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(jué)、聽(tīng)覺(jué)、感覺(jué)、嗅覺(jué)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(lái)探測(cè)來(lái)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(guò)ADC把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),經(jīng)過(guò)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(jiàn)圖1。DAC,簡(jiǎn)單來(lái)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(kāi)關(guān)的采樣與保持電路。當(dāng)FET開(kāi)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(kāi)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(lái)。
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(lèi)型的ADC都各具特性,下面重點(diǎn)介紹前三種類(lèi)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(lái)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(lèi)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(lèi)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⑿侍?,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(guò)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小;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(jiàn)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(lái)讀取溫度,通過(guò)USB接口送入筆記本電腦,見(jiàn)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(lái)非常方便,比如應(yīng)用在MP3上等,見(jiàn)圖4。
第三個(gè)應(yīng)用是電池放電。目前的手機(jī)無(wú)法看到電池還能支撐多少時(shí)間,沒(méi)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(hù)知道手機(jī)電池還能支持多長(zhǎng)的通話(huà)時(shí)間。應(yīng)用例子如諾基亞8250,見(jiàn)圖5。其演示板已可以提供。
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評(píng)論