A/D轉(zhuǎn)換器概述及分類(lèi)

1、概述

D/A轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter)——能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電子器件(簡(jiǎn)稱(chēng)為DAC)。

A/D轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter)——能把模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字量的電子器件(簡(jiǎn)稱(chēng)為ADC)。

A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化及編碼4個(gè)過(guò)程。在實(shí)際電路中，有些過(guò)程是合并進(jìn)行的，如采樣和保持，量化和編碼在轉(zhuǎn)換過(guò)程中是同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。

目前單片的ADC芯片較多，對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，只需合理的選擇芯片即可?，F(xiàn)在部分的單片機(jī)片內(nèi)集成了A/D轉(zhuǎn)換器,僅在片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器不能滿(mǎn)足需要的情況下，需外擴(kuò)。當(dāng)然作為擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換器的基本方法，還是應(yīng)該掌握。

AD轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)

盡管A/D轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)很多，但目前廣泛應(yīng)用在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的主要有逐次比較型轉(zhuǎn)換器和雙積分型轉(zhuǎn)換器，此外S-Δ式轉(zhuǎn)換器逐漸得到重視和較為廣泛的應(yīng)用。

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，在精度、速度和價(jià)格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器。

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高、抗干擾性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，與逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器相比，轉(zhuǎn)換速度較慢，近年來(lái)在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中也得到廣泛應(yīng)用。

S-D式ADC具有積分式與逐次比較型ADC的雙重優(yōu)點(diǎn)。它對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的串模干擾具有較強(qiáng)的抑制能力，不亞于雙積分ADC，它比雙積分ADC有較高的轉(zhuǎn)換速度，與逐次比較型ADC相比，有較高的信噪比，分辨率高，線(xiàn)性度好，不需要采樣保持電路。

A/D轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換速度可大致分為超高速(轉(zhuǎn)換時(shí)間≤1ns)、高速(轉(zhuǎn)換時(shí)間≤1ms)、中速(轉(zhuǎn)換時(shí)間≤1ms)、低速(轉(zhuǎn)換時(shí)間≤1s)等幾種不同轉(zhuǎn)換速度的芯片。

按照輸出數(shù)字量的有效位數(shù)分為4位、8位、10位、12位、14位、16位并行輸出以及BCD碼輸出的3位半、4位半、5位半等多種。

目前，除并行輸出A/D轉(zhuǎn)換器外，隨著單片機(jī)串行擴(kuò)展方式的日益增多，帶有同步SPI串行接口的A/D轉(zhuǎn)換器的使用也逐漸增多。串行輸出的A/D轉(zhuǎn)換器具有占用端口線(xiàn)少、使用方便、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。較為典型的串行A/D轉(zhuǎn)換器為美國(guó)TI公司的TLC549(8位)、TLC1549(10位)以及TLC1543(10位)和TLC2543(12位)。

2、ADC主要技術(shù)指標(biāo)

(1)轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率

A/D完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。

(2)分辨率

分辨率是衡量A/D轉(zhuǎn)換器能夠分辨出輸入模擬量最小變化程度的技術(shù)指標(biāo)。分辨率取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，習(xí)慣上用輸出的二進(jìn)制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示。例如，AD1674的滿(mǎn)量程輸入電壓為5V，可輸出12位二進(jìn)制數(shù)，即用212個(gè)數(shù)進(jìn)行量化，其分辨率為12位，或A/D轉(zhuǎn)換器能分辨出輸入電壓5V/212=1.22mV的變化。

(3)量化誤差

量化過(guò)程引起的誤差稱(chēng)為量化誤差。是由于有限位數(shù)字量對(duì)模擬量進(jìn)行量化而引起的誤差。理論上規(guī)定為一個(gè)單位分辨率的-1/2 - +1/2LSB ，提高A/D位數(shù)既可以提高分辨率，又能夠減少量化誤差。

(4)轉(zhuǎn)換精度

轉(zhuǎn)換精度定義為一個(gè)實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換器與一個(gè)理想A/D轉(zhuǎn)換器在量化值上的差值，可用絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差表示。

3、逐次逼近式ADC的工作原理

轉(zhuǎn)換過(guò)程中的逐次逼近是按照對(duì)分比較或者對(duì)分搜索的原理進(jìn)行。工作原理：在時(shí)鐘脈沖的同步下，控制邏輯先使N位寄存器的D7位置1(其余位為0)，此時(shí)該寄存器輸出的內(nèi)容為10000000，此值經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換為模擬量輸出VN ，與待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)VIN 相比較，若VIN >=VN ，則比較器輸出為1。于是在時(shí)鐘脈沖的同步下，保留最高位D7=1，并使下一位D6=1，所得新值(11000000B)再經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換得到新的VN，與VIN比較，重復(fù)前述過(guò)程。反之，若使D7=1后，經(jīng)比較VIN <=VN ，則使D7=0，D6=1，所得新值VN再與VIN比較，重復(fù)前述過(guò)程。依次類(lèi)推，從D7到D0都比較完畢后，控制邏輯使EOC變?yōu)楦唠娖?，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時(shí)的D7～D0即為對(duì)應(yīng)于模擬輸入信號(hào)VIN的數(shù)字量。