率提高,16,位,100,200MHz,及,8,10,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,采用,CMOS,工艺和低电压技术开发各种低功耗,ADC,。,TCL5510,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,。,22,专用功能模数转换器,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。,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,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,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：,半导体模数转换器,小于,10 Gsps,超导材料模数转换器,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,23,6,、 典型应用,AD7672,（逐次逼近型）,ADC0809,ad574,24,AD7672,特点：,25,AD7672,框图,26,AD7672,电源电压,27,AD7672,输入范围：,28,AD7672,单极性输入输出关系,29,AD7672,单极性失调调零、满度调零,30,失调调零、满度调零过程,31,AD7672,双极性输入（,AD584）,32,AD7672,双极性输入输出关系,33,AD7672,失调调零、满度调零过程,失调调零：,满度调零：,34,AD7672,与,PC,总线连接,启动 ，读低8位,转换结束中断,读高8位,35,原理,36,ADC0809,37,ADC574,38,