检测技术5讲义

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1、1,3.5 A/D转换器,ADC是将模拟信号转变为数字信号的关键器件。在数据采集系统中是必不可少的。它的性能直接影响到的数据采集系统的各项技术指标。 ADC分类： 积分型 逐次逼近 并行比较型 -型 流水线ADC,2,3.5.1 A/D 的主要性能指标,1分辨率(Resolution) 表示输出的数字量变化一个码所需要的输入模拟电压变化量：FSR/2n , n为A/D的位数，FSR为满量程电压。,3,在不计算其它误差时候，一个分辨率有限的ADC的阶梯状转移特性曲线与具有无限分辨率的ADC转移特性曲线（直线）之间的最大偏差称为量化误差。,2量化误差（Quantizing Error）,4,量化误

2、差：,对于在零刻度处有1/2LSB偏移的ADC量化误差为1/2LSB ，没有加入偏移量的ADC量化误差为1LSB。,5,3偏移误差（Offset Error） 输入为零，输出不为零的值。 4满刻度误差（Full Scale Error） 又称为增益误差，是指满刻度输出的数码所对应的实际输入电压与理想输入电压的差。 注意：正满度所对应的电压为 ：FSR-1LSB（单极性） FSR/2-1LSB（双极性） 负满度对应的电压为： 0（单极性） -FSR/2（双极性）,6,5线性度（Linearity）又叫非线性度（Non- Linearity） 是指转换器实际的转移特性曲线与理想直线的最大偏移。 6

3、绝对误差：（Absolute Error） 输出数码所对应的实际模拟电压与理想的模拟输入电压值之差，绝对误差包括增益误差，非线性误差，偏移误差和量化误差。,7,7相对精度（Relative Accuracy） 绝对精度与满量程电压值之比的百分数。 8转换速率（Conversion Rate） 在保证转换精度的前提下，能够重复进行数据转换的速度。MSPS=兆次/秒 9转换时间是完成一次A/D转换所需的时间。,8,3.5.3 典型ADC简介,1开关电容逐次逼近ADC,9,开关电容AD转换器工作原理,1、采样： 转换过程的第一步先将所有的ST和SC开关同时闭合，输入电压给所有的二进制权电容充电，将所

4、有的电容充电到输入电压。 2、转换 下一步将所有的ST和SC开关同时打开。比较器开始逐位比较每个电容器相对于REF-的电压，12个电容逐次比较直到确定所有的位。比较时先将第一个电容（weight=2048）的接点N2048接到REF+，其它阶梯电容接REF-，比较器的门槛电压为0V，当比较器的输入电压大于0V，比较器输出0锁存到输出寄存器，并将N2048接到REF-；若比较器的输入电压小于0V，比较器将输出1锁存到输出寄存器，并将N2048保留在REF+。接下来比较第二个电容（weight=1024）的接点N1024等等，直到所有的位都转换完成。,10,A）第一拍： 用叠加原理计算出比较器输入

5、接点上的电压Vb: 刚充完电时，比较器输入节点上的电荷总量为 QTOT= -CTOT Vi 令比较器输入端的电压为Vb，若与REF+相连的电容容量为C+,与REF-相连的电容容量为C-，且REF+ = -REF-，则： 当比较第一个电容时： C+=2048, C-=2048, QTOT = -CTOT Vi = C+(Vb-REF+)+C-(Vb+REF-) = (C+C-)Vb+ (C+-C-)REF 因：C+=C- ， REF+=-REF- =REF 则：QTOT=(C+C-)Vb= CTOT Vb 即：Vb = -Vi；,11,B）第二拍：当比较第二个电容时： 若D11=0；则电容C20

6、48接REF-，并将电容C1024接REF+， 这时C+=1024，C- =3072， 则：Vb = (C- - C+) / CTOT) REF -Vi =+1/2 REF - Vi； 若D11=1；则电容C2048保留在REF+，并将电容C1024接REF+， 这时C+=3072，C- =1024，Vb= -1/2 REF Vi 第n次比较时：Vb=（D/4096-1/2）REF Vi。,12,特点： 无需采样保持器； 易于集成，成本低； 自动消除比较器的零点； 每次转换结束时由于所有的ST的接通对输入有一个电流冲击，因此输入应有一个输入缓冲器。,13,TLC2543芯片简介 特点： 12位

7、分辨率 10uS转换时间 11个输入通道 3种内部测试方式（(Vref+ Vref)/2，Vref+，Vref） 自带采样保持器 线性误差小于1LSB 片内系统时钟 有EOC输出 单极编码、双极编码（2的补码）输出 串行数据接口 可编程的掉电模式 可编程的输出数据格式 缺点： 输入范围窄REF+ VCC, REF- GND,14,15,16,17,串并联电容阵列,上面介绍的电容阵列的缺点是：最大的电容与最小的电容之比为2048倍，工艺上不容易实现。,18,C8,0 1,1p,1p,2p,4,8,16,32,1,2,4,8,16,32,64p,b1,b14,Sin,Vin,VRef,低六位,高七

8、位,Ca=1.016p,Sc,Sc,Vb,_,C14,C7,C1,b8 b7,Va,19,20,21,22,2. -型 ADC,越来越多的应用，例如过程控制、称重等，都需要高分辨率、高集成度和低价格的ADC。 新型-转换技术恰好可以满足这些要求。-转换器中的模拟部分非常简单（类似于一个1bit ADC），而数字部分要复杂得多，按照功能可划分为数字滤波和抽取单元。由于更接近于一个数字器件，-ADC的制造成本非常低廉。,23,ADC的量化噪声 由量化误差造成的噪声，是等概率密度函数。 概率密度P(x)=1/q q 量化间隔 量化误差为： E(x) = -x -qx q,E(x),x,x,C(x),

9、24,ADC的信号噪声比 信号功率 噪声功率,25,几个概念：,1. 过采样（Over Sampling）： 高于Nyquist频率的采样叫过采样。过采样的倍数叫过采样系数k。 如果将采样频率提高一个过采样系数k，即采样频率为kfs，再来讨论AD的信噪比问题。由于AD的位数没变，则SNR值也未变，但噪声能量分散到一个更宽的频率范围。每4倍过采样将使SNR增加6dB，SNR每增加6dB等效于分辨率增加1bit。 -转换器正是利用了这一原理。具体方法是将模拟信号的增量用1bit ADC进行转换，接着进行数字滤波。将大部分噪声用数字滤波器滤掉，这样，使得AD转换器输出的RMS噪声降低。从而一个低分辨

10、率的- ADC转换器也可获得高分辨率。,26,2. 噪声成形技术,X 4(f)= ( X1(f) G + Q f ) / ( f + G ) , G为微积分常数 Q为量化噪声谱的平均电平,27,k,图2 经过噪声成型过采样与SNR的关系,28,3数字滤波和抽取 同时完成三个作用: 低通滤波 抽取 将1bit数字信号转换成高位数字信号,29,30,-ADC的特点： 转换精度高 转换速度低 不需要外加抗混叠滤波器 芯片生产成本低,31,MAX1402简介,18-Bit Resolution, Sigma-Delta ADC 16-Bit Accuracy with No Missing Codes

11、 to 480sps Low Quiescent Current 250A (operating mode) 2A (power-down mode) Matched On-Board Current Sources (200A) for Sensor Excitation 3 Fully Differential or 5 Pseudo-Differential Signal Input Channels 2 Additional, Fully Differential Calibration Channels/Auxiliary Input Channels Programmable Ga

12、in and Offset Fully Differential Reference Inputs Converts Continuously or On Command Automatic Channel Scanning and Continuous Data Output Mode Operates with +5V Analog Supply and +3V or +5V Digital Supply 3-Wire Serial InterfaceSPI/QSPI Compatible 28-Pin SSOP Package,32,33,34,35,-ADC的应用实例,36,热电偶测量

13、及冷端补偿,37,3线和4线RTD测量,38,3、流水线ADC的工作原理,流水线ADC 的功能框图如图1 所示。这种结构的A/D 转换器采用多个低精度的闪电式ADC 对取样信号进行分级量化，然后将各级的量化结果组合起来，构成一个高精度的量化输出。每一级由采样/保持电路（T/H）、低分辨率ADC 和DAC 以及求和电路构成，求和电路还包括可提供增益的级间放大器。一个N 位分辨率的流水线ADC完成一次采样的流程大致如下： 首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个M位分辨率的粗A/D 转换器对输入进行量化， 接着用一个至少N位精度的乘积型数模转换器（MDAC）产生一个对应于量化结果的模拟电平送

14、至求和电路，求和电路从输入信号中扣除此模拟电平，并将差值精确放大某一固定增益后送交下一级电路处理。经过L级这样的处理后，最后由一个较高精度的K 位细A/D 转换器对残余信号进行转换。将上述各级粗、细A/D的输出组合起来构成高精度的N位输出。为了便于纠正重叠误差，流水线各级电路都留有冗余位。,39,40,每级的内部结构,采/保,低精度闪速ADC,MDAC,放大器,至下一级,本级的数字输出,求和,41,流水线ADC 的误差源主要包括：,各级粗ADC 的增益、偏置与线性误差； 各级DAC的增益、偏置及线性误差； 各级DAC的建立时间； 各级求和电路的增益、偏置、线性及建立时间误差； 细ADC 的增益

15、、偏置与线性误差。 这些误差会进一步影响流水线ADC的转换，导致整个ADC 转移函数的非线性与误码。新型单片流水线ADC 普遍采用数字校正技术来消除这些误差。校正的方法一般是从后向前逐级测出每一级的误差，将误差保存于内部存储器，正常测量时再取回该误差对各级的转换结果进行修正。,42,流水线ADC的工作时序,流水线ADC 中各级电路分别有自己的跟踪/保持电路，因此当信号传递给次级电路后本级电路的跟踪/保持器就可释放出来处理下一次取样。这样提高了整个电路的吞吐能力，一次采样可在一个时钟周期内完成，但随之而来的另外一个问题就是流水线延迟，每次取样的转换结果要等待若干个时钟周期延迟后才能出现在输出端，

16、幸运的是对于大多数应用来说这种延迟的影响并不显著。流水线ADC的典型工作时序如图2 所示。,图2 流水线ADC的典型工作时序,43,性能特点,流水线ADC 的主要特色在于优异的动态性能，能够对接近甚至超出奈奎斯特频率的信号进行过采样或欠采样。用于通信系统可直接对IF 信号进行采样或实现IF 信号的直接下变换（DDC），用于成像系统可实现高分辨率、高品质的图像采集，优异的频域和时域特性也能够满足高速数据采集系统的要求。 衡量高速ADC 动态性能的主要指标有：信/噪比（SNR）、信号与噪声、失真总和之比（SINAD）、总谐波失真（THD）、无杂散动态范围（SFDR）等。其中SNR 指被测信号的RMS（均方根）值与奈奎斯特频率范围内、不包括直流和谐波成分的所有其它乱真信号RMS值之比；SINAD 是指被测信号的RMS 值与奈奎斯特频率范围内所有其它成分的RMS值之比（包括噪声和谐波，但不