AD轉換器ad轉換器的分類

下面簡要介紹常用的幾種類型的基本原理及特點:積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、∑-Δ調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。 1)積分型(如tlc7135) 積分型ad工作原理是將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點是由于轉換精度依賴于積分時間，因此轉換速率極低。初期的單片ad轉換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。 2)壓頻變換型(如ad650) 壓頻變換型(voltage-frequency converter)是通過間接轉換方式實現(xiàn)模數(shù)轉換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉換成頻率，然后用計數(shù)器將頻率轉換成數(shù)字量。從理論上講這種ad的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。其優(yōu)點是分辯率高、功耗低、價格低，但是需要外部計數(shù)電路共同完成ad轉換。 3)并行比較型/串并行比較型(如tlc5510) 并行比較型ad采用多個比較器，僅作一次比較而實行轉換，又稱flash(快速)型。由于轉換速率極高，n位的轉換需要2n-1個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價格也高，只適用于視頻ad轉換器等速度特別高的領域。 串并行比較型ad結構上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n/2位的并行型ad轉換器配合da轉換器組成，用兩次比較實行轉換，所以稱為half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實現(xiàn)ad轉換的叫做分級(multistep/subrangling)型ad，而從轉換時序角度又可稱為流水線(pipelined)型ad，現(xiàn)代的分級型ad中還加入了對多次轉換結果作數(shù)字運算而修正特性等功能。這類ad速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。 4)∑-Δ(sigma?/font>delta)調(diào)制型(如ad7705) ∑-Δ型ad由積分器、比較器、1位da轉換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度)信號，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。 5)電容陣列逐次比較型 電容陣列逐次比較型ad在內(nèi)置da轉換器中采用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列da轉換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本制成高精度單片ad轉換器。最近的逐次比較型ad轉換器大多為電容陣列式的。 6)逐次比較型(如tlc0831) 逐次比較型ad由一個比較器和da轉換器通過逐次比較邏輯構成，從msb開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置da轉換器輸出進行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點是速度較高、功耗低，在低分辯率(<12位)時價格便宜，但高精度(>12位)時價格很高。

ad轉換器的主要指標如下。 (1)分辨率(resolution)。指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辨率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。 (2)轉換速率(conversion rate)。是指完成一次從模擬轉換到數(shù)字的ad轉換所需的時間的倒數(shù)。積分型ad的轉換時間是毫秒級屬低速ad，逐次比較型ad是微秒級屬中速ad，全并行/串并行型ad可達到納秒級。采樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉換的間隔。為了保證轉換的正確完成，采樣速率(sample rate)必須小于或等于轉換速率。因此習慣上將轉換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和msps，表示每秒采樣千/百萬次(kilo / million samples per second)。 (3)量化誤差(quantizing error)。由于ad的有限分辨率而引起的誤差，即有限分辨率ad的階梯狀轉移特性曲線與無限分辨率ad(理想ad)的轉移特性曲線(直線)之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1lsb、1/2lsb。 (4)偏移誤差(offset error)。輸入信號為雷時輸出信號不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。 (5)滿刻度誤差(full scale error)。滿刻度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。 (6)線性度(lineafity)。實際轉換器的轉移函數(shù)與理想直線的最大偏移，不包括以上3種誤差。 ad的其他指標還有絕對精度(absolute accuracy)、相對精度(relative accuracy)、微分非線性、單調(diào)性和無錯碼、總諧波失真(thd，total harmonic distotortion)和積分非線性等。 對于ad轉換器，選取的標準主要決定于采樣頻率和位數(shù)，以及價格、供貨周期、應用情況等其他因數(shù)。生產(chǎn)高速ad的主要廠家有ad公司、maxim公司以及ti公司(也就是bb公司)。這三家公司在高速ad上的產(chǎn)品種類不是很多，根據(jù)對各種ad芯片的查閱，選擇ti公司的ad轉換芯片ads5422。 ads5422是14bit的最高采樣頻率可達62msps的高速ad轉換芯片，采用單- 5v電源供電，在采樣頻率為10m時其最大動態(tài)范圍為82db，最高信噪比達到72db，其數(shù)字量輸出可以直接和5v或者3.3v的cmos芯片連接，模擬量輸入的峰峰值為4v，可以直接輸人0.5~4.5v的模擬量，封裝形式為64腳的扁平四方封裝，目前ti的官方報價為29美元/片(一次購買千片以上的單價)。國內(nèi)也有該芯片出售，國內(nèi)價格在300元左右。 14bit的ad轉換適應信號的范圍為10lg(214)db=42db，基本上可以適應各種應用場合。ads5422的采樣頻率的大小由其輸人時鐘決定，輸入時鐘的范圍可以在16ns~1μs，輸人時鐘為16ns時對應采樣頻率為62mhz，ad可以接受3v或者5v的ttl或者cm0s電平。dsp可以提供該時鐘信號，并且可以軟件設置輸人時鐘的各種特征量，包括時鐘頻率、高電平寬度等，基本上可以滿足ad5422對時鐘信號的要求。這里確定ad的實際采樣頻率為60mhz。這樣，一秒鐘內(nèi)采樣的數(shù)據(jù)量為50m個，由于dsp系統(tǒng)無法及時處理這些數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理之前，必須將這些數(shù)據(jù)保存起來，使用Πfo保存1m個數(shù)據(jù)，也就是20ms內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)，1m個數(shù)據(jù)采集結束開始信號處理。由于高速ad采樣導致信號不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)錯誤。將設計多層板，加強布線的合理性，從電路板上盡可能去除干擾;其次提高算法的效率，節(jié)省計算時間。 和ads5422功能接近的其他型號的ad還有ad公司的ad9244。和ads5422相比，兩者數(shù)據(jù)位數(shù)都是14bit，在信噪比上兩者相近，時鐘輸入和操作方法相近，電源都是5v，輸出數(shù)字信號都可以和3.3v的芯片兼容;其主要優(yōu)點是功耗是ads5422的一半，500mw;其主要缺點是輸人模擬電壓峰峰值為ads5422的一半，只有2v。 ad公司其他的高速ad芯片還有ad6644，為其早期產(chǎn)品，操作方法和ads5422、ad9244不一樣，ad6644功耗達到1.3w。和ad9244相比，沒有什么優(yōu)點，ad9244是其替代產(chǎn)品。 高速ad的另外一個廠家maxim公司也有一批高速ad產(chǎn)品，但采樣頻率在40mhz以上沒有14bit數(shù)據(jù)的ad，其產(chǎn)品優(yōu)勢主要集中在中速ad上。

d/a轉換器是計算機或其它數(shù)字系統(tǒng)與模擬量控制對象之間聯(lián)系的橋梁，它的任務是將離散的數(shù)字信號轉換為連續(xù)變化的模擬信號。在工業(yè)控制領域中，d/a轉換器是不可缺少的重要組成部分。

以下以一個四位的d/a轉換器說明d/a轉換器的工作原理: 當d3=1 i3=vd/2r=vref/(1×2r) 當d3=0 i3=0 當d2=1 i2=vd/2r=vref/(2×2r) 當d2=0 i2=0 當d1=1 i1=vd/2r=vref/(4×2r) 當d1=1 i1=0 當d0=1 i0=vd/2r=vref/(8×2r) 當d0=1 i0=0 vout=-iout1×rf 由此可見:隨著d3-d0的取值(0、1)的不同在運放輸出端可以得到不同的電壓量。如果用數(shù)字量來控制電子開關的通斷(1表示接通，0表示斷開) 例如:d3d2d1d0 vout 0000 0v 0001 1/24vref*rf/r 0010 2/24 vref*rf/r 0011 3/24 vref*rf/r 15/24 vref*rf/r 可見:在輸出端可得到與輸入數(shù)字量成正比的模擬電壓量。

1)積分型(如TLC7135)

積分型AD工作原理是將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率， 但缺點是由于轉換精度依賴于積分時間，因此轉換速率極低。初期的單片AD轉換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。

2)逐次比較型(如TLC0831)

逐次比較型AD由一個比較器和DA轉換器通過逐次比較邏輯構成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉換器輸出進行比較，經(jīng)n次比較而輸出 數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點是速度較高、功耗低，在低分辯率(<12位)時價格便宜，但高精度(>12位)時價格很高。

3)并行比較型/串并行比較型(如TLC5510)

并行比較型AD采用多個比較器，僅作一次比較而實行轉換，又稱FLash(快速)型。由于轉換速率極高，n位的轉換需要2n-1個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價格也高，只適用于視頻AD轉換器等速度特別高的領域。

串并行比較型AD結構上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n/2位的并行型AD轉換器配合DA轉換器組成，用兩次比較實行轉換，所以稱為 Half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實現(xiàn)AD轉換的叫做分級(Multistep/Subrangling)型AD，而從轉換時序角度 又可稱為流水線(Pipelined)型AD，現(xiàn)代的分級型AD中還加入了對多次轉換結果作數(shù)字運算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高，電路 規(guī)模比并行型小。

4)Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)調(diào)制型(如AD7705)

Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度)信號，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。

5)電容陣列逐次比較型

電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA轉換器中采用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高 精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本制成高精度單片AD轉換器。最近的逐次比較型AD轉換器大多為電容陣列式的。

6)壓頻變換型(如AD650)

壓頻變換型(Voltage-Frequency Converter)是通過間接轉換方式實現(xiàn)模數(shù)轉換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉換成頻率，然后用計數(shù)器將頻率轉換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。其優(yōu)點是分辯率高、功耗低、價格低，但是需要外部計數(shù)電路共同完成AD轉換。

AD轉換器介紹

1. AD轉換器的分類

下面簡要介紹常用的幾種類型的基本原理及特點：積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、Σ-Δ調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。

1）積分型（如TLC7135）

積分型AD工作原理是將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點是由于轉換精度依賴于積分時間，因此轉換速率極低。初期的單片AD轉換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。

2）逐次比較型（如TLC0831）

逐次比較型AD由一個比較器和DA轉換器通過逐次比較邏輯構成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉換器輸出進行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點是速度較高、功耗低，在低分辯率（12位）時價格很高。

3）并行比較型/串并行比較型（如TLC5510）

并行比較型AD采用多個比較器，僅作一次比較而實行轉換，又稱FLash(快速)型。由于轉換速率極高，n位的轉換需要2n-1個比較器，因此電路規(guī)模也極大，價格也高，只適用于視頻AD轉換器等速度特別高的領域。

串并行比較型AD結構上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n/2位的并行型AD轉換器配合DA轉換器組成，用兩次比較實行轉換，所以稱為Half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實現(xiàn)AD轉換的叫做分級（Multistep/Subrangling）型AD，而從轉換時序角度又可稱為流水線（Pipelined）型AD，現(xiàn)代的分級型AD中還加入了對多次轉換結果作數(shù)字運算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。

4）Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)調(diào)制型（如AD7705）

Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度)信號，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。

5）電容陣列逐次比較型

電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA轉換器中采用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本制成高精度單片AD轉換器。最近的逐次比較型AD轉換器大多為電容陣列式的。

6）壓頻變換型（如AD650）

壓頻變換型（Voltage-Frequency Converter）是通過間接轉換方式實現(xiàn)模數(shù)轉換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉換成頻率，然后用計數(shù)器將頻率轉換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。其優(yōu)點是分辯率高、功耗低、價格低，但是需要外部計數(shù)電路共同完成AD轉換。

2. AD轉換器的主要技術指標

1）分辯率(Resolution) 指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辯率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。

2）轉換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉換到數(shù)字的AD轉換所需的時間的倒數(shù)。積分型AD的轉換時間是毫秒級屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級屬中速AD，全并行/串并行型AD可達到納秒級。采樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉換的間隔。為了保證轉換的正確完成，采樣速率(Sample Rate)必須小于或等于轉換速率。因此有人習慣上將轉換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表示每秒采樣千/百萬次（kilo / Million Samples per Second）。

3）量化誤差(Quantizing Error) 由于AD的有限分辯率而引起的誤差，即有限分辯率AD的階梯狀轉移特性曲線與無限分辯率AD（理想AD）的轉移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1 個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。

4）偏移誤差(Offset Error) 輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。

5）滿刻度誤差(Full Scale Error) 滿度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。

6）線性度(Linearity) 實際轉換器的轉移函數(shù)與理想直線的最大偏移，不包括以上三種誤差。

其他指標還有：絕對精度(Absolute Accuracy) ，相對精度(Relative Accuracy)，微分非線性，單調(diào)性和無錯碼，總諧波失真（Total Harmonic Distotortion縮寫THD）和積分非線性。

3. DA轉換器

DA轉換器的內(nèi)部電路構成無太大差異，一般按輸出是電流還是電壓、能否作乘法運算等進行分類。大多數(shù)DA轉換器由電阻陣列和n個電流開關(或電壓開關)構成。按數(shù)字輸入值切換開關，產(chǎn)生比例于輸入的電流(或電壓)。此外，也有為了改善精度而把恒流源放入器件內(nèi)部的。一般說來，由于電流開關的切換誤差小，大多采用電流開關型電路，電流開關型電路如果直接輸出生成的電流，則為電流輸出型DA轉換器。此外，電壓開關型電路為直接輸出電壓型DA轉換器。

1）電壓輸出型（如TLC5620）

電壓輸出型DA轉換器雖有直接從電阻陣列輸出電壓的，但一般采用內(nèi)置輸出放大器以低阻抗輸出。直接輸出電壓的器件僅用于高阻抗負載，由于無輸出放大器部分的延遲，故常作為高速DA轉換器使用。

2）電流輸出型(如THS5661A)

電流輸出型DA轉換器很少直接利用電流輸出，大多外接電流—電壓轉換電路得到電壓輸出，后者有兩種方法：一是只在輸出引腳上接負載電阻而進行電流—電壓轉換，二是外接運算放大器。用負載電阻進行電流—電壓轉換的方法，雖可在電流輸出引腳上出現(xiàn)電壓，但必須在規(guī)定的輸出電壓范圍內(nèi)使用，而且由于輸出阻抗高，所以一般外接運算放大器使用。此外，大部分CMOSDA轉換器當輸出電壓不為零時不能正確動作，所以必須外接運算放大器。當外接運算放大器進行電流電壓轉換時，則電路構成基本上與內(nèi)置放大器的電壓輸出型相同，這時由于在DA轉換器的電流建立時間上加入了達算放入器的延遲，使響應變慢。此外，這種電路中運算放大器因輸出引腳的內(nèi)部電容而容易起振，有時必須作相位補償。

3）乘算型（如AD7533）

DA轉換器中有使用恒定基準電壓的，也有在基準電壓輸入上加交流信號的，后者由于能得到數(shù)字輸入和基準電壓輸入相乘的結果而輸出，因而稱為乘算型DA轉換器。乘算型DA轉換器一般不僅可以進行乘法運算，而且可以作為使輸入信號數(shù)字化地衰減的衰減器及對輸入信號進行調(diào)制的調(diào)制器使用。

4）一位DA轉換器

一位DA轉換器與前述轉換方式全然不同，它將數(shù)字值轉換為脈沖寬度調(diào)制或頻率調(diào)制的輸出，然后用數(shù)字濾波器作平均化而得到一般的電壓輸出(又稱位流方式)，用于音頻等場合。

4. DA轉換器的主要技術指標：

1）分辯率(Resolution) 指最小模擬輸出量（對應數(shù)字量僅最低位為‘1’）與最大量（對應數(shù)字量所有有效位為‘1’）之比。

2）建立時間(Setting Time) 是將一個數(shù)字量轉換為穩(wěn)定模擬信號所需的時間，也可以認為是轉換時間。DA中常用建立時間來描述其速度，而不是AD中常用的轉換速率。一般地，電流輸出DA建立時間較短，電壓輸出DA則較長。

其他指標還有線性度(Linearity)，轉換精度，溫度系數(shù)/漂移。

（1）內(nèi)部電路板和其他零件的更換及相關操作必須由專業(yè)工程師或技術人員進行。

（2）打開殼蓋前須保證設備斷電至少10min。殼蓋的打開須由專業(yè)工程師或技術人員進行。

（3）防爆型的轉換器必須轉移到一個安全的區(qū)域進行維修保養(yǎng)、拆卸、再組裝。

（4）轉換器電路板組件中包含敏感部件，可能會被靜電損壞。小心操作以免直接接觸電子

部件或電路板上的電路圖案，必要時需采取相應的防靜電措施。