化工儀器網(wǎng)
技術(shù)文章
仙童FAIRCHILD轉(zhuǎn)換器/轉(zhuǎn)換器A/D分類
閱讀：1256 發(fā)布時間：2018-3-28仙童FAIRCHILD轉(zhuǎn)換器/轉(zhuǎn)換器A/D分類
AD轉(zhuǎn)換器介紹
1. AD轉(zhuǎn)換器的分類
下面簡要介紹常用的幾種類型的基本原理及特點：積分型,、逐次逼近型、并行比較型/串并行型,、Σ-Δ調(diào)制型,、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。
1）積分型（如TLC7135）
積分型AD工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換精度依賴于積分時間,，因此轉(zhuǎn)換速率極低,。初期的單片AD轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流,。
2）逐次比較型（如TLC0831）
逐次比較型AD由一個比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成,，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換,，又稱FLash(快速)型,。由于轉(zhuǎn)換速率*，n位的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器等速度特別高的領域,。
串并行比較型AD結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間,，zui典型的是由2個n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的叫做分級（Multistep/Subrangling）型AD，而從轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器,。zui近的逐次比較型AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換方式實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率,，然后用計數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換,。
2. AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標
1）分辯率(Resolution) 指數(shù)字量變化一個zui小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(zhuǎn)換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需的時間的倒數(shù)。積分型AD的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的間隔,。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率(Sample Rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率,。因此有人習慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等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(zhuǎn)移特性曲線與無限分辯率AD（理想AD）的轉(zhuǎn)移特性曲線（直線）之間的zui大偏差,。通常是1 個或半個zui小數(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zui小。
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(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的zui大偏移,，不包括以上三種誤差。
其他指標還有：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(zhuǎn)換器
DA轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路構(gòu)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(zhuǎn)換器由電阻陣列和n個電流開關(或電壓開關)構(gòu)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(zhuǎn)換器,。此外，電壓開關型電路為直接輸出電壓型DA轉(zhuǎn)換器,。
1）電壓輸出型（如TLC5620）
電壓輸出型DA轉(zhuǎn)換器雖有直接從電阻陣列輸出電壓的,，但一般采用內(nèi)置輸出放大器以低阻抗輸出。直接輸出電壓的器件僅用于高阻抗負載,，由于無輸出放大器部分的延遲,，故常作為高速DA轉(zhuǎn)換器使用。
2）電流輸出型(如THS5661A)
電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器很少直接利用電流輸出,，大多外接電流—電壓轉(zhuǎn)換電路得到電壓輸出,，后者有兩種方法：一是只在輸出引腳上接負載電阻而進行電流—電壓轉(zhuǎn)換，二是外接運算放大器,。用負載電阻進行電流—電壓轉(zhuǎn)換的方法,，雖可在電流輸出引腳上出現(xiàn)電壓，但必須在規(guī)定的輸出電壓范圍內(nèi)使用,，而且由于輸出阻抗高,，所以一般外接運算放大器使用。此外,，大部分CMOSDA轉(zhuǎn)換器當輸出電壓不為零時不能正確動作,，所以必須外接運算放大器。當外接運算放大器進行電流電壓轉(zhuǎn)換時,，則電路構(gòu)成基本上與內(nèi)置放大器的電壓輸出型相同,，這時由于在DA轉(zhuǎn)換器的電流建立時間上加入了達算放入器的延遲，使響應變慢,。此外,，這種電路中運算放大器因輸出引腳的內(nèi)部電容而容易起振，有時必須作相位補償,。
3）乘算型（如AD7533）
DA轉(zhuǎn)換器中有使用恒定基準電壓的,，也有在基準電壓輸入上加交流信號的，后者由于能得到數(shù)字輸入和基準電壓輸入相乘的結(jié)果而輸出,，因而稱為乘算型DA轉(zhuǎn)換器,。乘算型DA轉(zhuǎn)換器一般不僅可以進行乘法運算，而且可以作為使輸入信號數(shù)字化地衰減的衰減器及對輸入信號進行調(diào)制的調(diào)制器使用,。 [1]
4）一位DA轉(zhuǎn)換器
一位DA轉(zhuǎn)換器與前述轉(zhuǎn)換方式全然不同,，它將數(shù)字值轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制或頻率調(diào)制的輸出，然后用數(shù)字濾波器作平均化而得到一般的電壓輸出(又稱位流方式)，用于音頻等場合,。
4. DA轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標：
1）分辯率(Resolution) 指zui小模擬輸出量（對應數(shù)字量僅zui低位為‘1’）與zui大量（對應數(shù)字量所有有效位為‘1’）之比,。
2）建立時間(Setting Time) 是將一個數(shù)字量轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定模擬信號所需的時間，也可以認為是轉(zhuǎn)換時間,。DA中常用建立時間來描述其速度,，而不是AD中常用的轉(zhuǎn)換速率。一般地,，電流輸出DA建立時間較短,，電壓輸出DA則較長