ADC部分分析

(1)A/D转换器的主要技术指标①分辨率②精度（误差）指标(a)量化误差；(b)零误差；(c)满量程误差；(d)线性误差。③转换时间ADC的分辨率是指ADC的输出数码变化一个LSB时，输入模拟量的“最小变化量”。当输入模拟量的变化比这个“最小变化量”再小时，则不能引起输出数字量的变化。显然ADC的分辨率是对微小变化模拟量的分辨能力。分辨率主要由ADC的位数（指输出数字量的位数）决定，也与输入满量程有一定关系。例如一个输入满量程为0~10V、10位的ADC，其最小变化量为：10V/210=10V/1024≈10mV。LeastSignificantBit最低有效位①分辨率①分辨率若位数增加到12位，则该ADC的最小变化量为：10V/212=10V/4096≈2.5mV。所以，对N位的ADC，其分辨率=1/2N（或者=输入满量程电压/2N）在工程上常用相对满度的百分值来表示分辨率。例如上述10位的分辨率为0.1%（即1/210），而12位的分辨率为0.025%（即1/212）。也可直接用输出的位数来表示分辨率。②精度（误差）指标(a)量化误差（理想与实际的最大误差；理想情况下输出=输入）ADC的量化误差是一种固有误差，也称作舍入误差。量化误差为1LSB量化误差为±1/2LSB0~1V:000(0);1~2V:001(1);……;6~7V:110(6);7~8V:111(7)假设满量程FS=8V这里1LSB=8/23=8/8=1(V)0~0.5V:000(0);0.5~1.5V:001(1);……;5.5~6.5V:110(6);6.5~8V:111(7)假设满量程FS=8V这里1LSB=8/23=8/8=1(V)012345678Vi(V)111110101100011010001000D(N=3)1LSB标准量化值（±1/2LSB）理想的实际的012345678Vi(V)111110101100011010001000D(N=3)1LSB标准量化值（1LSB）理想的实际的最后一段不计例如输入2.999输出为2例如输入2.499或1.5输出为2第一种ADC第二种ADC(b)零误差011010A(FS)零误差也称偏移误差，指的是输出零数码的非零平均模拟输入值。ADC的零误差通常是由内部放大器、比较器的零点偏移造成。其大小可用LSB或满量程的百分数表示。(c)满量程误差011010A(FS)也称增益误差，指的是ADC在输出满度数字量（全1）时的输入模拟量误差。满量程误差通常由内部放大器的增益误差、参考电压误差、内部电阻网络误差造成。其大小用LSB或满量程的百分比来表示。(d)线性误差011010A(FS)也称非线性度（有的手册称线性度）。它表示了实际ADC输出各代码连线与理想直线的偏离程度。用其最大偏离值作为ADC的线性误差，其大小用LSB或满量程的百分比表示。（图中为1LSB）当线性误差过大时，可能出现失码现象，即在ADC的输出代码中某一代码始终不会出现。（图中为1.5LSB）③转换时间指ADC从启动转换到转换完成所需的总时间，即ADC每转换一次所需时间，常记为Tconv。显然这个指标也表明了转换速度，即每秒钟内能完成的转换次数。ADC的转换时间与其转换原理有关。常用的逐次逼近式ADC的转换时间从几微秒到几百微秒。高速ADC每秒转换次数大于107次以上，一般是采用全并式转换原理。低速ADC转换一次时间为几毫秒至几十毫秒，一般用的是积分式原理。例如：8位ADC0809的Tconv100s，12位AD574A的Tconv25s（最大35s），二者均为逐次逼近式。①分辨率76543210000001010011100101110111D(n=3)Vo(V)FS1LSB=满量程FS/2n例如这里：1LSB=8V/23=8V/8=1V1LSB指输入数字量变化（±）1LSB时，其输出模拟量的相应变化程度。表示方法有两种：1LSB所对应的最小输出电压与最大输出电压之比（注意：最大输出电压并非满量程值！）例如右图中3位DAC的分辨率表示为：1V/7V=1/7=1/(23-1)。故n位DAC的分辨率表示为：1/(2n-1)。也多用百分数表示。位数n（输入数字量的位数）②精度（误差）指标与ADC类似，有零位误差、增益误差、线性误差等。零位（失调）误差是指输入数字代码为零时，其非零的模拟输出。零位（失调）误差理想的实际的D(n=3)增益误差理想的实际的增益误差是指DAC在输入最大的全1数字量时的实际模拟输出与理想输出之差值。D(n=3)理想的实际的D(n=3)线性误差类似于ADC中线性误差的定义，是指DAC的实际传输特性曲线与理想直线间的最大偏离值。微分线性误差是指DAC在全程范围内任何实际相邻输入数码的输出模拟值之差与对应的一个理想LSB模拟值之间的偏差。如下图(a)可见，其最大微分线性误差发生在代码011向100转换时，此时DAC的输出变化了1.5LSB的模拟值，而不是1LSB的理想模拟值。所以此时的微分线性误差为1/2LSB。由下图(b)可见，当微分线性误差大于±1LSB时，可能会出现非单调性，即输入数码增加时（如图中由011向100转换），DAC的输出不是上升，而是下降。这种DAC是不能应用的，因为有可能使系统造成自激振荡而带来严重后果。理想的实际的D(n=3)图中011到100的模拟输出差值大约为-0.75LSB（这里1LSB=1/8FS），故与理想的1LSB差值相差了1.75LSB，显然微分线性误差大于1LSB了！③建立时间通常指输入数码从全0变化到满度值（即全1）时，其输出相应由最小值变到终值所需的时间。（可指达到终值附近一定误差范围内如±1/2LSB）标志着DAC的转换时间和转换速度。例如：8位DAC0832的建立时间ts1s。二、A/D转换器、D/A转换器的应用知识(1)对主要技术指标的正确理解和选择ADC的输出数字位数和DAC的输入数字位数都以二进制位数（bit）表示。位数愈多即分辨率愈高。虽然分辨率与精度（误差）不是同一码事，但分辨率高的转换器，通常其精度也高。随着转换器的精度提高，其价格也越贵，因而应根据实际要求选定合理位数。8位ADC的价格较便宜，其精度能达到0.5%以下。转换速度转换速度也是一个关键技术指标。双积分式ADC速度很慢，但它能抑制由电源等引起的干扰，所以其精度可做得很高，有20位以上产品。全并式转换速度大于107次/秒以上，这种转换器比较昂贵。逐次逼近式ADC目前用得最广泛，其转换时间从几百微秒到1微秒，位数从8位到12位以上，且价格相对较低。总之，对精度、转换速度指标的要求要从性价比和成本核算的角度来进行全面的权衡和考虑。(2)输入模拟量的通道数目和量程多数ADC只有一个模拟输入通道，因此要对多个模拟信号进行转换时，则要另外加一个多路转换开关（类似于数字电路中MUX的概念，只不过输入都是模拟量，例如CD4051就是一个8选1的多路模拟开关）。有的ADC内部已包含多路转换开关，例如ADC0809，它内部含有一个8路转换开关，因此可以直接分时地对8路输入模拟信号进行转换。ADC的模拟输入范围常用的有0~5V、0~10V、-5V~+5V、-10V~+10V等规格。一般的ADC只有一个模拟输入范围，但有些ADC在不同的输入引脚则有不同的模拟输入范围。注意：在ADC的使用中要尽可能使输入信号最大值接近于ADC的模拟输入的满量程，这样有利于充分利用该ADC的精度性能。•例如，3位的满量程为8V的ADC：•输入信号为0~1V，则输出仅有000和001，故输入的细微变化无法区分！•而将输入信号放大8倍成0~8V，则输出有000~111共8个数码，故可区分原输入的细微变化！因此在利用ADC进行数据采集时要注意两个问题：1.应先将微弱信号放大（接近满量程）；2.注意单极性、双极性问题（例如：双极性信号0.5sint要放大成单极性信号2.5+2.5sint之后再送入到模拟输入量程范围为0~5V的ADC去）。有时一般运放电路即可所以，通常希望输入到A/D转换器的信号能接近A/D转换器的满量程以保证转换精度，因此在直流电源输出端与A/D转换器输入之间应接入程控放大器以满足此要求。（四P.390，三P.459）交流亦可(3)输出、输入数码的三态锁存器和逻辑电平大部分ADC的输出和DAC的输入为TTL逻辑电平，但也有些输出数码为ECL电平或CMOS电平，这时在与接口电路连接时要注意电平匹配。带有输出三态锁存器的ADC，一般可直接连到计算机总线上；否则，还得外加三态锁存器作为接口电路。TTL：Transistor-TransistorLogic晶体管晶体管逻辑（三极管结构）Vcc=5V；VOH=2.4V；VOL=0.5V；VIH=2V；VIL=0.8V。TTL电平使用注意：TTL电平一般过冲都会比较严重，可以在始端串22欧或33欧电阻。TTL电平输入脚悬空时内部认为是高电平。要下拉的话应用1k以下电阻下拉。TTL输出不能驱动CMOS输入。CMOS：互补型金属氧化物半导体（PMOS+NMOS）ComplementaryMetalOxideSemiconductorVcc=5V；VOH=4.45V；VOL=0.5V；VIH=3.5V；VIL=1.5V。CMOS电平使用注意：CMOS结构内部寄生有可控硅结构，当输入或输入管脚高于Vcc一定值（比如一些芯片是0.7V）时，电流足够大的话，可能引起闩锁效应，导致芯片的烧毁。在CMOS芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻产生较低输入阻抗，提供泄荷通路。ECL：EmitterCoupledLogic发射极耦合逻辑电路（差分结构）Vcc=0V；Vee=-5.2V；VOH=-0.88V；VOL=-1.72V；VIH=-1.24V；VIL=-1.36V。ECL电平使用注意：不同电平不能直接驱动，中间可用交流耦合、电阻网络或专用芯片进行转换。ECL电平为射随输出结构，必须有电阻拉到一个直流偏置电压。仅供参考！(4)参考电源与工作电源的要求参考电源（电压或电流）也称基准电源，是ADC将模拟量转换成数字量时用的基准源。因此，为保证转换精度，基准电源必须是高精度的稳定电源，一般不要与工作电源（如信号产生电源）合用。(5)工作环境的考虑工作环境对保证一个系统的性能有很大关系，例如环境温度的变化范围、电网对转换器的干扰是否严重等等。此外，在ADC的使用中还应注意有关事项，例如：是否要进行调零和满量程调整；是否要外接时钟等。对于DAC的应用知识，基本与ADC类似……三、取样/保持电路的原理和参数取样/保持电路（S/H电路）是数据采集系统中常用的一个部件，常用于逐次逼近型A/D转换器的前端，以提高允许输入到A/D转换器的模拟信号的最高频率（参见后面“在A/D转换器前是否要接入取样/保持电路？”的讨论）。SamplingHolding这里并不是指提高输入信号本身的频率，而是指提高为保证A/D能正常工作而最高允许输入的信号频率！(1)工作原理及主要参数取样/保持电路的基本原理非常简单，只要用一个开关S和一个保持电容CH即可组成。其中的开关S一般并非机械开关。当开关闭合时，电容CH充电达到输入信号电平（“取样”状态）；当开关断开后，电容CH保持这个电平（“保持”状态）。四图3-15(三图4-19)取样/保持电路中输入与输出的关系黑色－输入信号；红色－输出信号此段输入和输出信号相等而重合理想的保持电压值捕获时间孔径时间平顶误差完整过程：在t0前输出处于保持状态。在t0时电路取样，而输出在t1时达到输入信号值。然后输出vo(t)跟着输入vi(t)变化而变化。直到电路在t2时发出保持命令、再次置于保持状态为止。而到t3时开关S才真正断开。4个主要参数最理想的保持电压值①捕获时间（TAC）TAC定义为从开始取样到取样完成即输出等于输入这一段