单仪器模数转换

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[军] Analog.Digital, 模拟/数字

A/D

[缩]单仪器模数转换

随着数位技术，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，对信号的处理广泛採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位讯号；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位讯号之间起桥樑作用的电路--模数和数模转换器。

将模拟信号转换成数位讯号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器或ADC,Analog to Digital Converter）；将数位讯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,Digital to Analog Converter）；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，现已研製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。

ADC，Analog-to-Digital Converter的缩写，指模/数转换器或者模拟/数字转换器

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：图像的数位化等。

信号数位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的数位讯号代码来量化表示原始信号，这种量化以bit为单位，可以精细到1/2^N。时钟决定信号波形的採样速度和模数转换器的变换速率。转换精度可以做到24bit，而採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。

模数转换包括採样、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採样，量化噪声及接收机噪声等因素的影响，採样速率一般取 fS=2.5fmax。通常採样脉冲的宽度tw 是很短的，故採样输出是断续的窄脉冲。要把一个採样输出信号数位化，需要将採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、离散幅度的数位讯号，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。这些过程有些是合併进行的，例如，採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。

模/数转换器（ADC）的主要性能参数：

解析度：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，其解析度则越高。实际的A/D转换器，通常为8，10，12，16位等。

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2^8=256层，若它的量程为0~5V，那幺，量化单位q为：

q = = ≈0.0195V=19.5mV

q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解析度和满量程範围的函式。

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。

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。

相对精度：对于A/D，指的是满度值校準以后，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%。

DAC是Digital Analog Converter(数字模拟信号转换器)的缩写

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。

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係。 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(Least Significant Bit)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(Full Scale Range)表示。

图1.3

D/A转换器由数码暂存器、模拟电子开关电路、解码网路、求和电路及基準电压几部分组成。数字量以串列或并行方式输入、存储于数码暂存器中，数字暂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的位在位权网路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。

解析度：解析度表明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的解析度，如解析度为8位的D/A能给出满量程电压的1/的分辨能力，显然DAC的位数越多，则解析度越高。

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。

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。

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。

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。

本实例的A/D模组採用流水线结构的12位模－数转换器（ADC），内部由流水线ADO、基準电压源、控制逻辑、FIFO、缓冲器、採样保持器和多路器切换开关等组成。其功能有：

图1

·片选信号CS，低电平有效，设定片选信号，以便与各种处理器连线。

·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準备好信号输出。

·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，一股前者採用5V电源，后两者採用3．3V电源。

值得注意的是，A/D模组内部的FIFO安排成环形，採用读取点、写入点和触发点控制读写操作，如图1所示。

图2

系统採用中断方式来设计A/D模组，其工作原理是由ARM的CLK时钟连线A/D晶片的转换时钟控制採样保持和A/D变换。这样让设定通道的信号同时採样保持，然后分别转换为数位讯号并自动顺序写入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回响中断读取转换数据，同时清除信号，读取点和触发点向前移动。晶片的工作方式由两个暂存器控制，通过编写ARM程式写暂存器，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。

A/D转换可分为4个阶段：即採样、保持、量化和编码。

图

採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，根据奈奎斯特採样定理fsZZfh，如果採样信号频率大于或等于2倍的最高频率成分，则可以从採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，採样频率一般取2．5～3倍的最高频率成分。但转换速度较慢。有些转换器还将多路开关。基準电压源。时钟电路。解码器和转换电路集成在一个晶片内，已超出了单纯a/d转换功能，使用十分方便。

要把一个採样信号準确地数位化，就需要将採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採样器做在一起，两者合称採样保持器。图给出了A/D採样电路的採样时序图，採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，这些过程通常是合併进行的。例如，採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。

计算机、数字通讯等数字系统是处理数位讯号的电路系统。然而，在实际套用中，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位讯号。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，所以模拟部分一般採用双极工艺，而数字部分则採用MOS工艺，而且模拟部分和数字部分还不能做在同一个晶片上。因此，A/D转换器只能採用多晶片方式实现，成本很高。1975年，一个採用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，出现了解析度为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，出现了採用BiCMOS工艺製作的单片集成A/D转换器，但是工艺複杂，成本高。随着CMOS工艺的不断发展，採用CMOS工艺製作单片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，携带型电子产品的普遍套用要求A/D转换器的功耗儘可能地低。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，解析度已经达到24位。

当前，数字处理系统正在飞速发展，在视频领域，高清晰度数位电视系统(HDTV)的出现，将广播电视推向了一个更高的台阶，HDTV的解析度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，只能在规定範围内的特定频段上使用专用调製器、编码器和信道协定。而软体无线电技术(SDR)能更加灵活、有效地利用频谱，并能方便地升级和跟蹤新技术，大大地推动了无线通信系统的发展。在高精度测量领域，高级仪表的解析度在不断提高，电流到达μA量级，电压到达mV甚至更低；在音频领域，各种高性能专业音频处理设备不断涌现，如DVD-Audio和超级音频CD(SACD)，它们能处理更高质量的音频信号。

为了满足数字系统的发展要求，A/D转换器的性能也必须不断提高，它将主要向以下几个方向发展:

现代数字系统的数据处理速度越来越快，要求获取数据的速度也要不断提高。比如，在软体无线电系统中，A/D转换器的位置是非常关键的，它要求A/D转换器的最大输入信号频率在1GHz和5GHz之间，以目前的技术水平，还很难实现。因此，向超高速A/D转换器方向发展的趋势是清晰可见的。

现代数字系统的解析度在不断提高，比如，高级仪表的最小可测值在不断地减小，因此，A/D转换器的解析度也必须随之提高;在专业音频处理系统中，为了能获得更加逼真的声音效果，需要高精度的A/D转换器。目前，最高精度可达24位的A/D转换器也不能满足要求。现在，人们正致力于研製更高精度的A/D转换器。

片上系统(SOC)已经成为积体电路发展的趋势，在同一块晶片上既有模拟电路又有数字电路。为了完成複杂的系统功能，大系统中每个子模组的功耗应儘可能地低，因此，低功耗A/D转换器是必不可少的。在以往的设计中，5MSPS8～12位解析度A/D转换器的典型功耗为100～150mW。这远不能满足片上系统的发展要求，所以，低功耗将是A/D转换器一个必然的发展趋势。

总之，各种技术和工艺的相互渗透，扬长避短，开发出适合各种套用场合，能满足不同需求的A/D转换器，将是模拟/数字转换技术的未来发展趋势;高速、高精度、低功耗A/D转换器将是今后数据转换器发展的重点。