ADC种类及参数选择.doc

ADC的分类特性和参数选择尽管A/D转换器的种类很多，但目前广泛应用的主要有：逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器、V/F变换式A/D转换器，新型的-型A/D转换器。逐次逼近寄存器型(SAR)模拟数字转换器(ADC)是采样速率低于5Msps (每秒百万次采样)的中等至高分辨率应用的常见结构。SAR ADC的分辨率一般为8位至16位，具有低功耗、小尺寸等特点。这些特点使该类型ADC具有很宽的应用范围，例如便携/电池供电仪表、笔输入量化器、工业控制和数据/信号采集等。顾名思义，SAR ADC实质上是实现一种二进制搜索算法。所以，当内部电路运行在数兆赫兹(MHz)时，由于逐次逼近算法的缘故，ADC采样速率仅是该数值的几分之一。SAR ADC的架构：尽管实现SAR ADC的方式千差万别，但其基本结构非常简单(见图1)。模拟输入电压(VIN)由采样/保持电路保持。为实现二进制搜索算法，N位寄存器首先设置在中间刻度(即：100. .00，MSB设置为1)。这样，DAC输出(VDAC)被设为VREF/2，VREF是提供给ADC的基准电压。然后，比较判断VIN是小于还是大于VDAC。如果VIN大于VDAC，则比较器输出逻辑高电平或1，N位寄存器的MSB保持为1。相反，如果VIN小于VDAC，则比较器输出逻辑低电平，N位寄存器的MSB清0。随后，SAR控制逻辑移至下一位，并将该位设置为高电平，进行下一次比较。这个过程一直持续到LSB。上述操作结束后，也就完成了转换，N位转换结果储存在寄存器内。图1. 简单的N位SAR ADC架构图2给出了一个4位转换示例，y轴(和图中的粗线)表示DAC的输出电压。本例中，第一次比较表明VIN VDAC，位2保持为1。DAC置为01102，执行第三次比较。根据比较结果，位1置0，DAC又设置为01012，执行最后一次比较。最后，由于VIN VDAC，位0确定为1。图2. SAR工作原理(以4位ADC为例)注意，对于4位ADC需要四个比较周期。通常，N位SAR ADC需要N个比较周期，在前一位转换完成之前不得进入下一次转换。由此可以看出，该类ADC能够有效降低功耗和空间，当然，也正是由于这个原因，分辨率在14位至16位，速率高于几Msps (每秒百万次采样)的逐次逼近ADC极其少见。一些基于SAR结构的微型ADC已经推向市场。MAX1115/MAX1116和MAX1117/MAX1118 8位ADC以及分辨率更高的可互换产品MAX1086和MAX1286 (分别为10位和12位)，采用微小的SOT23封装，尺寸只有3mm x 3mm。12位MAX11102采用3mm x 3mm TDFN封装或3mm x 5mm MAX封装。SAR ADC的另一个显着的特点是：功耗随采样速率而改变。这一点与闪速ADC或流水线ADC不同，后者在不同的采样速率下具有固定的功耗。这种可变功耗特性对于低功耗应用或者不需要连续采集数据的应用非常有利(例如，用于PDA 数字转换器)。SAR的深入分析SAR ADC的两个重要部件是比较器和DAC，稍后我们可以看到，图1中采样/保持电路可以嵌入到DAC内，不作为一个独立的电路。SAR ADC的速度受限于：DAC的建立时间，在这段时间内必须稳定在整个转换器的分辨率以内(如：? LSB)比较器，必须在规定的时间内能够分辨VIN与VDAC的微小差异逻辑开销DACDAC的最大建立时间通常取决于其MSB的建立时间，原因很简单，MSB的变化代表了DAC输出的最大偏移。另外，ADC的线性也受DAC线性指标的限制。因此，由于元件固有匹配度的限制，分辨率高于12位的SAR ADC常常需要调理或校准，以改善其线性指标。虽然这在某种程度上取决于处理工艺和设计，但在实际的DAC设计中，元件的匹配度将线性指标限制在12位左右。SAR ADC的主要优点是低功耗、高分辨率、高精度、以及小尺寸。由于这些优势，SAR ADC常常与其它更大的功能集成在一起。SAR结构的主要局限是采样速率较低，并且其中的各个单元(如DAC和比较器)，需要达到与整体系统相当的精度。一般dsp和mcu中集成的8位、12位、16位ADC多数是SAR型的，如ADI(Blackfin),STC，silabs等。双积分式A/D转换器双积分式A/D转换器的基本原理是：先对输入模拟电压进行固定时间的积分，然后转为对标准电压的反相积分，直至积分输入返回初始值，这两个积分时间的长短正比于二者的大小，进而可以得出对应模拟电压的数字量。这种A/D转换器的转换速度较慢，但精度较高。由双积分式发展为四重积分、五重积分等多种方式，在保证转换精度的前提下提高了转换速度。常用的有ICL7135、ICL7109等。-型AD-型AD由积分器、比较器、1位D/A转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。这种转换器的转换精度极高，达到16到24位的转换精度，价格低廉，弱点是转换速度比较慢，比较适合用于对检测精度要求很高但对速度要求不是太高的检验设备。常用的有AD7705、AD7714等。ADCADC由一个调制器以及后序的数字抽样滤波器组成。 调制器由一个带DAC的反馈回路纽成，回路中包括了一个比较器及一个积分器。回路通过时钟同步。基本组成架构见图1所示。转换器拥有非常高的分辨率，可理想的用于转换极宽频率范围(从直流到好几个MHz)的信号。在ADC中，输入信号先通过一个调制器实现过采样，而后由数字滤波器所产生的、采样率较低的高分辨率数据流完成滤波及抽取。的架构模式允许牺牲分辨率来换取速度，或同时折衷换取速度及功耗。正是数据率、分辨率、功耗三者之间密切且不间断的联系，使得转换器格外的灵活。在很多转换器中，分辨率是可编程设定的，从而使单个器件能满足多个不同度量的需求。转换器对输入过采样，因而能在数字域完成大多数的反锯齿滤波。现代的超大型集成电路设计技术已经使得复杂数字滤波器的成本远低于同等的模拟滤波器。原来不同寻常的某些功能，诸如对50Hz及60Hz的带阻滤波，现在已经内置到很多的ADC之中。转换器的运作有别于逐次逼近型(SAR)转换器。SAR转换器获得输入电压的一个“映像”，通过对“映像”的分析决定响应的数字代码。而测量的是一段确定时间的输入信号，其输出响应的数字代码是根据信号的时间平均得来的。对于的工作方式有清晰的认识是很重要的，特别是对于设计中包含多路复用技术及同步的情况。对多个转换器的同步并不困难，因此很容易实现多个转换器的同时刻采样，而比较困难的则是实现转换器与外部事件的同步。转换器还对系统时钟抖动(CIock iftter)有极高的抵抗能力。其过采样功能有效的平均了抖动，降低了其噪声影响。V/F转换器是把电压信号转换成频率信号，由良好的精度和线性，而且电路简单，对环境适应能力强，价格低廉。适用于非快速的远距离信号的A/D转换过程。常用的有LM311、AD650等。并行比较型AD并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。所有的ADC都需要一个基准，对于高分辨率的转换器来说，拥有一个低噪声、低漂移的基准是至关重要的。大多数的转换器都采用了差分基准输入。一般在DSP和MCU中集成的ADC，通过数模混合的实现方式精度较低，只能达到1012位，且容易受到干扰。数字信号处理器TMS320F2812的片上ADC模块的转化结果往往存在较大误差,最大误差甚至会高达9%,如果这样直接在实际工程中应用ADC,必然造成控制精度降低。TMS320F2812是C2000系列中性能出色的一个，F2812片上集成了12位16通道的数模转化器，理论上精度可以达到01以上。但实际上由于增益误差(5)和偏移误差(2)的存在，使得精度只能在5左右，所以必须对ADC进行校正。主要技术指标：1、分辨率Resolution2、转换速率Conversion Rate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。采样速率必须小于或等于转换速率3、量化误差Quantizing Error：一般用 1LSB和1/2LSB表示4、偏移误差5、满刻度误差6、线性度 任何ADC都包括三个基本功能：抽样、量化和编码。抽样过程将模拟信号在时间上离散化，使之成为抽样信号；量化将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信号；编码则将数字信号最弹簧表示成数字系统所能接受的形式。如何实现这三个功能就决定了ADC的形式和性能。同时，ADC的分辨率越高，需要的转换时间就越长，转换速度就越低，故ADC的分辨率和转换速率两者总是相互制约的。因而在发展高分辨率ADC的同时要兼顾高速，在发展高速ADC的同时要兼顾高分辨率，在此基础上还要考虑功耗、体积、便捷性、多功能、与计算机及通讯网络的兼容性以及应用领域的特殊要求等问题，这样也使得ADC的结构和分类错综复杂。目前，ADC集成电路主要有以下几种类型。 ADC的类型ADC具有各种速率，使用不同的接口电路，并可提供不同的精确度。最常用的ADC类型包括闪速ADC、逐次逼近ADC和sigma-delta ADC。1. 闪速ADC闪速ADC是转换速率最快的一类ADC。闪速ADC在每个电压阶跃中使用一个比较器和一组电阻。因此4位ADC具有16个比较器，8位ADC则具有256个比较器。所有的比较器输出连接到一块逻辑器件上，该逻辑器件根据比较器的电压高低确定输出。闪速ADC的转换速率是比较器延迟和逻辑器件延迟(逻辑器件的延迟通常可以忽略不计)之和。闪速ADC的转换速率很快，但需要占据巨大的IC空间；而且由于所需的比较器数目很大，闪速ADC简直就是功率“黑洞”，需要消耗很高的电流强度。10位闪速ADC所需的电流约为0.5A。闪速ADC的一种变形就是半闪速ADC，该ADC利用内置的数模转换器(DAC)减少了内部比较器的数目。半闪速转换器的转换速率低于真正的闪速转换器，但高于其它类型的ADC。这里将其归为闪速转换器类型。2. 逐次逼近ADC逐次逼近转换器采用一个比较器和计数逻辑器件完成转换。转换的第一步是检验输入是否高于参考电压的一半，如果高于，将输出的最高有效位(MSB)置为1。然后输入值减去输出参考电压的一半，再检验得到的结果是否大于参考电压的1/4，依此类推直至所有的输出位均置“1”或清零。逐次逼近ADC所需的时钟周期与执行转换所需的输出位数相同。3. Sigma-delta ADCSigma-delta ADC采用1位DAC、滤波和附加采样来实现非常精确的转换，转换精度取决于参考输入和输入时钟频率。Sigma-delta转换器的主要优势在于其较高的分辨率。闪速和逐次逼近ADC采用并联电阻或串联电阻，这些方法的问题在于电阻的精确度将直接影响转换结果的精确度。尽管新式ADC采用非常精确的激光微调电阻网络，但在电阻并联中仍然不甚精确。sigma-delta转换器中不存在电阻并联，但通过若干次采样可得到收敛的结果。Sigma-delta转换器的主要劣势在于其转换速率。由于该转换器的工作机理是对输入进行附加采样，因此转换需要耗费更多的时钟周期。在给定的时钟速率条件下，Sigma-delta转换器的速率低于其它类型的转换器；或从另一角度而言，对于给定的转换速率，Sigma-delta转换器需要更高的时钟频率。Sigma-delta转换器的另一劣势在于将占空(duty cycle)信息转换为数字输出字的数字滤波器的结构很复杂，但Sigma-delta转换器因其具有在IC裸片上添加数字滤波器或DSP功能而日益得到广泛应用