數(shù)字輔助的流水線AD轉(zhuǎn)換器理論與實現(xiàn)

ad轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)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(zhuǎn)換速率(conversion rate)。是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的ad轉(zhuǎn)換所需的時間的倒數(shù)。積分型ad的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率(sample rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此習(xí)慣上將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移特性曲線與無限分辨率ad(理想ad)的轉(zhuǎn)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(yīng)的輸入信號與理想輸入信號值之差。 (6)線性度(lineafity)。實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)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(biāo)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(zhuǎn)換器，選取的標(biāo)準(zhǔn)主要決定于采樣頻率和位數(shù)，以及價格、供貨周期、應(yīng)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(zhuǎn)換芯片ads5422。 ads5422是14bit的最高采樣頻率可達62msps的高速ad轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換適應(yīng)信號的范圍為10lg(214)db=42db，基本上可以適應(yīng)各種應(yīng)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(yīng)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(shè)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(jié)束開始信號處理。由于高速ad采樣導(dǎo)致信號不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)錯誤。將設(shè)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。

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(zhuǎn)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(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片ad轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換方式實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換，又稱flash(快速)型。由于轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。 串并行比較型ad結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器配合da轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的叫做分級(multistep/subrangling)型ad，而從轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型ad轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從msb開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置da轉(zhuǎn)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。

d/a轉(zhuǎn)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(wù)是將離散的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的模擬信號。在工業(yè)控制領(lǐng)域中，d/a轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器說明d/a轉(zhuǎn)換器的工作原理: 當(dāng)d3=1 i3=vd/2r=vref/(1×2r) 當(dāng)d3=0 i3=0 當(dāng)d2=1 i2=vd/2r=vref/(2×2r) 當(dāng)d2=0 i2=0 當(dāng)d1=1 i1=vd/2r=vref/(4×2r) 當(dāng)d1=1 i1=0 當(dāng)d0=1 i0=vd/2r=vref/(8×2r) 當(dāng)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(guān)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。