搜索
目录目录目录目录ADC/DAC原理原理原理原理类型类型类型类型ADC/DAC设计经典问答设计经典问答设计经典问答设计经典问答如何认识如何认识如何认识如何认识ADC参数中参数中参数中参数中““““精确度精确度精确度精确度””””与与与与““““分辨率分辨率分辨率分辨率””””的不同的不同的不同的不同ADC/DAC原理原理原理原理类型类型类型类型产生原因随着现代科学技术的迅猛发展,特别是数字系统已广泛应用于各种学科领域及日常生活,微型计算机就是一个典型的数学系统。但是数字系统只能对输入的数字信号进行处理,其输出信号也是数字信号。而在工业检测控制和生活中的许多物理量都是连续变化的模拟量,如温度、压力、流量、速度等,这些模拟量可以通过传感器或换能器变成与之对应的电压、电流或频率等电模拟量。为了实现数字系统对这些电模拟量进行检测、运算和控制,就需要一个模拟量与数字量之间的相互转换的过程。即常常需要将模拟量转换成数字量,简称为AD转换,完成这种转换的电路称为模数转换器(AnalogtoDigitalConverter),简称ADC;或将数字量转换成模拟量,简称DA转换,完成这种转换的电路称为数模转换器(DigitaltoAnalogConverter),简称DAC。ADC和DAC基本原理及特点模数转换器(ADC)的基本原理模拟信号转换为数字信号,一般分为四个步骤进行,即取样、保持、量化和编码。前两个步骤在取样-保持电路中完成,后两步骤则在ADC中完成。常用的ADC有积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点:1积分型(如TLC7135)。积分型ADC工作原理是将输入电压转换成时间或频率,然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率,但缺点是由于转换精度依赖于积分时间,因此转换速率极低。初期的单片ADC大多采用积分型,现在逐次比较型已逐步成为主流。双积分是一种常用的AD转换技术,具有精度高,抗干扰能力强等优点。但高精度的双积分AD芯片,价格较贵,增加了单片机系统的成本。2逐次逼近型(如TLC0831)。逐次逼近型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成,从MSB开始,顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较,经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低,在低分辨率(12位)时价格便宜,但高精度(12位)时价格很高。3并行比较型/串并行比较型(如TLC5510)。并行比较型AD采用多个比较器,仅作一次比较而实行转换,又称FLash型。由于转换速率极高,n位的转换需要2n-1个比较器,因此电路规模也极大,价格也高,只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间,最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成,用两次比较实行转换,所以称为Halfflash型。4Σ-Δ调制型(如AD7701)。Σ-Δ型ADC以很低的采样分辨率(1位)和很高的采样速率将模拟信号数字化,通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率,然后对ADC输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率。Σ-Δ型ADC的电路结构是由非常简单的模拟电路和十分复杂的数字信号处理电路构成。5电容阵列逐次比较型。电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式,也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致,在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列,可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。6压频变换型(如AD650)。压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率,然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加,只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辨率高、功耗低、价格低,但是需要外部计数电路共同完成AD转换。数模转换器(DAC)的基本原理DAC的内部电路构成无太大差异,一般按输出是电流还是电压、能否作乘法运算等进行分类。大多数DAC由电阻阵列和n个电流开关(或电压开关)构成。按数字输入值切换开关,产生比例于输入的电流(或电压)。此外,也有为了改善精度而把恒流源放入器件内部的。DAC分为电压型和电流型两大类,电压型DAC有权电阻网络、T型电阻网络和树形开关网络等;电流型DAC有权电流型电阻网络和倒T型电阻网络等。1电压输出型(如TLC5620)。电压输出型DAC虽有直接从电阻阵列输出电压的,但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载,由于无输出放大器部分的延迟,故常作为高速DAC使用。2电流输出型(如THS5661A)。电流输出型DAC很少直接利用电流输出,大多外接电流-电压转换电路得到电压输出,后者有两种方法:一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流-电压转换,二是外接运算放大器。3乘算型(如AD7533)。DAC中有使用恒定基准电压的,也有在基准电压输入上加交流信号的,后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出,因而称为乘算型DAC。乘算型DAC一般不仅可以进行乘法运算,而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用。4一位DAC。一位DAC与前述转换方式全然不同,它将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出,然后用数字滤波器作平均化而得到一般的电压输出,用于音频等场合。ADC和DAC的主要技术指标1ADC分辨率指输出数字量变化一个最低有效位(LSB)所需的输入模拟电压的变化量。2ADC的精度决定于量化误差及系统内其他误差之总和。一般精度指标为满量程的±0.02%,高精度指标为满量程的0.001%。3转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD,逐次比较型AD是微秒级属中速AD,全并行/串并行型AD可达到纳秒级。4量化误差由于AD的有限分辨率而引起的误差,即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD(理想AD)的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量,表示为1LSB、1/2LSB。DAC的主要技术指标1分辩率指输出模拟电压的最小增量,即表明DAC输入一个最低有效位(LSB)而在输出端上模拟电压的变化量。2建立时间是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间,也可以认为是转换时间。DA中常用建立时间来描述其速度,而不是AD中常用的转换速率。一般地,电流输出DA建立时间较短,电压输出DA则较长。3精度是指输入端加有最大数值量时,DAC的实际输出值和理论计算值之差,它主要包括非线性误差、比例系统误差、失调误差。4线性度在理想情况下,DAC的数字输入量作等量增加时,其模拟输出电压也应作等量增加,但是实际输出往往有偏离。ADC/DAC设计经典问答设计经典问答设计经典问答设计经典问答来源：美国国家半导体公司1.什么是什么是什么是什么是小信号带宽小信号带宽小信号带宽小信号带宽（（（（SSBW）？）？）？）？小信号带宽（SmallSignalBandwidth(SSBW)）是指在指定的幅值输入信号及特定的频率下，它的输出幅值比低频时的输出幅值下降指定值时，该特定频率为小信号带宽。2.什么是共模电压什么是共模电压什么是共模电压什么是共模电压（（（（VCM）？）？）？）？共模电压（CommonModeVoltage(VCM)）是差动输入的两个引脚上相同的直流输入电压。3.什么是什么是什么是什么是MSB（（（（最高有效位最高有效位最高有效位最高有效位）？）？）？）？MSB（最高有效位（MostSignificantBit）），是具有最大的值或权重的位。它的值是满量程的一半。4.什么是采样什么是采样什么是采样什么是采样（（（（孔径孔径孔径孔径））））延时延时延时延时？？？？采样（孔径）延时（Sampling(Aperture)Delay）是时钟输入的后边缘到采样开关打开所需的时间。采样/保持电路有效地停止输入信号捕获，并进入“保持”模式，确定时钟延时后的采样。5.什么是满量程什么是满量程什么是满量程什么是满量程（（（（FS））））输入范围输入范围输入范围输入范围？？？？满量程输入范围（FullScaleInputRange），是指模数转换器上数字化的输入电压的输入范围，既不低于这个范围也不超过这个范围。比如VREF+=3.5V和VREF-=1.5V,FS=(VREF+)-(VREF-)=2.0V。6.什么是时钟占空比什么是时钟占空比什么是时钟占空比什么是时钟占空比？？？？时钟占空比（ClockDutyCycle）是时钟波形高电平时间和一个时钟周期总时间的比值。7.什么是位的有效数什么是位的有效数什么是位的有效数什么是位的有效数（（（（ENOB，，，，或有效位或有效位或有效位或有效位）？）？）？）？位的有效数（ENOB，或有效位）（EffectiveNumberofBits(ENOB,或EffectiveBits)）是信噪比和失真的比率，或SINAD的另一种表达方法。ENOB定义为(SINAD-1.76)/6.02，这个位数(ENOB)表示转换器是与理想的模数转换器等效。8.什么是增益误差什么是增益误差什么是增益误差什么是增益误差？？？？增益误差是在第一个代码和最后一个代码发生转换时，实际输人电压与理想输人电压之差。即，这个差值是：满量程-2LSB。9.许多模数转换器在数据手册中提供的应用许多模数转换器在数据手册中提供的应用许多模数转换器在数据手册中提供的应用许多模数转换器在数据手册中提供的应用，，，，在在在在Va,Vd和和和和Vref引脚上出现了三个电引脚上出现了三个电引脚上出现了三个电引脚上出现了三个电容容容容。。。。这三个电容器都是必须的吗这三个电容器都是必须的吗这三个电容器都是必须的吗这三个电容器都是必须的吗？？？？根据特定器件和电路板的布局，一个或两个电容可能就足够了。较大的电容，通常是5到10?F的，提供了低阻抗大容量存储，在转换期间保证了电压的稳定性。较小值的电容器吸收较高频率的噪音尖峰。如果印制电路板具有非常好的布局用于低噪声工作，而且不包含一个微控制器或其他的嘈杂的数字逻辑，可能需要更少的电容器。但是为使ADC工作电平精度获得保证，一般情况下最好是遵循数据手册的推荐。10.什么是零误差什么是零误差什么是零误差什么是零误差？？？？ADC双级输出的零误差是理论的输入电压（典型的是中心值加1/2LSB）和实际输入电压之间的差异，这个实际输入电压引起了输出从0到1的转换。11.什么是输出保持时间什么是输出保持时间什么是输出保持时间什么是输出保持时间？？？？输出保持时间是指在输入时钟边缘后输出有效数据的时间长度。12.什么是分辨率什么是分辨率什么是分辨率什么是分辨率？？？？分辨率是模拟增量，相当于1LSB转换器代码的变化。分辨率也被定义为转换器位数（n）的个数。数字代码的个数等于2^n，其中“n”是位的个数。举一个例子，一个12位转换器模拟信号和2^12=4096数字编码的映射关系。12位模数转换器的分辨率，是输入电压的满量程除以2^12，或4096，不会引起输出代码超出范围。13.什么是微分相位误差什么是微分相位误差什么是微分相位误差什么是微分相位误差？？？？微分相位误差（DifferentialPhaseError）是指，小信号正弦波在两个不同的直流（DC)输入电平重构下，输出相位的差。14.什么是模什么是模什么是模什么是模/数转换器的动态指标数转换器的动态指标数转换器的动态指标数转换器的动态指标？？？？模/数转换器的动态指标（DynamicSpecifications）涉及到那些交流（AC）输入信号。这些包括信/噪比（SNR），SINAD（信号噪声+失真），ENOB（有效位数），THD（总谐波失真），IMD（互