3.2、ADC参数及其电路形式

3・2模数转换器(ADC)参数及其电路形式模数转换器(Analog-to-DigitalConverter)简称ADC,它是一种将模拟信号转换成相应的数字信号的装置或器件。模拟信号是指那些在时间上和数值上都是连续变化的信号。自然界中各种物理量，如声、光、力、热等，在时间上和量的大小上也都是连续变化的。这些物理量经过传感器可以被变换成电信号，以便用电子技术手段来处理。而大多数传感器变换得到的电压、电流信号仍然是连续的。显然，这种连续变化的电压、电流信号属于模拟信号。模拟信号需要用模拟仪表指示，用模拟电路进行信号加工、用模拟计算机进行处理。而模拟系统对外界电磁干扰、环境温度的变化、电子元器件的参数变化都是比较敏感的，因此一个高质量的模拟系统是非常昂贵的。高速ADC的速度已达lGMHz,高精度ADC的分辨率已达24位；高速DAC的速度也高达500MHz,高精度DAC的分辨率己达18位。这样的指标已可以满足绝大多数电子设备对器件的要求,包括某些特殊应用场合的要求。模数转换过程任何ADC都包括三个基本功能：采样、量化和编码。采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终表示成数字系统所能接受的的形式。如何实现这三个功能就决定了ADC的形式和性能。同采样频率应最少大于输入信号中最高频谱分量的两倍。下图是采样过程：(b)模拟信号讥D静态特性ADC的静态特性是指它的实际量化特性。理想ADC(没有电路误差)的量化特性仅由它的量化方式、输出数字的位数和码制决定。实际上存在着①失调误差、②增益误差，③积分非线性、④微分非线性误差和⑤温度、时间和电源变化所引起的误差漂移。动态特性ADC的动态特性主要由转换时间和速率两个相关的技术指标来描述。一.常用术语和主要技术指标位(Bit)，字节(Byte)，字(Word)最低有效位LeastSignificantBit(LSB)最高有效位MostSignificantBit(MSB)分辨率(Resolution)分辨率指模数转换器在转换中所能分辨的最小量，习惯上用转换结果的位数表示。例如，称12位ADC具有12位分辨率。分辨率有时也用最低有效位LSB的步长表示。例如，把12位ADC的分辨率说成1/212或1／4096。4•输入信号的单极性方式(UnipolarMode)、双极性方式(BipolarMode)及输出编码方式当ADC的模拟输入电压只允许为正电压或只允许为负电压，即为单极性方式，转换结果简单地用无符号的二进制数表示。例如：当摸拟输入信号为单极性时（如：0V〜+10V）,八位ADC的数字输出采用无符号数表示，即：0000,0000B对应0V；对应+10V。当ADC的模拟输入电压既可为正电压，也可为负电压时，即为双极性方式,转换结果常用二进制偏移码或补码等两种方式表示。例如：输入一10V〜+10V的8位ADC的输出码：符号+数编码或双极性代码编码（以8位ADC来说明）当摸拟输入信号为双极性时（如：一10V〜+10V），则要求数字输出为带正，负号的数字信号。在二进制系统中，数值的正，负号通常用一位二进制数的0，1来表示，并且常把符号位连同数值位一起编码，编码所得到的就是符号数，也称为双极性代码。下表是几种常用的双极性代码：

等效十进制值原码偏移码补码+10V+127011111111111111101111111+12601111110nunw01111110;000001011000010100000101+4oooooiooloooowooooooioo000000111000001100000011+2000000101000001000000010+100000001100000010000000]ov0〔+0)00000000(-0)1000000010000000oooooooo-11000000101111111UIlLIll-21000001001111110niimo一31000001101111101-410000100oimwoI11111100-51000010101111011ninon-126,111111100000001010000010-12711111111,0000000110000001-iov--1280000000010000000二进制原码二进制原码的编码规则是：代码的最高位为符号位，0为正数；1为负数；其它各位为数值位，以常规二进制方式编码，其大小与双极性摸拟输入电压的绝对值相对应。这样的编码规则比较简单，易于阅读和理解。二进制偏移码二进制偏移码的编码规则是：二进制代码序列的中点为符号数0，对应于模拟输入的零电压；二进制代码全0为负数最大值（绝对值），对应于模拟输入的负满度电压；二进制代码全1为正数最大值，对应于模拟输入的正满度电压。这种编码方式在电路上比较容易实现，因此在ADC中得到广泛的应用。二进制补码二进制补码的编码规则是：正数的补码与原码相同，负数的补码等于与其对应的数值位(不包含符号位)取反后加一。符号位与原码相同，0为正数，1为负数。采用补码的最大优点是在数字系统中可以用加法运算代替减法运算，有利于简化运算器的结构，所以它在数字电路和计算机系统中得到广泛的应用。二进值补码的数值位与二进制偏移码的数值位完全相同，唯一的差别是二者的符号位相反。因此，二者之间的相互转换非常简单，只需把最高位取反。满度范围(量程)Full-ScaleRange(Span)满度范围、量程、输入范围(Inputrange)、输入量程(Inputspan)均指模拟输入量的最大允许值与最小允许值之差，英文缩写为FSR。对于双极性ADC,还把模拟输入量的正向最大允许值称为正满度值(PositiveFull-Scale)，通常对应的二进制数全为1；把负向最大(绝对值)允许值称为负满度值(NegativeFull-Scale)、通常对应的二进制数全为0。如：12-Bit100kSPSA/DConverterAD1674*FEATURESCompleteMonolithic12-Bil10psSamplingADCOn-BoardSample-and-HoldAmplifierIndustryStandardPinout8-and1G-BitMicroprocessorInterfaceACandDCSpeciriedandTestedUnipolarandBipolarInputs±5<±10V,0V-10V,0V-20VInputRangosCommercialIndustrialandMilitaryTemperatureRangeGradesMIL-STD-883andSMDCompliantVersionsAvailableMIL-STD-883:美国军标，高可靠性SMD：量化误差(QuantizingError)(以下是理想特性)由于ADC的有限分辩率，量化误差是模拟输入量在量化取整过程中所引起的误差，又称量化不确定度。量化误差是模数转换器固有的，其大小与分辨率直接相关，通常为±1/2LSB或±1LSB模拟输入量。图3-1模数转换(3Bit)关系曲线(如左图：输入模拟量在0〜1/8之间时都量化为数字量：000B)(如右图：输入模拟量在0〜1/16之间时都量化为数字量：000B输入模拟量在1/16〜2/16之间时都量化为数字量：001B)7•代码宽度(CodeWidth)在模数转换曲线的相邻两个变迁点之间对应的模拟输入量的差值称为代码宽度，理想代码宽度是满度范围的1/2n，即1LSB。(如上图：为2/8－1/8=1/8)8.零位误差(失调)ZeroError(Offset)输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。零位误差又称输入失调，为实际模数转换曲线中数字0的代码中点与理想模数转换曲线(见图3-1)中数字0的代码中点的最大偏差。多数ADC可以通过外部电路的调整，使零位误差减小到接近零。当ADC工作在单极性方式时，从数字0到数字1的变迁应发生在1/2LSB模拟输入电压处，实际变迁点与这个理想变迁点的偏差称为单极性失调(Unipo1arOffset)。当ADC工作在双极性方式时，从数字011„111到数字100„000的变迁应发生在T/2LSB模拟输入电压处，实际变迁点与这个理想变迁点的偏差称为双极性零位误差(Bipolarzeroerror)。

增益误差和满度误差GainerrorandFull-Scaleerror满刻度误差(FullScaleError)满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。理想ADC在接近满度的最后一次变迁应发生在比满度值低3/2LSB模拟输入量处。实际ADC最后一次变迁对应的模拟输入量与理想值之间的偏差称为满度误差。增益误差则是指实际ADC在量程内的最后一次变迁与第一次变迁对应的模拟输入量之差与理想值之间的偏差，通常用该偏差值相对于满度范围的百分比(%FSR)表示，也常用LSB的倍率表示。增益误差也可以定义为模数转换特性曲线的实际斜率与理想斜率之间的偏差。多数ADC可以通过外部电路的调整，使增益误差减小到接近零。相对精度Relativeaccuracy相对精度是指在满度范围被校准的情况下，任意的数字量所对应的模拟量实际值与理论值之间的偏差最大值，用相对于满度范围的百分比(％FSR)或LSB的倍率表示。实际上，相对精度是积分非线性误差的另—种说法。积分非线性误差IntegralNonLinearityerror(INL)从图3-1可以看出理想模数转换曲线的代码中点的连线是一条直线，实际模数转换曲线的代码中点与这条直线之间的最大偏差就是积分非线性误差。ADC的实际代码宽度与理想代码宽度之间的最大偏差称为微分非线性误差,常简称为微分误差，以LSB为单位。微分非线性误差也常用无失码分辨率表示。13.失码Missingcode如果某个代码的微分非线性误差为一1LSB,表明该代码宽度等于零，从模数转换特性曲线上看少了一个阶梯，该代码丢失了，即失码。此时当模拟输入电压在该代码附近变化时，该代码并不会出现。而直接跳到上一个代码，这表明该ADC的有效分辨率降低了一位。例如，当一个12位ADC存在1LSB的失码，则有效分辨率为11位。这个有效分辨率又称为无失码分辨率，其含义是当把该12位ADC看作ll位分辨率时，就不存在失码了。如果一个12位ADC的无失码分辨率为10位，则说明最大的失码达2LSB。13.转换时间和转换速率ConversiontimeandConversionrateADC完成一次转换所需的时间称为转换时间（模数转换从启动到结束所用的时间）。①对于大多数ADC来说.转换时间的倒数即为转换速率（每秒转换次数）。②但某些高速ADC（如分级流水型）的转换速率可能高于转换时间的倒数，这是因为在前一次模数转换结束之前，就开始了下一次的转换。对于采样ADC来说，转换速率应为转换时间和采样保持所需时间之和的倒数。二•模数转换器（ADC）的分类实现模数转换的方法很多，不同电路结构的ADC的工作原理差异很大。性能上的差异也可能很大。每—个实际的ADC除了必备的转换电路，还需要适当的模拟输入信号处理电路、数字输出信号接口电路等。因此，ADC的种类非常多，分类问题也就比较复杂。从不同的角度看，存在不同的分法。下面从不同的侧面出发，对ADC进行粗略的分类，使大家对ADC的种类有一个初步了解。按转换信号的关系分类（1）.直接转换型：转换电路把模拟输入信号（—般是模拟电压）直接转换成数字信号，并经数字接口输出，转换过程中不出现中间变量。如：并行比较型、逐次逼近型等ADC均属直接转换型。（2）.间接转换型：转换电路首先把模拟输入信号转换成某个中间变量，然后把这个中间变量再转换成数字信号并输出。最常见的间接转换型ADC有电压-时间型（VT型）和电压-频率型（VF型）。前者中间变量是时间间隔（如：积分型ADC）；后者中间变量是频率（如：压频转换型ADC）。虽然转换过程经过中间变量，但由于模拟输入与中间变量之间以及中间变量与数字输出之间的转换电路结构简单，因此容易以较低的成本达到较高的精度。按转换电路结构和工作原理分类按不同的转换原理设计出结构各不相同的转换电路，由于电路结构是影响转换器性能的主要因素，因此，这是最主要的分类方法。⑴并行比较型（闪烁型）ADC（数字输出是同时形成的）这种转换器包含2n-1个电压比较器，参考电压Vref被分压成2邛介，Vref／2n，2Vref／2n，3Vref／2n，„，（2n-1）Vref／2n分别加到这些电压比较器的参考端，模拟输入电压同时加到所有电压比较器的输入端。输入端电压高于参考端电压的比较器输出为1，否则输出为0。2n-1个比较器的输出（连同“零”有2n个输出)经过数字编码获得n位二进制数、即数字输出值。这种转换器的工作原理十分简单，转换器的2n-1个电压比较器完全是并行工作的，因此得名“并行比较型”，习惯上也称为“全并行”。这类ADC的转换速率可高达几十兆次每秒，是各类ADC中转换速度最高的，因此也有“闪烁(Flash)型”ADC之称。并行比较型ADC所含比较器的数量(关系列芯片尺才)与分辨率n呈指数关系，又由于要实现高速转换，每个比较器都必须在相当高的功耗下工作，构成分压器的每个参考电阻的阻值也很低，以便向高速比较器提供足够大的偏置电流，因此芯片尺寸和功耗将限制了这类转换器的分辨率。就目前ADC的制造工艺而言•并行比较型ADC的分辨率一般为6—8位，最高达10位。特点：速度最高，分辨率低，功耗大。分级型或分量程和流水线型ADC分级(Subranging)型ADC把一个高分辨率的n位模数转换分成两级(或多级)较低分辨率的转换，第一级用一个m(Vn=位并行比较型转换器完成粗转换，转换结果作为n位中的高m位，转换误差小于m位的最低有效位；第二级用一个k(Vn=位并行比较型转换器对第一级转换余下的误差电压再次转换，转换结果作为n位中的低位，其中m十k>=n。分级转换可以大大减少电压比较器及分压电阻的数量，以12位ADC为例，并行比较型ADC需要212-1(=4095)个比较器；如果分成各6位两级转换，则只需要26-l十26-l(=126)个比较器。这种分成两级转换的ADC又称为“半闪烁”ADC，分成二级或三级以上转换的ADC称为“多级(MultiStep)”ADC。分级转换必然影响转换速率。作为提高转换速率的方法是采用多级保持器，第—级转换余下的误差电压被保持在第二级保持器中，在第二级转换同时，第一级就可以对输入电压进行下—次采样和转换，这就大大提高了采样速率，这就是“分级流水(Pipeline)型”ADC。特点：是并行ADC和流水线型结构的结合。具有高速高分辨率的特点。逐次比较型(逼近，近似)型ADC这种ADC是用一个电压比较器将模拟输入电压与一个n位DAC的输出电压进行比较，这个n位DAC的数字输入是出一个逐次逼近寄存器提供的。逐次逼近寄存器在转换器的控制电路控制下，从高位到低位逐位被置1或清0,使DAC的输出电压逐步逼近模拟输入电压，经过n次比较和逼近，最终逐次逼近寄存器中的数字（即DAC的输入）就是模数转换的结果。逐次逼近的过程类似于用天平和砝码称量一个物体的质量，从大砝码到小砝码逐一试称的过程。由于要经历n次比较，所以转换速度不如前两种，但转换器包含的元件数量较少，能以较低的制造成本获得较高的分辨率。因此在中、低速应用场合得到广泛应用。特点：速率和分辨率都适中，使用最为广泛。（4）跟踪计数型ADC跟踪计数型与逐次逼近型有相似之处，转换器包含了一个电压比较器和—个n位DAC，但一个可逆计数器代替了逐次逼近寄存器和控制逻辑。可逆计数器在时钟脉冲作用下不停地计数，计数器的值作为DAC的数字输入。电压比较器的输出控制了可逆计数器的计数方向，使DAC的输出不停地跟踪模拟输入电压，计数器的值即为ADC的数字输出值。跟踪计数型ADC的电路结构比逐次逼近型简单，计数器能及时跟踪模拟输入电压，特别适用于需要快速跟踪的伺服系统。（5）积分型ADC（又称为：双积分，双斜率）从转换信号的关系来说，积分型ADC属于间接转换型。转换器中的积分器把模拟输入电压转换成与之成比例的时间间隔，在这个时间间隔内一个n位计数器对频率固定的时钟脉冲计数，最终的计数值与时间间隔成正比，反映了输入平均电压的大小。为了减小积分器的元件参数和参考电压对积分精度的影响，通常要对输入电压和参考电压各进行一次积分，因此又称为双积分型ADC。积分器和计数器结构简单，成本低，此外积分器具有低通特性，能抑制高额噪声，但工作速度比较低，因此积分型ADC被广泛用于低频、高精度的数字仪表电路中。特点：测平均电压，抗工频干扰。低速、高精度。数字万用表中大量使用。（6）压频转换型ADC压频转换又称VF转换。首先把模拟电压转换成频率与该电压成正比的脉冲信号,然后在单位时间内用计数器对脉冲计数，计数值与频率成正比，反映了模拟电压的大小。显然,VF型也属间接转换型,中间变量是频率。专用的VF转换芯片已非常成熟,再与计数器配合可以构成高分辨率、低成本的ADC。E-△型ADC工-△型ADC以很低的采样分辨率(1位)和很高的采样速率将模拟信号数字化，利用过采样技术、噪声整形和数字滤波技术增加有效分辨率。近年来工-△模数转换技术发展很快,转换分辨率已高达24位,在各类模数转换器中分辨率是最高的，因此在低成本、高分辨率的低频(直流到音频)信号处理场合得到了广泛应用，有取代双积分型ADC的趋势。一位串行流水线型ADC算术型ADC根据输出数字的位数(分辨率)分类常见的ADC的分辨率在6位至24位，分辨率的高、低不易作确切的划分，它与使用的场合和不同历史时代的制造水平有关。但习惯上把6—8位称为低分辨率，12—16位称为中分辨率，而高分辨率通常指16位以上。二进制：6，8，10，12，14，16，20，24位十进制：3位半(0000---1999)位半(00000---19999)位半(000000---199999)分辨率与转换电路结构有一定的联系。但不能看成某种固定关系。例如，并行比较型ADC的分辨率多半不高，而大多数工-△型ADC是高分辨率的。逐次逼近型ADC则既有8位的，又有中、高分辨率的。根据转换速度分类不同ADC的转换速率差异很大。如同分辨率一样，转换速率的高、低也不易作确切的划分，但习惯上把转换时间在毫秒量级的称为低速，转换时间在微秒量级的称为中速，转换时间在纳秒量级的称为高速。低速：几十kHz以下中速：几十kHz---几百kHz高速：1MHz—几十MHz超高速：100MHz以上根据ADC的输入信号的路数分类大多数ADC的模拟输入信号直接进入转换器的输入端，但也有不少ADC的模拟输入电路带有某些模拟信号处理电路，常见的功能电路有：采样保持器，带有采样保持器的ADC称为采样ADC。单路或多路模拟开关，可以实现多路数据采集。单路：如AD1764：12位lOOkSPSA/D转换器。多路：a)不带S/H，多路切换，分别转换。如：ADC0809(8路8位)b)带S/H，多路切换，分别转换同一时刻的输入。女如ADC7874(4路12位)可编程增益放大器，以便适应不同幅度的模拟输入信号。差动输入电路，以提高共模抑制能力。5•根据与CPU的接口方式分类ADC的数字输出端通常要与数字信号处理电路或微处理器相连，信号连接电路称为接口，常见接口分为：并行接口ADC的n位转换结果通过多位数据线(可能是n位，也可能是8位)同时输出，称为并行输出。完成并行输出的接口电路称为并行接口。并行接口的数据传输速率高，接口电路比较简单，程序设计比较容易，但占用芯片引脚多，体积大。串行接口ADC的n位转换结果通过一条数据线逐位输出，称为串行输出。完成串行输出的接口电路称为串行接口。为了使串行数据的传输能与微处理器的数据接口同步，通常需要有相关的同步时钟信号。串行输出的数据传输速率低，但占用芯片引脚少，体积小，并能减少微处理器端口的占有量，便于简化系统的结构．并能适用于远距离的数据传送。因此，近年来具有串行接口的ADC芯片种类增多。可编程模数转换器传统的ADC的内部结构是固定的，也就是说，某一个特定型号的模数转换芯片的主要特性是一定的，用户无法改变它。但随着可编程技术的发展，近年来出现了不少可编程模数转换芯片。用户可以通过编程改变模数转换芯片内部的部分结构的组态，以满足不同系统的设计要求，如通过编程设置分辨率、模拟输入的量程、选择内部数字滤波器的工作方式、改变数字输出接口的方式等。模数转换子系统模数转换器被广泛用于数字仪表、数据采集、数字通信等各类系统中，为了构成一个完整的系统，通常还要连接采样保持放大器、模拟开关、数字信号处理器、数字显示电路等多个外围芯片。然而随着集成电路制造技术的进步，芯片设汁师们把许多原来由外围芯片完成的功能集成到ADC芯片中去了，使系统结构大为简化。例如，把可编程放大器、多路模拟开关和模数转换器集成在一个芯片上，构成数据采集系统，某些ADC芯片上还集成了数字信号处理器、微处理器、存储器等部件。这些单片系统就是“模数转换子系统”，或称“片内系统(Systemon-Chip)”。三.各种ADC的基本工作原理1•逐次逼近（逐次比较）型ADC1.1（传统）逐次逼近（逐次比较）型ADC的基本原理术语：SAR（SuccessiveApproximationRegister）这种转换技术基于逐次逼近寄存器（SAR）,或称为位权衡转换。采用一个比较器对输入电压和一个N位数模转换器（DAC）的输出进行比较（权衡）。将DAC输出用作参考电压，经过总共N次比较就可得到最终转换结果，其中每次比较完成一位的转换。第一步将DAC的最高有效位（MSB）保存到SAR，接着将该值（MSB）对应电压与输入进行比较。比较器输出（高或低）被反馈到DAC,并在下一次比较前对其进行修正（下图）。在逻辑控制电路的时钟驱动下，SAR不断进行比较和移位操作，直到完成LSB位的转换,此时所产生的DAC输出逼近输入电压的+-1/2LSB。当每一位都确定后，转换结果被锁存到SAR并作为ADC输出。SAR转换器包括一个比较器、一个DAC、一个SAR和一个逻辑控制单元，采样速率可达1Msps，功耗低，并且具有最低的制造成本，但其模拟设计要求较高并耗费时间。与流水线转换结构相比，SARADC提供较低的输入带宽和采样速率，但不存在延迟问题。

1.2（传统）逐次逼近型ADC的改进1.3电荷重分布式逐次逼近型ADC的基本原理随着MOS技术的不断发展，一种以电荷为转换辅助量的新型逐次逼近型ADC正越来越多地被采用。由于在MOS电路中可以较容易地制造出小容量的精密电容（这里主要关心其相对精度，绝对精度并不重要），而且，MOS电路中的电容损耗极小，因此，从集成电路制造工艺的角度来看，以电容阵列（CapacitorArray）为基础的、采用电荷重分布（chargeredistribution）技术的逼近型ADC是高效和经济的。下面以一个四位电荷重分布式逼近型ADC的基本电路为例说明其工作原理。Kg辺-KgVkef|•t•'1Illii!bg!b]!SAR图3-3四位电荷重分布式逼近型ADC的基本电路上图是一个四位电荷重分布式逼近型ADC的基本电路，其核心部分为一权电容网络，各电容的容量按二进制权重分配。电容网络中最小权重的电容有两个，其电容量为c。因此总的电容数量为N+1个（N为转换器位数），即C3=8c,C2=4c,Cl=2c,C0=c,CO'=c共五个。总电容量为16c。电路中的开关用MOS管来实现，A为一电压比较器，SAR为逐次逼近寄存器。电荷重分布式逼近型ADC的转换过程共分为三个步骤完成。第一个步骤为采样过程。此时，①上面开关Kc闭合接地，②Ks接至被测电压Vx,电容C3〜CO'经开关K3〜K0'接到右侧与Vx接通(注意：在第一、二步骤中，K3〜K0'不是由SAR控制的)。③这时被测电压Vx对电容网络中各电容进行充电。④充电结束时，各电容被充至Vx,总的电荷量为Qx=16cVx。第二个步骤为采样保持过程。此时，①Kc断开，电容C3〜CO'经开关K3〜K0'接到左侧与地接通。②因为各电容中的电荷不变，其两端电压也不变，所以Va=-Vx。比较器输入端的总电荷量Qa=-Qx=-16cVx。该电荷量被称之为初始电荷量。第三个步骤为主要的转换过程。①首先，Ks接至参考电压Vref，而且，电容C3〜CO的开关K3〜K0转而受SAR控制(CO'的开关K0'不受SAR控制，在本步骤中始终接地)。②然后，从最高有效位(MSB)所对应的电容(本电路中是C3)开始，每个电容的开关依次由接地状态转而接通Vref，进行逐次逼近转换，并由比较器的输出状态来决定该开关是保持接在Vref，还是重新接地。③具体过程是：首先，令SAR的b3=l，使C3下面的开关K3由接地状态改为接Vref，等效电路见图3-4，此时比较器A输入端总电荷应为：Qa=C3(Va-Vref)+(C2+Cl+C0+C0')(Va-0)=16cVa-8cVref图3-4最咼有效位(MSB)转换过程的等效电路求出电压Va=?由于整个过程中无充放电电流通路，根据电荷守恒原理，此时比较器A输入端的电荷量仍应为采样保持期间的初始电荷量，只是电荷发生了重新分配导致比较器的反相端电压VA发生变化(-Vx和Va分别是变化前和变化后的电压)，所以有：—16cVx=16cVa—8cVref因此，解出比较器反相输入端的电压Va为：Va=-Vx+Vref/2⑴当VxVVref/2时，Va>0,比较器A输出为“0”SAR寄存器的最高位应该是b3=0(猜测错误)。这时，K3应重新接到地。显然，电荷发生重新分配。根据电荷守恒原理，Va将回到本次逼近前的电压值，即Va=-Vx。(2)当Vx>Vref/2时，VaV0,比较器A输出为“1”SAR寄存器的最高位b3=l(猜测正确)。这时，K3保持接Vref。所以，在第一次逼近后比较器A输入端电压为：Va=-Vx+b3(Vref/2)类似地可以完成所有位的逐次逼近。最终当所有位的逼近过程完成后：Va=-Vx+b3(Vref/2)+b2(Vref/4)+b1(Vref/8)+b0(Vref/16)b3b2b1b0即为转换结果，这时的Va为量化误差，最大不超过Vref/16，即1LSB。电荷重分布式SAR型ADC的特点小结：从基本工作原理可以看出：尽管比较器A输入端总电荷量在逐次逼近过程中始终保持不变，但是，随着逐次逼近过程的进行，权电容网络中各电容两端的电压在不断变化，因而导致总电荷量Qa在各电容之间不断重新分布，故而得名。电荷重分布式逼近型ADC的结构比传统逼近型ADC要简单，不再需要完整的模数转换器作为其核心。由于在MOS电路个控制电容网络各电容的相对精度(即各电容之比)要比传统远近型ADC中控制精密电阻的相对精度要容易，因此,电荷重分布式逼近型ADC的实现是较为经济的。另外,因为电容网络直接使用电荷作为转换参量，这些电容已经起到了采样电容的作用，所以.在一些电荷重分布式逼近型ADC的应用中可以不必另加采样保持器(例如在使用AD676时，可以不用采样保持器)。特别是由于使用电容网络代替了电阻网络，消除了电阻网络中因温度变化及激光修调不当引起的阻值失配，从而很大程度上克服了由此所导致的线性误差。

SAR型ADC的特点小结:SARADC是目前最流行的一种ADC,因为其电路结构简单，功耗低。现代SARADC都采用采样保持电路，对直流和交流信号都可处理。它的精度主要取决于其内部的DAC的精度。SARADC适合中等转换速率(〈1MSPS)和中等分辨率(12或16位)应用场合。目前12位的采用速率可达1MSPS，16位可达300KSPS。如:ADI公司的AD7892(12位600KSPS)，AD976/977(16位100kSPS),AD7882(16位300kSPS)。芯片实例:MAX19519-0377:Rev0:3^5_ykiyixi>ki19-0377:Rev0:3^5_ykiyixi>ki85kspsADCwith10pAShutdown

GeneralDescriptionTheMAXI95isa16-bitsiicct?s&ive-apprciximationana-lu^-bj-di^italconverteriADCjthatcambineshighspeecLhi^haccuracy,lowpciv-jerconsumption,,anda1OpAshutdownmode.Internalcalibrationcircuitrycorrectslinearityandoffseterrorstomaintainthefullratedperformanceovertheoperatingtemperaturerangewithoutexternal^mljiistments.Thec^i|Dac：itive-DAC^irchitecturnprciviclesaninherentSokspstrcick/hoklfuncdun.TheMAX195,withanexternalrefnence(uptci+5V)?offersciunipolariOVtoVrefjorbipolari-Vf-eftoVrefjpin-selectahleinputran^e.Separateanahciandclk|itcilsuppliesminimizedigital-noisecoupling.Thechipselect(CSjinputconucilstheUiree-stafeserialdataoutput.Theoutputcanbereadeitherduringconversionasthehitsarei：leterminei：Lorkdlowin^corversionatupto5Mbpsusingtheserialclock(SCLK).Theend-of-aonversion(EOC)outputcanbeusedtointerruptaprcicesscir_urcanb>?conneclt?ddirectlytotheci：invertinput(CONVjfijrcontinuous.full-speedconv^rskms.TheM.A/i<15iscivailcibleinli>-pinDIP,wiideSO,cindceramicsidebmzepackacies.ApplicationsPcirtaNeInstrumentsAudioIndustrialControlsRoboticsMultipleTransclui：j&rMeasurementsMedicalSicinalAcquisitionVibrationsAnalysisConfiguration*2IB15MAXIM讪1箱殆1413Features16Bits.NoMissingCodest90<IBSIMAO9.4psConversionTimet10pA(max)ShutdownModeBuilt-InTrack/HoldACandDCSpecifiedtUnipolar(0VtoVref)andBipolar(-VreftoVref)InputRangeThree-StateSerial-DataOutputSmall16-PinDIPandSOPackagesFunctionalDiagram匸心厂l2OJ(LSCLIUBP/UBSIDN丽—亠

丽」一►•2亠OZWT^lLC6ICTHffE-SWTEELFFERIDJDDWJD山l_dLllll6n7-LI1s7DGNDR=6kOAD976R=3kllAD976A芯片实例：AD1674：12位lOOkSPSA/D转换器FEATURESCompleteMonolithic12-Bit10|isSamplingADCOn-BoardSample-and-HoldAmplifierIndustryStandardPinoul8-andMicroprocessorInterfaceACandDCSpAciTiedandTestedUnipolarandBipolarInputs±5V,±10V,0V-10Vr0V-20VInputRangesCommercial*IndustrialandMilitaryTemperatureRangeGradesDGNDR=6kOAD976R=3kllAD976A芯片实例：AD1674：12位lOOkSPSA/D转换器FEATURESCompleteMonolithic12-Bit10|isSamplingADCOn-BoardSample-and-HoldAmplifierIndustryStandardPinoul8-andMicroprocessorInterfaceACandDCSpAciTiedandTestedUnipolarandBipolarInputs±5V,±10V,0V-10Vr0V-20VInputRangesCommercial*IndustrialandMilitaryTemperatureRangeGradesMIL-STD-883aridSMDCompliantVersionsAvailable是最常用的ADCFUNCTIONALBLOCKDIAGRAM12JSCS%CEWCREFOUTHU5kCONTROL|CLOCK10kSARCOMP12AGNDREFINBIPOFF10k―|PIDAC2.5k.2.5kAD1674STS□B11(MSB}□BQ(LSB}12-疊山lu-llu-lnlmIH『dJLm<3nl<lls—Ef£ILJIlB_D-liiJI3芯片实例：AD976/976A□ANALOG16-Bit,100kSPS/200kSPSDEVICESBiCMOSA/DConvertersAD976/AD976AFEATURESFast16-BitADC200kSPSThroughput-AD976A100kSPSThroughput-AD976Single5VSupplyOperationInputRange:±10V100mWMaxPowerDissipationChoiceofExternalorInternal2.5VReferenceHighSpeedParallelInterfaceOn-ChipClock28-LeadSkinnyDIP,SSOPorSOICPackagesSwitchedCAPADC:可能是电荷重分布型ADC自己看，在发变机组故障录波数据采集系统中要用到。DAC输出的是电流，非电荷重分布型DAC。可能是R-2R电阻网络DAC?AD1674DEFINITIONOFSPECIFICATIONSINTEGRALNONLINEARITY(INL)TheidEaltransferfunctionforanADCisastraiglitlinedrawnbetoeen^zero"1andafullscale„，PThepointusedas"zetcToccurs1/2LSBbeforethefirstcodetransition."Fullscale*isdefinedasalevel11/2LSBbeyondthelastcodetransition.Integralnonlinearityistheworst-casedeviationofacodefromthestraightline.Thedeviationofeachcodeismeasuredfromthemiddleofthatcode.DIFFERENTIALNONLINEARITY(DNL)Aspecificationwliichguaranteesnoniissiiigcodesrequiresthateverycodecombinationappearinamonotonicincreasingsequenceastheanaloginputlevelisincreased.Thuseverycodemusthaveafinitewidth.TheAD1.674guaranteesnomissingcodesto12-b让resolution：all4096codesarepresentovertheentireoperatingrange.UNIPOLAROFFSETThefirsttransitionshouldoccuratalevel1/2LSBaboveanalogcommon.Unipolaroffsetisdefinedasthedeviationoftheactualtransitionfromthatpointat25°C.ThisoffsetcanbeadjustedasshowninFigureILBIPOLAROFFSETInthebipolarmadethemajorcarrytransition(011111111111to100000000000)shouldoccurforananalogvalue1/2LSBbelowanalogcommon.Thebipolaroffseterrorspecifiesthedeviatjonoftheactualtransitionfromthatpointat25OC.ThisoffsetcanbeadjustedasshowninFigure12FULL-SCALEERRORThelasttransition(from111111111110to111111111111)shouldoccurforananalogvalue11/2LSBbelowthenominalfullscale(9.9963voltsfor10voltsfullscale)aThefull-scaleerroristhedeviationoftheactuallevelofthelasttransitionfi'omtheideallevelat25°CaThefull-scaleerrorcanbeadjustedtozeroasshowninFigures11and12TEMPERATUREDRIFTThetempeiaturedriftsforfull-scaleerror,unipolaroffsetandbipolaroffsetspecikthemaximumchangefromtheinitial(25°C)valuetothevalueatTwinorTmax^POWERSUPPLYREJECTIONTheeffectofpowersupplyerrorontheperformanceofthedevicewillbeasmallchangeinfullscale.Thespecificationsshowthemaximumfull-scalechangefromtheinitialvaluewitlithesuppliesatvaiiouslimits.FREQUENCYDOMAINTESTINGTheAD1674istesteddynaniicallyusingasinewaveinputanda2048pointFastFouriei-Transform(FFT)toanalyzetheresultingoutput.Coherentsamplingisused,whei'eintheADCsamplingfrequencyandtheanaloginputfrequencyarerelatedtoeachotherbyaratioofintegers.Thisensuresthatanintegralmultipleofinputcyclesiscaptured,allowingdirectFFTprocessingwithoutwindowingordigitalfilteringwhichcouldmasksomeofthedynamiccharacteristicsofthedevice”Inaddition,thefrequenciesarechosentoheS!relativelyprime"(nocommonfactors)toniaximizethenumberofdifferentADCcodesthatarepresentinasamplesequence.Theresult,calledPrimeCoherentSampling,isahighlyaccurateandrepeatablemeasureoftheactualfrequency-domainresponseoftheconverter.NYQUISTFREQUENCYAnimplicationoftheNyquistsamplingtheareni,the^NyquistFrequencyofaconverteristhatinputfrequencywhichisone-halfthesamplingfrequencyoftheconverteqSIGNAL-TO-NOISEANDDISTORTION(S/N+D)RATIOS/(N+D)istheratioofthermsveiluEofthemeasuredinputsignaltothemissumofallotherspectralcomponentsbelowtheNyquistfrequency,includingharmonicsbutexcludingdcaThevalueforS/(N+D)isexpressedindecibels.TOTALHARMONICDISTORTION(THD)THDistheratioofthermssumofthefirstsixharmoniccomponentstothermsvalueofafull-scEdeinputsignalandisexpressedasapercentageorindecibels.ForinputsignalsorharmonicstliatareabovetheNyquistfrequency,thealiasedcomponentisused.INTERMODULATIONDISTORTION(IMD)Withinputsconsistingofsinewavesattwofrequencies,faandfb,anydevicewithnonlinearitieswillcreatedistortionproducts,aforder(m+n),atsumanddifferencefrequenciesofmfa+nfb.wherem,n=0,L2,3…・・Intermocliil且tiontermsarethoseforwhichmornisnotequaltozero.Forexample,thesecondordertermsare(fh+fb)and(扭一fb)andthethirdordertermsare(2fa+fb),(2fa-fb),(fe+2fb)and(fa-2fb).TheIMDproductsareexpressedasthedecibeljatioofthermssumofthemeasuredinputsignalstothermssumofthedistortionterms.Thetwosignalsareofequalamplitudeandthepeakvalueoftheirsumsis-0.5dBfromfullscale・TheIMDproductsarenormalizedtoa0dBinputsignal.FULL-POWEREANDWIDTHThefull-powerbandwidthisthatinputfrequencyatwhichtheamplitudeofthereconstructedfundamentalisreducedby3dBforafull-sealeinput.FULL-LINEARBANDWIDTHThefull-linearbmidwidthistheinputfrequencyatwhichtheslewratelim让ofthesanip1e-ho]d-amplifier(SHA)isreached.Atthispoint,theamplitudeofthereconstructedfundamentalhasdegradedbylessthan-0.1dB.Beyondthisfrequency,distortionofthesampledinputsignalincreasessignificantly.APERTUREDELAYApeituredelayisameasureoftheSHA'sperformanceandismeasuredfromthefallingedgeofRead/Convert(R*'C)towhentheinputsignalisheldforconveision.APERTUREJITTERAperturejitteristhevariationinaperturedelayforsuccessivesamplesandismanifestedasnoiseontheinputtotheA/D.2.积分型模数转换器积分型模数转换器的工作原理与并行比较型、分级型和逐次逼近型等直接转换型的模数转换器有根本区别。它是通过积分电路把线性模拟电压转换成时间信号，在这段时间内通过计数器对标准时钟脉冲计数，计数值反映了模拟电压的大小。由此可见，这种转换是把时间作为中间变量的，因此是一种间接转换。根据一次转换中积分斜率变化的次数又分成单积分、双积分和四积分等类型。(1)单积分型模数转换器下图中Al,R,C组成积分器，A2是电压比较器。工作步骤：启动脉冲START把计数器清零，同时使开关SA闭合，积分电容放电至零。START信号结束后，开关SA打开，积分器输出电压Vo和模拟输入电压Vi分别加到电压比较器的两个输入端，积分器和其它电路的工作波形如下图所示。与门G2输出脉宽T与Vi成正比，在T时间内与门G3打开，计数器对时钟脉冲计数，计数终值Dn为模数转换结果。转换关系推导如下：设比较器在临界翻转时，Vi=Vo，积分时间为T，因此:式中Vi为模拟输入电压；Dn为计数终值，即模数转换结果；fc为时钟发生器输出频率，RC为积分器时间常数；int为取整函数。

STARTVT,v0|■1111111■t1Vl¥(L1—zi1p1L1h11L1i1tL--■■■匚T亠tftnL111III-1I*—.JiTct■t单积分型模数转换器工作波形图优缺点：单积分型ADC电路简单，成本低，Dn和Vi之间呈线性关系，但影响转换精度的因素比较多，与fc，Vref，R，C的误差和稳定性都有关，不太实用。所以要研究其它积分型ADC。⑵•积分型（又称为：双积分，双斜率）ADC积分型ADC又称双斜率数据转换器，是应用最为广泛的转换器类型。经典的双斜率转换器包括两个主要部分：一部分电路采样并量化输入电压，产生一个时域间隔或脉冲序列；再由一个计数器将其转换为数字量输出（如下图）。与单积分式不同之处是模拟输入电压也加到积分器输入端，由积分换向开关切换，分别对模拟输入电压Vi和参考电压Vref进行积分。工作过程如下：①启动脉冲Start把计数器清零，SA1接通，积分电容C放电，同时清除换向触发器F，使积分换向开关SA2接通Vi。②当Start信号结束后，SA1打开，积分器开始对模拟输入电压Vi积分，反相积分使VoVO，所以零位比较器输出为高电平，于是与门G2打开，计数器开始计数。③当n位计数器计到第2n个脉冲，计数器回到零值，同时产生进位脉冲Qf，Qf使换向触发器置1，进一步引起SA2换向，积分器转为对参考电压-Vref积分。出于参考电压与Vi极性相反，因此积分反向。此时计数器从零开始重新计数，直到反向积分至Vo从负重新越过零，比较器输出Vc翻转，于是与门G2关闭，计数停止，一次双积分型模数转器原理图从上面分析可知在一次转换中存在两种不同斜率的积分，因此得名双斜率积分型模数转换器，简称双积分型模数转换器。与此相对照，前面那种积分型模数转换器就称为单积分型了。双积分型的转换关系如下：在第一阶段积分中，积分时间固定为Tl(=2nTc),第一阶段积分结束时的积分器输出电压为：一念协血一徐。-2ni\y\式中VI是Vi在T1期间的平均值。这里之所以用于均值VI来表示Vi是考虑了干扰的存在。在实际输入积分器的电压中，除被测直流电压外还叠加有交流干扰成分。在第二阶段反向积分中，积分斜率固定为Vref/RC。积分器输出为第二阶段反向积分结束发生在Vo过零的时刻，即t=t2时，Vo=0V，所以这就是模数转换的结果，与fc，R，C无关。

优缺点：可以看出双积分明显的优点是，①转换关系与积分电阻R,电容C,时钟频率fc无关，因此双积分型ADC容易达到高精度。②双积分型的电路结构与单积分型相比只稍复杂一些、因此成本仍比较低，所以积分型ADC是以双积分型为主。积分型ADC的另一个好处是抗干扰能力强。③积分本身有低通滤波作用。为了提高对工频50Hz的抑制能力，选择适当的时钟频率fc,使Tc是工频周期(20ms)的整数倍。双积分型模数转换器的缺点是速度比较慢，在满量程情况下，转换要经历2n+1个时钟脉冲才能完成。一般需要几一几十毫秒，甚至几百毫秒。(3)四积分型模数转换器在双积分型模数转换关系式的推导中，把积分器和比较器看成是由理想运算放大器组成的，但是实际运放存在输入偏置、输入失调，图中的运放的V-端不

是理想的虚地，因此上面的式子都不是精确地成立。于是最终的转换式存在一定误差。如何把积分型模数转换的精度进一步提高呢?基本方法是增加两个阶段的积分，测出失调误差，以便对测量结果修正，于是就出现了四斜率积分，简称四积分。详细的工作过程自学。芯片实例：ICL7109：12位Microprocessor-CompatibleA/D转换器。公司:

Features12-BitBinary(PlusPolarityandOver-Range)DualSlopeIntegratingAnalog-to-DigiulConverterFeatures12-BitBinary(PlusPolarityandOver-Range)DualSlopeIntegratingAnalog-to-DigiulConverterByte-Organized,TTLCompatibleThree-StateOutputsandUARTHandshakeModeforSimpleParallelorSerialInterfacingtoMicroprocessorSystemsRUN/HOLDInputandSTATUSOutputCanBeUsedtoMonitorandControlConversionTimingTrueDifferentialInputandDifferentialReferenceLowNoise(Typ)15pVp_pInputCurrent(Typ)1pAOperatesAtUpto30Conversions/sOn-ChipOscillatorOperateswithInexpensive3.S3MHZTVCrystalGiving7.5Conversions/sfor60HzRejection.MayAlsoBeUsedwithAnRCNetworkOscillatorforOtherClockFrequenciesDescriptionTheICL7109isahighperformance,CPv1OS;lov；powerintegratingA.'Dconverterdesignedtoeasilyinterfacewthmicroprocessors.Theoutputdata(12bits：polityandover-range)maybedirectlyaccessedundercontrolofUvobyteenableinputsandachipselectinputforasingleparallelbusinterface.AUARThandshakemodeisprovidedtoallowtheICL7105tov/orkwithindustry-standardUARTsinprovidingserialdatatransmission.TheRUN/HOLDinputandSTATUSoutputallowmonito