8.1-8.2-逐次逼近式A-D

2020/3/281第八章A/D转换器逐次逼近式A/D转换器双积分式A/D转换器电压/频率转换式A/D转换器并行式A/D转换器2020/3/2828.1概述A/D转换器(ADC)是实现数字量到模拟量转换的接口器件，模数转换器的速度和精度一直在不断提高。目前ADC的速度可达1000MHz以上，分辨率可达24位。ADC的这种发展速度完全依赖于超大规模集成电路制造技术。2020/3/2838.1概述ADC1210/1211是一个高达24位分辨率的A/D转换器，其内部有两阶Σ-Δ调制器，三阶数字滤波器，采用多种自校正技术，输入端有可编程放大器，输出有内部微处理器处理，内部还有五个寄存器分别作指令寄存器、命令寄存器、数据输出寄存器、失调校正寄存器以及满量程校正寄存器，此外还有常规的基准电压、时钟产生电路等2020/3/2848．2逐次逼近式A／D转换器(SuccessiveApproximationA／DConverter)优点：转换速度较快，转换精度较高。缺点：抗干扰能力较积分式的差，价格高于同精度的双积分式A／D转换器目前常用的单片集成逐次逼近式A／D转换器分辨率为8～16位，一次转换时间在数微秒～百微秒范围内。广泛应用于中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动态测控系统等领域中．2020/3/2858.2.1逐次逼近式A／D转换原理这种转换技术的原理是建立在逐次“逼近”的基础上，即将未知的被测电压Vi与已知的分档量化电压Vf由粗到细逐次比较，直到两者的差别小于某一误差范围之内才算结束（平衡）。平衡时，分档的量化电压所对应的数码，就等于被测电压之数字量。2020/3/286逐次逼近式A／D转换原理27.1g1g2g4g8g16g32g2020/3/287称重逻辑操作过程步号加砝码天平指示（去码／留码）操作记录132g超重去码，d1=0216g欠重留码，d2=1(16)38g欠重留码，d3=1(24)44g超重去码，d4=052g欠重留码，d5=1(26)61g欠重留码，d6=1(27)2020/3/288逐次逼近式A／D转换原理可用天平测量某物体质量的过程去比拟逐次逼近技术，假设砝码的质量分档是按2ng划分的。其称量的逻辑与操作过程可以用图和表5－l表示，完成六步操作之后，得出被称物体的质量为：Mx=0×32g+1×16g+1×8g+0×4g+1×2g+1×1g=27g=0×25g+1×24g+1×23g+0×22g+1×21g+1×20g即：d1d2d3d4d5d6=011011。2020/3/289逐次逼近式A／D转换原理“1”留码“0”去吗2020/3/2810逐次逼近式A／D转换原理逐次逼近式A／D转换器的结构如图所示。假设D／A转换器的传递特性为：设：被测电压为8.3V，参考电压VR=10.24V，n=8，1LSB=40mV。)222(2211nnRfdddVV2020/3/2811逐次逼近式A／D转换过程第1步100000005.12留(1)10000000第2步110000007.68留(1)11000000第3步111000008.96去(0)11000000第4步110100008.32去(0)11000000第5步110010008.00留(1)11001000第6步110011008.16留(1)11001100第7步110011108.24留(1)11001110第8步110011118.28留(1)110011112020/3/2812逐次逼近式A／D转换原理2020/3/2813逐次逼近式A／D转换原理逐次逼近式A/D转换的结果可以从数据寄存器的并行输出端上取得。在完成最低位比较逻辑之后，由逻辑电路发出一锁存信号，将此数据并行送入输出数据锁存器中，可供计算机系统或显示系统取用。另外，它也可以以串行的方式向外发送数据。因为各次去码／留码判别后的逻辑电平信号正好对应着输出数据由高到低的各位数码，所以由此输出的串行码也可供后续系统使用。2020/3/2814逐次逼近式A／D转换原理图所示的逐次逼近式A/D转换器中，可能存在－1LSB的最大量化误差。它的传递特性如下图（a）所示，当输入相对电压Vi/VR略小于1/2n时，理应得出000…01的输出数据，可是由于对最后一位加码后比较结果是去码，所以实际得出的数码是000…00，造成了接近于－1LSB的误差。2020/3/2815逐次逼近式A／D转换原理2020/3/2816逐次逼近式A／D转换原理如果改变逐次逼近逻辑，例如试探码改为0111…1x011…1xx01…1xxxx…0方式，则可得到图(b)所示的包含有+1LSB最大量化误差的传递特性。2020/3/2817逐次逼近式A／D转换原理2020/3/2818逐次逼近式A／D转换原理2020/3/2819逐次逼近式A／D转换原理为了减小量化误差的影响，可以在逐次逼近式A/D转换器电路中，增加1/2LSB偏置电路，使特性左移半格(1/2LSB)实现这种左移偏置的电路如下图(a)所示。此时，暂且不考虑图中R5支路，只看R4支路的作用。2020/3/2820逐次逼近式A／D转换原理2020/3/2821逐次逼近式A／D转换原理2020/3/2822逐次逼近式A／D转换原理如果在逐次逼近式A/D转换器中电路中加入半量程偏置，如图(a)中的R5支路，则传递特性将左移半量程，使A/D转换器变成可接收双极性电压输入了。由图可知，当逐次逼近到最后一位之后，比较器A1的⊕端电位已接近于0。如不考虑R4支路的1/2LSB偏置的作用，则2020/3/2823逐次逼近式A／D转换原理2020/3/2824逐次逼近式A／D转换注意事项在逐次逼近式A/D转换过程中，输入电压不应有脉动变化，否则有可能出现严重超差。为了防止发生上述的这种差错，一般在逐次逼近式A/D转换器之前，需加接一个采样／保持器，以保证在A／D转换进行期间，输入电压不变化。2020/3/2825逐次逼近式A／D转换原理由D/A转换器组成的逐次逼近式A/D转换器，必须注意到D/A转换的微分非线性误差应小于±1LSB。否则，有可能导致逐次逼近式A/D转换器存在着“失码”（missingcode）的现象，即在量程范围内，连续变化输入电压时，总会有某几个数码不出现。集成化逐次逼近式A/D转换器常可保证无失码（no－missingcode）的性能。2020/3/2826失码000001010011100101110111D1/82/83/84/85/86/87/8abcdefgA1LSB2020/3/2827失码当微分非线性误差1LSB时，如ViVd，则D≥100，而当ViVd时，必小于VC，011留不住，故011必去码，D≤010。失码011!2020/3/2828失码01/82/83/84/85/86/87/8D001010011100101110111A011失码2020/3/28298.2.2集成化逐次逼近式A／D转换器目前流行的单片集成化逐次逼近式A/D转换器有两类产品，一类属双极型集成电路，另一类属CMOS线性集成电路。前者的转换速度较高，一般在0.1μS～40μs范围内。后者的转换速度略低，一般在20μs～200μs范围内，分辨率与精度一般在8～13位二进制码数量级范围。CMOS单片集成A/D转换器因功耗低，价格便宜，使用更为广泛。2020/3/2830集成化逐次逼近式A／D转换器一、ADC0801～0805型8位CMOS单片集成化逐次逼近式A/D转换器该集成A/D转换器系美NationalSemiconductor公司产品。它的芯片内设有三态输出数据锁存器，与微机系统兼容。输入方式为单通道。转换时间约为100μs。精度最高的是ADC0801，非线性误差为±1/4LSB；最差的是ADC0804和ADC0805，非线性误差为±1LSB。电源电压为单电源＋5V。同类产品还有ADC1001型10位A／D转换器。2020/3/2831集成化逐次逼近式A／D转换器二、ADC0808／0809型8位CMOS单片集成化逐次逼近式A/D转换器该集成逐次逼近式A/D转换器系美NationalSemiconductor公司产品。片内设置了一个八选一多路模拟开关，在通道地址锁存与译码器的支持下，可分时采集8路中任一路模拟量输入，在图中的右部是三态输出数据锁存器，它使这种A/D转换器可直接与多种μC系统的总线接口。2020/3/2833集成化逐次逼近式A／D转换器芯片的核心部分是8位逐次逼近式A/D转换器，它同样由电压比较器、D/A转换器和SAR逐次逼近逻辑寄存器组成。D／A转换器电路采用了256R（28R）电阻分压器和树状CMOS模拟开关阵列（TreeSwitches）译码器的方案。虽然电阻和开关数量很多，但因功耗极微，仍只占用很小的芯片面积。电压比较器和SAR等电路均属CMOS电路，在单电源＋5V支持下，消耗的电流仅3mA（功耗15mW）。2020/3/2834集成化逐次逼近式A／D转换器ADC0808／0809内部无时钟电路，必须由外部电路提供时钟脉冲。在内部定时逻辑电路控制下，对任一个通道一次转换的时间需要66～73个时钟脉冲。典型的钟频fCLK=640kHz。在此钟频支持下，一次A/D转换约需100μs。在正常工作频率之下，ADC0808的最大不可调误差不大于±1/2LSB，ADC0809为±1LSB。2020/3/2835集成化逐次逼近式A／D转换器三、12位逐次逼近式A/D转换器AD574A是美国模拟器件公司(AnalogDevicesInc.)生产的一种高速12位A/D转换器，广泛用于微机控制的数据采集系统和智能仪器中。A/D574内部电路组成框图2020/3/2837集成化逐次逼近式A／D转换器AD574A电路组成如上图所示。它由两片双极型器件集成电路组成，采用28脚双列直插式标准封装。电路中的D/A转换器部分引用了该公司的AD565A型高速12位单片集成D／A转换器成品，并增加了高精度的内部参考电压源和必要的内部电阻。2020/3/2838集成化逐次逼近式A／D转换器由于AD565A采用了先进的薄膜电阻制造工艺，成品的电阻比值精度高，温度跟踪性能好，使A/D转换器的精度在全温度范围内（民品级0～＋70℃、军品级-55～＋125℃）达到了＜＋1/2LSB或±1LSB的水平。另一个芯片包括高性加电压比较器和全部数字逻辑电路。2020/3/2839集成化逐次逼近式A／D转换器由于电压比较器输入电路接有可改变量程的电阻（5kΩ或者5kΩ＋5kΩ）和双极性偏置电阻（l0kΩ），因此AD574A的输入模拟电压量程有0～＋10V和0～＋20V以及-5V～＋5V和-10V～＋10V四种量程。在单极性电压输入时，输出为原码，在双极性电压输入时，输出为偏置二进制码。2020/3/2840集成化逐次逼近式A／D转换器2020/3/2841集成化逐次逼近式A／D转换器2020/3/2842集成化逐次逼近式A／D转换器值得指出的是，AD574A模拟输入口等效电阻只有数千欧量级，输入电压达到满量程时，输入电流为2mA。如果在信号源内阻较高或者负载能力较差的情况下，应考虑它的影响问题，必要的时候应增加输入缓冲放大器。2020/3/2843集成化逐次逼近式A／D转换器与AD574A相接近的产品还有AD1674。它是一种更高速的12位逐次逼近式A/D转换器，一次转换时间为10μS。CMOS集成电路的12位逐次逼近式A/D转换器有ADC1210。(美NationalSemiconductorInc．产品)。