模數(shù)轉換器基本原理

模擬量轉換成數(shù)字量的過程被稱為模數(shù)轉換，簡稱A/D(Analog to Digital)轉換；完成模數(shù)轉換的電路被稱為 A/D 轉換器，簡稱 ADC(Analog to Digital Converter)。 數(shù)字量轉換成模擬量的過程稱為數(shù)模轉換， 簡稱 D/A(Digital to Analog)轉換；完成數(shù)模轉換的電路稱為D/A轉換器，簡稱DAC(Digital to Analog Converter)。模擬信號由傳感器轉換為電信號，經(jīng)放大送入 AD 轉換器轉換為數(shù)字量，由數(shù)字電路進行處理，再由 DA轉換器還原為模擬量，去驅動執(zhí)行部件。為了保證數(shù)據(jù)處理結果的準確性， AD轉換器和DA轉換器必須有足夠的轉換精度。同時，為了適應快速過程的控制和檢測的需要，AD轉換器和 DA轉換器還必須有足夠快的轉換速度。因此，轉換精度和轉換速度乃是衡量 AD轉換器和 DA轉換器性能優(yōu)劣的主要標志。

? ? ? 模數(shù)轉換器，是把經(jīng)過與標準量（或參考量）比較處理后的模擬量轉換成以二進制數(shù)值表示的離散信號的轉換器，簡稱ADC或 A/D轉換器。

模數(shù)轉換器最重要的參數(shù)是轉換的精度，通常用輸出的數(shù)字信號的位數(shù)的多少表示。轉換器能夠準確輸出的數(shù)字信號的位數(shù)越多，表示轉換器能夠分辨輸入信號的能力越強，轉換器的性能也就越好。A/D轉換一般要經(jīng)過采樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，有些過程是合并進行的，如采樣和保持，量化和編碼在轉換過程中是同時實現(xiàn)的。

模數(shù)轉換過程包括量化和編碼。量化是將模擬信號量程分成許多離散量級，并確定輸入信號所屬的量級。編碼是對每一量級分配唯一的數(shù)字碼，并確定與輸入信號相對應的代碼。最普通的碼制是二進制，它有2的n次方個量級（n為位數(shù)）,可依次逐個編號。模數(shù)轉換的方法很多，從轉換原理來分可分為直接法和間接法兩大類。 直接法是直接將電壓轉換成數(shù)字量。它用數(shù)模網(wǎng)絡輸出的一套基準電壓，從高位起逐位與被測電壓反復比較，直到二者達到或接近平衡（見圖）。控制邏輯能實現(xiàn)對分搜索的控制，其比較方法如同天平稱重。先使二進位制數(shù)的最高位Dn-1=1，經(jīng)數(shù)模轉換后得到一個整個量程一半的模擬電壓VS，與輸入電壓Vin相比較，若Vin>VS,則保留這一位；若Vin<Vs，則Dn-1=0。然后使下一位Dn-2=1,與上一次的結果一起經(jīng)數(shù)模轉換后與Vin相比較,重復這一過程，直到使D0=1，再與Vin相比較,由Vin>VS還是Vin<V來決定是否保留這一位。經(jīng)過n次比較后，n位寄存器的狀態(tài)即為轉換后的數(shù)據(jù)。這種直接逐位比較型（又稱反饋比較型）轉換器是一種高速的數(shù)模轉換電路，轉換精度很高，但對干擾的抑制能力較差，常用提高數(shù)據(jù)放大器性能的方法來彌補。它在計算機接口電路中用得最普遍。

間接法不將電壓直接轉換成數(shù)字，而是首先轉換成某一中間量,再由中間量轉換成數(shù)字。常用的有電壓-時間間隔(V/T)型和電壓-頻率(V/F)型兩種，其中電壓-時間間隔型中的雙斜率法（又稱雙積分法）用得較為普遍。

模數(shù)轉換器的選用具體取決于輸入電平、輸出形式、控制性質以及需要的速度、分辨率和精度。

用半導體分立元件制成的模數(shù)轉換器常常采用單元結構，隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，模數(shù)轉換器體積逐漸縮小為一塊模板、一塊集成電路。

第一章 基礎知識

· 1.1 概述

· 1.2 模數(shù)轉換的轉換過程和轉換關系式

· 1.3 二進制數(shù)和二進制編碼

· 1.4 常用術語和主要技術指標

· 1.5 模數(shù)轉換器的分類

· 1.6 模數(shù)轉換器的發(fā)展趨勢

第二章 模數(shù)轉換器的工作原理

· 2.1 逐次逼近型模數(shù)轉換器

· 2.2 積分型模數(shù)轉換器

· 2.3 跟蹤計數(shù)型模數(shù)轉換器

· 2.4 ∑-△型模數(shù)轉換器

第三章 高速模數(shù)轉換器的應用基礎

· 3.1 采樣、量化理論基礎

· 3.2 高速模數(shù)轉換器的主要動態(tài)性能指標

· 3.3 高速模數(shù)轉換器的欠采樣應用基礎

· 3.4 抗混疊濾波器與高速模數(shù)轉換器的動態(tài)范圍

· 3.5 高速模數(shù)轉換器的結構和工作原理

· 3.6 高速模數(shù)轉換器外圍電路和接口設計

· 3.7 高速模數(shù)轉換器的信號輸入方式

· 3.8 高速模數(shù)轉換器的應用

第四章 典型集成模數(shù)轉換器及其應用

· 4.1 逐次逼近型模數(shù)轉換器

· 4.2 并行比較型ADC

· 4.3 分級型模數(shù)轉換器

· 4.4 ∑-△模數(shù)轉換器

· 4.5 模數(shù)轉換子系統(tǒng)

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第五章 壓頻轉換器(VFC)和頻壓轉換器(FVC)工作原理及應用

· 5.1 概述

· 5.2 壓頻和頻壓轉換的工作原理

· 5.3 典型集成壓頻和頻壓轉換器

· 5.4 壓頻和頻壓轉換器的應用

第六章 模數(shù)轉換器應用指南

· 6.1 模數(shù)轉換器的應用領域

· 6.2 模數(shù)轉換器的選用

· 6.3 模數(shù)轉換器應用電路的設計要點

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附錄 ADI公司模數(shù)轉換器索引

參考文獻

北京市英賽爾器件集團簡介

美國模擬器件公司簡介

線性度是模數(shù)轉換器非常重要的靜態(tài)性能指標 ,級間增益誤差對系統(tǒng)的積分非線性有很惡劣的影響 ,然而在以往的分析中并沒有引起足夠重視 ?.

( 1) 對于前端采樣保持電路 ,增益 G 0 代表了最終模數(shù)轉換曲線的斜率 ,理想情況 G 0= 1,系統(tǒng)量化誤差限制在± 0. 5 LSB以內(nèi) .若 G 0≠ 1,則量化誤差顯著增加。前端采樣保持的增益 G0 決定了整個模數(shù)轉換器的增益 .當 G0 < 1時 ,轉換器的數(shù)字輸出減少 ,等效的輸入閾值電壓增加 .由于輸入的范圍不變 ,因此轉換器的動態(tài)范圍下降 .當 G0> 1時 ,數(shù)字輸出提前飽和 ,使有效的輸入范圍下降 .由于等效的輸入閾值電壓也相應減小 ,因此轉換器的動態(tài)范圍沒有變化 .差分非線性 ( DN L)與積分非線性 ( IN L)的計算是去掉過載的數(shù)字輸出之后 ,以轉換曲線兩端點的連線作為參考 ,并且以 LSB作為計算單位 G0的取值并不影響系統(tǒng)的非線性誤差 ?.

( 2) 與前端采樣保持增益G0 不同 ,流水線級間增益Gi 的誤差會產(chǎn)生另外一種影響 .理想情況下 G i= 2,由于運放增益及電容比值的影響 ,實際的 Gi 并不是嚴格等于 2倍 .假定只有被觀察的 Gi 是非理想的 .圖 4( a)~ (c)為最終的歸一化數(shù)字輸出 ,對于量化誤差來說 ,由于級間增益 Gi 接近 2,各級的量化誤差換算到原始輸入端減少了 CGi 倍 ,隨著 i 的增大 ,Gi 對系統(tǒng)量化信噪比 QSN R的影響逐級減小 .同樣道理 , G i 對系統(tǒng)動態(tài)范圍的影響也是逐級減小的 . Gi 對 DNL、 IN L是有影響的 ,當后級增益大于前級增益時 ,系統(tǒng)不可避免地出現(xiàn)了非單調(diào)的特性 ,即隨著輸入的增加 ,系統(tǒng)輸出會出現(xiàn)下降的情況 .任一非理想的 Gi 將模數(shù)轉換曲線分成斜率為 Gi 的 2i+ 1 - 1段 ,各段曲線沿斜率為 Gi- 1的2i - 1段曲線分布 .在各段曲線交界處 DN L變化較大 ,而 INL也累積較大 .可見 ,無論是前端采樣保持增益還是級間增益 ,都從不同方面影響轉換器的線性度 .圖 5給出了 14bit轉換器在每級增益誤差小于 0. 1 % 情況下的非線性情 況 , DN L= + 1. 28 /- 0. 74 LSB, IN L= + 3. 76 /- 4. 00 LSB,由于級間增益誤差造成的 DN L尖峰 ?.

本書從現(xiàn)代電子技術應用角度出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了模數(shù)轉換器的基礎知識、工作原理和應用技術，并選編了20多種具有代表性的集成模數(shù)轉換器的詳細技術資料。本書在對模數(shù)轉換領域的有關技術作出全面和完整介紹的基礎上，著重介紹了近年來發(fā)展迅速的新型模數(shù)轉換技術和器件等。