模数转换原理

A/D目录名称表述基本概念分类A/D模块电路设计A/D转换过程发展历史发展趋势名称表述基本概念分类A/D模块电路设计A/D转换过程发展历史发展趋势展开编辑本段名称表述A/Dabbr.[军]Analog.Digital,模拟/数字A/D[缩]单仪器模数转换编辑本段基本概念随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器或ADC,AnalogtoDigitalConverter）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称D/A转换器或DAC,DigitaltoAnalogConverter）；A/D转换器和D/A转换器已成为信息系统中不可缺少的接口电路。为确保系统处理结果的精确度，A/D转换器和D/A转换器必须具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，A/D与D/A转换器还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量A/D与D/A转换器的重要技术指标。随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的A/D和D/A转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。编辑本段分类模数转换(ADC)ADC，Analog-to-DigitalConverter的缩写，指模/数转换器或者模拟/数字转换器1.模数转换的概念亦称模拟一数字转换，与数/模(D/A)转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。例如，对图象扫描后，形成象元列阵，把每个象元的亮度（灰阶）转换成相应的数字表示，即经模/数转换后，构成数字图象。通常有电子式的模/数转换和机电式模/数转换二种。在遥感中常用于图象的传输，存贮以及将图象形式转换成数字形式的处理。例如：图像的数字化等。信号数字化是对原始信号进行数字近似，它需要用一个时钟和一个模数转换器来实现。所谓数字近似是指以N-bit的数字信号代码来量化表示原始信号，这种量化以bit位单位，可以精细到1/2^N。时钟决定信号波形的采样速度和模数转换器的变换速率。转换精度可以做到24bit，而采样频率也有可能高达1GHZ，但两者不可能同时做到。通常数字位数越多，装置的速度就越慢。2.模数转换的过程模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样，量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样速率一般取fS=2.5fmax。通常采样脉冲的宽度tw是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程中同时实现的，且所用时间又是保持时间的一部分。3.模/数转换器（ADC）的主要性能参数(1).分辨率它表明A/D对模拟信号的分辨能力，由它确定能被A/D辨别的最小模拟量变化。一般来说，A/D转换器的位数越多，其分辨率则越高。实际的A/D转换器，通常为8，10，12，16位等。(2).量化误差在A/D转换中由于整量化产生的固有误差。量化误差在±1/2LSB（最低有效位）之间。例如：一个8位的A/D转换器，它把输入电压信号分成28=256层，若它的量程为0~5V，那么，量化单位q为：q==≈0.0195V=19.5mVq正好是A/D输出的数字量中最低位LSB=1时所对应的电压值。因而，这个量化误差的绝对值是转换器的分辨率和满量程范围的函数。(3).转换时间转换时间是A/D完成一次转换所需要的时间。一般转换速度越快越好，常见有高速（转换时间1us）、中速（转换时间1ms）和低速（转换时间1s）等。(4).绝对精度对于A/D，指的是对应于一个给定量，A/D转换器的误差，其误差大小由实际模拟量输入值与理论值之差来度量。(5).相对精度对于A/D，指的是满度值校准以后，任一数字输出所对应的实际模拟输入值（中间值）与理论值（中间值）之差。例如，对于一个8位0~+5V的A/D转换器，如果其相对误差为1LSB，则其绝对误差为19.5mV，相对误差为0.39%。数模转换(DAC)DAC是DigitalAnalogConverter(数字模拟信号转换器)的缩写1.数模转换的概念数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件。D/A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。模数转换器中一般都要用到数模转换器，模数转换器即A/D转换器，简称ADC，它是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号的器件。2.数模转换的原理数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的位权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字—模拟转换。这就是组成D/A转换器的基本指导思想。图1.3左图表示了4位二进制数字量与经过D/A转换后输出的电压模拟量之间的对应关系。由左图还可看出，两个相邻数码转换出的电压值是不连续的，两者的电压差由最低码位代表的位权值决定。它是信息所能分辨的最小量，也就是我们所说的用1LSB(LeastSignificantBit)表示。对应于最大输入数字量的最大电压输出值（绝对值），用FSR(FullScaleRange)表示。D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中，数字寄存器输出的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。3.数/模转换器（DAC）的主要性能参数(1).分辨率分辨率表明DAC对模拟量的分辨能力，它是最低有效位（LSB）所对应的模拟量，它确定了能由D/A产生的最小模拟量的变化。通常用二进制数的位数表示DAC的分辨率，如分辨率为8位的D/A能给出满量程电压的1/28的分辨能力，显然DAC的位数越多，则分辨率越高。(2).线性误差D/A的实际转换值偏离理想转换特性的最大偏差与满量程之间的百分比称为线性误差。(3).建立时间这是D/A的一个重要性能参数，定义为：在数字输入端发生满量程码的变化以后，D/A的模拟输出稳定到最终值±1/2LSB时所需要的时间。(4).温度灵敏度它是指数字输入不变的情况下，模拟输出信号随温度的变化。一般D/A转换器的温度灵敏度为±50PPM/℃。PPM为百万分之一。(5).输出电平不同型号的D/A转换器的输出电平相差较大，一般为5V~10V，有的高压输出型的输出电平高达24V~30V。编辑本段A/D模块电路设计图1本实例的A/D模块采用流水线结构的12位模－数转换器（ADC），内部由流水线ADO、基准电压源、控制逻辑、FIFO、缓冲器、采样保持器和多路器切换开关等组成。其功能有：·片选信号CS，低电平有效，设置片选信号，以便与各种处理器连接。·转换时钟或启动转换信号，单次转换时为启动转换，连续转换时是时钟输入信号。·数据有效可以读取信号，可作为转换结束或数据准备好信号输出。·模拟单端输入时，分别接外部信号，差分输入时，前后两个端子分别组成一对差分输入端。·读信号RD、写WR或读写组合信号，实现数据的输入输出控制。·模拟电源、数字电源和缓冲器电源的输入端，一股前者采用5V电源，后两者采用3．3V电源。图2值得注意的是，A/D模块内部的FIFO安排成环形，采用读取点、写入点和触发点控制读写操作，如图1所示。系统采用中断方式来设计A/D模块，其工作原理是由ARM的CLK时钟连接A/D芯片的转换时钟控制采样保持和A/D变换。这样让设定通道的信号同时采样保持，然后分别转换为数字信号并自动顺序写入FIFO，同时FIFO的写入点向前移动，指示下一个写入点；当FIFO内的数据达到预定的触发深度时，发出数据就绪信号申请中断，ARM响应中断读取转换数据，同时清除信号，读取点和触发点向前移动。芯片的工作方式由两个寄存器控制，通过编写ARM程序写寄存器，可以选择使用通道、工作模式、∏FO触发深度、极性与触发方式等。编辑本段A/D转换过程图A/D转换可分为4个阶段：即采样、保持、量化和编码。采样就是将一个时间上连续变化的信号转换成时间上离散的信号，根据奈奎斯特采样定理fsZZfh，如果采样信号频率大于或等于2倍的最高频率成分，则可以从采样后的信号无失真地重建恢复原始信号。考虑到模数转换器件的非线性失真、量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样频率一般取2．5～3倍的最高频率成分。要把一个采样信号准确地数字化，就需要将采样所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。保持是将时间离散、数值连续的信号变成时间连续、数值离散信号，虽然逻辑上保持器是一个独立的单元，但是，实际上保持器总是与采样器做在一起，两者合称采样保持器。图给出了A/D采样电路的采样时序图，采样输出的信号在保持期间即可进行量化和编码。量化是将时间连续、数值离散的信号转换成时间离散、幅度离散的信号；编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。到此，也就完成了A/D转换，这些过程通常是合并进行的。例如，采样和保持就经常利用一个电路连续完成，量化和编码也是在保持过程中实现的。编辑本段发展历史计算机、数字通讯等数字系统是处理数字信号的电路系统。然而，在实际应用中，遇到的大都是连续变化的模拟量，因此，需要一种接口电路将模拟信号转换为数字信号。A/D转换器正是基于这种要求应运而生的。1970年代初，由于MOS工艺的精度还不够高，所以模拟部分一般采用双极工艺，而数字部分则采用MOS工艺，而且模拟部分和数字部分还不能做在同一个芯片上。因此，A/D转换器只能采用多芯片方式实现，成本很高。1975年，一个采用NMOS工艺的10位逐次逼近型A/D转换器成为最早出现的单片A/D转换器。1976年，出现了分辨率为11位的单片CMOS积分型A/D转换器。此时的单片集成A/D转换器中，数字部分占主体，模拟部分只起次要作用；而且，此时的MOS工艺相对于双极工艺还存在许多不足。1980年代，出现了采用BiCMOS工艺制作的单片集成A/D转换器，但是工艺复杂，成本高。随着CMOS工艺的不断发展，采用CMOS工艺制作单片A/D转换器已成为主流。这种A/D转换器的成本低、功耗小。1990年代，便携式电子产品的普遍应用要求A/D转换器的功耗尽可能地低。当时的A/D转换器功耗为mW级，而现在已经可以降到μW级。A/D转换器的转换精度和速度也在不断提高，目前，A/D转换器的转换速度已达到数百MSPS，分辨率已经达到24位。编辑本段发展趋势当前，数字处理系统正在飞速发展，在视频领域，高清晰度数字电视系统(HDTV)的出现，将广播电视推向了一个更高的台阶，HDTV的分辨率与普通电视相比至少提高了一倍。在通信领域，过去无线通信系统的设计都是静态的，只能在规定范围内的特定频段上使用专用调制器、编码器和信道协议。而软件无线电技术(SDR)能更加灵活、有效地利用频谱，并能方便地升级和跟踪新技术，大大地推动了无线通信系统的发展。在高精度测量领域，高级仪表的分辨率在不断提高，电流到达μA量级，电压到达mV甚至更低；在音频领域，