南华大学黄智伟 备战2013电子设计竞赛 “ADC的选择时需要考虑的一些因素”

黄智伟

南华大学黄智伟 备战2013电子设计竞赛 “ADC的选择时需要考虑的一些因素” [复制链接]

南华大学黄智伟 备战2013电子设计竞赛 “ADC的选择时需要考虑的一些因素” 在电子设计竞赛作品中，ADC几乎是一个不可缺少的部分之一。下面介绍ADC的选择时需要考虑的一些因素。 1. ADC的分类 常用的ADC有积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。 （1）积分型 积分型ADC工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。优点是具有高分辨率，缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率低。例如TLC7135等。 （2）逐次比较型 逐次比较型ADC由一个比较器和DAC通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DAC输出进行比较，经n次比较而输出数字值。优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。例如TLC0831等。 （3）并行比较型/串并行比较型 并行比较型ADC采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称Flash（快速）型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n－1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，适用于视频A/D转换器等速度特别高的领域。 串并行比较型ADC结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型ADC配合DAC组成，用两次比较实行转换，所以称为Half flash（半快速）型。还有分成三步或多步来实现A/D转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型ADC，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型ADC，现代的分级型ADC中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类ADC速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。例如TLC5510等。 （4）Σ-Δ调制型 Σ-Δ型ADC由积分器、比较器、1位DAC和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。因此具有高分辨率，主要用于音频和测量。例如A/D7705等。 （5）电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型ADC在内置DAC中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DAC中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片ADC。最新的逐次比较型ADC大多为电容阵列式的。 （6）压频变换型 压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种ADC的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。优点是分辨率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成A/D转换。例如AD650等。 2. ADC的主要技术指标 （1）分辨率 分辨率是指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。 （2）转换速率 转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的A/D转换所需的时间的倒数。积分型ADC的转换时间是毫秒级属低速ADC，逐次比较型ADC是微秒级属中速ADC，全并行/串并行型ADC可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。 （3）量化误差 量化误差是指由A/D的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率A/D的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率A/D（理想A/D）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。 （4）偏移误差 偏移误差是指输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。 （5）满刻度误差 满刻度误差是指满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。 （6）线性度 线性度是指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。 其他指标还有：绝对精度(Absolute Accuracy) ，相对精度(Relative Accuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（Total Harmonic Distotortion缩写THD）和积分非线性。 不同类型的ADC转换器的结构、转换原理和性能指标方面的差异很大。表4.6.1列出了常用类型的ADC的主要特点和应用范围。 3. 几种ADC的比较 （1）并行比较型： 超高速，分辨率6~10位，转换时间几十ns，采样频率几十~几百MSPS，价格高。主要用途：超高速视频处理. （2）分级型： 高速，分辨率8~16位，转换时间几十~几百ns，采样频率几MSPS，价格高。主要用途：视频处理、高速数据采集。 （3）逐次逼近型： 速度、精度、价格，等综合性价比高，分辨率8~16位，转换时间几~几十μs，采样频率几十~几百KSPS，价格中。主要用途：数据采集、工业控制。 （4）Σ-Δ型： 高分辨率、高精度，分辨率16~24位，转换时间几~几十ms，采样频率几十KSPS，价格中。主要用途：音频处理、数字仪表。 （5）积分型： 高精度、低成本、高抗干扰能力，分辨率12~16位，转换时间几十~几百ms，采样频率几~几十SPS，价格低。主要用途：数字仪表。 （6）VFC型： 低成本、高分辨率，分辨率8~16位，转换时间几十~几百ms，采样频率几~几十SPS，价格低。主要用途：数字仪表、简易ADC 注：SPS为每秒采样次数 4. ADC及其相应接口电路选择原则 （1）ADC的选用的依据 目前市场上有许多厂家（如Analog Devices、Texas Instruments、National Semiconductor、Maxim等）提供不同的结构与性能（Σ-Δ、SAR、流水线以及闪速架构，6位至24位的分辨率，直流到4.3GSPS的采样速率）的ADC。对于一个模数混合系统，选择一款合适的模数转换器是件比较困难的和容易的事。容易是指有各种各样的ADC可以选择，困难是指有各种各样的ADC不知道怎样去选择。 ADC的选择时需要考虑的一些因素有： ?ADC用于什么系统？系统（模数混合系统）精度、分辨率的要求是多少？ ?系统工作在动态条件还是静态条件、带宽要求、要求ADC的转换时间、采样速率，是高速应用还是低速应用？； ?输入的模拟信号类型、特性是什么？包括模拟输入信号的范围、极性（单、双极性）、信号的驱动能力、信号的变化快慢； ?ADC输出的数据位数、精度、线性？； ?需要什么样的外界工作条件？ ?系统需要多个通道？ ?是否需要跟踪保持电路？ ?基准电压源的来源，基准源是外部提供还是由内部提供？基准电压源的幅度、极性及稳定性、电压是固定的还是可调的，由外部提供还是ADC芯片内部提供等； ?对驱动放大器的要求是什么？ ?对数据接口的要求是什么？ ?所要求的数据输出格式是什么？ ?时序条件是什么？ ?电源电压的要求是什么？ ?后续电路对ADC输出数字逻辑电平的要求、输出方式（平行、串行或是穿成字的）、是否需数据锁存、与哪种CPU接口或数字电路（三态门逻辑、TTL还是CMOS）、驱动电路； ?成本及芯片来源等因数。 对于不同的模数混合系统，所考虑的因素会有些不同。在选择ADC时，需要明确的了解系统的要求，其目标是找到一款适合于系统设计要求的ADC，而不是找到一个适合ADC的系统设计。 正确的选择ADC，需要对所选择的ADC的技术指标有一个完整的了解，确保其技术指标符合系统的参数要求。虽然大部分的厂家的在典型规范提供了有效的测量标准，但当某些指标对系统性能有关键作用时，就不能仅依赖于厂家提供的这些参考值了，而应该了解这些指标的测试条件，以确定这些指标能够最大程度地符合所设计的系统的工作条件。 （2）与ADC配套使用其它芯片的选用的依据 为了配合ADC的使用，一般在ADC的外围还需要添加一些其它的芯片，常见的有多路模拟开关电路、采样/保持器、运算放大器等。 ① 多路模拟开关 多路模拟开关有三选一、四选一、八选一、十六选一等几种，例如CD4051、CD4053B、AD7501、AD7506等。选用原则主要依据模拟信号的路数、模拟信号的大小以及开关本身的导通电阻的大小等。 ② 采样/保持器 采样/保持器是指在输入逻辑电平控制下处于“采样”或“保持”两种工作状态的电路，在“采样”状态时电路的输出跟踪输入信号，在“保持”状态时，电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬间输入模拟信号，直至下一次采样状态的结束，这样有利ADC对模拟信号进行数据量化。常见的采样/保持器有以下几种：通用芯片：如AD582、LF398；高速芯片：如HTS-0025、THS-0060等；高分辩率芯片：如AD389。采样保持电路中的采样保持电容要选用高品质的聚苯乙烯或聚四氟乙烯电容，制作电路板时要将它紧靠采样/保持集成电路，并保持电路板的洁净。 5. ADC选型 ADC芯片选型（包括DAC芯片选型）可以通过访问下面几大公司的网站选择所需要的ADC。 ?ADI公司（美国模拟器件公司），http://www.analog.com ?TI公司（德州仪器），http://focus.ti.com.cn ?Linear Technology公司（凌特）， http://www.linear.com.cn ?Maxim公司（美信），www.maxim-ic.com.cn ?National Semiconductor公司（国家半导体） ，http://www.national.com 6. 参考文献 黄智伟.嵌入式系统中的模拟电路设计[M].北京：电子工业出版社，2011

 

黄智伟

下面是南华大学黄智伟在“电子工程世界 论坛https://bbs.eeworld.com.cn/index.php”发表的一些与全国大学生电子设计竞赛有关文章，也许对您有用。 南华大学黄智伟 备战2013年全国大学生电子设计竞赛 （系列教程） 包括基本技能，PCB设计，放大器电路模块，射频电路，电源电路，传感器电路，数字电路，单片机，FPGA，STM32F，设计总结报告的写作，系统设计设计与制作训练内容和参考文献 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-318228-1-6.html 南华大学黄智伟 备战2013电子设计竞赛 “仪器仪表类”赛题分析 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-318955-1-4.html 南华大学黄智伟 备战2013电子设计竞赛 “电源类”赛题分析 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-319117-1-7.html 南华大学黄智伟 备战2013电子设计竞赛 “放大器类”赛题分析 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-318744-1-7.html 南华大学黄智伟 控制类赛题分析（备战2013电子设计竞赛） https://bbs.eeworld.com.cn/thread-318604-1-1.html 南华大学黄智伟系列-一些典型的运算放大器OP应用电路结构（精华版） https://bbs.eeworld.com.cn/thread-297905-1-6.html 南华大学黄智伟系列--如何设计运算放大器的PCB https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298303-1-39.html 南华大学黄智伟系列--放大器的精度和稳定性 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298313-1-43.html 南华大学黄智伟系列--使用放大器芯片THS3091 THS3095的同学注意了 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298394-1-42.html 南华大学黄智伟系列——放大器级联时注意芯片的输出电流与后一级放大器的输入电阻 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298383-1-42.html 黄智伟 利用旁路电容减少输出电压VO经电源反馈到放大器前级输入 https://bbs.eeworld.com.cn/forum-57-35.html 南华大学黄智伟系列--在放大器反馈回路中增加一个电容器可以消除放大器电路的自激振荡 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298628-1-38.html 主攻“放大器类”赛题方向的同学注意了--南华大学黄智伟系列 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-290436-1-18.html 南华大学黄智伟系列--电子设计竞赛必须掌握的一些基本技能 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298310-1-7.html 南华大学黄智伟系列-- 注意去耦电路中电容器的使用 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298401-1-10.html 黄智伟 离竞赛还有15天，还能做一些什么？几点建议供参考： https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298897-1-21.html 南华大学黄智伟系列- 注意设计总结报告有几十分，不能丢啊！！！ https://bbs.eeworld.com.cn/thread-299374-1-22.html 主攻“仪器仪表类”赛题的同学注意了--南华大学黄智伟系列 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298395-1-30.html 主攻“高频无线电类”赛题方向的同学注意了--南华大学黄智伟系列 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298374-1-30.html 南华大学黄智伟系列--好的系统设计方案是取得好的竞赛成绩的保证 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298380-1-30.html 南华大学黄智伟系列--马上要开赛啦！竞赛中有几个要注意的问题！ https://bbs.eeworld.com.cn/thread-299694-1-32.html 南华大学黄智伟系列 请注意：电原理图常见的几个错误 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-299447-1-36.html 南华大学黄智伟系列--高频应该准备哪些中周型号 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298373-1-37.html 南华大学黄智伟系列--为竞赛准备好一些常用的电路模块 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298308-1-37.html 南华大学黄智伟系列--电子设计竞赛作品制作过程中的一般调试方法 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298315-1-39.html 南华大学黄智伟系列——选择低功耗的电源电路结构可以提高效率 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298397-1-39.html 南华大学黄智伟系列-- 接地对ADC性能的影响 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298384-1-43.html 南华大学黄智伟系列--数模混合系统的接地处理 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298316-1-36.html 南华大学黄智伟系列--模数混合系统的电源和接地布局考虑 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298314-1-40.html 南华大学黄智伟系列--找到和选择合适的IC器件对取得好的竞赛成绩很重要 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298388-1-41.html 南华大学黄智伟系列——选择LDO和DC-DC开关型稳压器电路可以提高电源效率 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298399-1-43.html 南华大学黄智伟系列-- 高职高专类赛题的特点 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298372-1-43.html 南华大学黄智伟系列--在电子设计竞赛中需要准备几种微控制器 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298377-1-43.html 南华大学黄智伟系列--电子设计竞赛作品制作过程中故障检测的一般方法 https://bbs.eeworld.com.cn/thread-298371-1-43.html