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1、不同原理A/D转换电路的原理 引言 随着时代的发展，电子技术日趋于高精度 化即数字化。然而，在实际应用中，我们所 遇到的信号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字 信号。A/D转换器正是基于这种要求应运而生 。 A/D转换电路过程 1. 取样 2. 保持 3. 量化 4. 编码 A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从 而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精 度容易保证，调准也比较方便。直接A/D转换器有计数型、逐次 比较型、并行比较型等。 间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频
2、 率f, 然后再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但 转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接A/D转换器有单次 积分型、双积分型等。 A/D转换器的分类 常见的A/D转换电路 逐次逼近型A/D转换器 逐次逼近型A/D转换器原理图 逐次逼近型ADC 优点： (1)高速，转换速率高达100万次每秒(MSPS)。 (2)与其它ADC结构相比，功耗相当低。 (3)在要求分辨率很低(14位)情况 下，价格较高。 (2)从传感器产生的输出信号在进行数模转换之前通常对模 拟信号进行调理，一般包括增益级和滤波，这样会明显提高 成本。 并行比较型A/D转换器 量化电平依据有舍有 入划分为7个电平。
3、量化单位为 =(2/15)UREF 量化误差为 |max|= (1/15)UREF 电压比较器 U+U-时，Ci1； U+U-时，Ci0。 并行式A/D转换 优点： 它是模数转换中速度最高的； 缺点： (1)分辨率不太高； (2)面积和功耗大； (3)成本相当高； (4)需要2N一1比较器。 双积分型A/D转换器 基本原理：将输入电压变换成 与其平均值成正比的时间间隔 ，再把此时间间隔转换成数字 量。 先将开关接通待转换的模拟量 i，i采样输入到积分器， 积分器从零开始进行固定时间 的正向积分，时间到后， 开关再接通与i极性相反的 基准电压F，将F 输入到积分器，进行反向积分 ，直到输出为0V
4、时停止积分。 i越大，积分器输出电压越 大，反向积分时间也越长。计 数器在反向积分时间内所计的 数值，就是输入模拟电压i 所对应的数字量，实现了A/D 转换。 双积分型A/D转换 优点： (1)精度高； (2)功耗较低； (3)成本较低。 缺点： 转换速率受限制，转换精度随转换速率的增 加而降低。 电压频率转换法 由计数器、控制门及一个具有恒 定时间的时钟门控制信号组成， 如图所示。 它的工作原理是/F转换电路把 输入的模拟电压转换成与模拟电 压成正比的脉冲信号。电压频率 转换法 电压频率转换法的工作过程是： 当模拟电压i加到V/F的输入端 ，便产生频率F与Vi成正比的脉冲 ，在一定的时间内对
5、该脉冲信号 计数，时间到，统计到计数器的 计数值正比于输入电压Vi，从而 完成A/D转换。 图5 电压频率式A/D转换原理框图 电压频率A/D转换 优点： (1)高精度； (2)功耗较低； (3)价格较低，但还需要附加的计数电路实现 频率数字转换。 缺点： (1)类似积分型ADC，它的转换速率受限制， 转换器的精度随转换速率增加而降低。100- 300 SPS的转换速率对应的转换精度一般为12 位。 (2)需要外部计数电路完成模数转换。 一ADC主要有两部分来组成：相对较小 的模拟调制部分和较复杂的数字滤波部分 。众所周知，ADC的模拟部分是影响它性 能和面积的关键部分，而一ADC在获得 很高
6、分辨率的同时，仿真器件并不需要很 高的匹配率，这样设计的过采样ADC不但 精度高、功耗低，电路结构本身也具有数 字信号处理能力，很容易制成低通过采样 ADC和带通过采样ADC，而并不增加芯片 面积。过采样ADC是通过提高数字电路的 复杂度，而降低在模拟电路上的技术要求 ，换取精度的提高。这是它比其它ADC的 独特的方面。 -A/D转换： 优点： (1)分辨率高达24位； (2)比积分型及压频变换型ADC的转换速率高； (3)采用混合信号CMOS制造工艺，在一块芯片上很 容易实现低价格、高分辨率数据采集和数字信号处 理； (4)由于采用高倍率过采样技术，降低了对传感器 信号进行滤波的要求，实际上
7、取消了信号调理。 A/D转换主要技术指标 精度：量化间隔(分辨率) = Vmax/电平数(即满量程值) 例：某8位ADC的满量程电压为5V，则其分辨率为 5V/256=19.6mV 量化误差: 用数字（离散）量表示连续量时，由于数 字量字长有限而无法精确地表示连续量所 造成的误差。 (字长越长，精度越高) A/D转换主要技术指标 例：满量程电压=10V，A/D变换器位数=10位，则 转换时间: 转换一次需要的时间。精度越高（字长越 长），转换速度越慢。 绝对量化误差 10/211 = 4.88mV 相对量化误差 1/211 *100% = 0.049% 绝对量化误差=量化间隔/2= (满量程电
8、压/2n)/2 相对量化误差 =(1/2)(1/量化电平数目) 100% 输入动态范围: 允许转换的电压的范围。如05V、0 10V等。 A/D转换技术的发展趋势 v 高转换速度: v 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，在软件无线电系统中， 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。 A/D转换技术的发展趋势 v 高精度： v 现代数字系统的分辨率在不断提高，比 如，高级仪表的最小可测值在不断地减 小，因此
9、，A/D转换器的分辨率也必须 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，人们正致力于研制更高精度的A/D 转换器。 2003200420052006 A/D转换技术的发展趋势 v 低功耗： v 片上系统(SOC)已经成为集成电路发展的趋势，在同一 块芯片上既有模拟电路又有数字电路。为了完成复杂 的系统功能，大系统中每个子模块的功耗应尽可能地 低，因此，低功耗A/D转换器是必不可少的。 A/D转换技术的发展趋势 v 随着时代的发展，各种技术和工艺的相互渗透，扬长 避短，开发出适合各种应用场合的、满足不同需求的 A/D转换器。 v A/D转换器的发展日趋于高速、高精度、低功耗。 Thank you !
