数模转换器工作原理

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电容数字转换器ＡＤ７７４的工作原理和应用

作者：郭 强 谢 康 姜海明 王 浩

来源：《现代电子技术》2008年第14期

摘 要：AD774是AD公司生产的具有总线接口的电容数字转换器。该转换器支持单端电容输入和差分式电容输入，同时在片内集成了温度传感器，可以用于代替系统中的温度传感器。该芯片广泛的应用于生化探测、压力探测、电压探测、杂质探测等领域。介绍AD774的功能原理和工作模式，同时给出一种使用该芯片的实际应用。

关键词：Σ-Δ调制器；差分式电容输入；单端电容输入；总线

(chool of Optoelectronic Information,University of Electronic cience and echnology of

China,Chengdu,61004,C

Abstract：Companyhis converter supports single-ended capacitive input and differential capacitive input,and

integrates a temperature sensor which can instead of temperature sensor in systemhis chip is used in

biochemistry detection,pressure detection,voltage detection and impurity detectionhe principle and

Keywords：Σ-Δ modulator;differential capacitive input;single-

1 引

言

AD774是AD公司生产的具有高的分辨率、低功耗的电容数字转换器。该芯片性能稳定，操作方便，可以和多种电容传感器一起开发各种实际产品。AD774的主要特点如下：

1 / 4 模数转换器（ADC）

设计及工作原理、分类解析

在仪器仪表系统中，常常需要将检测到的连续变化的模拟量如：

温度、压力、流量、速度、光强等转变成离散的数字量，才能输入到计算机中进行处理。

这些模拟量经过传感器转变成电信号（一般为电压信号），经过放大器放大后，就需要经过一定的处理变成数字量。

实现模拟量到数字量转变的设备通常称为模数转换器（ADC），简称A/D。

通常情况下，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。

取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。取样过程示意图如图1所示。

图（a）为取样电路结构，其中，传输门受取样信号S(t)控制，在S(t)的脉宽τ期间，传输门导通，输出信号vO(t)为输入信号v1,而在（Ts-τ）期间，传输门关闭，输出信号vO(t)=0。电路中各信号波形如图（b）所示。

2 / 4 图1 取样电路结构(a)

图1 取样电路中的信号波形(b)

通过分析可以看到，取样信号S(t)的频率愈高，所取得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。

但带来的问题是数据量增大，为保证有合适的取样频率，它必须满足取样定理。

取样定理：

设取样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号v1(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs与fimax必须满足下面的关系fs≥2fimax，工程上一般取fs>(3～5)fimax。

将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定 3 / 4 时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。

取样与保持过程往往是通过取样-保持电路同时完成的。取样-保持电路的原理图及输出波形如图2所示。

图2

取样-保持电路原理图

图2 取样-保持电路波形图 4 / 4 电路由输入放大器A1、输出放大器A2、保持电容CH和开关驱动电路组成。

电路中要求A1具有很高的输入阻抗，以减少对输入信号源的影响。

∑-△ADC工作原理

越来越多的应用，例如过程控制、称重等，都需要高分辨率、高集成度和低价格的ADC、新型∑-△转换技术恰好可以满足这些要求。然而，很多设计者对于这种转换技术并不十分了解，因而更愿意选用传统的逐次比较ADC。∑-△转换器中的模拟部分非常简单(类似于一个1bit ADC)，而数字部分要复杂得多，按照功能可划分为数字滤波和抽取单元。由于更接近于一个数字器件，∑-△ADC的制造成本非常低廉。

一、∑-△ADC工作原理

要理解∑-△ADC的工作原理，首先应对以下概念有所了解：过采样、噪声成形、数字滤波和抽取。

1．过采样

首先，考虑一个传统ADC的频域传输特性。输入一个正弦信号，然后以频率fs采样－按照Nyquist定理，采样频率至少两倍于输入信号。从FFT分析结果可以看到，一个单音和一系列频率分布于DC到fs／2间的随机噪声。这就是所谓的量化噪声，主要是由于有限的ADC分辨率而造成的。单音信号的幅度和所有频率噪声的RMS幅度之和的比值就是信号噪声比(SNR)。对于一个Nbit ADC，SNR可由公式：SNR=6.02N+1.76dB得到。为了改善SNR和更为精确地再现输入信号，对于传统ADC来讲，必须增加位数。

如果将采样频率提高一个过采样系数k，即采样频率为Kfs，再来讨论同样的问题。FFT分析显示噪声基线降低了，SNR值未变，但噪声能量分散到一个更宽的频率范围。∑-△转换器正是利用了这一原理，具体方法是紧接着1bit ADC之后进行数字滤波。大部分噪声被数字滤波器滤掉，这样，RMS噪声就降低了，从而一个低分辨率ADC, ∑-△转换器也可获得宽动态范围。

那么，简单的过采样和滤波是如何改善SNR的呢?一个1bit ADC的SNR为7.78dB(6.02+1.76)，每4倍过采样将使SNR增加6dB，SNR每增加6dB等效于分辨率增加1bit。这样，采用1bit ADC进行64倍过采样就能获得4bit分辨率；而要获得16bit分辨率就必须进行415倍过采样，这是不切实际的。∑-△转换器采用噪声成形技术消除了这种局限，每4倍过采样系数可增加高于6dB的信噪比。

DAC的定义及工作原理详解

一、DAC定义

数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件。D/A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。模数转换器中一般都要用到数模转换器，模数转换器即A/D转换器，简称ADC，它是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号的器件。

按照二进制数字量的位数划分，有8 位、10 位、12 位、16位D/A转换器；按照数字量的数码形式划分，有二进制码和BCD码D/A转换器；按照D/A转换器输出方式划分，有电流输出型和电压输出型D/A转换器。在实际应用中，对于电流输出的D/A转换器，如需要模拟电压输出，可在其输出端加一个由运算放大器构成的I/V转换电路，将电流输出转换为电压输出。

单片机与D/A转换器的连接，早期多采用8位数字量并行传输的并行接口，现在除并行接口外，带有串行口的D/A转换器品种也不断增多。除了通用的UART串行口外，目前较为流行的还有IIC串行口和SPI串行口等。所以在选择单片D/A转换器时，要考虑单片机与D/A转换器的接口形式。

目前部分单片机芯片中集成的D/A转换器位数一般在10位左右，且转换速度很快，所以单片的DAC开始向高位数和高转换速度上转变。低端的产品，如8位的D/A转换器，开始面临被淘汰的危险，但是在实验室或涉及某些工业控制方面的应用，低端的8位DAC以其优异性价比还是具有相当大的应用空间的。

二、DAC性能指标

1）分辨率

分辨率是指输入数字量的最低有效位（LSB）发生变化时，所对应的输出模拟量（常为电压）的变化量。它反映了输出模拟量的最小变化值。分辨率与输入数字量的位数有确定的关系，可以表示成FS/2n。FS表示满量程输入值，n为二进制位数。对于5V的满量程，采用８位的DAC 时，分辨率为5V/28=19.5mV；当采用12位的DAC时，分辨率则为5V/212＝1.22mV。显然，位数越多，分辨率就越高。即D/A转换器对输入量变化的敏感程度越高。