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          模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的基本原理

          作者: 時間:2008-02-15 來源:中電網(wǎng) 收藏

          我們處在一個數(shù)字時代,而我們的視覺、聽覺、感覺、嗅覺等所感知的卻是一個模擬世界。如何將數(shù)字世界與模擬世界聯(lián)系在一起,正是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)大顯身手之處。任何一個信號鏈系統(tǒng),都需要傳感器來探測來自模擬世界的電壓、電流、溫度、壓力等信號。這些傳感器探測到的信號量被送到放大器中進(jìn)行放大,然后通過ADC把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,經(jīng)過處理器、DSP或FPGA信號處理后,再經(jīng)由DAC還原為模擬信號。所以ADC和DAC在信號鏈的框架中起著橋梁的作用,即模擬世界與數(shù)字世界的一個接口。

          信號鏈系統(tǒng)概要
            
          一個信號鏈系統(tǒng)主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、采樣與保持電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC組成,見圖1。DAC,簡單來講就是數(shù)字信號輸入,模擬信號輸出,即它是一種把數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號的器件。以理想的4 bit DAC為例,其輸入有bit0 到bit3,其組合方式有16種。使用R-2R梯形電阻的4bit DAC在假定Vbit0到Vbit3都等于1V時,R-2R間的四個抽頭電壓有四種,分別為V1到V4。



          采樣保持電路也叫取樣保持電路,它的定義是指將一個電壓信號從模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號時需要保持穩(wěn)定性直到完成轉(zhuǎn)換工作。它有兩個階段,一個是zero phase,一個是compare phase。采樣保持電路的比較器通常要求其offset比較小,這樣才能使ADC的精度更好。通常在比較器的后面需要放置一個鎖存器,其目的是為了保持穩(wěn)定性。

          在采樣電壓快速變化時,需要用到具有FET開關(guān)的采樣與保持電路。當(dāng)FET開關(guān)導(dǎo)通時,輸入電壓保存在某個位置如C1中,當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時,電壓仍保持在該位置中進(jìn)行鎖存,直到下一個采樣脈沖的到來。

          ADC與DAC在功用上正好相反,它是模擬信號輸入,數(shù)字信號輸出,是一個混合信號器件。

          模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC

          ADC按結(jié)構(gòu)分有很多種,按其采樣速度和精度可分為:

          多比較器快速(Flash)ADC;

          數(shù)字躍升式(Digital Ramp)ADC;

          逐次逼近ADC;

          管道ADC;

          Sigma-Delta ADC。

          任何一種ADC的輸出都等于2的N次方乘以它的增益(輸入信號),再除以它的參考電壓。

          每一種類型的ADC都各具特性,下面重點(diǎn)介紹前三種類型。

          由圖2可以看出,不同的ADC有著不同的特性,對于Sigma-Delta ADC來講,其分辨率可以達(dá)到24bit以上,但其采樣速率比較低。逐次逼近型ADC比較適應(yīng)于中等采樣率、分辨率在16bit以下的應(yīng)用。管道ADC主要用于高采樣率的應(yīng)用,其分辨率則在16bit以下。多比較器ADC也是一種高速ADC,但因?yàn)槠潴w積和功耗較大、分辨率較低,目前應(yīng)用中很少使用它。



          多比較器(Flash)ADC中用到的比較器很多,如一個8位的ADC就需要255個比較器。該類產(chǎn)品采樣速率確實(shí)很高,但因?yàn)槎鄠€比較器的存在,其功耗很大,而且管芯也較大。ADC0820、ADC1175等產(chǎn)品都是這種類型的ADC。

          數(shù)字躍升式ADC是用連續(xù)搜索的方法獲得編碼,因?yàn)樗俾侍⑿侍?,因此很少使用?br />   
          逐次逼近型ADC在逐次逼近的方法上分為兩種,以3比特采樣為例,它首先將基準(zhǔn)電壓分為7個比較電壓,使輸入信號同時與這7個電壓進(jìn)行比較,最接近的比較電壓是表示數(shù)值;第二種是將輸入電壓逐次接近電壓的二分之一、四分之一、八分之一等,順序產(chǎn)生比較后的數(shù)字信號。因?yàn)樽儞Q過程是將輸入信號與基準(zhǔn)信號比較,所以,基準(zhǔn)電壓必需是穩(wěn)定準(zhǔn)確的。輸入信號的最高電平應(yīng)保持穩(wěn)定,充分利用變換器達(dá)到高的分辨率。對于任何逐次逼近ADC,都有5個組成部分:第一部分是DAC,其中含有一個算術(shù)邏輯測試單元,會比較DAC的輸出和模擬信號的輸入,直到兩者接近;第二部分是輸出寄存器;第三部分是比較器,逐次逼近ADC僅含有一個比較器,所以功耗和管芯尺寸都比較小;第四部分是邏輯電路;第五部分是時鐘。有一個要求是: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優(yōu)點(diǎn),成為了目前市場上最具成本效益的ADC,也是最常見的ADC。
            
          逐次逼近ADC的工作原理是它首先得到最高的有效位,然后是第二個最高有效位,直到得到最后一個。ADCV08832是一個低功耗版本的器件,它的操作電壓較低。

          ADC的若干應(yīng)用

          第一個實(shí)際應(yīng)用的例子,是使用溫度傳感器LM19、ADC變換器來讀取溫度,通過USB接口送入筆記本電腦,見圖3。其演示板將很快提供。


          第二個應(yīng)用是遠(yuǎn)程按鍵檢測,它是用ADC感測很多個按鍵的輸入,然后只有一路產(chǎn)生輸出,這樣可以節(jié)省很多個GPIO接口,實(shí)現(xiàn)起來非常方便,比如應(yīng)用在MP3上等,見圖4。


            
          第三個應(yīng)用是電池放電。目前的手機(jī)無法看到電池還能支撐多少時間,沒有一個量化的概念。利用一個ADC便可以實(shí)現(xiàn)讓用戶知道手機(jī)電池還能支持多長的通話時間。應(yīng)用例子如諾基亞8250,見圖5。其演示板已可以提供。

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