ADC和DAC

jane@2013

模数转换ADC四个基本部分

• 采样：定时对连续变化的模拟信号进行测量得到的瞬时值
• 保持：采样结束后将得到信号保持一段时间，使ADC有充分时间进行ADC转换。一般采样脉冲频率越高、采样越密，采样值就越多，采样保持电路的输出信号就越接近输入信号的波形。对采样频率要求（满足采样定理）：采样频率Fs >= 2*输入模拟信号频谱中最高频率Fmax
• 量化：将采样电压转换为某个最小单位电压的整数倍
• 编码：用二进制代码表示量化后的量化电平
  

量化级越细，量化误差就越小，所用二进制代码的位数就越多，电路也越复杂

分类

常见的ADC主要分成三种：

• 积分型：将输入电压转换成脉冲宽度信号或脉冲频率，使用定时器/计数器获取数字值
  
  $ t- X6 R$ {% n& ]3 J' F; }
  • 优点：电路简单、分辨率高
  • 缺点：转换精度依赖于积分时间，转换速率较低
    
• 逐次比较型：由一个比较器和DAC转换器通过逐次比较逻辑构成，从最高位开始顺序地对每一位将输入电压与内置DAC转换器的输出进行比较，经过n次比较来输出数字值
  这个类型的ADC可以看作使用快速逼近-快速排序的方法来让DAC输出值靠近模拟值来实现ADC
  
  
  • 优点：速度高，功耗低，在低分辨率（12位）式具有性价比优势
  • 缺点：转换速率一般，电路规模中等
    0 k9 R8 F% M$ T" I4 U
• Σ-Δ调制型：使用积分器、比较器、1位DAC转换器和数字滤波器等构成，将输入电压转换成脉冲宽度信号，使用数字滤波器处理后得到数字值
  
  3 O  g3 E( g, u% S* o
  • 优点：可以容易地做到高分辨率测量
  • 缺点：转换速率低、电路规模大
    

主要参数

• 分辨率：输出数字量变化一个相邻数值所需输入模拟电压的变化量，一般用二进制的位数表示，分辨率为n表示是满刻度Fs的2的n次方分之一
• 量化误差：ADC的有限位数对模拟量进行量化而引起的误差。要准确表示模拟量，ADC的位数需要很大甚至无穷大，所以ADC器件都有量化误差。一个分辨率有限的ADC的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的ADC转化特性曲线之间的最大偏差就是量化误差
• 转换速率：每秒进行转换的次数
• 转换量程：ADC所能测量的最大电压，一般等于参考电压，超过此电压有可能损毁ADC。当信号较小时可以考虑降低参考电压来提高分辨率，改变参考电压后，对应的转换值也会改变，计算实际电压时需要将参考电压考虑进去，所以说一般参考电压都要做到很稳定且不带有高次谐波
• 偏移误差：ADC输入信号为0时，但ADC转换输出信号不为0的值
• 满刻度误差：ADC满刻度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差
• 线性度：实际ADC的转移函数和理想直线的最大偏移
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- W- U# l* c& U8 D! Z1 a数模转换DAC基本结构

数字寄存器：寄存输入的数字量和控制信号

模拟开关和转换网络：转换网络一般由一列电阻构成，模拟开关和对应的电阻按位加权

参考电压源：用于确定转换系数

求和放大器：对来自转换网络的模拟量进行相加

DAC的操作过程类似积分

分类

• 电压输出型：从电阻网络直接输出电压，通常会在输出端加放大器来降低输出阻抗。
• 在输出端不加放大器的电压输出型：减少了输出端部分的延迟，常用于高速场合
• 电流输出型：一般很少直接利用电流输出，大多数会外接电流-电压转换电路得到电压输出。根据如何进行电流-电压转换又分成两类：
  
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  • 在输出引脚上接负载电阻
    • 缺点：输出阻抗高、必须在规定的输出电流范围内使用，否则可能损坏DAC
      
  • 外接运算放大器
    • 缺点：加入了外接运放和导线的延迟，响应变慢
      
    
    
  电流输出型很少用，一般使用电压输出型

主要参数

• 分辨率：最小输出电压（也就是输入数字量为1时的电压）与最大输出电压（也就是输入数字量为最大（每一位都是1）时的电压）之比。一般通过输入数字量的位数来表示
• 转换量程：DAC能输出的最大电压，一般的关于参考电压或其倍数
• 建立时间：从输入数字量到输出模拟量之间的延时时间
• 转换精度：与ADC的转换精度类似
  

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ADC用的计较多，采集模拟信号变成数字信号并处理

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