模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的基本原理

我們處在一個數(shù)字時代，而我們的視覺、聽覺、感覺、嗅覺等所感知的卻是一個模擬世界。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。任何一個信號鏈系統(tǒng)，都需要傳感器來探測來自模擬世界的電壓、電流、溫度、壓力等信號。這些傳感器探測到的信號量被送到放大器中進(jìn)行放大，然后通過ADC把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)過處理器、DSP或FPGA信號處理后，再經(jīng)由DAC還原為模擬信號。所以ADC和DAC在信號鏈的框架中起著橋梁的作用，即模擬世界與數(shù)字世界的一個接口。

信號鏈系統(tǒng)概要
　　
一個信號鏈系統(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，見圖1。DAC，簡單來講就是數(shù)字信號輸入，模擬信號輸出，即它是一種把數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號的器件。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，R-2R間的四個抽頭電壓有四種，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電壓信號從模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號時需要保持穩(wěn)定性直到完成轉(zhuǎn)換工作。它有兩個階段，一個是zero phase，一個是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，需要用到具有FET開關(guān)的采樣與保持電路。當(dāng)FET開關(guān)導(dǎo)通時，輸入電壓保存在某個位置如C1中，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，電壓仍保持在該位置中進(jìn)行鎖存，直到下一個采樣脈沖的到來。

ADC與DAC在功用上正好相反，它是模擬信號輸入，數(shù)字信號輸出，是一個混合信號器件。

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），再除以它的參考電壓。

每一種類型的ADC都各具特性，下面重點介紹前三種類型。

由圖2可以看出，不同的ADC有著不同的特性，對于Sigma-Delta ADC來講，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，但因為其體積和功耗較大、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8位的ADC就需要255個比較器。該類產(chǎn)品采樣速率確實很高，但因為多個比較器的存在，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，因為速率太慢、效率太低，因此很少使用。
　　
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個比較電壓，使輸入信號同時與這7個電壓進(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。因為變換過程是將輸入信號與基準(zhǔn)信號比較，所以，基準(zhǔn)電壓必需是穩(wěn)定準(zhǔn)確的。輸入信號的最高電平應(yīng)保持穩(wěn)定，充分利用變換器達(dá)到高的分辨率。對于任何逐次逼近ADC，都有5個組成部分：第一部分是DAC，其中含有一個算術(shù)邏輯測試單元，會比較DAC的輸出和模擬信號的輸入，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僅含有一個比較器，所以功耗和管芯尺寸都比較??；第四部分是邏輯電路；第五部分是時鐘。有一個要求是：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，成為了目前市場上最具成本效益的ADC，也是最常見的ADC。
　　
逐次逼近ADC的工作原理是它首先得到最高的有效位，然后是第二個最高有效位，直到得到最后一個。ADCV08832是一個低功耗版本的器件，它的操作電壓較低。

ADC的若干應(yīng)用

第一個實際應(yīng)用的例子，是使用溫度傳感器LM19、ADC變換器來讀取溫度，通過USB接口送入筆記本電腦，見圖3。其演示板將很快提供。


第二個應(yīng)用是遠(yuǎn)程按鍵檢測，它是用ADC感測很多個按鍵的輸入，然后只有一路產(chǎn)生輸出，這樣可以節(jié)省很多個GPIO接口，實現(xiàn)起來非常方便，比如應(yīng)用在MP3上等，見圖4。


　　
第三個應(yīng)用是電池放電。目前的手機(jī)無法看到電池還能支撐多少時間，沒有一個量化的概念。利用一個ADC便可以實現(xiàn)讓用戶知道手機(jī)電池還能支持多長的通話時間。應(yīng)用例子如諾基亞8250，見圖5。其演示板已可以提供。

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