ADC选型经典指南

ADC选型手册一ADC的定义模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，(简称a/d转换器或adc,analogtodigitalconverter)通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。二ADC的基本原理在A/D转换中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散量，所以进行转换时只能按一定的时间间隔对输入的模拟信号进行采样，然后再把采样值转换为输出的数字量。通常A/D转换需要经过采样、保持量化、编码四个步骤。也可将采样、保持合为一步，量化、编码合为一步，共两大步来完成。(1)采样和保持：采样，就是对连续变化的模拟信号进行定时测量，抽取其样值。采样结束后，再将此取样信号保持一段时间，使A/D转换器有充分的时间进行A/D转换。采样－保持电路就是完成该任务的。其中，采样脉冲的频率越高，采样越密，采样值就越多，其采样－保持电路的输出信号就越接近于输入信号的波形。因此，对采样频率就有一定的要求，必须满足采样定理即：fs≥2fImax其中fImax是输入模拟信号频谱中的最高频率（2）量化和编码：所谓量化，就是把采样电压转换为以某个最小单位电压△的整数倍的过程。分成的等级称为量化级,A称为量化单位。所谓编码,就是用二进制代码来表示量化后的量化电平。采样后得到的采样值不可能刚好是某个量化基准值,总会有一定的误差,这个误差称为量化误差。显然,量化级越细,量化误差就越小,但是,所用的二进制代码的位数就越多,电路也将越复杂。量化方法除了上面所述方法外,还有舍尾取整法,这里不再赘述。采样的话时间非常短,起动AD转换后，就把模拟值读进去了。AD转换需要时间，转换完成后有标志位变了，表示转换完成，可不断查询标志位状态，标志位变了转换完成后，就可读取数据。如果CPU忙，可用中断方式，开AD转换中断，得有线路硬件，AD转换完成后自动申请中断，中断读取数据很快。（3）ADC的基本结构及相关解释1）其中滤波器决定ADC的采样频率（能够采样多大频率的模拟信号），主要是涉及带宽，根据香浓采样定理和输入信号的频率范围，确定相应的滤波带宽。在Nyquist采样定理中已经提过，要满足采样定理必须要求信号带宽有限，使用大于2倍的最高信号频率采样才能保证信号的不混叠。低通滤波器的一个考虑就是使信号带宽有限，以便于后期的信号采样，这个低通滤波器是硬件实现的。另一方面，实际情况中我们也只会对某个频频段的信号感兴趣，低通滤波器的另一个考虑就是滤波得到感兴趣的信号。比如，测量汽车声音信号，其频率大部分在5KHz以下，我们则可以设置低通滤波器的截止频率在7KHz左右。程控的实现方法就是使用模拟通道选择芯片（如74VHC4051等）。2）多路开关主要用于选择是单端输入和差分输入。对多个变化较为缓慢的模拟信号进行A/D转换时，利用多路模拟开关将各路模拟信号轮流与A/D转换器接通，使一个A/D转换器能完成多个模拟信号的转换。3）采样保持电路：A/D转换器完成一次转换需要时间，在这段时间内模拟输入信号应保持不变,否则将影响AD转换的精度。更为详细的描述如下：将采样频率提高到kfs（k2）称为过采样。（4）量化和编码三ADC的分类1）积分型积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，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AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。2）逐次比较型逐次比较型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，在低分辩率（12位）时价格便宜，但高精度（12位）时价格很高。具体工作过程如下，举例说明：设逐次逼近寄存器SAR是8位，基准电压10.24V，模拟输入电压8.3V，转换成二进制数码。工作过程如下：转换开始之前，先将SAR清零；3）并行比较型/串并行比较型并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)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(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。应用场合：这种ADC的最大优点是具有较快的转换速度，但是，所用的比较器和其他硬件较多，输出数字量位数越多，转换电路将越复杂。因此，这种类型的转换器适用于高速度、低精度要求的场合。优点：模数转换的速度高缺点：分辨率不高，功耗大、成本高4）Σ-Δ(Sigma-delta)调制型（如AD7705）Σ-Δ型AD又称为过采样转换器，由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。Σ-Δ型ADC基本原理：Σ-Δ型ADC包含了1个差分放大器、1个积分器、1个比较器、以及由1位DA（一个简单的开关，可以将差分放大器的反相输入端接到正或者负参考电压）的构成的反馈环。反馈DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。Σ-Δ型ADC原理框图从Σ-Δ型ADC的原理框图可以看出，Σ-Δ型结合了逐次比较型和积分型ADC。5）压频变换型ADC6)流水线型ADC四名词解释:(1)ADC采样速率SPS简介SPS(samplepersencond，每秒采样次数)，是衡量数模转换（ADC）时采样速率的单位。注意采样速率和转换速率的区别，数模转换是先采样再转换，采样速率小于等于转换速率的采样才是有意义的。即采样时间大于转换时间才是有意义的。类似的单位有KSPS（每秒采样多少千次）、MSPS（每秒采样多少兆次）等。ksps表示每秒采样千次，是转化速率的单位。（2）ADC的转换速率和转换时间（ConversiontimeandConversionrate）所谓的转换速率(ConversionRate)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。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(SampleRate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo/MillionSamplesperSecond）。ThroughPutRate称为输出速率，或者吞吐速率、转换速率。“转换速率”这个名词有些资料用Conversionrate表示，有些资料用ThroughPutRate或者T-PutRate表示。在选择一个AD转换芯片的时候要考虑到位数、转换速度、输出方式等。位数很容易理解，由分辨率决定。一次完整的转换过程要经过模数转换时间、休止时间、下次转换的准备时间等，这些时间构成一个完整的转换周期。比如ADI生产的AD7610，转换周期为4us，也就是第i次转换开始经过4us以后可以进行下一次转换。转换速率是转换周期的倒数，表征每秒最多多少次完整的采样，因此决定了采样频率的上限。转换速率等于采样保持时间和量化时间（从模拟到二级制的转换时间）的倒数。ADC的转换速度主要取决于转换电路的类型。并联比较型ADC的转换速度最快，如一个8位二进制集成ADC的转换时间可在50ns之内；逐次比较型ADC的转换时间都在10~100us之间，较快的也不会小于1us；双积分型ADC的转换时间多在数十到数百ms之间。引申：转换时间与转换精度、信号频率的关系①瞬时值响应的A/D转换器转换时间取决于所要求的转换精度和被转换信号的频率。以图所示的正弦信号为例，讨论它们之间的关系。②平均值响应的A/D转换器（2）ADC的参考电压参考电压也叫做基准电压，如果没有基准电压，就无法确定被测信号的准确幅值。例如基准电压为2.5V，则当被测信号达到2.5V时ADC输出满量程读数，使用者就会知道ADC输出的满量程等于2.5V。不同的ADC，有的是外接基准，也有的是内置基准无需外接，还有的ADC外接基准和内置基准都可以用，但外接基准优先于内置基准。就实际的工程应用而言，大多数情况下真正关心的是参考电压的稳定性而不是绝对值。对于10bits的ADC，如果参考电压设计值是1V，而实际是0.9不一定有问题，但是在0.99~1V之间抖动可能就有问题。对于ADC的来说，为了最大话还原输入的模拟信号，输入信号的最大值应是ADC的参考电压，输入信号最大值如果超过ADC的参考电压，会造成输出值得不准确，严重的会导致ADC损坏。输入信号最大值如果小于ADC的参考电压，由于不能满量程输出，会引入误差还会导致精度的下降。（3）ADC的分辨率ADC的分辨率是指输出数字量变化一个最低有效位所对应的输入模拟电压的变化量。如ADC输入模拟电压范围为0到10V，输出为10位二进制数，则分辨率为mVVUn77.9210210，此处得出的9.77mV还有另外一个概念，最低有效位，也即1LSB分辨率有时也用最低有效位LSB的量化步长表示。10V也称为满量程电压，即FSR。注：满量程电压其实就是ADC的参考电压，参考电压后面会有描述，因为ADC所能测量最大电压实际为ADC的参考电压。因此分辨率（分辨率量化单位1LSB）也可如下表示NrefVLSB2。此外ADC的分辨率还有另外的几种描述，每种描述不尽相同但所要表达的意思一致。ADC的分辨率指的是A／D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。设A／D转换器的位数为n，满量程电压为FSR，则分辨率定义为：nFSR2分辨率%10021%100nFSR分辨率相对分辨率A／D转换器分辨率的高低取决于位数的多少。以上所说的ADC分辨率为理想情况下分辨率，分辨率通常随着噪声和非线性的增加而下降,因此,描述ADC真正的分辨率还应包括静态和动态误差。（4）ADC转换误差有时也称转换精度、绝对精度、量化误差。通常以绝对误差形式给出，它表示实际输出的数字量和理论输出的数字量之间的误差，一般多以最低有效位的倍数给出。此外还有相对精度的概念：%100FSR绝对精度相对精度转换误差是从时序变化信号中可分离出的最小信息量信息，以我们讨论ADC来说，量化误差就是最小步距代表的电压，在A／D转换时，量化带内的任意模拟输入电压都能产生同一输出数码。举例说明：例如：一个12位A／D转换器，理论模拟输入电压为5V时，对应的输出数码为100000000000。实际模拟输入电压在4.997V～4.999V范围内的都产生这一输出数码，则)mV(2)V(002.05)999.4997.421（绝对精度。绝对误差一般都在1LSB、LSB21范围内。注：转换精度和分辨率是两个不同的概念③分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值④精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度；相关引申：简单点说，“精度”是用来描述物理量的准确程度的，而“分辨率”是用来描述刻度划分的。可以举一个