常用AD DA轉(zhuǎn)換器工作原理

1、常用A/D 、D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理AD:模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號變成數(shù)字信號，便于數(shù)字設(shè)備處理。DA：數(shù)模轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號與外部世界接口。具體可以看看下面的資料，了解一下工作原理：1. AD轉(zhuǎn)換器的分類下面簡要介紹常用的幾種類型的基本原理及特點(diǎn)：積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、-調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。1）積分型（如TLC7135）積分型AD工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片AD轉(zhuǎn)換器大多采用積

2、分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。2）逐次比較型（如TLC0831）逐次比較型AD由一個(gè)比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低，在低分辯率（<12位）時(shí)價(jià)格便宜，但高精度（>12位）時(shí)價(jià)格很高。3）并行比較型/串并行比較型（如TLC5510）并行比較型AD采用多個(gè)比較器，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換，又稱FLash(快速)型。由于轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個(gè)比較器，因此電路規(guī)模也極大，價(jià)格也高，只適用于視頻AD轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。串并

3、行比較型AD結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個(gè)n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換，所以稱為 Half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的叫做分級（Multistep/Subrangling）型AD，而從轉(zhuǎn)換時(shí)序角度又可稱為流水線（Pipelined）型AD，現(xiàn)代的分級型AD中還加入了對多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運(yùn)算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。4）-(Sigma?/FONT>delta)調(diào)制型（如AD7705）-型AD由積分器、比較器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸

4、入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間(脈沖寬度)信號，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。5）電容陣列逐次比較型電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本制成高精度單片AD轉(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。6）壓頻變換型（如AD650）壓頻變換型（Voltage-Frequency Converter）是通過間接轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)

5、換成頻率，然后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種AD 的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時(shí)間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數(shù)的寬度。其優(yōu)點(diǎn)是分辯率高、功耗低、價(jià)格低，但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。（7）流水線型A/D轉(zhuǎn)換器為兼顧高速率和高精度的要求，流水線結(jié)構(gòu)的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)運(yùn)而生。這種A/D轉(zhuǎn)換器如圖11-6所示，它結(jié)合了串行和閃爍型ADC的特點(diǎn)，采用基于流水線結(jié)構(gòu)(pipeline)的多級轉(zhuǎn)換技術(shù)，各級模擬信號之間并行處理，能得到較高的轉(zhuǎn)換速度為100Msps；利用數(shù)字校正電路對各級誤差進(jìn)行校正，保證有較高的精度；所用器件數(shù)目與轉(zhuǎn)換位數(shù)成正比，可有效地控制功耗和成

6、本。本實(shí)例采用的是流水線結(jié)構(gòu)的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。2. AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1）分辯率(Resolution) 指數(shù)字量變化一個(gè)最小量時(shí)模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辯率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。2）轉(zhuǎn)換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間的倒數(shù)。積分型AD的轉(zhuǎn)換時(shí)間是毫秒級屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級屬中速AD，全并行/串并行型AD可達(dá)到納秒級。采樣時(shí)間則是另外一個(gè)概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率(Sample Rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在

7、數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表示每秒采樣千/百萬次（kilo / Million Samples per Second）。3）量化誤差(Quantizing Error) 由于AD的有限分辯率而引起的誤差，即有限分辯率AD的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辯率AD（理想AD）的轉(zhuǎn)移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1 個(gè)或半個(gè)最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。4）偏移誤差(Offset Error) 輸入信號為零時(shí)輸出信號不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。5）滿刻度誤差(Full Scale Error) 滿度輸出時(shí)對應(yīng)的輸入信號與理想輸

8、入信號值之差。6）線性度(Linearity) 實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移，不包括以上三種誤差。其他指標(biāo)還有：絕對精度(Absolute Accuracy) ，相對精度(Relative Accuracy)，微分非線性，單調(diào)性和無錯(cuò)碼，總諧波失真（Total Harmonic Distotortion縮寫THD）和積分非線性。3. DA轉(zhuǎn)換器DA轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路構(gòu)成無太大差異，一般按輸出是電流還是電壓、能否作乘法運(yùn)算等進(jìn)行分類。大多數(shù)DA轉(zhuǎn)換器由電阻陣列和n個(gè)電流開關(guān)(或電壓開關(guān))構(gòu)成。按數(shù)字輸入值切換開關(guān)，產(chǎn)生比例于輸入的電流(或電壓)。此外，也有為了改善精度而把恒流源放入器件

9、內(nèi)部的。一般說來，由于電流開關(guān)的切換誤差小，大多采用電流開關(guān)型電路，電流開關(guān)型電路如果直接輸出生成的電流，則為電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器，如果經(jīng)電流椀繆棺緩笫涑觶蛭繆故涑魴?/FONT>DA 轉(zhuǎn)換器。此外，電壓開關(guān)型電路為直接輸出電壓型DA轉(zhuǎn)換器。1）電壓輸出型（如TLC5620）電壓輸出型DA轉(zhuǎn)換器雖有直接從電阻陣列輸出電壓的，但一般采用內(nèi)置輸出放大器以低阻抗輸出。直接輸出電壓的器件僅用于高阻抗負(fù)載，由于無輸出放大器部分的延遲，故常作為高速DA轉(zhuǎn)換器使用。2）電流輸出型(如THS5661A)電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器很少直接利用電流輸出，大多外接電流電壓轉(zhuǎn)換電路得到電壓輸出，后者有兩種方法：一是只

10、在輸出引腳上接負(fù)載電阻而進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換，二是外接運(yùn)算放大器。用負(fù)載電阻進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換的方法，雖可在電流輸出引腳上出現(xiàn)電壓，但必須在規(guī)定的輸出電壓范圍內(nèi)使用，而且由于輸出阻抗高，所以一般外接運(yùn)算放大器使用。此外，大部分CMOS DA轉(zhuǎn)換器當(dāng)輸出電壓不為零時(shí)不能正確動(dòng)作，所以必須外接運(yùn)算放大器。當(dāng)外接運(yùn)算放大器進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，則電路構(gòu)成基本上與內(nèi)置放大器的電壓輸出型相同，這時(shí)由于在DA轉(zhuǎn)換器的電流建立時(shí)間上加入了達(dá)算放入器的延遲，使響應(yīng)變慢。此外，這種電路中運(yùn)算放大器因輸出引腳的內(nèi)部電容而容易起振，有時(shí)必須作相位補(bǔ)償。3）乘算型（如AD7533）DA轉(zhuǎn)換器中有使用恒定基準(zhǔn)電壓的，也有在基準(zhǔn)

11、電壓輸入上加交流信號的，后者由于能得到數(shù)字輸入和基準(zhǔn)電壓輸入相乘的結(jié)果而輸出，因而稱為乘算型DA轉(zhuǎn)換器。乘算型DA轉(zhuǎn)換器一般不僅可以進(jìn)行乘法運(yùn)算，而且可以作為使輸入信號數(shù)字化地衰減的衰減器及對輸入信號進(jìn)行調(diào)制的調(diào)制器使用。4）一位DA轉(zhuǎn)換器一位DA轉(zhuǎn)換器與前述轉(zhuǎn)換方式全然不同，它將數(shù)字值轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制或頻率調(diào)制的輸出，然后用數(shù)字濾波器作平均化而得到一般的電壓輸出(又稱位流方式)，用于音頻等場合。4. DA轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)：1）分辯率(Resolution) 指最小模擬輸出量（對應(yīng)數(shù)字量僅最低位為1）與最大量（對應(yīng)數(shù)字量所有有效位為1）之比。2）建立時(shí)間(Setting Time) 是將

12、一個(gè)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定模擬信號所需的時(shí)間，也可以認(rèn)為是轉(zhuǎn)換時(shí)間。DA中常用建立時(shí)間來描述其速度，而不是AD中常用的轉(zhuǎn)換速率。一般地，電流輸出DA建立時(shí)間較短，電壓輸出DA則較長。雙積分型 AD 轉(zhuǎn)換器的工作原理 雙積分型 AD 轉(zhuǎn)換器屬于間接型 AD 轉(zhuǎn)換器，它是把待轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓先轉(zhuǎn)換為一個(gè)中間變量，例如時(shí)間 T ；然后再對中間變量量化編碼，得出轉(zhuǎn)換結(jié)果，這種 AD 轉(zhuǎn)換器多稱為電壓 - 時(shí)間變換型（簡稱 VT 型）。圖 7.11 給出的是 VT 型雙積分式 AD 轉(zhuǎn)換器的原理圖。轉(zhuǎn)換開始前，先將計(jì)數(shù)器清零，并接通 S 0 使電容 C 完全放電。轉(zhuǎn)換開始，斷開 S 0 。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程分兩階

13、段進(jìn)行。第一階段，令開關(guān) S 1 置于輸入信號 U i 一側(cè)。積分器對 U i 進(jìn)行固定時(shí)間 T 1 的積分。積分結(jié)束時(shí)積分器的輸出電壓為： 可見積分器的輸出 U O1 與 U I 成正比。這一過程稱為轉(zhuǎn)換電路對輸入模擬電壓的采樣過程。在采樣開始時(shí)，邏輯控制電路將計(jì)數(shù)門打開，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到滿量程 N 時(shí)，計(jì)數(shù)器由全“1”復(fù)“0”，這個(gè)時(shí)間正好等于固定的積分時(shí)間 T 1 。計(jì)數(shù)器復(fù)“ 0 ”時(shí)，同時(shí)給出一個(gè)溢出脈沖（即進(jìn)位脈沖）使控制邏輯電路發(fā)出信號，令開關(guān) S 1 轉(zhuǎn)換至參考電壓 - V REF 一側(cè)，采樣階段結(jié)束。第二階段稱為定速率積分過程，將 U O1 轉(zhuǎn)換為成比例的時(shí)間間隔。采

14、樣階段結(jié)束時(shí)，一方面因參考電壓 - V REF 的極性與 U I 相反，積分器向相反方向積分。計(jì)數(shù)器由 0 開始計(jì)數(shù)，經(jīng)過 T 2 時(shí)間，積分器輸出電壓回升為零，過零比較器輸出低電平，關(guān)閉計(jì)數(shù)門，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，同時(shí)通過邏輯控制電路使開關(guān) S 1 與 u I 相接，重復(fù)第一步。如圖 7.12 所示。因此得到：即 式 (7.5) 表明，反向積分時(shí)間 T 2 與輸入模擬電壓成正比。在 T 2 期間計(jì)數(shù)門 G 2 打開，標(biāo)準(zhǔn)頻率為 f CP 的時(shí)鐘通過 G 2 ，計(jì)數(shù)器對 U G 計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果為 D ，由于則計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)為 計(jì)數(shù)器中的數(shù)值就是 AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后數(shù)字量，至此即完成了 VT 轉(zhuǎn)換。若輸

15、入電壓 ，則，它們之間也都滿足固定的比例關(guān)系，如圖 7.12 所示。雙積分型 AD 轉(zhuǎn)換器若與逐次逼近型 AD 轉(zhuǎn)換器相比較，因有積分器的存在，積分器的輸出只對輸入信號的平均值有所響應(yīng)，所以，它突出優(yōu)點(diǎn)是工作性能比較穩(wěn)定且抗干擾能力強(qiáng)；由式以上分析可以看出，只要兩次積分過程中積分器的時(shí)間常數(shù)相等，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果與 RC 無關(guān)，所以，該電路對 RC 精度的要求不高，而且電路的結(jié)構(gòu)也比較簡單。雙積分型 AD 轉(zhuǎn)換器屬于低速型 AD 轉(zhuǎn)換器，一次轉(zhuǎn)換時(shí)間在 12ms ，而逐次比較型 AD 轉(zhuǎn)換器可達(dá)到 1 m s 。不過在工業(yè)控制系統(tǒng)中的許多場合，毫秒級的轉(zhuǎn)換時(shí)間已經(jīng)足足有余，雙積分型 AD 轉(zhuǎn)換

16、器的優(yōu)點(diǎn)正好有了用武之地。逐次逼近 AD 轉(zhuǎn)換器的工作原理2008-01-14 11:39:55|  分類： 電子技術(shù)文摘 |  標(biāo)簽： |字號大中小 訂閱 下面結(jié)合圖 7.9 的邏輯圖具體說明逐次比較的過程。這是一個(gè)輸出 3 位二進(jìn)制數(shù)碼的逐次逼近型 AD 轉(zhuǎn)換器。圖中的 C 為電壓比較器，當(dāng)時(shí)，比較器的輸出 ；當(dāng)時(shí) 。 F A 、 F B 和 FC 三個(gè)觸發(fā)器組成了 3 位數(shù)碼寄存器，觸發(fā)器 F1-F5 構(gòu)成環(huán)形分配器和門 G 1-G 9 一起組成控制邏輯電路。轉(zhuǎn)換開始前先將 FA、FB、FC置零，同時(shí)將F1-F5組成的環(huán)型移位寄存器置成Q

17、 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 =10000 狀態(tài)。轉(zhuǎn)換控制信號 U L 變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始。第一個(gè) CP 脈沖到達(dá)后， FA 被置成“ 1 ”，而 FB 、 F C 被置成“ 0 ”。這時(shí)寄存器的狀態(tài) Q A Q B Q C =100 加到 DA 轉(zhuǎn)換器的輸入端上，并在 DA 轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓 U A (800mV) 。 U A 和u I比較，其結(jié)果不外乎兩種：若，則 ；若，則。同時(shí)，移位寄存器右移一位，使 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5=01000 。第二個(gè) CP 脈沖到達(dá)時(shí) F B 被置成 1 。若原來的( ) ，則 F A 被置成“ 0 ”，此時(shí)電壓

18、砝碼為 400mV ；若原來的() ，則 F A 的 “ 1 ”狀態(tài)保留，此時(shí)的電壓砝碼為 400mV 加上原來的電壓砝碼值。同時(shí)移位寄存器右移一位，變?yōu)?00100 狀態(tài)。第三個(gè) CP 脈沖到達(dá)時(shí) F C 被置成 1 。若原來的，則 F B 被置成“ 0 ”；若原來的，則 F B 的“ 1 ”狀態(tài)保留，此時(shí)的電壓砝碼為 200mV 加上原來保留的電壓砝碼值。同時(shí)移位寄存器右移一位，變成 00010 狀態(tài)。第四個(gè) CP 脈沖到達(dá)時(shí)，同時(shí)根據(jù)這時(shí)UB的狀態(tài)決定 F C 的“ 1 ”是否應(yīng)當(dāng)保留。這時(shí) FA、FB、FC 的狀態(tài)就是所要的轉(zhuǎn)換結(jié)果。同時(shí)，移位寄存器右移一位，變?yōu)?00001 狀態(tài)。由

19、于 Q 5 =1 ，于是 FA、FB、FC 的狀態(tài)便通過門 G 6、 G 7、 G 8 送到了輸出端。第五個(gè) CP 脈沖到達(dá)后，移位寄存器右移一位，使得 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 =10000 ，返回初始狀態(tài)。同時(shí)，由于 Q 5 =0 ，門 G 6、 G 7、 G 8 被封鎖，轉(zhuǎn)換輸出信號隨之消失。所以對于圖示的 AD 轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間為 ( n +2) T CP 。同時(shí)為了減小量化誤差，令 DA 轉(zhuǎn)換器的輸出產(chǎn)生 -/2的偏移量。另外，圖 7.9 中量化單位的大小依 u I 的變化范圍和 AD 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)而定，一般取。顯然，在一定的限度內(nèi)，位數(shù)越多，量化誤差越小，精度越高。3. 逐次逼近型集成 AD 轉(zhuǎn)換器 ADC0809逐 次逼近型 AD 轉(zhuǎn)換器和下面將要介紹的雙積分型 AD 轉(zhuǎn)換器都是大量使用的 AD 轉(zhuǎn)換器，現(xiàn)在介紹 AD 公司生產(chǎn)的一種逐次逼近型集成 AD 轉(zhuǎn)換器 ADC0809 。 ADC0809 由八路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、 DA 轉(zhuǎn)換器、寄存器、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組