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模拟数字转换器的基本原理

作者:时间:2008-02-15来源:中电网

我们处在一个数字时代,而我们的视觉、听觉、感觉、嗅觉等所感知的却是一个模拟世界。如何将数字世界与模拟世界联系在一起,正是模拟数字转换器(ADC)和数字模拟转换器(DAC)大显身手之处。任何一个信号链系统,都需要传感器来探测来自模拟世界的电压、电流、温度、压力等信号。这些传感器探测到的信号量被送到放大器中进行放大,然后通过ADC把模拟信号转化为数字信号,经过处理器、DSP或FPGA信号处理后,再经由DAC还原为模拟信号。所以ADC和DAC在信号链的框架中起着桥梁的作用,即模拟世界与数字世界的一个接口。

信号链系统概要
  
一个信号链系统主要由模数转换器ADC、采样与保持电路和数模转换器DAC组成,见图1。DAC,简单来讲就是数字信号输入,模拟信号输出,即它是一种把数字信号转变为模拟信号的器件。以理想的4 bit DAC为例,其输入有bit0 到bit3,其组合方式有16种。使用R-2R梯形电阻的4bit DAC在假定Vbit0到Vbit3都等于1V时,R-2R间的四个抽头电压有四种,分别为V1到V4。



采样保持电路也叫取样保持电路,它的定义是指将一个电压信号从模拟转换成数字信号时需要保持稳定性直到完成转换工作。它有两个阶段,一个是zero phase,一个是compare phase。采样保持电路的比较器通常要求其offset比较小,这样才能使ADC的精度更好。通常在比较器的后面需要放置一个锁存器,其目的是为了保持稳定性。

在采样电压快速变化时,需要用到具有FET开关的采样与保持电路。当FET开关导通时,输入电压保存在某个位置如C1中,当开关关断时,电压仍保持在该位置中进行锁存,直到下一个采样脉冲的到来。

ADC与DAC在功用上正好相反,它是模拟信号输入,数字信号输出,是一个混合信号器件。

模数转换器ADC

ADC按结构分有很多种,按其采样速度和精度可分为:

多比较器快速(Flash)ADC;

数字跃升式(Digital Ramp)ADC;

逐次逼近ADC;

管道ADC;

Sigma-Delta ADC。

任何一种ADC的输出都等于2的N次方乘以它的增益(输入信号),再除以它的参考电压。

每一种类型的ADC都各具特性,下面重点介绍前三种类型。

由图2可以看出,不同的ADC有着不同的特性,对于Sigma-Delta ADC来讲,其分辨率可以达到24bit以上,但其采样速率比较低。逐次逼近型ADC比较适应于中等采样率、分辨率在16bit以下的应用。管道ADC主要用于高采样率的应用,其分辨率则在16bit以下。多比较器ADC也是一种高速ADC,但因为其体积和功耗较大、分辨率较低,目前应用中很少使用它。



多比较器(Flash)ADC中用到的比较器很多,如一个8位的ADC就需要255个比较器。该类产品采样速率确实很高,但因为多个比较器的存在,其功耗很大,而且管芯也较大。ADC0820、ADC1175等产品都是这种类型的ADC。

数字跃升式ADC是用连续搜索的方法获得编码,因为速率太慢、效率太低,因此很少使用。
  
逐次逼近型ADC在逐次逼近的方法上分为两种,以3比特采样为例,它首先将基准电压分为7个比较电压,使输入信号同时与这7个电压进行比较,最接近的比较电压是表示数值;第二种是将输入电压逐次接近电压的二分之一、四分之一、八分之一等,顺序产生比较后的数字信号。因为变换过程是将输入信号与基准信号比较,所以,基准电压必需是稳定准确的。输入信号的最高电平应保持稳定,充分利用变换器达到高的分辨率。对于任何逐次逼近ADC,都有5个组成部分:第一部分是DAC,其中含有一个算术逻辑测试单元,会比较DAC的输出和模拟信号的输入,直到两者接近;第二部分是输出寄存器;第三部分是比较器,逐次逼近ADC仅含有一个比较器,所以功耗和管芯尺寸都比较小;第四部分是逻辑电路;第五部分是时钟。有一个要求是:DAC的精度一定要高于ADC。

逐次逼近型ADC因其功耗小、成本低、尺寸小以及性能等方面的优点,成为了目前市场上最具成本效益的ADC,也是最常见的ADC。
  
逐次逼近ADC的工作原理是它首先得到最高的有效位,然后是第二个最高有效位,直到得到最后一个。ADCV08832是一个低功耗版本的器件,它的操作电压较低。

ADC的若干应用

第一个实际应用的例子,是使用温度传感器LM19、ADC变换器来读取温度,通过USB接口送入笔记本电脑,见图3。其演示板将很快提供。


第二个应用是远程按键检测,它是用ADC感测很多个按键的输入,然后只有一路产生输出,这样可以节省很多个GPIO接口,实现起来非常方便,比如应用在MP3上等,见图4。


  
第三个应用是电池放电。目前的手机无法看到电池还能支撑多少时间,没有一个量化的概念。利用一个ADC便可以实现让用户知道手机电池还能支持多长的通话时间。应用例子如诺基亚8250,见图5。其演示板已可以提供。

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