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標題: A/D轉換器概述 工作原理 性能指標 [打印本頁]
作者: 虔誠的求知者    時間: 2016-4-27 09:56
標題: A/D轉換器概述 工作原理 性能指標
A/D轉換器是用來通過一定的電路將模擬量轉變為數字量.模擬量可以是電壓、電流等電信號，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號。但在A/D轉換前，輸入到A/D轉換器的輸入信號必須經各種傳感器把各種物理量轉換成電壓信號。A/D轉換后，輸出的數字信號可以有8位、10位、12位和16位等。

A/D轉換器的概述        　　將模擬信號轉換成數字信號的電路，稱為模數轉換器（簡稱a/d轉換器或adc,analog to digital converter），A/D轉換的作用是將時間連續、幅值也連續的模擬量轉換為時間離散、幅值也離散的數字信號，因此，A/D轉換一般要經過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合并進行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現的。

A/D轉換器的工作原理        　　主要介紹以下三種方法：逐次逼近法、雙積分法、電壓頻率轉換法
　　1、逐次逼近法
　　逐次逼近式A/D是比較常見的一種A/D轉換電路，轉換的時間為微秒級。
　　采用逐次逼近法的A/D轉換器是由一個比較器、D/A轉換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成，如圖4.21所示。
　　基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進行試探。
　　逐次逼近法

　　逐次逼近法 轉換過程是：初始化時將逐次逼近寄存器各位清零；轉換開始時，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A轉換器，經D/A轉換后生成的模擬量送入比較器，稱為 Ｖo，與送入比較器的待轉換的模擬量Ｖi進行比較，若Ｖo<Ｖi，該位1被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為1，將寄存器中新的數字量送D/A轉換器，輸出的 Ｖo再與Ｖi比較，若Ｖo<Ｖi，該位1被保留，否則被清除。重復此過程，直至逼近寄存器最低位。轉換結束后，將逐次逼近寄存器中的數字量送入緩沖寄存器，得到數字量的輸出。逐次逼近的操作過程是在一個控制電路的控制下進行的。
　　2、雙積分法
　　采用雙積分法的A/D轉換器由電子開關、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。如圖4.22所示。
　　基本原理是將輸入電壓變換成與其平均值成正比的時間間隔，再把此時間間隔轉換成數字量，屬于間接轉換。
　　雙積分法
　　圖4.22 雙積分式A/D轉換的原理框圖
　　雙積分法A/D轉換的過程是：先將開關接通待轉換的模擬量Ｖi，Ｖi采樣輸入到積分器，積分器從零開始進行固定時間Ｔ的正向積分，時間Ｔ到后，開關再接通與Ｖi極性相反的基準電壓ＶＲＥF，將ＶＲＥF輸入到積分器，進行反向積分，直到輸出為0V時停止積分。Ｖi越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時間也越長。計數器在反向積分時間內所計的數值，就是輸入模擬電壓Ｖi所對應的數字量，實現了A/D轉換。
　　3、電壓頻率轉換法
　　采用電壓頻率轉換法的A/D轉換器，由計數器、控制門及一個具有恒定時間的時鐘門控制信號組成，如圖4.23所示。
　　它的工作原理是Ｖ/F轉換電路把輸入的模擬電壓轉換成與模擬電壓成正比的脈沖信號。
　　電壓頻率轉換法
　　圖4.23 電壓頻率式A/D轉換原理框圖
　　電壓頻率轉換法的工作過程是：當模擬電壓Ｖi加到V/F的輸入端，便產生頻率F與Vi成正比的脈沖，在一定的時間內對該脈沖信號計數，時間到，統計到計數器的計數值正比于輸入電壓Vi，從而完成A/D轉換。
3A/D轉換器性能指標        　　1、分辨率
　　2、穩定時間（又稱轉換時間）
　　3、量程
　　4、精度
4A/D轉換器的發展趨勢        　　當前，數字處理系統正在飛速發展，在視頻領域，高清晰度數字電視系統(HDTV)的出現，將廣播電視推向了一個更高的臺階，HDTV的分辨率與普通電視相比至少提高了一倍。在通信領域，過去無線通信系統的設計都是靜態的，只能在規定范圍內的特定頻段上使用專用調制器、編碼器和信道協議。而軟件無線電技術(SDR)能更加靈活、有效地利用頻譜，并能方便地升級和跟蹤新技術，大大地推動了無線通信系統的發展。在高精度測量領域，高級儀表的分辨率在不斷提高，電流到達μA量級，電壓到達mV甚至更低；在音頻領域，各種高性能專業音頻處理設備不斷涌現，如DVD-Audio和超級音頻CD(SACD)，它們能處理更高質量的音頻信號。
　　為了滿足數字系統的發展要求，A/D轉換器的性能也必須不斷提高，它將主要向以下幾個方向發展:
　　1.高轉換速度: 現代數字系統的數據處理速度越來越快，要求獲取數據的速度也要不斷提高。比如，在軟件無線電系統中，A/D轉換器的位置是非常關鍵的，它要求A/D轉換器的最大輸入信號頻率在1GHz和5GHz之間，以目前的技術水平，還很難實現。因此，向超高速A/D轉換器方向發展的趨勢是清晰可見的。
　　2.高精度：現代數字系統的分辨率在不斷提高，比如，高級儀表的最小可測值在不斷地減小，因此，A/D轉換器的分辨率也必須隨之提高;在專業音頻處理系統中，為了能獲得更加逼真的聲音效果，需要高精度的A/D轉換器。目前，最高精度可達24位的A/D轉換器也不能滿足要求�，F在，人們正致力于研制更高精度的A/D轉換器。
　　3.低功耗：片上系統(SOC)已經成為集成電路發展的趨勢，在同一塊芯片上既有模擬電路又有數字電路。為了完成復雜的系統功能，大系統中每個子模塊的功耗應盡可能地低，因此，低功耗A/D轉換器是必不可少的。在以往的設計中，5MSPS8～12位分辨率A/D轉換器的典型功耗為100～150mW。這遠不能滿足片上系統的發展要求，所以，低功耗將是A/D轉換器一個必然的發展趨勢。
　　總之，各種技術和工藝的相互滲透，揚長避短，開發出適合各種應用場合，能滿足不同需求的A/D轉換器，將是模擬/數字轉換技術的未來發展趨勢;高速、高精度、低功耗A/D轉換器將是今后數據轉換器發展的重點。




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