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线尤
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1 模数转换器中国科学技术大学精密机械与精密仪器系 1

2 参考书目 : 马明建, 周长城, 数据采集与处理技术,1998 年 8 月, 西安交通大学, 西安卢文祥杜润生, 机械工程测试信息信号分析,1989, 华中理工大学出版社, 武汉佟德纯, 工程信号处理及应用, 1989, 上海交通大学出版社, 上海模数转换器李为民 2

3 第二节模数转换器的分类按转换信号的关系分类按转换电路结构和工作原理分类按转换器分辨率分类按转换速率分类按模拟输入电路分类按数字输出接口分类模数转换器李为民 3

4 1.2.1 按转换信号的关系分类 1. 直接转换型 2. 间接转换型模数转换器李为民 4

5 1. 直接转换型转换电路把模拟输入信号 ( 一般是模拟电压 ) 直接转换成数字信号, 并经数字接口输出, 转换过程中不出现中间变量并行比较型逐次逼近型等 ADC 均属直接转换型模数转换器李为民 5

6 2. 间接转换型转换电路首先把模拟输入信号转换成某个中间变量, 然后把这个中间变量再转换成数字信号并输出最常见的间接转换型 ADC 电压 -- 时间型 (VT 型 ), 中间变量是时间间隔, 积分型 ADC 属于此类 ; 电压 -- 频率型 (VF 型 ), 中间变量是频率, 压频转换型 ADC 属于此类虽然转换过程经过中间变量, 但由于模拟输入与中间变量之间以及中间变量与数字输出之间的转换电路结构简单, 因此容易以较低的成本达到较高的精度模数转换器李为民 6

7 按转换电路结构和工作原理分类按不同的转换原理设计出结构各不相同的转换电路, 由于电路结构是影响转换器性能的主要因素, 因此, 这是最主要的分类方法本节对常见 ADC 的结构作一简要的分类介绍模数转换器李为民 7

8 按工作原理分类 1. 并行比较型 ( 闪烁型 ) 2. 分级型 3 逐次逼近型 4. 跟踪计数型 5. 积分型 6 压频转换型 7. - 型模数转换器李为民 8

9 1. 并行比较型 ( 闪烁型 ): 量身高? 模数转换器李为民 9

10 并行比较型这种转换器包含 2 n -1 个电压比较器, 参考电压 V n REF, 被分压成 2 阶, V REF / 2 n, 2V REF / 2 n,3 V REF / 2 n,,(2 n -1) V REF / 2 n 分别加到这些电压比较器的参考端, 模拟输入电压同时加到所有电压比较器的输入端输入端电压高于参考端电压的比较器输出为 1, 否则输出为 0, 2 n -1 个比较器的输出 ( 连同零有 2 n -1 个输出 ) 经过数字编码获得 n 位二进制数, 即数字输出值模数转换器李为民 10

11 并行比较型 ( 闪烁型 ): 转换速率这种转换器的工作原理十分简单, 转换器中 2 n -1 个电压比较器完全是并行工作的, 因此得名并行比较型, 习惯上也称为全并行这类 ADC 的转换速率可高达几十兆次每秒, 是各类 ADC 中转换速度最高的, 因此又有闪烁 (Flash) 型 ADC 之称模数转换器李为民 11

12 并行比较型 ( 闪烁型 ): 分辨率并行比较型 ADC 所含比较器的数量 ( 关系到芯片尺寸 ) 与分辨率 n 呈指数关系, 又由于要实现高速转换, 每个比较器都必须在相当高的功耗下工作, 构成分压器的每个参考电阻的阻值也很低, 以便向高速比较器提供足够大的偏置电流因此芯片尺寸和功耗将限制了这类转换器的分辨率模数转换器李为民 12

13 并行比较型 ( 闪烁型 ): 分辨率就目前 ADC 的制造工艺而言, 并行比较型 ADC 的分辨率一般为 6~8 位, 最高达 10 位模数转换器李为民 13

14 2. 分级型 (Subranging) 分级型 ADC 把一个高分辨率的 n 位模数转换分成两级 ( 或多级 ) 较低分辨率的转换, 第一级用一个 m(<n) 位并行比较型转换器完成粗转换, 转换结果作为 n 位中的高 m 位, 转换误差小于 m 位的最低有效位 ; 第二级用一个 k(<n) 位并行比较型转换器对第一级转换余下的误差电压再次转换, 转换结果作为 n 位中的低位, 其中 m+k n 模数转换器李为民 14

15 分级型 : 电压比较器及分压电阻的数量分级转换可以大大减少电压比较器及分压电阻的数量, 以 12 位 ADC 为例, 并行比较型 ADC 需要 (=4095) 个比较器 ; 如果分成各 6 位两级转换, 则只需要 (=126) 个比较器这种分成两级转换的 ADC 又称为半闪烁 ADC, 分成三级或三级以上转换的 ADC 称为多级 (Multistep) ADC 模数转换器李为民 15

16 分级型 : 转换速率分级转换必然影响转换速率作为提高转换速率的方法是采用多级保持器第一级转换余下的误差电压被保持在第二级保持器中 ; 在第二级转换同时, 第一级就可以对输入电压进行下一次采样和转换, 这就大大提高了采样速率这就是分级流水 (Pipeline) 型 ADC 模数转换器李为民 16

17 3 逐次逼近型天平称重? 模数转换器李为民 17

18 逐次逼近型这种 ADC 是用一个电压比较器将模拟输入电压与一个 n 位 DAC 的输出电压进行比较, 这个 n 位 DAC 的数字输入是由一个逐次逼近寄存器提供的模数转换器李为民 18

19 逐次逼近型逐次逼近寄存器在转换器的控制电路控制下, 从高位到低位逐位被置 1 或清 0, 使 DAC 的输出电压逐步逼近模拟输入电压, 经过 n 次比较和逼近, 最终逐次逼近寄存器中的数字 ( 即 DAC 的输入 ) 就是模数转换的结果模数转换器李为民 19

20 逐次逼近型逐次逼近的过程类似于用天平和砝码称量一个物体的质量, 从大砝码到小砝码逐一试称的过程由于要经历 n 次比较, 所以转换速度不如前两种, 但转换器包含的元件数量较少, 能以较低的制造成本获得较高的分辨率, 因此在中低速应用场合得到广泛应用模数转换器李为民 20

21 4. 跟踪计数型跟踪计数型与逐次逼近型有相似之处转换器包含了一个电压比较器和一个 n 位 DAC 但一个可逆计数器代替了逐次逼近寄存器和控制逻辑模数转换器李为民 21

22 跟踪计数型可逆计数器在时钟脉冲作用下不停地计数, 计数器的值作为 DAC 的数字输入 ; 电压比较器的输出控制了可逆计数器的计数方向 ; 使 DAC 的输出不停地跟踪模拟输入电压, 计数器的值即为 ADC 的数字输出值模数转换器李为民 22

23 跟踪计数型跟踪计数型 ADC 的电路结构比逐次逼近型简单, 计数器能及时跟踪模拟输入电压, 特别适用于需要快速跟踪的伺服系统模数转换器李为民 23

24 5. 积分型从转换信号的关系来说, 积分型 ADC 属于间接转换型转换器中的积分器把模拟输入电压转换成与之成比例的时间间隔 ; 在这时间间隔内一个 n 位计数器对频率固定的时钟脉冲计数, 最终的计数值与时间间隔成正比, 反映了输入平均电压的大小模数转换器李为民 24

25 积分型为了减小积分器的元件参数和参考电压对积分精度的影响, 通常要对输入电压和参考电压各进行一次积分, 因此又称为双积分型 ADC 积分器和计数器结构简单, 成本低, 此外积分器具有低通特性, 能抑制高频噪声, 但工作速度比较低, 因此积分型 ADC 被广泛用于低频高精度的数字仪表电路中模数转换器李为民 25

26 6 压频转换型压频转换又称 VF 转换首先把模拟电压转换成频率与该电压成正比的脉冲信号, 然后在单位时间内用计数器对脉冲计数, 计数值与频率成正比, 反映了模拟电压的大小模数转换器李为民 26

27 压频转换显然 VF 型也属间接转换型, 中间变量是频率专用的 VF 转换芯片已非常成熟, 再与计数器配合可以构成高分辨率低成本的 ADC 模数转换器李为民 27

28 7. - 型 - 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, 利用过采样技术噪声整形和数字滤波技术增加有效分辨率近年来 - 型模数转换技术发展很快, 转换分辨率已高达 24 位, 在各类模数转换器中分辨率是最高的, 因此在低成本高分辨率的低频 ( 直流到音频 ) 信号处理场合得到了广泛应用, 有取代双积分型 ADC 的趋势模数转换器李为民 28

29 1.2.3 按转换器分辨率分类常见的 ADC 的分辨率在 6 位至 24 位, 分辨率的高低不易作确切的划分, 它与使用的场合和不同历史时代的制造水平有关但习惯上把 6~8 6 8 位称为低分辨率, 12~16 位称为中分辨率, 而高分辨率通常指 16 位以上模数转换器李为民 29

30 分辨率与转换电路结构分辨率与转换电路结构有一定的联系, 但不能看成某种固定关系例如, 并行比较型 ADC 的分辨率多半不高, 而大多数 - 型 ADC 是高分辨率的, 但高分辨率 ADC 并非一定是 - 型的, 逐次逼近型 ADC 则既有 8 位的, 又有中高分辨率的模数转换器李为民 30

31 1.2.4 按转换速率分类不同 ADC 的转换速率差异很大如同分辨率一样, 转换速率的高低也不易作确切的划分, 但习惯上把转换时间在毫秒量级的称为低速, 转换时间在微秒量级的称为中速, 转换时间在纳秒量级的称为高速模数转换器李为民 31

32 转换速率与转换电路转换速率与转换电路的结构原理有比较密切的关系并行比较型和分级型成为高速 ADC 的主流双积分型 ADC 肯定是低速的而转换时间在微秒量级的是逐次逼近型 ADC 的天下模数转换器李为民 32

33 转换速率与转换电路但是随着制造工艺水平的提高逐次逼近型 ADC 的转换时间也能达到几百纳秒 - 型 ADC 已超出了音频领域, 最高采样速率已达到 1MSPS 模数转换器李为民 33

34 转换分辨率和转换速率学习和掌握模数转换器通常从模数转换器的电路结构和工作原理着手, 而在实际应用过程中, 转换分辨率和转换速率则是选用模数转换器的主要依据模数转换器李为民 34

35 1.2.5 按模拟输入电路分类大多数 ADC 的模拟输入信号直接进入转换器的输入端, 但也有不少 ADC 的模拟输入电路带有某些模拟信号处理电路, 常见的功能电路有 : 采样保持器, 带有采样保持器的 ADC 称为采样 ADC 多路模拟开关, 可以实现多路数据采集可编程增益放大器, 以便适应不同幅度的模拟输入信号差动输入电路, 以提高共模抑制能力模数转换器李为民 35

36 1.2.6 按数字输出接口分类 ADC 的数字输出端通常要与数字信号处理电路或微处理器相连, 信号连接电路称为接口, 常见接口分为 : 1. 并行接口 2. 串行接口模数转换器李为民 36

37 1. 并行接口 ADC 的 n 位转换结果通过多位数据线 ( 可能是 n 位, 也可能是 8 位 ) 同时输出, 称为并行输出完成并行输出的接口电路称为并行接口并行接口的数据传输速率高, 接口电路比较简单, 程序设计比较容易, 但占用芯片引脚多, 体积大模数转换器李为民 37

38 2. 串行接口 ADC 的 n 位转换结果通过一条数据线逐位输出, 称为串行输出完成串行输出的接口电路称为串行接口为了使串行数据的传输能与微处理器的数据接口同步, 通常需要有相关的同步时钟信号模数转换器李为民 38

39 串行接口串行输出的数据传输速率低, 但占用芯片引脚少, 体积小, 并能减少微处理器端口的占有量, 便于简化系统的结构, 并能适用于远距离的数据传送因此, 近年来具有串行接口的 ADC 芯片种类增多模数转换器李为民 39

40 1.2.7 可编程模数转换器传统的 ADC 的内部结构是固定的, 也就是说, 某一个特定型号的模数转换芯片的主要特性是一定的, 用户无法改变它但随着可编程技术的发展, 近年来出现了不少可编程模数转换芯片用户可以通过编程改变模数转换芯片内部的部分结构的组态, 以满足不同系统的设计要求, 如通过编程设置分辨率模拟输入的量程选择内部数字滤波器的工作方式改变数字输出接口的方式等模数转换器李为民 40

41 1.2.8 模数转换子系统模数转换器被广泛用于数字仪表数据采集数字通信等各类系统中, 为了构成一个完整的系统, 通常还要连接采样保持放大器模拟开关数字信号处理器数字显示电路等多个外围芯片模数转换器李为民 41

42 模数转换子系统然而随着集成电路制造技术的进步, 芯片设计师们把许多原来由外围芯片完成的功能集成到 ADC 芯片中去了, 使系统结构大为简化例如, 把可编程放大器多路模拟开关和模数转换器集成在一个芯片上, 构成数据采集系统, 某些 ADC 芯片上还集成了数字信号处理器微处理器存储器等部件这些单片系统就是模数转换子系统, 或称片内系统 (System on-chip) 模数转换器李为民 42

43 模数转换器的发展趋势近年来模数转换器制造技术发展十分迅速, 竞争十分激烈, 制造商们不断推出低成本高性能的 ADC 新产品总体发展趋势可以归纳为以下几个方面 : 新结构高分辨率和高精度高速低电压和低功耗小型化单片系统低成本模数转换器李为民 43

44 1.2.9 新结构型和分级流水型 ADC 特别引人关注, 近年来它们分别是高分辨率 ADC 和高速 ADC 的主流结构传统的逐次逼近型 ADC 也采用了新技术, 如电荷重分布技术就是一例, 使逐次逼近型 ADC 的速度和分辨率都有了明显提高模数转换器李为民 44

45 高分辨率和高精度高分辨率的型 ADC 已被用于数字音频系统, 使音频信号的动态范围和信噪比大大提高 ; 高分辨又高精度的型 ADC 被用于仪表测量系统, 在某些场合将取代双积分型 ADC 模数转换器李为民 45

46 高速分级流水结构圆满地解决了速度和分辨率之间的矛盾, 为数字视频和数字通信领域提供了高速高分辨率的 ADC 本来属于中低速的逐次逼近型型 ADC 的转换速度也在不断提高模数转换器李为民 46

47 低电压和低功耗使用 3~5V 单电源的 ADC 已十分流行, 有的 ADC 电源电压仅 1.8V, 某些芯片的待机功耗降低到 w 量级这种发展趋势体现了 1V 电子学的新概念模数转换器李为民 47

48 小型化小型表面贴装芯片越来越流行, 满足了系统的小型化要求和自动贴装生产线的需要模数转换器李为民 48

49 单片系统越来越多的 ADC 芯片上集成了采样保持放大器模拟开关, 以至数字信号处理器和微处理器, 构成模数转换子系统, 大大简化了系统结构和提高了系统可靠性模数转换器李为民 49

50 低成本在各类集成电路中 ADC 芯片的成本是比较高的, 但近年有大幅下降同等性能的 ADC 芯片今天的价格是十年前的几分之一, 甚至几十分之一模数转换器李为民 50

51 END 模数转换器李为民 51

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路