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基礎知識之A/D轉換器

作者: 時間:2024-03-25 來源:電子森林 收藏

是從自然界的現(xiàn)象(各種各樣的應用)產(chǎn)生的模擬信號變換為數(shù)字信號(A/D變換)的東西。這個工作是指由模擬信號經(jīng)過采樣→量化→編碼變換為數(shù)字信號的一系列步驟。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202403/456740.htm

的基本操作請參見下方A/D轉換器實例。

A/D轉換器在離散周期內切出模擬信號的幅度,變換為用符號表示的數(shù)字信號。A/D轉換了的數(shù)字信號位數(shù)叫做分辨率(這個情況下是3bit),最高位叫做MSB(Most Significant Bit),最低位叫做LSB(Least Significant Bit)。

下方的圖片展示了模擬信號(輸入)和數(shù)字信號(輸出)的關系。作為數(shù)字信號差,可識別的模擬信號最小振幅是最小分辨率(=1LSB),在模擬信號和數(shù)字信號之間產(chǎn)生的誤差叫做量化誤差。

另外,第一個數(shù)字信號變化點(000→001)的0.5LSB下叫做零刻度,最后一個數(shù)字信號變化點(110→111)的0.5LSB上叫做滿量程,從零刻度到滿量程的這個區(qū)間叫滿量程范圍。

以下是模擬信號通過“采樣→量化→編碼”變換為數(shù)字信號的一系列步驟。

在離散周期(采樣周期:TS)內切出連續(xù)的模擬信號振幅值

<采樣周期:Ts=1/(采樣頻率:Fs)>

進行采樣的電路叫做采樣和保持電路(簡稱S&H電路)

在離散周期內切出的振幅值近似于離散振幅值。 <量化誤差:(采樣值)-(量化值)>

離散振幅用“0”和“1”這兩個值來表示轉換的代碼。 轉換了代碼的電路叫做編碼器(Encoder)。

預先用比較器同時比較分壓成2N-1個的參考電壓和模擬信號,比較結果用編碼器轉換成數(shù)字信號。

為了把模擬信號一次轉為數(shù)字信號,模擬信號不需要采樣電路(S&H回路)。 在A/D轉換器的基本形式中可最高速度轉換。(采樣頻率甚至可超過1GHz。) N位分辨率需要2N-1個比較器,由于電路規(guī)模和功耗增加,分辨率最高為8位左右。

在一般1.5bit/級結構的情況下,從決定了MSB的第1級開始依次流水線操作,從而反復進行以下的處理。(VREF:參考電壓)

  • 采樣(S&H)模擬輸入。
  • 同時用A/D轉換器(ADC)把模擬輸入轉換成3值(1.5bit)的數(shù)字值。(此處確定級別的數(shù)字輸出)

模擬輸入≦-VREF/4→ D=“00”

-VREF/4<模擬輸入≦+VREF/4→ D=“01”

  • +VREF/4<模擬輸入→D=“10”
    • 用D/A轉換器(DAC)把3值(1.5bit)的數(shù)字值轉換為模擬值。

D=“00” → DAC輸出:-VREF/2

D=“01” → DAC輸出:0

D=“10” → DAC輸出:+VREF/2

  • 從采樣電壓擴大到減去了DAC輸出電壓的2倍后,輸出到下一級。 決定了LSB的N級處理完成之后,補償了各級別間的延遲,通過加上各個數(shù)字輸出,數(shù)字信號的轉變完成。
  • 可實現(xiàn)高分辨率。(最多16位左右)
  • 可高速轉換。(采樣頻率高達約200MHz的)
  • 通過流水線操作,由于需要等待數(shù)字信號輸出的時間,不適用于需要控制等實時的應用。

為了使采樣的模擬信號和D/A轉換器(DAC)的輸出一致,從MSB開始逐次比較(Successive Approximation)。

  • 模擬輸入信號采樣(S&H)
  • 逐次逼近寄存器(SAR)的MSB設置為“1”。(其他為“0”)
  • 逐次逼近寄存器(SAR)的數(shù)字值用D/A轉換器(DAC)轉換成模擬值。
  • 比較采樣電壓和DAC輸出電壓的大小。
   確定采樣電壓>DAC輸出電壓 → MSB="1"
  確定采樣電壓<DAC輸出電壓 → MSB="0"

下方是通過到LSB為止重復相同的逐次逼近來完成數(shù)字信號的轉換。

  • 可實現(xiàn)高分辨率。(最多18位左右)
  • 為了轉換以及需要(分辨率+α)的時鐘周期,轉換速度為中度。(最多約10MHz的采樣頻率)
  • 反應良好,輸入時連接復用器,輕松切換模擬信號。

對模擬信號進行過采樣,并使用ΔΣ調制將其轉換為與模擬信號的幅度相對應的低位數(shù)據(jù)(比如1位),然后使用數(shù)字濾波器去除帶外噪聲并進行數(shù)據(jù)抽取處理,從而完成在原始采樣頻率下向數(shù)字信號的轉換。

過采樣

通過用比原始采樣頻率更高的頻率來采樣,來減少量化誤差。

ΔΣ調制

通過過采樣,積分器對采樣電壓和D/A轉換器(DAC)輸出電壓之間的差(Δ)進行積分(Σ)。用比較器來比較積分值和參考電壓的大小,并將積分值轉換為低位數(shù)據(jù)。 通過將輸出數(shù)據(jù)延遲1個采樣周期并反饋至輸入進行調制,使比較器產(chǎn)生的量化誤差在低頻區(qū)域較小,在高頻區(qū)域較大。

從ΔΣ調制器輸出的低位數(shù)據(jù),除了原始信號分量外,在高頻區(qū)域還有較大的量化誤差分量。然而,由于這些分量在頻率上是分開的,并且只能用數(shù)字濾波器去除量化誤差分量,因此可以實現(xiàn)其他方式無法實現(xiàn)的高分辨率。

  • A/D轉換器主要產(chǎn)品中最高的分辨率。(最多約32位)
  • 通常,轉換速度比逐次比較型要慢。
  • 響應性能較差,因此不適用于在輸入端連接了復用器、需要高速切換模擬信號的應用。


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