ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換過程及類型說明

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是一種電子集成電路，用于將電壓等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為由1和0組成的數(shù)字或二進(jìn)制形式。大多數(shù)ADC采用0至10V、-5V~+5V等電壓輸入，并相應(yīng)地產(chǎn)生某種二進(jìn)制數(shù)的數(shù)字輸出。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以用A/D、ADC、AtoD來表示，它與數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC工作過程相反。

模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過程可以通過多種方式完成，目前市場(chǎng)上有來自不同制造商的不同類型的ADC芯片，例如ADC08xx系列。因此，可以借助分立元件設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的ADC。ADC的主要特點(diǎn)是采樣率和位分辨，其中：

ADC的采樣率只不過是ADC將信號(hào)從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字的速度。

位分辨率只不過是模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以將信號(hào)從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字的精度。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)勢(shì)之一是即使在多路輸入時(shí)也具有高數(shù)據(jù)采集速率。隨著種類繁多的ADC集成電路(IC) 的發(fā)明，來自各種傳感器的數(shù)據(jù)采集變得更加準(zhǔn)確和快速。高性能ADC的動(dòng)態(tài)特性包括改進(jìn)的測(cè)量重復(fù)性、低功耗、精確的吞吐量、高線性度、出色的信噪比 (SNR) 等。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器的各種應(yīng)用包括測(cè)量和控制系統(tǒng)、工業(yè)儀器儀表、通信系統(tǒng)和所有其他基于傳感的系統(tǒng)?？梢愿鶕?jù)性能、比特率、功率、成本等因素對(duì)ADC進(jìn)行分類。

框圖

ADC的框圖如下所示，包括sample(采樣)、hold(保持)、quantize(量化)和encoder(編碼器)。ADC的過程可以如下完成。

首先，模擬信號(hào)被應(yīng)用于第一個(gè)塊，即一個(gè)樣本，只要它可以以精確的采樣頻率進(jìn)行采樣。樣本的幅度值(如模擬值)可以保持并保持在第二個(gè)塊(如Hold)內(nèi)。保持樣本可以通過第三塊像量化一樣量化為離散值。最后，像編碼器這樣的最后一個(gè)塊將離散幅度變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)。

所以，在ADC中，信號(hào)從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換可以通過上面的框圖來解釋。

樣本;在采樣塊中，模擬信號(hào)可以在精確的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行采樣。樣本以連續(xù)幅度使用并保持真實(shí)值，但是它們相對(duì)于時(shí)間是離散的。在轉(zhuǎn)換信號(hào)時(shí)，采樣頻率起著至關(guān)重要的作用。所以它可以保持在一個(gè)精確的速率。根據(jù)系統(tǒng)要求，可以固定采樣率。

保持;hold是第二個(gè)模塊，它沒有任何功能，因?yàn)樗皇潜３植蓸臃戎钡竭M(jìn)行下一個(gè)采樣。所以hold的值直到下一個(gè)樣本才會(huì)改變。

量化;這是主要用于量化的第三塊。其主要功能是將幅度從連續(xù)(模擬)轉(zhuǎn)換為離散。保持塊內(nèi)的連續(xù)幅度值在整個(gè)量化塊中移動(dòng)，變?yōu)榉入x散。現(xiàn)在，信號(hào)將采用數(shù)字形式，因?yàn)樗x散幅度和時(shí)間。

編碼器;最后一個(gè)模塊是將信號(hào)從數(shù)字形式轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制形式的編碼器。眾所周知，數(shù)字設(shè)備使用二進(jìn)制信號(hào)工作，因此需要借助編碼器將信號(hào)從數(shù)字轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制。所以這是使用ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的完整方法。整個(gè)轉(zhuǎn)換所花費(fèi)的時(shí)間可以在一微秒內(nèi)完成。

模數(shù)轉(zhuǎn)換過程

有許多方法可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這些轉(zhuǎn)換器更多地用作中間設(shè)備，將信號(hào)從模擬形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，通過微控制器在LCD上顯示輸出。模擬轉(zhuǎn)換器的目的是確定對(duì)應(yīng)于模擬信號(hào)的輸出信號(hào)字。

接下來看看0804的ADC。它是一個(gè)8位轉(zhuǎn)換器，5V電源，只能接受一個(gè)模擬信號(hào)作為輸入。

數(shù)字輸出范圍為0-255。ADC需要一個(gè)時(shí)鐘來運(yùn)行，將模擬值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值所需的時(shí)間取決于時(shí)鐘源?？梢越oCLK IN引腳4提供外部時(shí)鐘。一個(gè)合適的RC電路連接在時(shí)鐘IN和時(shí)鐘R引腳之間以使用內(nèi)部時(shí)鐘。

Pin2是輸入引腳 - 高電平到低電平脈沖將數(shù)據(jù)從內(nèi)部寄存器帶到轉(zhuǎn)換后的輸出引腳。Pin3是一個(gè)寫入- 低到高脈沖被提供給外部時(shí)鐘。Pin11到18是從MSB到LSB的數(shù)據(jù)引腳。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器在采樣時(shí)鐘的每個(gè)下降沿或上升沿對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。在每個(gè)周期中，ADC獲取模擬信號(hào)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。ADC通過以固定精度逼近信號(hào)，將輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一系列數(shù)字值。

在ADC中，有兩個(gè)因素決定了捕獲原始模擬信號(hào)的數(shù)字值的精度。這些是比特率(或量化級(jí)別)和采樣率。下圖描述了模數(shù)轉(zhuǎn)換是如何發(fā)生的。比特率決定了數(shù)字化輸出的分辨率，可以在下圖中觀察到，其中3 位ADC用于轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)。

假設(shè)必須使用3位ADC從數(shù)字轉(zhuǎn)換一伏特信號(hào)。因此，總共有2^3=8個(gè)分區(qū)可用于產(chǎn)生1V輸出。這個(gè)結(jié)果1/8=0.125V被稱為最小變化或量化水平，000表示0V，001表示 0.125，同樣高達(dá)111表示1V。如果增加6、8、12、14、16等比特率，將獲得更好的信號(hào)精度。因此，比特率或量化給出了由數(shù)字表示變化引起的模擬信號(hào)值的最小輸出變化。

假設(shè)如果信號(hào)約為0-5V，并且使用了8位ADC，那么5V的二進(jìn)制輸出為256。而對(duì)于3V，它是133，如下所示：

如果在與所需頻率不同的頻率下對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，則有可能在輸出端歪曲輸入信號(hào)。因此，ADC的另一個(gè)重要考慮因素是采樣率。Nyquist定理指出，所采集的信號(hào)重建會(huì)引入失真，除非它以(最小)兩倍于信號(hào)最大頻率內(nèi)容的速率進(jìn)行采樣，如下圖所示。但這個(gè)速率是實(shí)際信號(hào)最大頻率的5-10倍。

性能影響因素

ADC性能可以通過其基于不同因素的性能來評(píng)估，這里介紹以下兩個(gè)主要因素。

SNR(信噪比);SNR反映了任何特定樣本中沒有噪聲的平均比特?cái)?shù)。

帶寬;ADC的帶寬能夠通過估計(jì)采樣率來確定，可以每秒對(duì)模擬源進(jìn)行采樣以產(chǎn)生離散值。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的類型

模數(shù)轉(zhuǎn)換器有不同的類型，其中一些模數(shù)轉(zhuǎn)換器類型包括：

• 雙斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器
• 閃存模數(shù)轉(zhuǎn)換器
• 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器
• 半閃存模數(shù)轉(zhuǎn)換器
• Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器
• 流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、雙斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器

在這種類型的ADC轉(zhuǎn)換器中，比較電壓是通過一個(gè)由電阻、電容和運(yùn)算放大器組合而成的積分電路產(chǎn)生的。通過Vref的設(shè)定值，該積分器在其輸出上生成從零到值Vref的鋸齒波。當(dāng)積分器波形相應(yīng)啟動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)器開始從0計(jì)數(shù)到2^n-1，其中n是ADC的位數(shù)。

當(dāng)輸入電壓Vin等于波形電壓時(shí)，控制電路捕獲計(jì)數(shù)器值，即對(duì)應(yīng)模擬輸入值的數(shù)字值。這種雙斜率ADC是一種成本相對(duì)中等且速度較慢的器件。

2、閃存模數(shù)轉(zhuǎn)換器

這種模數(shù)轉(zhuǎn)換器IC也稱為并行ADC，就其速度而言，它是應(yīng)用最廣泛的高效ADC。這種閃存模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路由一系列比較器組成，其中每個(gè)比較器將輸入信號(hào)與唯一的參考電壓進(jìn)行比較。在每個(gè)比較器上，當(dāng)模擬輸入電壓超過參考電壓時(shí)，輸出將處于高電平狀態(tài)。該輸出被進(jìn)一步提供給優(yōu)先級(jí)編碼器，用于通過忽略其他活動(dòng)輸入基于高階輸入活動(dòng)生成二進(jìn)制代碼。它是一種高成本和高速設(shè)備。

3、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SARADC)是最現(xiàn)代的ADC IC，比雙斜率和閃存ADC快得多，因?yàn)樗褂脭?shù)字邏輯將模擬輸入電壓收斂到最接近的值。該電路由比較器、輸出鎖存器、逐次逼近寄存器 (SAR) 和D/A 轉(zhuǎn)換器組成。

開始時(shí)，SAR被復(fù)位，并且隨著從LOW到HIGH的轉(zhuǎn)換被引入，SAR的MSB被設(shè)置。然后將該輸出提供給D/A轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生MSB的模擬等效值，并進(jìn)一步與模擬輸入Vin進(jìn)行比較。如果比較器輸出為低電平，則SAR將清除MSB，否則，將MSB設(shè)置到下一個(gè)位置。這個(gè)過程一直持續(xù)到所有位都被嘗試并且在Q0之后，SAR使并行輸出線包含有效數(shù)據(jù)。

4、半閃存模數(shù)轉(zhuǎn)換器

該類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要通過兩個(gè)單獨(dú)的閃存轉(zhuǎn)換器工作在其限制大小附近，其中每個(gè)轉(zhuǎn)換器的分辨率是半嵌入式設(shè)備的一半。單個(gè)閃存轉(zhuǎn)換器的容量是處理 MSB(最高有效位)，而另一個(gè)處理 LSB(最低有效位)。

5、Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器

Sigma Delta ADC (ΣΔ) 是相當(dāng)新的設(shè)計(jì)。與其他類型的設(shè)計(jì)相比，這些設(shè)計(jì)非常慢，但它們?yōu)楦鞣NADC提供了最高分辨率。因此，它們與基于高保真度的音頻應(yīng)用程序非常兼容，但是，它們通常不適用于需要高 BW(帶寬)的地方。

6、流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器

流水線ADC也稱為子測(cè)距量化器，它在概念上與逐次逼近型ADC相關(guān)，但要復(fù)雜一些。雖然逐次逼近通過進(jìn)入下一個(gè)MSB在每一步中增長(zhǎng)，而流水線ADC使用以下過程：

首先用于粗略轉(zhuǎn)換。之后，它評(píng)估輸入信號(hào)的變化。

通過允許使用一定范圍的位進(jìn)行臨時(shí)轉(zhuǎn)換，從而起到更好的轉(zhuǎn)換作用。

通常情況下，流水線設(shè)計(jì)通過平衡其尺寸、速度和高分辨率，在SAR和閃存模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間提供中心基礎(chǔ)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)試

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的測(cè)試主要需要模擬輸入源以及硬件來傳輸控制信號(hào)以及捕獲數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)o/p。某些類型的ADC需要精確的參考信號(hào)源。可以使用以下關(guān)鍵參數(shù)來測(cè)試模數(shù)轉(zhuǎn)換器：

• 直流偏移誤差
• 功耗
• 直流增益誤差
• 無雜散動(dòng)態(tài)范圍
• SNR(信噪比)
• INL(積分非線性)
• DNL(微分非線性)
• THD(總諧波失真)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器有不同的通用測(cè)試設(shè)置，包括正弦波、任意波形、步進(jìn)波形和反饋回路。為了確定模數(shù)轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性能，使用了不同的方法，例如基于伺服的、基于斜坡的、交流直方圖技術(shù)、三角形直方圖技術(shù)和物理技術(shù)。用于動(dòng)態(tài)測(cè)試的一種技術(shù)是正弦波測(cè)試。

主要應(yīng)用

目前，數(shù)字設(shè)備的使用正在增加。這些設(shè)備基于數(shù)字信號(hào)工作。因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換器在此類設(shè)備中起著將信號(hào)從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字的關(guān)鍵作用。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用包括以下內(nèi)容：

空調(diào)包括溫度傳感器以保持房間內(nèi)的溫度。因此，這種溫度轉(zhuǎn)換可以在ADC的幫助下完成從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。

用于數(shù)字示波器中，將信號(hào)從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字以顯示。

用于手機(jī)中將模擬語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因?yàn)槭謾C(jī)使用的是數(shù)字語音信號(hào)，但實(shí)際上語音信號(hào)是模擬形式的。因此，ADC用于在將信號(hào)發(fā)送到手機(jī)的發(fā)射器之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

用于MRI和X射線等醫(yī)療設(shè)備，用于在更改之前將圖像從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字。

手機(jī)中的攝像頭主要用于拍攝圖像和視頻。這些存儲(chǔ)在數(shù)字設(shè)備中，因此使用ADC將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。

盒式音樂也可以轉(zhuǎn)換為CDS和拇指驅(qū)動(dòng)器使用ADC之類的數(shù)字。

目前市場(chǎng)上幾乎所有可用的設(shè)備都是數(shù)字版本，所以這些設(shè)備都可以使用ADC。

示例：ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換器

ADC0808是一款具有8個(gè)模擬輸入和8個(gè)數(shù)字輸出的轉(zhuǎn)換器，它允許僅使用單個(gè)芯片監(jiān)控多達(dá)8個(gè)不同的傳感器，這消除了外部調(diào)零和滿量程調(diào)整的需要。

ADC0808是一款單片CMOS器件，具有高速、高精度、最小的溫度依賴性、出色的長(zhǎng)期精度和可重復(fù)性，并且功耗最低。這些特性使該器件非常適合從過程和機(jī)器控制到消費(fèi)和汽車應(yīng)用的應(yīng)用。ADC0808的引腳圖如下圖所示：

主要特征：

很容易接入到所有微處理器

無需調(diào)零或滿量程調(diào)整

具有地址邏輯的8通道多路復(fù)用器

0V至5V輸入范圍，單5V電源

輸出符合TTL電壓電平規(guī)范

28-pin載波芯片封裝

主要規(guī)格

分辨率：8位

總未調(diào)整誤差：±? LSB和±1 LSB

單電源：5 VDC

低功率：15毫瓦

轉(zhuǎn)換時(shí)間：100μs

一般情況下，ADC0808轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的輸入可以通過引腳23、24 和 25 三個(gè)地址線A、B、C來選擇。步長(zhǎng)的選擇取決于設(shè)置的參考值。步長(zhǎng)是模擬輸入的變化導(dǎo)致ADC輸出的單位變化。ADC0808需要一個(gè)外部時(shí)鐘才能運(yùn)行，這與ADC0804有一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘是不同的。

對(duì)應(yīng)模擬輸入瞬時(shí)值的連續(xù)8位數(shù)字輸出。輸入電壓的最極端電平必須按比例降低至+5V。與此同時(shí)，它需要通常為550 kHz的時(shí)鐘信號(hào)，ADC0808用于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為微控制器所需的數(shù)字形式。

示例：ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器

ADC0804是一款非常常用的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適用于0V至5V模擬輸入電壓，具有單個(gè)模擬輸入和8位數(shù)字輸出。轉(zhuǎn)換時(shí)間是判斷ADC的另一個(gè)主要因素，在ADC0804中，轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于施加到CLK R和CLK IN 引腳的時(shí)鐘信號(hào)，但不能超過110μs。

引腳說明：

Pin 1 : 片選引腳，激活A(yù)DC，低電平有效

Pin 2：輸入引腳;高到低脈沖在轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)從內(nèi)部寄存器帶到輸出引腳

Pin 3：輸入引腳;低到高脈沖被給予啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

Pin 4：時(shí)鐘輸入引腳，提供外部時(shí)鐘

Pin 5：輸出引腳，轉(zhuǎn)換完成后變?yōu)榈碗娖?/p>

Pin 6：模擬同相輸入

Pin 7：模擬反相輸入，通常接地

Pin 8：接地 (0V)

Pin 9：輸入引腳，設(shè)置模擬輸入的參考電壓

Pin 10：接地 (0V)

Pin 11 – Pin 18：它是一個(gè) 8 位數(shù)字輸出引腳

Pin 19：使用內(nèi)部時(shí)鐘源時(shí)與時(shí)鐘輸入引腳一起使用

Pin 20： 電源電壓5V

主要特點(diǎn)

0V至5V模擬輸入電壓范圍，單5V電源

與微控制器兼容，訪問時(shí)間為135ns

與所有微處理器的容易接入

邏輯輸入和輸出同時(shí)滿足MOS和TTL電壓電平規(guī)范

適用于 2.5V (LM336) 電壓基準(zhǔn)

片上時(shí)鐘發(fā)生器

無需調(diào)零

0.3[Prime]標(biāo)準(zhǔn)寬度20-pin DIP封裝

以公制或5 VDC、2.5 VDC或模擬跨度調(diào)整電壓基準(zhǔn)運(yùn)行比率

差分模擬電壓輸入

ADC0804是一個(gè)5V電源的8位轉(zhuǎn)換器，它只能接受一個(gè)模擬信號(hào)作為輸入，數(shù)字輸出范圍為0-255。ADC需要一個(gè)時(shí)鐘來運(yùn)行。將模擬值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值所需的時(shí)間取決于時(shí)鐘源?？梢越oCLK IN提供一個(gè)外部時(shí)鐘。Pin2是輸入引腳 — 高電平到低電平脈沖將數(shù)據(jù)從內(nèi)部寄存器帶到轉(zhuǎn)換后的輸出引腳。Pin3是一個(gè)寫入 - 低到高脈沖被提供給外部時(shí)鐘。

總結(jié)

其實(shí)，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的主要好處是您可以輕松存儲(chǔ)它，并且由于任何模擬信號(hào)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞的可能性非常小。因此，大多數(shù)計(jì)算已經(jīng)轉(zhuǎn)向數(shù)字領(lǐng)域。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)還具有準(zhǔn)確(取決于ADC過程)和高效處理速度等優(yōu)勢(shì)。但是，我們看到的世界是模擬的。因此，必須使用ADC等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，以便數(shù)字設(shè)備可以輕松地處理、存儲(chǔ)、分析和計(jì)算數(shù)據(jù)。