、ADC参数及其电路形式资料

3.2模数转换器(ADC)参数及其电路形式模数转换器(Analog-to-Digital Converter)简称ADC，它是一种将模拟信号转换成相应的数字信号的装置或器件。

模拟信号是指那些在时间上和数值上都是连续变化的信号。

自然界中各种物理量，如声、光、力、热等，在时间上和量的大小上也都是连续变化的。

这些物理量经过传感器可以被变换成电信号，以便用电子技术手段来处理。

而大多数传感器变换得到的电压、电流信号仍然是连续的。

显然，这种连续变化的电压、电流信号属于模拟信号。

模拟信号需要用模拟仪表指示，用模拟电路进行信号加工、用模拟计算机进行处理。

而模拟系统对外界电磁干扰、环境温度的变化、电子元器件的参数变化都是比较敏感的，因此一个高质量的模拟系统是非常昂贵的。

高速ADC的速度已达1GHz以上，高精度ADC的分辨率已达24位；高速DAC 的速度也高达500MHz，高精度DAC的分辨率己达18位。

这样的指标已可以满足绝大多数电子设备对器件的要求，包括某些特殊应用场合的要求。

模数转换过程任何ADC都包括三个基本功能：采样、量化和编码。

①采样过程将模拟信号在时间上离散化，使之成为抽样信号；②量化将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信号；③编码则将数字信号最终表示成数字系统所能接受的的形式。

如何实现这三个功能就决定了ADC的形式和性能。

采样定理规定：采样频率应最少大于输入信号中最高频谱分量的两倍。

下图是采样过程：下图是3位采样值的量化过程：静态特性指标ADC的静态特性是指它的实际量化特性。

理想ADC(没有电路误差)的量化特性仅由它的量化方式、输出数字的位数和码制决定的。

但实际ADC上存在着各种误差：①失调误差、②增益误差，③积分非线性、④微分非线性误差和⑤温度、时间和电源变化所引起的误差漂移等。

动态特性指标ADC的动态特性主要由转换时间和速率两个相关的技术指标来描述。

一.常用术语和主要技术指标1.位(Bit)，字节(Byte)，字(Word)2.最低有效位 Least Significant Bit(LSB)最高有效位 Most Significant Bit(MSB)3.分辨率(Resolution)分辨率指模数转换器在转换中所能分辨的最小量。

两种表示方法。

①习惯上用转换结果的位数表示。

例如，称12位ADC具有12位分辨率。

②分辨率有时也用最低有效位LSB的量化步长表示。

例如，把12位ADC的分辨率说成1/212或1／4096。

4.输入信号的单极性方式(Unipolar Mode)、双极性方式(Bipolar Mode)输出数字量的编码方式①当ADC的模拟输入电压只允许为正电压或只允许为负电压，即为单极性方式，转换结果简单地用无符号的二进制数表示。

例如：当摸拟输入信号为单极性时(如：0V～＋10V)，八位ADC的数字输出采用无符号数表示，即:0000,0000B对应0V；1111,1111B对应＋10V。

②当ADC的模拟输入电压既可为正电压，也可为负电压时，即为双极性方式，转换结果有多种表示方式。

下面以：输入－10V～＋10V的双极性信号的8位ADC 的转换输出码（三种）为例加以说明：⑴．二进制原码二进制原码的编码规则是：代码的最高位为符号位，0为正数；1为负数；其它各位为数值位，以常规二进制方式编码，其大小与双极性摸拟输入电压的绝对值相对应。

这样的编码规则比较简单，易于阅读和理解。

⑵．二进制偏移码二进制偏移码的编码规则是：定义二进制代码序列的中点的编码对应于模拟输入的零电压；二进制代码全0为负数最大值(绝对值)，对应于模拟输入的负满度电压；二进制代码全1为正数最大值，对应于模拟输入的正满度电压。

这种编码方式在电路上比较容易实现，因此在ADC中得到广泛的应用。

⑶．二进制补码二进制补码的编码规则是：正数的补码与原码相同，负数的补码等于与其对应的数值位(不包含符号位)取反后加一。

符号位与原码相同，0为正数，1为负数。

采用补码的最大优点是在数字系统中可以用加法运算代替减法运算，有利于简化运算器的结构，所以它在数字电路和计算机系统中得到广泛的应用。

二进值补码的数值位与二进制偏移码的数值位完全相同，唯一的差别是二者的符号位相反。

因此，二者之间的相互转换非常简单，只需把最高位取反。

5.满度范围(量程)Full-Scale Range(Span)满度范围、量程、输入范围(Input range)、输入量程(Input span)均指模拟输入量的最大允许值与最小允许值之差，英文缩写为FSR。

对于双极性ADC，还把模拟输入量的正向最大允许值称为正满度值(Positive Full-Scale)，通常对应的二进制数全为1；把负向最大(绝对值)允许值称为负满度值(Negative Full-Scale)、通常对应的二进制数全为0。

如：MIL-STD-883：美国军标，高可靠性SMD：Surface Mount Device 表面贴（标贴）器件6.量化误差(Quantizing Error)(以下是理想特性)由于ADC的有限分辩率，量化误差是模拟输入量在量化取整过程中所引起的误差，又称量化不确定度。

量化误差是模数转换器固有的，其大小与分辨率直接相关，通常为±1/2LSB或±1LSB模拟输入量。

图3-1 模数转换(3Bit)关系曲线(如左图：输入模拟量在0～1/8之间时都量化为数字量：000B)(如右图：输入模拟量在0～1/16之间时都量化为数字量：000B输入模拟量在1/16～2/16之间时都量化为数字量：001B)两种量化方式的误差曲线：7.代码宽度(Code Width)在模数转换曲线的相邻两个变迁点之间对应的模拟输入量的差值称为代码宽度，理想代码宽度是满度范围的1/2n，即1LSB。

(如上图：为2/8－1/8=1/8)8.零位误差(失调)Zero Error(Offset)输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。

零位误差又称输入失调，为实际模数转换曲线中数字0的代码中点与理想模数转换曲线(见图3-1)中数字0的代码中点的最大偏差。

多数ADC可以通过外部电路的调整，使零位误差减小到接近零。

当ADC工作在单极性方式时，从数字0到数字1的变迁应发生在1/2 LSB 模拟输入电压处，实际变迁点与这个理想变迁点的偏差称为单极性失调(Unipo1ar Offset)。

当ADC工作在双极性方式时，从数字011…111到数字100…000的变迁应发生在-1/2LSB模拟输入电压处，实际变迁点与这个理想变迁点的偏差称为双极性零位误差(Bipolar zero error)。

9.增益误差和满度误差 Gain error and Full-Scale error满刻度误差（Full Scale Error）满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。

理想ADC在接近满度的最后一次变迁应发生在比满度值低1/2LSB模拟输入量处。

实际ADC最后一次变迁对应的模拟输入量与理想值之间的偏差称为满度误差。

增益误差则是指实际ADC在量程内的最后一次变迁与第一次变迁对应的模拟输入量之差与理想值之间的偏差，通常用该偏差值相对于满度范围的百分比(％FSR)表示，也常用LSB的倍率表示。

增益误差也可以定义为模数转换特性曲线的实际斜率与理想斜率之间的偏差。

多数ADC可以通过外部电路的调整，使增益误差减小到接近零。

10.相对精度Relative accuracy相对精度是指在满度范围被校准的情况下，任意的数字量所对应的模拟量实际值与理论值之间的偏差最大值，用相对于满度范围的百分比(％FSR)或LSB的倍率表示。

实际上，相对精度是积分非线性误差的另—种说法。

11.积分非线性误差Integral NonLinearity error(INL)从图3-1可以看出理想模数转换曲线的代码中点的连线是一条直线，实际模数转换曲线的代码中点与这条直线之间的最大偏差就是积分非线性误差。

12.微分非线性误差Differential Non-Linearity error(DNL)ADC的实际代码宽度与理想代码宽度之间的最大偏差称为微分非线性误差，常简称为微分误差，以LSB为单位。

微分非线性误差也常用无失码分辨率表示。

13.失码Missing code如果某个代码的微分非线性误差为－1LSB，表明该代码宽度等于零，从模数转换特性曲线上看少了一个阶梯，该代码丢失了，即失码。

此时当模拟输入电压在该代码附近变化时，该代码并不会出现。

而直接跳到上一个代码，这表明该ADC的有效分辨率降低了一位。

例如，当一个12位ADC存在1LSB的失码，则有效分辨率为11位。

这个有效分辨率又称为无失码分辨率，其含义是当把该12位ADC看作ll位分辨率时，就不存在失码了。

如果一个12位ADC的无失码分辨率为10位，则说明最大的失码达2LSB。

14.转换时间和转换速率Conversion time and Conversion rateADC完成一次转换所需的时间称为转换时间(模数转换从启动到结束所用的时间)。

①对于大多数ADC来说．转换时间的倒数即为转换速率(每秒转换次数)。

②但某些高速ADC(如分级流水型)的转换速率可能高于转换时间的倒数，这是因为在前一次模数转换结束之前，就开始了下一次的转换。

对于采样ADC来说，转换速率应为转换时间和采样保持所需时间之和的倒数。

二.模数转换器(ADC)的分类实现模数转换的方法很多，不同电路结构的ADC的工作原理差异很大。

性能上的差异也可能很大。

每—个实际的ADC除了必备的转换电路，还需要适当的模拟输入信号处理电路、数字输出信号接口电路等。

因此，ADC的种类非常多，分类问题也就比较复杂。

从不同的角度看，存在不同的分法。

下面从不同的侧面出发，对ADC进行粗略的分类，使大家对ADC的种类有一个初步了解。

1.按转换信号的关系分类(1).直接转换型：转换电路把模拟输入信号(—般是模拟电压)直接转换成数字信号，并经数字接口输出，转换过程中不出现中间变量。

如：并行比较型、逐次逼近型等ADC均属直接转换型。

(2).间接转换型：转换电路首先把模拟输入信号转换成某个中间变量，然后把这个中间变量再转换成数字信号并输出。

最常见的间接转换型ADC有电压-时间型(VT型)和电压-频率型(VF型)。

前者中间变量是时间间隔(如：积分型ADC)；后者中间变量是频率(如：压频转换型ADC)。

虽然转换过程经过中间变量，但由于模拟输入与中间变量之间以及中间变量与数字输出之间的转换电路结构简单，因此容易以较低的成本达到较高的精度。

2.按转换电路结构和工作原理分类按不同的转换原理设计出结构各不相同的转换电路，由于电路结构是影响转换器性能的主要因素，因此，这是最主要的分类方法。