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積分型AD工作原理是將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率),然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率,但缺點是由于轉換精度依賴于積分時間,因此轉換速率極低。初期的單片AD轉換器大多采用積分型,現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。
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2)逐次比較型(如TLC0831)
逐次比較型AD由一個比較器和DA轉換器通過逐次比較邏輯構成,從MSB開始,順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉換器輸出進行比較,經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點是速度較高、功耗低,在低分辯率(12位)時價格很高。
3)并行比較型/串并行比較型(如TLC5510)
并行比較型AD采用多個比較器,僅作一次比較而實行轉換,又稱FLash(快速)型。由于轉換速率*,n位的轉換需要2n-1個比較器,因此電路規(guī)模也極大,價格也高,只適用于視頻AD轉換器等速度特別高的領域。
串并行比較型AD結構上介于并行型和逐次比較型之間, 型的是由2個n/2位的并行型AD轉換器配合DA轉換器組成,用兩次比較實行轉換,所以稱為Half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實現(xiàn)AD轉換的叫做分級(Multistep/Subrangling)型AD,而從轉換時序角度又可稱為流水線(Pipelined)型AD,現(xiàn)代的分級型AD中還加入了對多次轉換結果作數(shù)字運算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高,電路規(guī)模比并行型小。
4)Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)調(diào)制型(如AD7705)
Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型,將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度)信號,用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化,因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。
5)電容陣列逐次比較型
電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA轉換器中采用電容矩陣方式,也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉換器中多數(shù)電阻的值必須一致,在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列,可以用低廉成本制成高精度單片AD轉換器。 的逐次比較型AD轉換器大多為電容陣列式的。
6)壓頻變換型(如AD650)
壓頻變換型(Voltage-Frequency Converter)是通過間接轉換方式實現(xiàn)模數(shù)轉換的。其原理是 將輸入的模擬信號轉換成頻率,然后用計數(shù)器將頻率轉換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加,只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。其優(yōu)點是分辯率高、功耗低、價格低,但是需要外部計數(shù)電路共同完成AD轉換。
2. AD轉換器的主要技術指標
1)分辯率(Resolution) 指數(shù)字量變化一個 量時模擬信號的變化量,定義為滿刻度與2n的比值。分辯率又稱精度,通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。
2)轉換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉換到數(shù)字的AD轉換所需的時間的倒數(shù)。積分型AD的轉換時間是毫秒級屬低速AD,逐次比較型AD是微秒級屬中速AD,全并行/串并行型AD可達到納秒級。采樣時間則是另外一個概念,是指兩次轉換的間隔。為了保證轉換的正確完成,采樣速率(Sample Rate)必須小于或等于轉換速率。因此有人習慣上將轉換速率在數(shù)值同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps,表示每秒采樣千/百萬次(kilo / Million Samples per Second)。
3)量化誤差(Quantizing Error) 由于AD的有限分辯率而引起的誤差,即有限分辯率AD的階梯狀轉移特性曲線與無限分辯率AD(理想AD)的轉移特性曲線(直線)之間的 偏差。通常是1 個或半個 數(shù)字量的模擬變化量,表示為1LSB、1/2LSB。
4)偏移誤差(Offset Error) 輸入信號為零時輸出信號不為零的值,可外接電位器調(diào)至 。
5)滿刻度誤差(Full Scale Error) 滿度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。
6)線性度(Linearity) 實際轉換器的轉移函數(shù)與理想直線的 偏移,不包括以上三種誤差。
其他指標還有:絕對精度(Absolute Accuracy) ,相對精度(Relative Accuracy),微分非線性,單調(diào)性和無錯碼,總諧波失真(Total Harmonic Distotortion縮寫THD)和積分非線性。
3. DA轉換器
DA轉換器的內(nèi)部電路構成無太大差異,一般按輸出是電流還是電壓、能否作乘法運算等進行分類。大多數(shù)DA轉換器由電阻陣列和n個電流開關(或電壓開關)構成。按數(shù)字輸入值切換開關,產(chǎn)生比例于輸入的電流(或電壓)。此外,也有為了改善精度而把恒流源放入器件內(nèi)部的。一般說來,由于電流開關的切換誤差小,大多采用電流開關型電路,電流開關型電路如果直接輸出生成的電流,則為電流輸出型DA轉換器。此外,電壓開關型電路為直接輸出電壓型DA轉換器。
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