模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的基本原理

我們處在一個(gè)數(shù)字時(shí)代，而我們的視覺、聽覺、感覺、嗅覺等所感知的卻是一個(gè)模擬世界。如何將數(shù)字世界與模擬世界聯(lián)系在一起，正是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)大顯身手之處。任何一個(gè)信號(hào)鏈系統(tǒng)，都需要傳感器來探測(cè)來自模擬世界的電壓、電流、溫度、壓力等信號(hào)。這些傳感器探測(cè)到的信號(hào)量被送到放大器中進(jìn)行放大，然后通過ADC把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過處理器、DSP或FPGA信號(hào)處理后，再經(jīng)由DAC還原為模擬信號(hào)。所以ADC和DAC在信號(hào)鏈的框架中起著橋梁的作用，即模擬世界與數(shù)字世界的一個(gè)接口。

信號(hào)鏈系統(tǒng)概要
　　
一個(gè)信號(hào)鏈系統(tǒng)主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、采樣與保持電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC組成，見圖1。DAC，簡(jiǎn)單來講就是數(shù)字信號(hào)輸入，模擬信號(hào)輸出，即它是一種把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)的器件。以理想的4 bit DAC為例，其輸入有bit0 到bit3，其組合方式有16種。使用R-2R梯形電阻的4bit DAC在假定Vbit0到Vbit3都等于1V時(shí)，R-2R間的四個(gè)抽頭電壓有四種，分別為V1到V4。



采樣保持電路也叫取樣保持電路，它的定義是指將一個(gè)電壓信號(hào)從模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)時(shí)需要保持穩(wěn)定性直到完成轉(zhuǎn)換工作。它有兩個(gè)階段，一個(gè)是zero phase，一個(gè)是compare phase。采樣保持電路的比較器通常要求其offset比較小，這樣才能使ADC的精度更好。通常在比較器的后面需要放置一個(gè)鎖存器，其目的是為了保持穩(wěn)定性。

在采樣電壓快速變化時(shí)，需要用到具有FET開關(guān)的采樣與保持電路。當(dāng)FET開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓保存在某個(gè)位置如C1中，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電壓仍保持在該位置中進(jìn)行鎖存，直到下一個(gè)采樣脈沖的到來。

ADC與DAC在功用上正好相反，它是模擬信號(hào)輸入，數(shù)字信號(hào)輸出，是一個(gè)混合信號(hào)器件。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC

ADC按結(jié)構(gòu)分有很多種，按其采樣速度和精度可分為：

多比較器快速（Flash）ADC；

數(shù)字躍升式（Digital Ramp）ADC；

逐次逼近ADC；

管道ADC；

Sigma-Delta ADC。

任何一種ADC的輸出都等于2的N次方乘以它的增益（輸入信號(hào)），再除以它的參考電壓。

每一種類型的ADC都各具特性，下面重點(diǎn)介紹前三種類型。

由圖2可以看出，不同的ADC有著不同的特性，對(duì)于Sigma-Delta ADC來講，其分辨率可以達(dá)到24bit以上，但其采樣速率比較低。逐次逼近型ADC比較適應(yīng)于中等采樣率、分辨率在16bit以下的應(yīng)用。管道ADC主要用于高采樣率的應(yīng)用，其分辨率則在16bit以下。多比較器ADC也是一種高速ADC，但因?yàn)槠潴w積和功耗較大、分辨率較低，目前應(yīng)用中很少使用它。



多比較器（Flash）ADC中用到的比較器很多，如一個(gè)8位的ADC就需要255個(gè)比較器。該類產(chǎn)品采樣速率確實(shí)很高，但因?yàn)槎鄠€(gè)比較器的存在，其功耗很大，而且管芯也較大。ADC0820、ADC1175等產(chǎn)品都是這種類型的ADC。

數(shù)字躍升式ADC是用連續(xù)搜索的方法獲得編碼，因?yàn)樗俾侍?、效率太低，因此很少使用?br /> 　　
逐次逼近型ADC在逐次逼近的方法上分為兩種，以3比特采樣為例，它首先將基準(zhǔn)電壓分為7個(gè)比較電壓，使輸入信號(hào)同時(shí)與這7個(gè)電壓進(jìn)行比較，最接近的比較電壓是表示數(shù)值；第二種是將輸入電壓逐次接近電壓的二分之一、四分之一、八分之一等，順序產(chǎn)生比較后的數(shù)字信號(hào)。因?yàn)樽儞Q過程是將輸入信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)比較，所以，基準(zhǔn)電壓必需是穩(wěn)定準(zhǔn)確的。輸入信號(hào)的最高電平應(yīng)保持穩(wěn)定，充分利用變換器達(dá)到高的分辨率。對(duì)于任何逐次逼近ADC，都有5個(gè)組成部分：第一部分是DAC，其中含有一個(gè)算術(shù)邏輯測(cè)試單元，會(huì)比較DAC的輸出和模擬信號(hào)的輸入，直到兩者接近；第二部分是輸出寄存器；第三部分是比較器，逐次逼近ADC僅含有一個(gè)比較器，所以功耗和管芯尺寸都比較??；第四部分是邏輯電路；第五部分是時(shí)鐘。有一個(gè)要求是：DAC的精度一定要高于ADC。

逐次逼近型ADC因其功耗小、成本低、尺寸小以及性能等方面的優(yōu)點(diǎn)，成為了目前市場(chǎng)上最具成本效益的ADC，也是最常見的ADC。
　　
逐次逼近ADC的工作原理是它首先得到最高的有效位，然后是第二個(gè)最高有效位，直到得到最后一個(gè)。ADCV08832是一個(gè)低功耗版本的器件，它的操作電壓較低。

ADC的若干應(yīng)用

第一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的例子，是使用溫度傳感器LM19、ADC變換器來讀取溫度，通過USB接口送入筆記本電腦，見圖3。其演示板將很快提供。


第二個(gè)應(yīng)用是遠(yuǎn)程按鍵檢測(cè)，它是用ADC感測(cè)很多個(gè)按鍵的輸入，然后只有一路產(chǎn)生輸出，這樣可以節(jié)省很多個(gè)GPIO接口，實(shí)現(xiàn)起來非常方便，比如應(yīng)用在MP3上等，見圖4。


　　
第三個(gè)應(yīng)用是電池放電。目前的手機(jī)無法看到電池還能支撐多少時(shí)間，沒有一個(gè)量化的概念。利用一個(gè)ADC便可以實(shí)現(xiàn)讓用戶知道手機(jī)電池還能支持多長(zhǎng)的通話時(shí)間。應(yīng)用例子如諾基亞8250，見圖5。其演示板已可以提供。

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