Аналого-цифровой преобразователь: Основной принцип и типы

КАТАЛОГ

 I Введение

Аналоговый сигнал относится к информации, выражаемой непрерывно изменяющимися физическими величинами, такими как температура, влажность, давление, длина, ток, напряжение и т.д. Мы обычно называем аналоговый сигнал непрерывным сигналом, который может иметь бесконечно много различных значений в определенном временном диапазоне. Цифровой сигнал представляет собой дискретный и прерывистый сигнал с точки зрения значений.

Схема, преобразующая аналоговый сигнал в цифровой, называется аналого-цифровым преобразователем (именуемым аналого-цифровым преобразователем или АЦП). Поэтому, как правило, во время аналого-цифрового преобразования происходит 4 процесса: выборка, удержание, квантование и кодирование. В реальной схеме некоторые из этих процессов объединены, например, отбор проб и удержание. Квантование и кодирование часто достигаются одновременно в процессе преобразования.

Теперь программное обеспечение, радио, получение цифровых изображений должны иметь высокоскоростную аналого-цифровую выборку для обеспечения эффективности и точности, общие системы измерения и управления также хотят добиться прорыва в точности. Волна оцифровки человечества привела к непрерывному преобразованию аналого-цифрового преобразователя, и аналого-цифровой преобразователь является пионером человечества в достижении цифровизации. С тех пор, как более 30 лет назад аналого-цифровой преобразователь претерпел множество технологических инноваций, начиная с флэш-АЦП, SAR-АЦП, интегрирующего АЦП, а также недавно разработанных сигма-дельта-АЦП и линейного АЦП в последние годы. Они имеют свои собственные преимущества и недостатки и могут использоваться в различных приложениях.

Ⅱ Основной Принцип

Процесс преобразования АЦП (аналого-цифровой преобразователь)

Процесс преобразования АЦП

Основной принцип преобразования АЦП разделен на четыре процесса.

(1) Сглаживание, которое можно понимать как фильтр нижних частот.

(2) Схема отбора проб и удержания.

(3) Квантование

(4) Кодирование

Отбор проб и удержание

Дискретизация - это процесс замены исходного сигнала, который был непрерывным во времени, последовательностью значений выборки сигнала через регулярные промежутки времени, т.е. дискретизация аналогового сигнала во времени. Результаты выборки сохраняются до следующей выборки, и этот процесс называется удержанием.

Квантование и кодирование

Квантование заключается в преобразовании непрерывной амплитуды аналогового сигнала в конечное число дискретных значений с определенным интервалом с использованием конечного числа значений амплитуды, которые аппроксимируют исходное непрерывно изменяющееся значение амплитуды. Кодирование осуществляется в соответствии с определенными правилами для представления квантованного значения двоичными числами и последующего преобразования его в двоичный или многозначный поток цифрового сигнала. Полученные таким образом цифровые сигналы могут передаваться по цифровым линиям, таким как кабели, микроволновые магистрали, спутниковые каналы и т.д.

Этот процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал через АЦП называется квантованием. Из-за того, что квантование выходного цифрового сигнала ограничено количеством битов, выходной цифровой сигнал и аналоговый сигнал, который вы дискретизируете, будут иметь ошибку, известную как ошибка квантования. Для N-разрядного АЦП, предполагая, что его полномасштабное напряжение Vref, Vref АЦП разделено на 2ⁿ интервалов, ширина интервала с LSB ( (последний значащий бит) указывает LSB=Vref/2ⁿ.

Например, Vref=8V, АЦП равен 3 битам, LSB=1, поэтому каждый интервал равен 1V. Разрешение этого АЦП составляет 1В.

000 означает напряжение 0 ≤ В < 1

001 означает напряжение 1 ≤ В < 2

010 означает напряжение 2 ≤ В < 3

011 означает напряжение 3 ≤ В < 4

100 означает напряжение 4 ≤ В < 5

101 означает напряжение 5 ≤ В < 6

110 представляет напряжение 6 ≤ В < 7

111 представляет напряжение 7 ≤ В < 8

Выход АЦП и ошибка

III Типы

Существует много типов аналого-цифровых преобразователей, которые можно разделить на косвенные АЦП и прямые АЦП в соответствии с различными принципами работы.

Непрямой АЦП заключается в том, чтобы сначала преобразовать входное аналоговое напряжение во время или частоту, а затем преобразовать эти промежуточные величины в цифровые величины. Обычно используемый непрямой АЦП представляет собой АЦП с двойным наклоном, промежуточной величиной которого является время.

1 Флэш-АЦП

В результате того, что флэш-АЦП использует величину параллельного сравнения, выходной код также генерируется параллельно в одно и то же время, поэтому скорость преобразования является его выдающимся преимуществом, в то время как скорость преобразования и количество битов выходного кода независимы. Недостатками флэш-АЦП являются высокая стоимость и высокое энергопотребление. Из-за n-разрядного выходного АЦП, который требует 2ⁿ резисторов, (2ⁿ-1) компараторов и D-триггеров, а также сложной сети кодирования, количество его компонентов увеличивается геометрически с увеличением количества битов. Таким образом, этот тип АЦП подходит для ситуаций, когда требуется высокая скорость и низкое разрешение.

Принципиальная схема флэш-АЦП

2 АЦП последовательного приближения (SAR ADC)

Последовательный аппроксимационный АЦП - это еще один вид прямого АЦП, который также генерирует серию сравнительных напряжений VR. В отличие от флэш-АЦП, он генерирует сравнительные напряжения одно за другим и сравнивает их с входными напряжениями одно за другим, а также выполняет аналого-цифровое преобразование путем постепенного приближения. Последовательный аппроксимационный АЦП представляет собой побитовое сравнение для каждого преобразования, и для завершения требуется (n + 1) битовый импульс, поэтому он медленнее, чем скорость преобразования АЦП параллельного сравнения, намного быстрее, чем АЦП с двойным дробным произведением, который относится к среднескоростному устройству АЦП. Кроме того, он должен использовать гораздо меньше компонентов, чем тип flash, поэтому он является одним из наиболее широко используемых интегрированных АЦП.

Принципиальная схема АЦП последовательной аппроксимации

3 АЦП С двойным наклоном

АЦП с двойным наклоном относится к непрямому АЦП, который дважды объединяет входное напряжение выборки и опорное напряжение, чтобы получить интервал времени, пропорциональный среднему значению напряжения выборки. В то же время он подсчитывает стандартный тактовый импульс (CP) со счетчиком в этом временном интервале, и результатом вывода счетчика является соответствующая цифровая величина. Преимуществами двойного интегрального АЦП являются высокая помехозащищенность, хорошая стабильность и возможность реализации высокоточного аналого-цифрового преобразования. Основным недостатком является низкая скорость преобразования, поэтому этот тип преобразователя в основном используется в приборах, которые требуют высокой точности, но не высокой скорости преобразования, таких как многоразрядный высокоточный цифровой вольтметр постоянного тока.

Принципиальная схема АЦП с двойным наклоном

Ⅳ Технические параметры

1 Точность преобразования

(1) Резолюция

Разрешение аналого-цифрового преобразователя выражается в битах выходного двоичного (или десятичного) числа. Это указывает на способность аналого-цифрового преобразователя различать входные сигналы. Теоретически говоря, n-разрядный выход аналого-цифрового преобразователя может различать 2n различных уровней входного аналогового напряжения, а минимальное значение, которое может различать входные напряжения, составляет 1/2ⁿот полномасштабного входного сигнала. Например, если выход аналого-цифрового преобразователя составляет 8 двоичных разрядов, а максимальное значение входного сигнала равно 5 В, то преобразователь должен быть способен различать минимальное напряжение входного сигнала 19,53 мВ.

(2) Ошибка преобразования

Ошибка преобразования обычно задается в виде максимального значения ошибки вывода. Он представляет собой разницу между фактическим цифровым выходом аналого-цифрового преобразователя и теоретическим выходом цифровой величины. Обычно он выражается как кратный наименьшему эффективному биту. Например, относительная погрешность задается как не превышающая ±LSB/2, что указывает на то, что погрешность между фактической выходной цифровой величиной и теоретически желаемой выходной цифровой величиной составляет менее половины слова младшего эффективного бита.

2 Время преобразования

Время преобразования - это время, необходимое аналого-цифровому преобразователю для преобразования управляющего сигнала с момента его поступления до момента получения стабильного цифрового сигнала на выходе.

Скорость преобразования значительно варьируется в зависимости от различных типов преобразователей. Параллельные сравнительные аналого-цифровые преобразователи имеют самую высокую скорость преобразования. Однокристальные интегрированные аналого-цифровые преобразователи с 8-битным двоичным выходом имеют время преобразования менее 50 мс, за которыми следуют последовательные аппроксимационные аналого-цифровые преобразователи, большинство из которых имеют время преобразования менее 10-50 мс. Косвенные аналого-цифровые преобразователи являются самыми медленными, такими как аналого-цифровые преобразователи с двойным наклоном, время преобразования которых в основном составляет от десятков миллисекунд до сотен миллисекунд. В практических приложениях выбор аналого-цифровых преобразователей следует рассматривать исходя из общего количества битов системных данных, требований к точности, диапазона входного аналогового сигнала и полярности входного сигнала.

3 Выбор АЦП

Точность выборки - т.е. разрешение, обычно 8, 10, 12, 16 бит и т.д..

Время преобразования - т.е. время, необходимое для каждой выборки, характеризующее скорость преобразования АЦП, которая связана с тактовой частотой АЦП, периодом выборки и периодом преобразования.

Методы вывода данных - например, параллельный вывод, последовательный вывод.

Типы АЦП - как упоминалось выше, существует много типов АЦП, и разные типы имеют разные ограничения производительности.

Рабочее напряжение - необходимо обратить внимание на диапазон рабочих напряжений АЦП, возможность прямого измерения отрицательных напряжений и т.д.

Упаковка чипа - соответствует ли упаковка чипа требованиям к дизайну продукта.

Соотношение цены и качества - контроль затрат.