浅析现代工业模数转换器

浅析现代工业模数转换器一、数模转换器（一）、基本概念模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称a/d转换器或adc,analogtodigitalconverter），A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。（二）、转换原理模拟数字转换器的分辨率是指，对于允许范围内的模拟信号，它能输出离散数字信号值的个数。这些信号值通常用二进制数来存储，因此分辨率经常用比特作为单位，且这些离散值的个数是2的幂指数。例如，一个具有8位分辨率的模拟数字转换器可以将模拟信号编码成256个不同的离散值（因为2^8=256），从0到255（即无符号整数）或从-128到127（即带符号整数），至于使用哪一种，则取决于具体的应用。分辨率同时可以用电气性质来描述，使用单位伏特。使得输出离散信号产生一个变化所需的最小输入电压的差值被称作最低有效位（Leastsignificantbit,LSB）电压。这样，模拟数字转换器的分辨率Q等于LSB电压。模拟数字转换器的电压分辨率等于它总的电压测量范围除以离散电压间隔数：这里N是离散电压间隔数。这里EFSR代表满量程电压范围，即是总的电压测量范围，即输入参考高电压与输入参考低电压的差值[1]

这里VRefHi和VRefLow是转换过程允许电压的上下限。正常情况下，电压间隔数N=2^M，M为ADC模块的精度的位数响应类型大多数模拟数字转换器的响应类型为线性，这里的“线性”是指，输入信号的大小与输入信号的大小成线性比例。一些早期的转换器的响应类型呈对数关系，由此来执行A-law算法或μ-law算法编码。误差模拟数字转换器的误差有若干种来源。量化错误和非线性误差（假设这个模拟数字转换器标称具有线性特征）是任何模拟数字转换中都存在的内在误差。也有一种被称作孔径错误（apertureerror），它是由于时钟的不良振荡，且常常在对时域信号数字化的过程中出现。这种误差用一个称为“最低有效位”的参数来衡量。采样率模拟信号在时域上是连续的，因此可以将它转换为时间上连续的一系列数字信号。这样就要求定义一个参数来表示新的数字信号采样自模拟信号速率。这个速率称为转换器的采样率或采样频率。可以采集连续变化、带宽受限的信号（即每隔一时间测量并存储一个信号值），然后可以通过插值将转换后的离散信号还原为原始信号。这一过程的精确度受量化误差的限制。然而，仅当采样率比信号频率的两倍还高的情况下才可能达到对原始信号的忠实还原，这一规律在采样定理有所体现。由于实际使用的模拟数字转换器不能进行完全实时的转换，所以对输入信号进行一次转换的过程中必须通过一些外加方法使之保持恒定。常用的有采样-保持电路，在大多数的情况里，通过使用一个电容器可以存储输入的模拟电压，并通过开关或门电路来闭合、断开这个电容和输入信号的连接。许多模拟数字转换集成电路在内部就已经包含了这样的采样-保持子系统。混叠所有的模拟数字转换器以每隔一定时间进行采样的形式进行工作。因此，它们的输出信号只是对输入信号行为的不完全描述。在某一次采样和下一次采样之间的时间段，仅仅根据输出信号，是无法得知输入信号的形式的。如果输入信号以比采样率低的速率变化，那么可以假定这两次采样之间的信号介于这两次采样得到的信号值。然而，如果输入信号改变过快，则这样的假设是错误的。如果模拟数字转换器产生的信号在系统的后期，通过数字模拟转换器，则输出信号可以忠实地反映原始信号。如经过输入信号的变化率比采样率大得多，则是另一种情况，模拟数字转换器输出的这种“假”信号被称作“混叠”。混叠信号的频率为信号频率和采样率的差。例如，一个2千赫兹的正弦曲线信号在采样率在1.5千赫兹采样率的转换后，会被重建为500赫兹的正弦曲线信号。这样的问题被称作“混叠”。为了避免混叠现象，模拟数字转换器的输入信号必须通过低通滤波器进行滤波处理，过滤掉频率高于采样率一半的信号。这样的滤波器也被称作反锯齿滤波器。它在实用的模拟数字转换系统中十分重要，常在混有高频信号的模拟信号的转换过程中应用。尽管在大多数系统里，混叠是不希望看到的现象，值得注意的是，它可以提供限制带宽高频信号的同步向下混合（simultaneousdown-mixing，请参见采样过疏和混频器）。构成及特点模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接ADC和直接ADC[2]

。间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，常用的有中间量是时间的双积分型ADC。直接ADC则直接转换成数字量，常用的有并联比较型ADC和逐次逼近型ADC[2]

。并联比较型ADC：由于并联比较型ADC采用各量级同时并行比较，各位输出码也是同时并行产生，所以转换速度快是它的突出优点，同时转换速度与输出码位的多少无关。并联比较型ADC的缺点是成本高、功耗大。因为n位输出的ADC，需要2n个电阻，（2n－1）个比较器和D触发器，以及复杂的编码网络，其元件数量随位数的增加，以几何级数上升。所以这种ADC适用于要求高速、低分辩率的场合。逐次逼近型ADC：逐次逼近型ADC是另一种直接ADC，它也产生一系列比较电压VR，但与并联比较型ADC不同，它是逐个产生比较电压，逐次与输入电压分别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型ADC每次转换都要逐位比较，需要（n+1）个节拍脉冲才能完成，所以它比并联比较型ADC的转换速度慢，比双分积型ADC要快得多，属于中速ADC器件。另外位数多时，它需用的元器件比并联比较型少得多，所以它是集成ADC中，应用较广的一种。双积分型ADC：属于间接型ADC，它先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得与采样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用计数器对标准时钟脉冲（CP）计数，计数器输出的计数结果就是对应的数字量。双积分型ADC优点是抗干扰能力强；稳定性好；可实现高精度模数转换。主要缺点是转换速度低，因此这种转换器大多应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器仪表中，例如用于多位高精度数字直流电压表中。（三）、Dither信号在模拟数字转换器中，工作状况可以通过引入抖动信号（Dither）得到改善。Dither信号是在转换前混入输入信号的微量随机噪声（白噪声）。它的作用效果是输入信号极小时，造成LSB的状态随机在0和1之间振荡，而不是处于某一个间接法两大类。直接法是直接将电压转换成数字量。它用数模网络输出的一套基准电压，从高位起逐位与被测电压反复比较，直到二者达到或接近平衡。控制逻辑能实现对分搜索的控制，其比较方法如同天平称重。先使二进位制数的最高位Dn-1=1，经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压VS，与输入电压Vin相比较，若Vin>VS,则保留这一位；若Vin<Vs，则Dn-1=0。然后使下一位Dn-2=1,与上一次的结果一起经数模转换后与Vin相比较,重复这一过程，直到使D0=1，再与Vin相比较,由Vin>VS还是Vin<V来决定是否保留这一位。经过n次比较后，n位寄存器的状态即为转换后的数据。这种直接逐位比较型（又称反馈比较型）转换器是一种高速的数模转换电路，转换精度很高，但对干扰的抑制能力较差，常用提高数据放大器性能的方法来弥补。它在计算机接口电路中用得最普遍。间接法不将电压直接转换成数字，而是首先转换成某一中间量,再由中间量转换成数字。常用的有电压-时间间隔(V/T)型和电压-频率(V/F)型两种，其中电压-时间间隔型中的双斜率法（又称双积分法）用得较为普遍。模数转换器的选用具体取决于输入电平、输出形式、控制性质以及需要的速度、分辨率和精度。用半导体分立元件制成的模数转换器常常采用单元结构，随着大规模集成电路技术的发展，模数转换器体积逐渐缩小为一块模板、一块集成电路。（四）A/D的几种工作原理分类1）逐次逼近法逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图所示。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法的转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为Vo，与送入比较器的待转换的模拟量Vi进行比较，若Vo<Vi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的Vo再与Vi比较，若Vo<Vi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。2）双积分法采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。如图所示。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Vi，Vi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间T的正向积分，时间T到后，开关再接通与Vi极性相反的基准电压VREF，将VREF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。Vi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Vi所对应的数字量，实现了A/D转换。3）电压频率转换法采用电压频率转换法的A/D转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成，它的工作原理是V/F转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。电压频率转换法的工作过程是：当模拟电压Vi加到V/F的输入端，便产生频率F与Vi成正比的脉冲，在一定的时间内对该脉冲信号计数，时间到，统计到计数器的计数值正比于输入电压Vi，从而完成A/D转换。（五）、A/D转换器的主要技术参数1）转换精度（1）分辨率A/D转换器的分辨率以输出二进制（或十进制）数的位数来表示。它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。从理论上讲，n位输出的A/D转换器能区分2个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2n。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，分辨率愈高。例如A/D转换器输出为8位二进制数，输入信号最大值为5V,那么这个转换器应能区分出输入信号的最小电压为9.53mV。（2）转换误差转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如给出相对误差≤±LSB/2，这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。2转换时间转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关。不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较A/D转换器的转换速度最高，8位二进制输出的单片集成A/D转换器转换时间可达到50ns以内，逐次比较型A/D转换器次之，它们多数转换时间在10～50s以内，间接A/D转换器的速度最慢，如双积分A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间。在实际应用中，应从系统数据总的位数、精度要求、输入模拟信号的范围以及输入信号极性等方面综合考虑A/D转换器的选用。二、几种常见的A/D转换器的参数以及用途（一）、基于LTC2460/2的模数转换器技术参数LTC2460/LTC2462是超纤巧型16位模数转换器，具有一个集成的精准基准。它们采用2.7V至5.5V单电源，并通过一个SPI接口进行通信。LTC2460是单端器件，具有一个0V至VREF的输入范围，而LTC2462是差分器件，具有一个±VR