adc0804性能分析与研究.doc

第 1 页 SAR ADC 的性能分析及研究 摘要 由于数字电子技术的迅速发展 尤其是数字计算和信号处理技术在医疗成 像 仪器仪表 通讯等领域的广泛应用 用数字电路处理模拟信号的情况日益 普遍 所以模拟信号数字化是信息技术的发展趋势 而 A D 转换器在其中扮演 着重要角色 本文第一章首先简要分析了目前 A D 转换器类型 介绍了并行 逐次逼近 型和积分型 并着重介绍了逐次逼近型 ADC 在第二章以 ADC0804 为基点 详 细介绍其内部构造 如何完成转换过程 第三章介绍了介绍 ADC 的参数和 ADC 的测试过程以及以 ADC0804 的数据手册为例说明各参数的测试过程和具体参数 值 表明 ADC0804 的适用范围 为文章的主体部分 第四章结合硬件电路板给 出测试过程和测试代码 并详细解释 第五章分析了可能产生测量误差的地方 并提出解决办法 第六章做了总结和展望 在本设计中 应用 51 开发板对 ADC0804 进行了性能参数的验证与分析 关键词 逐次逼近模数转换器 分辨率 有效位数 噪声 第 2 页 The Performance Analysis and Research of SAR ADC Abstract With high speed development of digital technology especially the increasing use of digital computing and signal processing technology in applications such as medical imaging instrumentation and telecommunications it is becoming common to deal with analog signal with digital circuits So digitalizing analog signal is the trend of information technology in which A D plays an important role The first chapter of this paper gives the brief introduction about the type of the parallel Successive approximation and Integral Successive approximation is emphasized In the second chapter this paper introduces the details about internal construction of the ADC0804 and how to finish the process of transition The third chapter is the main part of this paper It involves ADC s parameters and testing process It takes ADC0804 as an example to illustrate ADC s parameters and testing process for manifesting application areas of ADC0804 Based on Hardware circuit the fourth chapter explains test procedure and test code The fifth chapter analyzes the possible reason of making measuring error and gives solutions The last chapter is the conclusion of this paper In this design it tests and analyses the function and parameter of ADC0804 by using 51 development board Keywords Successive approximation ADC Resolution Effective number of bits Noise 第 I 页 目录 1 绪论 1 1 1 概述 1 1 2 模数转换器的发展历史 2 1 3 模数转换器的应用 2 1 4 模数转换器的发展趋势 2 1 5 设计计划 3 2 逐次逼近型 ADC0804 4 2 1 模数转换器的类型 4 2 2 1 并行 ADC 4 2 2 2 积分型 ADC 4 2 2 3 逐次逼近型 ADC 5 2 2 ADC0804 的介绍 8 2 2 1ADC0804 芯片引脚功能 8 2 2 2ADC0804 的内部逻辑 10 2 2 3 ADC0804 的工作时序 11 3 ADC0804 的性能参数分析 13 3 1 静态参数 13 3 1 1 工作温度范围 13 3 1 2 温度系数 13 3 1 3 偏移误差 13 第 II 页 3 1 4 增益误差 14 3 1 5 微分非线性 14 3 1 6 积分非线性 14 3 2 动态性能参数 15 3 2 1 转换时间 15 3 2 2 信噪比 15 3 2 3 有效位数 ENOB 16 3 3 码密度直方图测试方法及理论基础 16 3 3 1 码密度直方图测试要求 17 3 3 2 测试信号的选择 17 3 3 3 测试信号频率的选择 17 3 3 4 正弦信号概率密度的分析 17 3 3 5 ADC 动态特性参数分析 19 3 3 6 测试信号采样数据量要求 20 4 51 开发板测试 ADC0804 23 4 1 51 开发板及相应软件 23 4 1 1 开发板简介 23 4 1 2 Keil 软件简介 23 4 2 51 开发板硬件的连接 24 4 3 ADC0804 的测试过程 24 4 4 ADC0804 的采样数据分析 27 5 ADC 不确定因素的分析与解决方法 29 第 III 页 5 1 滤波器 29 5 2 模拟输入频率 29 5 3 模拟前端 30 5 4 时钟电路 31 5 5 接地 32 5 6 电源 32 6 总结与展望 33 6 1 工作总结 33 6 2 展望 33 致谢 35 参考文献 36 附录一 37 附录二 38 附录三 39 附录四 40 第 1 页 1 绪论 1 1 概述 模数转换器是连接自然世界和数字信号处理器的必然桥梁 为了将数字 信号处理器和模拟世界连接起来 需要获取数据和重新建立电路 模拟数字转 换器 ADC 将前端模拟信号获取并数字化 数字模拟转换器 DAC 在后端处 理信号 图 1 1 为转换器系统框图 模数 转换 数字信号 处理 数模 转换 模拟世界 模拟输出模拟输入 001 110 010 1001 1010 0010 图 1 1 转换器系统框图 图 1 2 为模拟数字转换系统的结构框图 抗混迭滤波器将输入信号频带 以外的信号滤除 抽样电路在抽样时钟控制下将输入信号抽样成为时间离散信 号 保持电路在变换过程中保持抽样值不变 量化电路将抽样值变换为最接近的 由二进制数字表示的值 编码电路将二进制数字值变换为包括符号位的码字 时 钟与控制电路提供变换器所需时钟信号并按变换过程控制各个部分电路的动作 在具体的模拟数字转换器电路中 量化和编码过程往往结合在一起 输入模 拟信号 抗混叠滤波器抽样 保持量化编码 数字输 出信号 时钟与控制 图 1 2 模拟数字转换系统框图 第 2 页 1 2 模数转换器的发展历史 模数转换器的发展和电子器件的发展一样 经历了从电子管型 晶体管型 到集成电路的转变 最初的电子式模数转换器是由电子管组装的 到五十年代 中期以后 才逐渐转换成晶体管型的 A D 转换器 从六十年代中期开始 构成 A D 转换器的基本功能单元电路逐步实现集成化 随着集成工艺的日臻成熟和 转换器结构设计的不断发展 1971 年诞生了第一块单片式高位集成化 D A 转换 器 标志着集成 A D 和 D A 转换器发展进入新的阶段 现在 由于 SOC 技术的快速发展 将 A D 转换器作为 IP 集成在芯片中成 为新的发展趋势 设计满足不同功能和性能要求并可复用的 A D 转换器 IP 成 为 A D 转换器设计的新领域 1 3 模数转换器的应用 随着计算机技术 通信技术和微电子技术的高速发展 信息技术已渗透到 军事 民用领域的各个角落 高速高分辨率 A D 转换器已经成为现代先进的电 子设备或电子系统中不可或缺的重要组成部分 它广泛应用于雷达 声纳 高 分辨率视频和图像显示 军事和医疗成像 高性能控制器与传感器 数字化仪 表 各种检测控制系统以及包括无线电话和基站接收机在内的数字通讯系统等 领域 1 4 模数转换器的发展趋势 在近几年和未来几年中 A D 转换器的发展主要集中在以下几个方向 低电 源 低功耗 高速和高精度 在国际上 功耗 速度和分辨率的综合考虑是衡量转换器性能的重要指标 1993 年国际固态电子学会议上推出了一种包含这三重因素的衡量转换器性能的 优质公式 其中 PD 为功耗 单位为瓦 转换 焦耳 1012 SR R PD FOM R 为分辨率 单位为 2n n 为位数 SR 为采样率 单位为 Hz 用这个公式评价 产品时 FOM 的值越小 说明产品的性能越好 2004 年 2 月在美国召开的固态 电子学会议 报道了一种超低功耗接近 1V 工作的基于 90nm 或 130nmCMOS 工艺 的 A D 转换器 在国内 比国际上 A D 转换器的发展速度 国内对 A D 和 D A 转换器的研 究起步较晚 但近年来也已经开始重视转换器的研究 在单片 混合及模块集 成技术方面都投入了一定的研制力量 已研制出 8 10 12 14 16 位等 A D 和 D A 转换器产品或样品 典型的水平为 8 位 D A 转换器的建立时间为 第 3 页 50ns 10 位 D A 转换器的建立时间达到 500ns 8 位 A D 转换器的转换时间为 400ns 10 位 A D 的转换时间小于 25us 12 16 位 A D 转换器的转换速度均只 达到 us 数量级 可以发现 国内整体水平与国外差距明显 所以对 A D 和 D A 转换器的研究任重而道远 1 5 设计计划 根据毕业设计任务书的要求 运用学过的有关单片机和模数转换器的一些 知识 大量查阅相关资料 进行逐次逼近型 ADC 的性能参数的分析和研究 第 1 章 主要介绍了模数转换器的发展历史 应用以及发展形势 第 2 章 叙述了 ADC 的类型 主要介绍了逐次逼近型 ADC0804 的工作原理 和转换过程 还介绍了 ADC0804 芯片引脚功能 内部逻辑以及工作时序 第 3 章 主要进行了 ADC0804 性能参数分析 分为三个部分 第一部分是 静态参数分析 第二部分是动态参数分析 第三部分是从密码度直方图进行分 析 第 4 章 对 51 开发板进行了简单的 以及对 ADC0804 的测试过程和采样 数据进行了分析 第 5 章 分析了 ADC 的不确定因素 并提出了自己的解决方案 第 6 章 对本文进行了总结 以及为未来 ADC 的展望 第 4 页 2 逐次逼近型 ADC0804 2 1 模数转换器的类型 目前 世界上有多种类型的 ADC 有传统的并行 逐次逼近型 积分型 ADC 也有近年来新发展起来的 型和流水线型 ADC 多种类型的 ADC 各有 其优缺点并能满足不同的具体应用要求 低功耗 高速 高分辨率是新型的 ADC 的发展方向 ADC 的这一发展方向将适应现代数字电子技术的发展 下面 介绍下传统的三种类型 1 2 2 1 并行 ADC 并行比较 ADC 是现今速度最快的模 数转换器 采样速率在 1GSPS 以上 通常称为 闪烁式 ADC 它由电阻分压器 比较器 缓冲器及编码器四部分 组成 这种结构的 ADC 所有位的转换同时完成 其转换时间主要取决于比较器 的开关速度 编码器的传输时间延迟等 增加输出代码对转换时间的影响较小 但随着分辨率的提高 需要高密度的模拟设计 这样才能实现转换所必需的数 量很大的精密分压电阻和比较器电路 输出数字增加一位 精密电阻数量就要 增加一倍 比较器也近似增加一倍 闪烁式 ADC 的分辨率受管芯尺寸 过大的输入电容 大量比较器所产生的 功率消耗等限制 并联比较器如果精度不匹配 还会造成静态误差 如会使输 入失调电压增大 同时 这一类型的 ADC 由于比较器的亚稳压 编码气泡 还 会产生离散的 不精确的输出 即所谓的 火花码 这类 ADC 的优点是模 数 转换速度最高 缺点是分辨率不高 功耗大 成本高 2 2 2 积分型 ADC 积分型 ADC 又称为双斜率或多斜率 ADC 是应用比较广泛的一类转换器 它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时 间间隔 与此同时 在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数 从而实 现 A D 转换 其原理图如图 2 1 所示 第 5 页 图 2 1 积分型 ADC 原理图 其工作分为两个阶段 第一阶段为采样期 第二阶段为比较期 积分型 ADC 两次积分的时间都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定 因此所得到的 D 表达式与时钟频率无关 其转换精度只取决于参考电压 VR 此 外 由于输入端采用了积分器 所以对交流噪声的干扰有很强的抑制能力 若 把积分器定时积分的时间取为工频信号的整数倍 可把由工频噪声引起的误差 减小到最小 从而有效地抑制电网的工频干扰 这类 ADC 主要应用于低速 精 密测量等领域 如数字电压表 其优点是 分辨率高 可达 22 位 功耗低 成本低 缺点是 转换速率低 转换速率在 12 位时为 100 300SPS 2 2 3 逐次逼近型 ADC 1 工作原理 逐次逼近式 A D 转换器的原理图如图 2 2 所示 它主要由逐次逼近寄存 器 D A 转化器 电压比较器等部分组成 顺序脉冲 发生器 逐次逼 近寄存 器 D A 转换 输出数字量 电压比 较器 输入模拟电压 Ui U0 图 2 2 逐次逼近 ADC 的原理框图 转换开始前 将所有寄存器清零 开始转换以后 时钟脉冲首先将寄存器 最高位置成 1 使输出数字为 100 0 这个数码被数模转换器转换成相应的模 拟电压 U0 送到比较器中与 Ui 进行比较 若 U0 Ui 说明数字过大了 故 第 6 页 将最高位的 1 清除 若 U0 Ui 说明数字还不够大 应将最高位的 1 保留 然后 再按同样的方式将次高位置成 1 并且经过比较以后确定这个 1 是否应 该保留 就这样逐位比较下去 一直到最低位为止 比较完毕后 寄存器中的 状态就是所要求的数字量输出 2 转换过程 能实现图 2 2 所示方案的电路很多 图 2 3 所示电路是其中的一种 这是 一个四位逐次逼近型模数转换器 图中四个 JK 触发器 FA FD 组成四位逐次逼 近寄存器 5 个 D 触发器 F1 F5 接成环形移位寄存器 又称为顺序脉冲发生器 它们和门 G1 G7 一起构成控制逻辑电路 2 图 2 3 四位逐次逼近型模数转换器逻辑电路图 分析电路的转换过程 为了方便分析 设 D A 转换器的参考电压为 UR 8 V 输入的模拟电压为 Ui 4 52 V 转换开始前 先将逐次逼近寄存器的四个触发器 FA FD 清零 并把环形 计数器的状态置为 Q1Q2Q3Q4Q5 00001 第 1 个时钟脉冲 C 的上升沿到来时 环形计数器右移一位 其状态变为 10000 由于 Q1 1 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 均为 0 于是触发器 FA 被置 1 Fa Fc 和 FD 被置 0 所以 这时加到 D A 转换器输入端的代码为的 d3d2d1d0 1000 D A 转换 第 7 页 器的输出电压为 Vdddd U u R 48 16 8 2222 2 0 0 1 1 2 2 3 3 4 0 U0 和 Ui 在比较器中比较 由于 U0 Ui 所以比较器的输出电压为 UA 0 第 2 个时钟脉冲 C 的上升沿到来时 环形计数器又右移一位 其状态变为 01000 这时由于 UA 0 Q2 1 Q1 Q3 Q4 Q5 均为 0 于是触发器 FA 的 1 保留 与此同时 Q2 的高电平将触发器 Fa 置 1 所以 这时加到 D A 转换器 输入端的代码为 d3d2d1d0 1100 D A 转换器的输出电压为 Vdddd U u R 6 48 16 8 2222 2 0 0 1 1 2 2 3 3 4 0 U0 和 Ui 在比较器中比较 由于 U0 Ui 所以比较器的输出电压为 UA 1 第 3 个时钟脉冲 C 的上升沿到来时 环形计数器又右移一位 其状态变为 00100 这时由于 UA 1 Q3 1 Q1 Q2 Q4 Q5 均为 0 于是触发器 FA 的 1 保 留 而 Fa 被置 0 与此同时 Q3 的高电平将 Fc 置 1 所以 这时加到 D A 转 换器输入端的代码为 1010 D A 转换器的输出电压为 Vdddd U u R 5 28 16 8 2222 2 0 0 1 1 2 2 3 3 4 0 U0 和 Ui 在比较器中比较 由于 U0 Ui 所以比较器的输出电压为 UA 1 第 4 个时钟脉冲 C 的上升沿到来时 环形计数器又右移一位 其状态变为 00010 这时由于 UA 1 Q4 1 Q1 Q2 Q3 Q5 均为 0 于是触发器 FA Fa 的 状态保持不变 而触发器 Fc 被置 0 与此同时 Q4 的高电平将触发器 FD 置 1 所以 这时加到 D A 转换器输入端的代码为 1001 D A 转换器的输出电压 为 Vdddd U u R 5 4 18 16 8 2222 2 0 0 1 1 2 2 3 3 4 0 U0 和 Ui 在比较器中比较 由于 U0 Ui 所以比较器的输出电压为 UA 0 第 5 个时钟脉冲 C 的上升沿到来时 环形计数器又右移一位 其状态变为 00001 这时由于 UA 0 Q5 Q1 Q2 Q3 Q4 均为 0 触发器 FA Fb Fc FD 的状态均保持不变 即加到 D A 转换器输入端的代码为 d3d2d1d0 1001 同时 Q5 的高电平将门 G8 G11 打开 使 d3d2d1d0 作为转 换结果通过门 G8 G11 送出 这样就完成了一次转换 转换过程如表 2 1 所示 第 8 页 表 2 1 四位逐次逼近型模数转换器的转换过程 顺序脉冲 d3 d2 d1 d0u0 V 比较判断该位码 1 是否保 留 11 0 0 04u0 ui 除去 31 0 1 05u0 ui 除去 41 0 0 14 5u0 ui 保留 上例中的转换误差为 0 02 V 转换误差的大小取决于 A D 转换器的位数 位数越多 转换误差就越小 从以上分析可以看出 图 2 3 所示四位逐次逼近型模数转换器完成一次转 换的周期为 5 个时钟脉冲信号 显然 如果位数增加 转换时间也会相应地增 加 逐次逼近型模数转换器的分辨率较高 误差较低 转换速度较快 是应用 非常广泛的一种模数转换器 2 2 ADC0804 的介绍 ADC0804 是 8 位全 MOS 中速 A D 转换器 它是逐次逼近式 A D 转换器 片内有三态数据输出锁存器 可以和单片机直接接口 单通道输入 转换时间 最大为 114 微秒 2 2 1ADC0804 芯片引脚功能 ADC0804 是 20 引脚的芯片 引脚图如图 2 4 所示 3 第 9 页 图 2 4 ADC0804 的引脚图 1 CS RD WR 引脚 1 2 3 是数字控制输入端 满足标准 TTL 逻辑电平 其中 CS 和 WR 用来控制 A D 转换的启动信号 CS RD 用来读 A D 转换的结果 当它们同时为低电平时 输出数据锁存器 DB0 DB7 各端上出 现 8 位并行二进制数码 2 CLKI 引脚 4 和 CLKR 引脚 19 ADC0804 片内有时钟电路 只要 在外部 CLKI 和 CLKR 两端外接一对电阻电容即可产生 A D 转换所要求的 时钟 其振荡频率为 fCLK 1 1 1RC 其典型应用参数为 R 10K C 150PF fCLK 640KHZ 转换速度为 100 3 INTR 引脚 5 INTR 是转换结束信号输出端 输出跳转为低电平 表示本次转换已经完成 可作为微处理器的中断或查询信号 如果将 CS 和 WR 端与 INTR 端相连 则 ADC0804 就处于自动循环转换状态 4 V 引脚 6 和 V 引脚 7 被转换的电压信号从 V 和 V 输入 允许此信号是差动的或不共地的电压信号 如果输入电压 V 的变化范围从 0V 到 Vmax 则芯片的 V 端接地 输入电压加到 V 引脚 由于该芯片允许差动输入 在共模输入电压 允许的情况下 输入电压范围可以从非零伏开始 即 Vmin 至 Vmax 此时芯片 的 V 端应该接入等于 Vmin 的恒值电码坟上 而输入电压 V 仍然 加到 V 引脚上 5 AGND 引脚 8 和 DGND 引脚 10 A D 转换器一般都有这两个引脚 模拟地 AGND 和数字地 DGND 分别设置引入端 使数字电路的地电流不影响模 拟信号回路 以防止寄生耦合造成的干扰 6 V 2 引脚 9 参考电压 V 2 可以由外部电路供给 从 V 2 端直接送入 V 2 端电压值应是输入电压范围的二分之 一 所以输入电压的范围可以通过调整 V 2 引脚处的电压加以改变 转 换器的零点无需调整 7 DB0 DB7 引脚 18 11 这是 8 位并行数据位 第 10 页 2 2 2ADC0804 的内部逻辑 图 2 5 ADC0804 的内部逻辑图 由逻辑图 2 5 可知 6 一开始 ADC0804 模数转换器设置 CS WR 为低电平 这时将会启动触发器 F F1 结果是由此触发器产生的高电平复位 8 位的移 位寄存器 复位中断 INTR 给 D 触发器 F F1 输入高电平 这也是 8 位移位 寄存器的输入端 这时给一个内部时钟信号 将 F F1 的高电平输出 这个 高电平输出和内部时钟信号 A 通过与门 G1 启动 F F 如果此时设置信号 WR 或 CS 任意一个不为高电平 复位 F F 8 位移位寄存器 然后在有内部时钟信号 1 的情况下 启动转换 如果设置信号仍然存在 即 CS WR 仍为低电平 第 11 页 此时这个复位脉冲对 F F 没有影响 8 位移位寄存器仍将一直被复位 这个逻 辑电路也就是说明当 CS WR 至少一个为高电平时才启动转换 这时这个高 电平通过 8 位移位寄存器输入给 SAR 锁存器和锁存器高电平 1 从 8 位移 位寄存器的高电平输出的高电平和 SET 通过与门 G2 给三态输出锁存器一个新 的数字信号 启用锁存器 1 输出一个由高到低的脉冲 使中断 INTR F F 设置 一个反向缓冲器使 F F 清空 这个 SET 的脉冲至少持续 8 个时钟周期 这时 CS RD 为低电平时 中断 INTR 控制结束数据转换结束 控制数据输出 当数 据被读走后 复位中断 INTR 让三态输出锁存器提供 8 位数据输出 2 2 3 ADC0804 的工作时序 图 2 6 ADC0804 工作时序图 第 12 页 由图 2 6 工作时序图所示 1 当芯片开始转换时 片选信号 CS 为低电平 在此期间给 WR 一个低 脉冲 这个低脉冲的时间为 tw WR L 由 ADC0804 的芯片手册可得 tw WR L 最小时间为 100ns 2 当 ADC0804 满足启动转换条件时 ADC0804 内部实际转换状态由上图 可知 要经过 1 8 个时钟周期后 ADC0804 才开始转换 转换时间 Tc 为 66 73 个时钟周期 转换完成后自动将 INTR 置为低电平 这时输出锁存器允许有效 数据输出 3 单片机检测到 INTR 置为低电平后给 RD 一个低电平 在 RD 由低低电 平到高电平的瞬间把数据读走 在此期间 tACC t1H t0H 的时间至少为 135ns 125ns 135ns 读走数据后 INTR 重新被置高 第 13 页 3 ADC0804 的性能参数分析 模数转换电路的特性体现为动态特性和静态特性 由于模数转换器 ADC 性 能参数的分析需要先进的精密的实验设备 现在不具备这样的条件 所以这里 主要近似分析了几个较为简单的参数 3 1 静态参数 静态参数体现了 ADC 电路在静止不变的情况下所表示的性能 静态参数的 的静态参数的测试要求输入信号在转换时间内保持不变 输入信号对于时间来 说是常量 静态特性参数包括精度 偏移误差 增益误差 积分非线性误差 微分非线性误差及温度系数 3 1 1 工作温度范围 在模数转换器 ADC0804 加电的情况下 允许转换器所处的环境温度范围为 00C 700C 7 3 1 2 温度系数 温度系数通常又称为失调温度系数和增益温度系数 常见的表示方法有两 种 一种定义在整个工作温度范围内转换器的失调值 增益值相对于常温时的 失调值 增益值的最大变化量 通常以 LSB 为单位 另一种定义为温度每变化 10C 的变化量与曼刻度之比 通常以 ppm 0C ppm 即为百万分之一 3 1 3 偏移误差 偏移误差又称输入失调 是指使最低有效位成 1 状态时的实际输入电 压与理论输入电压之差 8 理想情况下 当输入达到某个值时 输出从零开始 跳变 但实际上输入达到一个理想的值时 输出仍为零 这就是所谓的偏移误 差 即输入不为零时 输出为零 如图 3 1 所示 第 14 页 图 3 1 偏移误差示意图 在一定温度下 偏移电压是可以通过外电路予以抵消的 但当温度变化时 偏移电压又将出现 这主要是输入失调电压及温度漂移造成的 一般来说 温 度范围变化很大时 要补偿这个误差是很困难的 12 在所做的实验中 当输入为零时 LED 输出显示的为 001 这说明存在偏 移误差 且误差为 Uref 28 0 01953125V 即为 1LSB 3 1 4 增益误差 增益误差是指实际输出曲线与理想输出曲线斜率的偏差 如图 3 2 所示 在实际的计算中 我们可以用实际与理想的差值再减去失调误差来得到 图 3 2 增益误差示意图 3 1 5 微分非线性 微分非线性为转换电路实际转换特性中码宽与理想码宽 1 个 LSB 的相 对偏差 DNL 3 1 LSB VV 1 理想码宽实际码宽 DNL 揭示了一个输出码与相邻码之间的间隔 这个间隔可通过测量输入电 压的幅度变化 然后转换为 LSB 获得 一个高性能的模数转换电路应保证 无丢码 即当输入电压扫过输入范 围时 所有输出码的组合都会依次出现在转换电路的输出端 在 DNL 误差小于 1LSB 时就能保证转换电路没有丢码 3 1 6 积分非线性 积分非线性为实际转换曲线相对于理想转换曲线的偏差 第 15 页 INL 3 2 LSB VV 1 理想实际 积分非线性 INL 为微分非线性 DNL 的积分 需要注意的是由模数转换器件本身产生 INL 或 DNL 的误差一般情况下都不 太容易校准或修正 3 2 动态性能参数 ADC 动态参数表征 ADC 电路在动态环境下的性能 动态参数的测试是动态 的 也就是说输入信号是时间的函数 表征高速 ADC 的动态特性的参数比较多 它包括信噪比 SNR 信噪谐波比 SINAD 有效位数 ENOB 等 3 2 1 转换时间 模数转换器 ADC 完成一次模数转换需要用的时间 对于大多数 ADC 来说 转换时间的倒数即为转换速率 ADCC0804 的转换时间为 114 微秒 这也说明了 它的最大采样频率 f 1 TA D 为 8 77KHZ 当信号的频率大于这个值时就不能 再使用了 3 2 2 信噪比 在给定的输入和采样频率下 满量程正弦模拟输入信号的基频幅度的 RMS 与除直流和谐波以外的所有频谱分量的 RMS 之和的比值 dB 3 3 log 20 sin noise gal A A SNR 其中 Asignal为正弦模拟输入信号的均方根值 Anoise包括量化噪声 热噪声 等所有噪声源之和的均方根 正弦波信号的均方根 RMS 为其峰峰值除以 2 2 量化误差指模拟输入信号与数字重建波形之间的差别 而重建波形具有阶 梯型的传输函数 两个波形之间的差函数类似一个锯齿波 其幅值在 1 2LSB 和 1 2LSB 的范围内 则差函数的均方根 RMS 值等于其峰峰值除以 为3 LSB 32 1 对于一个理想的模数转换器 ADC 来说 其 SNR 为 3 4 N N LSB LSB N A A SNR2225 1 2 32 32 22 2 第 16 页 转换成相对比率为 3 5 763 1 02 6 2225 1 20 NSNR N 所以上式给出对于一个模数转换电路的理论信噪比值 N 为 ADC 的标称转换位 数 显然 N 越大 转换电路的量化误差越小 转换精度也就越高 对转换电路以满量程幅度输入正弦波时 其信噪比的理论值为 3 6 最高 采样 f f NSNR 2 log10763 1 02 6 10 其中 f采样为 A D 电路的采样频率 f最高输入信号的最高频率 从式 2 4 中 可以看出当采样频率大于奈奎斯特频率后 信噪比 SNR 随采样频率增高而变大 原因是随采样频率的增高 量化噪声及其它与带宽不相干的噪声功率被分散在 带内 因此采用 过采样 技术可以有效的减少频率小于最高信号频率奈奎斯 特频率的噪声产生的副作用 3 2 3 有效位数 ENOB 有许多种近似计算有效位 ENOB 的方法 这里采用噪声测试法 9 计算步 骤如下 1 采集到的数据个数为 N 数据为xi 2 计算其平均值 计算公式如下 3 7 N i i x N e 1 1 3 将各点数据减去均值后求均方差 3 8 N i i ex N 1 2 1 4 ADC0804 的有效位 ENOB 3 9 1log14 2 ENOB 经过计算 ADC0804 的有效位 ENOB 约为 6 5 取整 即有效位 ENOB 为 6 位 因为各辅助电路的影响使得转换电路的动态性能低于转换器件手册给出 的标准值 一般稍低于标准值 1 2bits 这是因为 ADC 电路的非线性及噪声造 成 ADC 输出的数字码产生误差 使 ADC 有效转换位数降低 由此可见 计算 合理 第 17 页 3 3 码密度直方图测试方法及理论基础 码密度直方图测试是一种对采样输出代码进行统计分析以获得测试电路 性能参数的测试方法 通过对一个周期性信号 锯齿波或正弦波 进行采样 不同码元出现的次数为码密度 通过对码元密度的分析可以估算出模数转换电 路的动态传输性能参数 10 通常情况下 以输出代码和输出代码次数为坐标作直方图 这就是码密 度直方图 3 3 1 码密度直方图测试要求 因为码密度直方图测试是基于统计学的 所以保证码密度直方图测试准 确的前提是采样电路对输入信号的采样是一个随机采样过程 即采样数据样本 为随机样本 同时要求采样过程中采样电平覆盖整个输出代码域 且保证采样 电平的不重复性 这也就要求采样频率和输入信号频率具有不相关性 在实际操作中要做到绝对的不相关是不可能的 但在满足上述条件时 可以近似认为采样工程为随机过程 除此之外 实际 ADC 电路中引入的时间抖 动 基准漂移 频率漂移都将使采样过程更趋于随机化 3 3 2 测试信号的选择 从码密度直方图的波形来看选择三角波或锯齿波会比较理想 因为理论 上除了边缘的两个码元外 这两种波形的码密度直方图的各个输出码元数相同 但是实验时一般情况下选择正弦信号作为输入 因为正弦信号易得 精度可以 做的比较高 且易分析 3 3 3 测试信号频率的选择 码密度直方图测试基础就是对输入信号进行随机采样 要获得严格意义 上的随机采样是不可能的 只能通过选择合适的采样频率和信号频率来保证采 样电路不会总是重复采样相同的电平 要做到这一点就得保证采样频率和输入 信号频率不相关 如果采样频率和输入信号相关 或者互为整数倍 采样结果的码密度直 方图将会出现有 N 个码元的数量比别的码元大得多 其中 N 为采样频率对信号 频率的整数倍数值 对于一些高速的 ADC 电路测试 采样数据的保存和计算速度可能会比采 样速度慢很多 这样要获得足够的采样数据 可以通过分多次采样来获取数据 因为采样是近似随机的所以多次采样获得的数据和单次采样的信息是一致的 所以可以通过分多次采样来获取足够的采样数据 第 18 页 3 3 4 正弦信号概率密度的分析 若正弦信号为 5 3 10 tAsin t f t 是一个在 0 T0 内的均匀发布的随机变量 则 t 的概率密度函数为 3 11 0 1 0 tg T 其他 0 T0 t 可得其概率密度函数为 3 12 22 1 1 VA vgVf dv d vP 其中 A 表示正弦波幅值 V 表示随机输入变量 对应于 V1 V2 电压区间的概率分布函数 P V1 V2 为 3 13 A V A V dV VA VVP V V 1121 22 21 sinsin 1 1 2 1 令 V2 V1 1 bit 则第 i 个码的离散分布为 3 14 A V i A V i iP ref n n ref n n 2 21 sin 2 2 sin 1 1 1 1 1 如果输入信号中的直流失调量为 V0 代入式 3 12 可得 3 15 2 0 2 1 VVA ip 则式 3 13 变为 3 16 A VV A VV VVP 01 1021 21 sinsin 1 则式 3 14 变为 第 19 页 3 17 A V Vi A V Vi viP ref n n ref n n 2 221 sin 2 22 sin 1 0 1 10 1 1 0 为了避免在正弦波峰值处产生代码的概率有较大差别 式 3 13 中输入 正弦波的幅值 A 应选取稍微超过 A D 转换电路的满量程电压 Vref 一般经验值 是 1 2Vref 3 3 5 ADC 动态特性参数分析 设 ADC 转换电路输出码元 n 的采样输出直方图为 N n 累计直方图 n i iNnH 0 1 非线性 INL 和 DNL 分析 从统计学来看 微分非线性应为输出代码实际出现的概率和理想概率之 差与理想概率的比值 即 3 18 nP nPnP DNL T TR 其中是 ADC 转换电路的第 n 个码元的实际出现概率 是第 n nPR nPT 个码元的理想出现概率 如果将式 3 17 直接代入上式 3 18 中 则可发现 DNL 是采样输入信号 幅度 A 的函数 因而要保证 DNL 测量的精度就必须保证对 A 值的准确性 A 值 的误差将很大程度的影响 DNL 的测量精度 实际测试时要求 A 比 ADC 采样电路 满量程稍大一点 如果 A 太小那么出现在码元 1 和码元 2n 的输出代码数会偏 小甚至趋于零同时造成出现在别的码元处的输出代码数会增多 产生正的 DNL 如果 A 太大那么出现在码元 1 和码元 2n 的输出代码数会偏大同时造成出 现在别的码元处的输出代码数会减少 产生负的 DNL 所以如采用直接代入式 3 16 到式 3 17 中对 A 值精度的要求很高 而在实际信号中 A 是正弦波的峰 峰值 对于一般的测试手段很难精确的得到正弦波的峰峰值 A 值的精度也就 无法保证 那 DNL 的测量精度也就很难达到要求 因此这里采用了估计的方法 通过对采样的数据进行统计来估算 ADC 电 路输出代码相应的转换电平 在式 3 13 和式 3 16 中用来代替 P V1 V2 并由此推算出 V2 的 Nt iN 估计值 Nt 为总的采样样本数 用差化积公式2V 第 20 页 3 19 sinsincoscoscos 和 3 20 A VA A V 22 1 sincos 求解式 3 16 并将解做处理得 3 21 t i N iH V cos 根据 INL 的定义式 3 21 知 3 22 1 1 11 i LSB VV INL i n i2 1 又根据 DNL 的定义式知 3 23 LSB VV DNL ii 1 1 n i2 1 式 3 22 和式 3 23 就是在码密度直方图中求 INL 和 DNL 的计算式 3 3 6 测试信号采样数据量要求 利用码密度直方图方法来测试 ADC 电路的动态性能是基于统计学的理论 所以要保证测试的可信度和精度则要求数据样本足够大 下面分析估计微分非 线性 DNL 所需要的最小采样样本数 由式 3 23 知 DNL 的不确定性主要是因为 的不确定性得 ii VV 1 3 24 累计直方图 H i 为从码元 1 到码元 I 的所有输出代码数之和 是码元 I 1 的输出代码数 现在定义 则上式 1 iNiH t N X XF cos 可化为 tt tt ii N iH N iH A N iH N iH AVV cos 1 cos cos 1 cos 1 第 21 页 3 25 tt ii N iH N iHA iH iHd iHdF A iH iH iHFiHiHFA iHFiHiHFAVV sin 1 和都是随机变量 但由于对 DNL 没有影响只对 INL 有影响 所 iH iH iH 以假定 H i 为已知常量 设 XiH YVV ii 1 3 25 tt N iH N XA Y sin X 服从正态分布 又 Y aX b 所以 Y 也服从正态分布 xx uX xx abauY 3 26 x tt xy u N iH N A bauu sin 3 27 x tt xy N iH N A a sin 要得到的方差和均值必须求得和 在一次采样中采样代 iH y y u x u x 码为码元 I 和不为码元 I 的过程可视为贝努利试验 其满足二项分布 设采样 代码为码元 I 的概率为 p 样本数 又因 p 1 可知分布的均值为 t Nn 方差 pNppN tt 1PNt pNpNBiH tt 又由式 3 26 和 3 27 得 3 t y N iH pAu sin 第 22 页 28 3 29 tt y N iH N p A sin 在保证采样样本足够大时 二项分布可近似于正态分布 3 30 1 22 yyyy ZuuZuP 是标准方差 对于任意 可通过标准正态分布表确定 对于归一 2 Z 2 Z 化的 其误差为 可信度为 有 是所设定的容差 y u y Z 2 xy uZ 2 x u 由失调误差的式子得 3 31 P N Z t y 2 2 2 因为 p 是采样输出代码为码元 I 的概率并可看出 p 是码元 I 的函数 3 32 A V A V A V P n ref n ref n ref n 2 sin 2 2 sin 2 sin 1 2 1 111 取 又 于是可得 AVref A V A V ref n ref 2 sin 1 3 33 2 12 2 2 n t Z N 式 3 33 就是在给定 DNL 精度条件下 采样样本数的点数所应满足的最小 条件 第 23 页 4 51 开发板测试 ADC0804 4 1 51 开发板及相应软件 4 1 1 开发板简介 TX 1C 单片机开发板是哈尔滨市天祥电子研发的多功能 51 单片机开发板 本开发板以 STC 公司生产的 89C52 单片机做核心控制芯片 它是一款性价比 非常高的单片机 它完全兼容 ATMEL 公司的 51 单片机 之除此外它自身还有 很多特点 如 无法解密 低功耗 高速 高可靠 强抗静电 强抗干扰等 其次 STC 公司的单片机内部资源比起 ATMEL 公司的单片机来要丰富的多 它内部有 1280 字节的 SRAM 8 64K 字节的内部程序存储器 2 8K 字节的 ISP 引导码 除 P0 P3 口外还多 P4 口 PLCC 封装 片内自带 8 路 8 位 AD AD 系列 片内自带 EEPROM 片内自带看门狗 双数据指针等 89C51 单片机基于全静态 CMOS 控制器 三级程序存储器锁定 32 个 I O 线 2 定时器 计数器 6 个中断源 4 K 快闪存存储器 128 字节片上 RAM 开 发板所具有的 89C52 单片机的功能更强大 89C52 单片机基于全静态 CMOS 控制 器 三级程序存储器锁定 32 个 I O 线 3 定时器 计数器 8 个中断源 8k 快闪存储器 256 字节片上 RAM 由上比较可知 89C52 单片机比 89C51 的功能 更加强大 4 1 2 Keil 软件简介 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软 件开发系统 与汇编相比 C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有 第 24 页 明显的优势 因而易学易用 用过汇编语言后再使用 C 来开发 体会更加深刻 4 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 全 Windows 界面 另外重要的一点 只要看一下编译后生成的汇编代码 就能体 会到 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高 多数语句生成的汇编代码很紧 凑 容易理解 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势 4 2 51 开发板硬件的连接 图 4 1 STC89C52 与 ADC0804 的连接图 连接图简介 VCC 引脚 20 接 5V 电源 AGND 和 GGND 引脚 8 和 10 分别为模拟接地和数字接地 VREF 2 引脚 9 由外接电路保证了它为 VCC 2 晶振 4 和 19 引脚 接了 10k 电阻和 104pF 的电容 这样接由时钟周 期的公式可得转换速度变慢 ADC0804 的数据口 DB0 DB7 即 11 18 引脚 与 89C52 的 P1 口连接 89C52 的 P0 口与 74HC573 锁存器连接 控制的 ADC0804 的片选信号 CS 引脚 1 ADC0804 的 RD WR 引脚 2 和 3 和 89C52 的单片 机的 RD 和 WR 连接 INTR 引脚 5 中断口直接悬空 即一直置为低电平 VIN 和 VIN 引脚 6 和 7 为差分模拟电压输入 4 3 ADC0804 的测试过程 从 ADC0804 的模拟量通道输入 0 5V 之间的模拟电压 通过 ADC0804 转换成数字量送给单片机 经单片机处理后在数码管的前三位上以十进制形 成显示出来 拧动电位器 会在数码管的前三位显示 0 255 之间的数值 这 第 25 页 就是把模拟电压转换成数字信号表现出来 C 程序 include include define uint unsigned int define uchar unsigned char sbit adrd P3 7 IO 口定义 sbit adwr P3 6 sbit diola P2 5 sbit dula P2 6 sbit wela P2 7 unsigned