用比较器进行高精度模数转换
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检测电压芯片电压芯片是一种电子器件,用于对电压进行检测、测量和调节。
在电子设备中广泛应用,起到稳定电压、保护电路和延长器件寿命的重要作用。
本文将介绍电压芯片的工作原理、分类、特点以及在电子设备中的应用等方面。
一、工作原理电压芯片主要通过对输入电压进行采样并转换成电压信号,然后根据设定的参数进行比较和调整。
其工作原理可以简要分为四个步骤:采样、转换、比较和调整。
1. 采样:电压芯片通过内置的采样电阻或采样电路对输入电压进行采样,获取电压信号。
2. 转换:采样得到的电压信号通过内部的模数转换器(ADC)或比较器进行数字或模拟信号的转换。
3. 比较:转换后的信号与设定的参考电压进行比较,得出实际电压与设定电压的差异。
4. 调整:根据比较的结果,通过反馈回路将输出电压调整至设定值,从而实现对电压的稳定控制。
二、分类及特点电压芯片根据其功能和特点可分为线性电压调节芯片和开关电压调节芯片两类。
1. 线性电压调节芯片:这种芯片可以通过调节内部的可变电阻来实现对输出电压的调节。
它的特点是具有较低的纹波和噪声,适用于对电压稳定性要求较高的场合。
但它的效率相对较低,不适用于大功率应用。
2. 开关电压调节芯片:这种芯片采用开关转换的方式来实现对输出电压的调节。
它的特点是效率较高,适用于大功率应用。
但其纹波和噪声较大,需要通过外部滤波电路进行补偿。
三、应用领域电压芯片在电子设备中的应用非常广泛,以下是其中的几个典型应用领域。
1. 电源管理系统:电压芯片被广泛应用于电源管理系统中,用于稳定和调节不同电压的供电。
它可以提供稳定的电压输出,保护其他电子器件免受电压波动的影响。
2. 手机和电脑电源管理:电压芯片在手机和电脑的电源管理中起到非常重要的作用。
它能够对不同的电压进行检测和调节,确保设备的正常运行。
3. 无线通信系统:电压芯片在无线通信系统中用于电池电压检测、电源管理等方面。
它可以延长电池寿命,提供稳定的电压供应。
4. 汽车电子系统:电压芯片在汽车电子系统中起到关键作用,用于对电池电压进行检测和调节,保证汽车各个电子设备的正常工作。
sigmadeltaadc的工作原理Sigma-Delta ADC,全称为Sigma-Delta Analog-to-Digital Converter,是一种高精度的模数转换器。
它的工作原理基于Sigma-Delta调制技术,通过对输入信号进行高速采样和数字化处理,实现对模拟信号的准确量化和转换。
Sigma-Delta ADC的核心部件是一个差分运算放大器和一个数字滤波器。
首先,输入信号经过差分运算放大器进行放大,并与一个参考电压进行比较。
差分运算放大器会将输入信号转换为差分信号,并将其与参考电压进行比较,产生一个差分输出信号。
这个差分输出信号包含了输入信号与参考电压之间的差异。
接下来,差分输出信号经过一个积分器,将其进行积分运算。
积分器的作用是将输入信号中的高频成分滤除,只保留低频成分。
积分后的信号再经过一个比较器,将其与一个数字信号进行比较。
比较器会产生一个数字输出信号,表示差分输出信号与数字信号之间的差异。
然后,数字输出信号通过一个反馈回路送回到差分运算放大器的输入端,起到调节放大器增益的作用。
通过不断调节放大器增益,使得差分输出信号与数字信号之间的差异尽可能小。
这个反馈回路的作用类似于一个控制系统,通过自动调节放大器增益,使系统的稳定性和精度得到保证。
Sigma-Delta ADC的工作原理可以用一个简单的例子来说明。
假设我们要将一个模拟信号转换为一个8位的数字信号。
首先,输入信号经过差分运算放大器进行放大,并与一个参考电压进行比较。
差分运算放大器会将输入信号转换为差分信号,并将其与参考电压进行比较,产生一个差分输出信号。
如果差分输出信号大于参考电压,则比较器输出1;如果差分输出信号小于参考电压,则比较器输出0。
接下来,差分输出信号经过积分器进行积分运算。
积分器会将差分输出信号进行积分,得到一个积分后的信号。
然后,积分后的信号再经过比较器进行比较,产生一个数字输出信号。
如果积分后的信号大于数字信号,则比较器输出1;如果积分后的信号小于数字信号,则比较器输出0。
DeltaSigma模数转换器(ADC_DelSig)简介DeltaSigma模数转换器,又称为ADC_DelSig(Analog-to-Digital Converter Delta-Sigma),是一种高精度的模数转换器。
它采用了DeltaSigma调制技术,通过高速采样和数字滤波来实现高分辨率和低噪声的模数转换。
工作原理DeltaSigma模数转换器的工作原理基于DeltaSigma调制技术。
其核心思想是将输入信号与一个高频的比较器相比较,并将比较器的输出结果经过滤波器处理后转换成数字信号。
具体来说,DeltaSigma模数转换器包括一个模数转换器和一个数字滤波器。
1.比较器:比较器将输入信号与参考电压进行比较,并输出一个高频PWM(脉宽调制)信号。
比较器的输出频率远高于所需的转换速率,通常在MHz级别。
2.数字滤波器:PWM信号经过数字滤波器,滤波器根据PWM信号的占空比来判断输入信号的大小。
滤波器输出的数字信号经过采样并进行数字编码,就得到了转换后的数字输出。
优点和应用DeltaSigma模数转换器具有很多优点,主要包括以下几个方面:1.高分辨率:DeltaSigma模数转换器具有非常高的分辨率,通常可以达到16位以上,甚至更高。
这使得它在需要高精度数据转换的应用中非常有用,如音频处理、医疗设备和测量仪器等。
2.低噪声:DeltaSigma模数转换器通过在输入端引入噪声抑制电路和高速数字滤波器,可以有效降低系统的噪声水平。
这使得它在对信号质量要求较高的应用中具有优势,如音频信号处理和高速数据采集等。
3.较低的成本:DeltaSigma模数转换器通常采用CMOS工艺制造,因此成本相对较低。
这使得它在大规模集成电路中应用广泛,并且具有较高的性价比。
DeltaSigma模数转换器广泛应用于各个领域,包括但不限于以下几个方面:•音频信号处理:DeltaSigma模数转换器在音频设备中被广泛应用,如音频采样、音频编码和数字音频处理等。
51单片机adc0809模数转换器逐次逼近法的实现原
理
51单片机ADC0809模数转换器采用逐次逼近法实现模数转换。
逐次逼近法的原理是,从高位到低位逐位比较,根据比较结果不断调整待转换的数字量,直到找到一个数字量使其对应的模拟量与输入的模拟量相等或最大程度接近。
在ADC0809模数转换器中,逐次逼近法的实现过程如下:
1. 将最高位(MSB)设置为1,其余位为0,形成起始转换数字量。
2. 将该数字量输入比较器,与输入的模拟量进行比较。
3. 根据比较结果,调整数字量的最高位:如果模拟量大于数字量,则将最高位清0;否则保持为1。
4. 保持其余位不变,将调整后的数字量再次输入比较器进行比较。
5. 重复步骤3和4,直到比较器的输出为稳定状态(即最高位不再变化),此时得到的就是输入模拟量的近似值。
通过逐次逼近法,ADC0809模数转换器能够实现高精度的模数转换,并且具有较快的转换速度。
ADC芯片介绍ADC,即模数转换器(Analog-to-Digital Converter),是一种将模拟信号转换成数字信号的电子设备。
它是数字系统中的重要组成部分,广泛应用于通信系统、仪器仪表、工业自动化、医疗设备等领域。
本文将介绍ADC芯片的基本原理、分类、特点以及应用领域等相关内容。
一、ADC芯片的基本原理1.采样:采样是指将模拟信号在一定时间间隔内取样,即在一段时间内获取一系列的模拟信号值。
采样过程中需要考虑采样频率和抗混叠滤波等问题。
2.量化:量化是指将采样到的模拟信号值转换为具有离散数值的数字信号。
量化过程中需要确定量化位数和量化级数等参数,并利用ADC芯片内部的比较器和计数器等电路实现。
通过采样和量化两个过程,ADC芯片可以将模拟信号转换为数字信号,进而被数字系统所处理。
二、ADC芯片的分类根据其工作原理和结构,ADC芯片可以分为几种不同的类型。
1.逐次逼近型ADC:逐次逼近型ADC芯片是一种常见的ADC芯片类型,它通过逐次逼近的方式进行模拟信号到数字信号的转换。
逐次逼近型ADC芯片具有较高的分辨率和较低的功耗,适用于对精度要求较高的应用领域。
2.并行型ADC:并行型ADC芯片是一种将模拟信号同时转换为多个比特的数字信号的ADC芯片类型。
它具有高速和高精度的特点,但功耗较大。
并行型ADC芯片适用于对采样速度要求较高的应用场景,如通信系统中的信号处理和无线电频谱分析等。
3. Sigma-Delta型ADC:Sigma-Delta型ADC芯片主要应用于对信噪比要求较高的应用场景。
它通过过采样和累积量化的方式实现高精度的模数转换。
Sigma-Delta型ADC芯片适用于音频处理、音频编解码等领域。
三、ADC芯片的特点1.分辨率高:ADC芯片的分辨率是指其能够表示的电压值的最小差值。
分辨率越高,ADC芯片对模拟信号的转换精度越高。
2.采样速度快:ADC芯片的采样速度是指其每秒钟能够进行的采样次数。
用比较器LM393来实现A/D转换1.放大器部分,简单的检波,放大,假设得到信号S。
2.LM393右半边那个电压比较器,即2Out->P34,是用S与GND比较得到的输出结果,输出端加了个上拉。
3.LM393左半边那个电压比较器,即1Out-〉P15,就有点复杂,从逻辑上讲:S P12 P13 1out0 0 0 01 0 0 10 1 0 01 1 0 00 0 1 01 0 1 10 1 1 01 1 1 0其实从左到右4个三极管起的主要作用是开关作用而已,分别称为Q1,Q2,Q3,Q4.通过放大器放大后的信号S接在Q1基极当Q1导通,Q2导通的时候,Vin+=GND+0.7V当Q1断开,Q2导通的时候,Vin+=GND当Q1导通,Q2断开的时候,Vin+=Vcc当Q1断开,Q2断开的时候,Vin+=GNDQ3一直导通Q4导通的时候,Vin-=GND+0.7VQ4断开的时候,Vin-=Vcc-0.7V-0.7V(两个二极管的压降)值得讨论的是当 Q1,Q2,Q4都导通的时候,似乎Vin+与Vin-相等用普通单片机实现低成本高精度A/D与D/A转换(之一)摘要:用普通单片机实现低成本的多路A/D与D/A转换,其转换结果为8bit或更高。
关键词:单片机 A/D转换 D/A转换 PWM(脉冲宽度调制)比较器目前单片机在电子产品中已得到广泛应用,许多类型的单片机内部已带有A/D转换电路,但此类单片机会比无A/D转换功能的单片机在价格上高几元甚至很多,本文给大家提供一种实用的用普通单片机实现的A/D 转换电路,它只需要使用普通单片机的2个I/O脚与1个运算放大器即可实现,而且它可以很容易地扩展成带有4通道A/D转换功能,由于它占用资源很少,成本很低,其A/D转换精度可达到8位或更高,因此很具有实用价值。
其电路如图一所示:图一其工作原理说明如下:1、硬件说明:图一中“RA0”和“RA1”为单片机的两个I/O脚,分别将其设置为输出与输入状态,在进行A/D转换时,在程序中通过软件产生PWM,由RA0脚送出预设占空比的PWM波形。
电路基础原理数字信号的模数转换与数模转换电路基础原理:数字信号的模数转换与数模转换在现代电子技术中,数字信号的模数转换和数模转换是非常重要的概念。
它们是将模拟信号转换为数字信号和将数字信号转换为模拟信号的过程。
本文将探讨数字信号的模数转换和数模转换的基本原理及其在电路中的应用。
一、数字信号的模数转换数字信号的模数转换(Analog-to-Digital Conversion, ADC)是指将模拟信号转换为数字信号的过程。
在这个过程中,连续的模拟信号被离散化为一系列离散的数字信号。
模数转换的过程包括采样和量化两个步骤。
采样是指对连续时间内的模拟信号进行离散化,取样点的时间间隔称为采样周期。
而量化则是对采样得到的离散信号进行幅度的近似描述,将其转换为一系列离散的数值。
在实际应用中,模数转换器(ADC)通常采用电压-数字转换器(Voltage-to-Digital Converter, VDC)来实现。
VDC使用一系列的比较器来比较模拟信号与参考电压之间的差异,并将其转换为数字信号。
数字信号的模数转换在现代电子技术中具有广泛的应用。
例如,在通信领域中,模数转换是将声音、图像等模拟信号转换为数字信号的关键步骤。
在工业自动化中,模数转换则是传感器将物理量转换为数字信号的基础。
二、数字信号的数模转换数字信号的数模转换(Digital-to-Analog Conversion, DAC)是指将数字信号转换为模拟信号的过程。
在这个过程中,一系列离散的数字信号被重构为连续的模拟信号。
数模转换的过程包括数值恢复和模拟滤波两个步骤。
数值恢复是指根据数字信号的编码方式,将数字信号转换为相应的数值。
而模拟滤波则是通过滤波器对数值恢复后的数字信号进行平滑处理,去除数字信号中的高频成分,生成连续的模拟信号。
在实际应用中,数模转换器(DAC)通常采用数字-电压转换器(Digital-to-Voltage Converter, DVC)来实现。
一种高精度单斜率AD 及其单片机实现
摘要:介绍了一种利用MSP430 F1121单片机构成的采用类似于Σ-Δ技术的高精度的单斜率AD 。
分析了工作原理和参数计算。
提供了分辨率,精度,线性度,稳定性等性能的测试结果,并讨论了它们的影响因素和应用。
关键词:MSP430单片机 单斜率AD
一 引言
AD 转换最常用的方法是逐次逼近法(SAR ),转换时间固定且快速是其最大特点,但要明显提高分辩率有一定困难。
积分型AD 有较强的抗干扰能力,但转换时间较长。
而过采样Σ-ΔA/D 由于其高分辩率,高线性度及低成本的特点正得到越来越多的应用。
TI 公司的MSP430F1121单片机内带有一个模拟比较器,因此,只须外接一只电阻和电容即可构成一个类似于Σ-Δ技术的高精度单斜率AD 。
二 测量电路及过程
MSP430于F1121是16位RISC 结构的FLASH 型单片机。
有14个双向I/O 口并兼有中断功能。
一个16位定时器,兼有计数和定时功能。
一个模拟电压比较器。
测量电路如图2-1所示。
MSP430F1121工作电压为1.8-3.6V 。
I/O 口输出高电平时电压接近Vcc ,低电平时接近Vss ,因此,一个I/O 口可以看作一位DAC ,具有PWM 功能。
测量时P2.4引脚接被测电压。
P2.0口输出一串占空比为50%,脉宽为Tp 的脉冲。
当电容充电到Vout=Vin 时,比较器输出将翻转,这一过程称为预充电。
此后为维持Vout=Vin ,P2.0继续输出脉冲。
程序开始对总的输出脉冲数N 和输出为高的
脉冲数n 进行计数。
P2.0口根据比较器的输出状态来决定是输出高还是低电平,如果比较器输出为低,表示Vout<Vin ,则P2.0口输出为高,反之,输出为低。
当输出N 个脉冲后停止计数,则此时高脉冲数n 与被测电压Vin 成正比。
即以Vcc (这里为3.0V )对应于N (这里为3000)个脉冲,如果n 为1500,则Vin=1/2Vcc ,即Vin 为1.5V ,相应地,每个高脉冲代表1mV ,这样可以用于比例式测量和绝对值测量。
三 原理分析
经预充电后,V out=Vin ,此后P2.0在电容C 上反复充放电,虽然电容充放电是非线性的,但由于充放电幅度极小,只要满足RC>>Tp ,则在一定精度内可以认为充放电过程是线性的。
其波形如图3-1。
图2-1 测量电路图
图中虚线表示总的脉冲,实线是输出为高的脉冲,如果把相邻的高电平和相邻的低电平看成为一个脉冲,分别为TH1,TL1,TH2,TL2…虽然TH1=TH2=…和TL1=TL2=…不一定成立,但从总体效果来看,可以认为它们是等宽的。
那么,n 个高电平和N-n 个低电平成了m 个大脉冲。
其中,TH=n/m*Tp,TL=(N-n)*Tp/m. 充电时,Vmax=Vcc+[Umin-Vcc]*exp (-TH/RC ) 放电时,Umin=Umax*exp
(-TL/RC )
由上两式得:
Umax (1-exp (-(TH+TL )/RC )=Vcc (1-exp (-TH/RC ))
在一定的误差范围内有Umax=Vin ,则:
Vin (1-exp (-(TH+TL )/RC )=Vcc (1-exp (-TL/RC ))
在(TH+TL )/T<<1时,指数项用泰勒级数展开后,得:
Vin*N/m=VCC*n/m
即Vin=n*VCC/N
五 参数计算
用Umax 分别减去式2等式两边得:
DU=Umax-Umin=Umax (1-exp (-TL/RC ))<<Vcc (1-exp (-TL/RC )〈〈Vcc (1-exp (-TP/RC ) 如果DU=+-1LSB ,在N=3000,主频为3.5MHZ 时,Tp 为14个CPU 周期,约3.9us,则RC=0.016
取R=470K ,则C=0.035uF
六 软件设计
测量子程序框图如图6-1所示。
P2.0输出的脉冲宽度由程序中输出高或低电平的运行时间决定,因此应尽量缩短这段程序的执行时间,另外,P2.0输出必须为对称的方波,如果程序中输出为高或为低的时间不一样,将会造成很大的误差。
程序中必须先设定一个总的采样时间N ,它也决定了分辨率,执行一次测量子程序只运行N/2的时间,因此,必须调用两次,把两次的高电平个数相加才为n 。
这样做的目的是为了利用MSP430F1121单片机的模拟比较器特性,即在一次测量子程序调用后,内部交换同
图 3-1 电容充放电过程示意图
图6-1 程序框图
向和反向输入端的端口,以抵消比较器的输入偏置电压引起的误差。
七分辩率,精度,稳定性,线性度及影响因素
分辩率:由预设的总测量时间N来决定,如果N取4096(214BIT),则分辩率为14位,如果N取65535,则分辩率为16位。
分辩率的大小将影响测量时间,从而影响采样频率。
在主频为3.578545Hz时,一个Tp(即P20口输出一个高或低电平)的时间为14个CPU周期,约为1/3578545=3.9us,则N=4096时一次测量的时间为16ms, 如果N=65535,则一次测量的时间为256ms,这还不包括预充电时间,不是连续测量,则应考虑预充电时间。
精度:是实际测量结果和真实值之间的最大误差。
真实值用分辩率为24位的高精度测量仪测量的结果代替,实际测量结果为五次测量的平均。
稳定性:在0-3V之间均匀取15个测量点,每个点在5秒钟内测量5次(液晶显示上读取5个测量值),取它们的最大差值为该测量点时的波动值,以15个波动值中的最大值来衡量稳定性,图8是不同条件下测量的相对误差。
线性度:与基准曲线有关,选择的基准曲线不同所计算的线性度也不同,直观上我们的测量结果已有很高的线性度,因此我们采用端基法选择基准曲线,由于原理上的原因,端点附近的测量误差较大,因此我们选过1.0V和2.0V点的直线作为基准直线,图10是不同条件下测量的线性度。
影响因素有:
1 电源电压VCC。
因为P2.0输出高电平为VCC,程序中又以VCC作为参考电压,因此,VCC越稳定,测量结果越准确。
一般经DC-DC变换,稳压以后提供VCC。
VCC对绝对值测量影响较大,对相对值测量影响较小。
2 晶振频率。
晶振频率将影响CPU时钟,CPU运行越快,则Tp越小,RC相对越大,则越能满足近似的条件,误差应越小。
CPU执行加快,则采样频率可以相应提高。
晶振的稳定性将影响P2.0输出的方波的对称性,其影响同程序中输出高或低电压的时间不相等时一样。
3 RC参数的影响。
理论上,RC越稳定,则测量结果越稳定,实际上RC的稳定性对测量结果的稳定性影响不大。
图7可以看出当我们在其他条件不变时,电容值在0.1UF与0.001UF之间变化时,测量的线性度基本上没有影响。
而且,电容越小,则测量结果的稳性越好,我们认为原因可能是电容越大,则漏电流越大,造成电压波动越大。
测量结果对RC参数不敏感的特性也是Σ-Δ类技术的特点之一,具有很好的实际意义。
4 比较器的输入端失调电压。
比较器同向输入端和反向输入端均存在失调电压,由于测量过程中电容上的充放电波动幅度较小(理论上控制在+/-1LSB),与失调电压具有可比性,因此失调电压对测量精度的影响不可忽略。
MSP430由于内部可以进行输入端口的交换,经两次调用测量子程序后可以最大限度地抵消失调电压的影响。
5 噪声干扰
由于比较器的被测电压输入端(VIN)没有采样保持电路,因此,如果测量的是快变信号将会产生比较大的误差,同样,如果输入端引入了干扰,测量误差将增大。
我们在用交流供电的高精度测量仪时,测量的相对精度变差。
可以通过在输入端加滤波电容来减轻这种影响。
6软件的影响
主要是采样子程序中P2.0输出高或低电平不对称,占空比不是50%。
图是输出高电平比输出低电平多2个CPU周期后的测量结果。
原因可能是没有计算输出高或低电平的执行时间,如果两者不相等,可在时间短的一方加入空操作指令。
另一个可能是在测量子程序运行时没有关闭其他中断,导致额外的充/放电时间。
八应用
适合于测量缓慢变化的量,如温度,压力,光,电压等。
结合MSP430F1121的超低功耗特点,比较适合于电池供电的便携式仪器。
可以进行比例式测量和绝对值测量。
进行绝对值测量时参考电压为VCC,只须在程序中预先指定对应于VCC的N值。
比例式测量中可以选择外部电压作为参考电压,也可以选择三种内部电压作为参考电压:1/2VCC,1/4VCC和一个二极管压降电压。
图2-1是一个最简单的测量系统,用HT1621作为液晶驱动器,P1。
0-P1。
3四个I/O 口控制HT1621,后者可以驱动多达10位七段LED。
测量结果直接可以看到,实际上是一个具有12位以上分辨率的毫伏表。
MSP430F1121内部有4K FLASH 存储器,没有被程序占用部分可以作为数据存储器用,因此,可以把测量结果放入FLASH存储器中,具有记忆和回放功能。
MSP430F1121 还有一个16位定时器,用它和一个I/O口构成一个UART,用于发送测量结果,上传给PC机,可以构成一个低采样频率的简易存储示波器。