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  • AD转换基本原理
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    2021-03-31 14:27:34

    提示:以下是本篇文章正文内容,下面内容仅供参考

    一、AD的基本概念

    AD转换是将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字量。使输出的数字量与输入的模拟量成正比。

    AD转换的过程有四个阶段,即采样、保持、量化和编码。

    采样是将连续时间信号变成离散时间信号的过程。经过采样,时间连续、数值连续的模拟信号就变成了时间离散、数值连续的信号,称为采样信号。采样电路相当于一个模拟开关,模拟开关周期性地工作。理论上,每个周期内,模拟开关的闭合时间趋近于0。在模拟开关闭合的时刻(采样时刻),我们就“采”到模拟信号的一个“样本”。

    量化是将连续数值信号变成离散数值信号的过程。理论上,经过量化,我们就可以将时间离散、数值连续的采样信号变成时间离散、数值离散的数字信号。

    我们知道,在电路中,数字量通常用二进制代码表示。因此,量化电路的后面有一个编码电路,将数字信号的数值转换成二进制代码。

    然而,量化和编码总是需要一定时间才能完成,所以,量化电路的前面还要有一个保持电路。保持是将时间离散、数值连续的信号变成时间连续、数值离散信号的过程。在量化和编码期间,保持电路相当于一个恒压源,它将采样时刻的信号电压“保持”在量化器的输入端。虽然逻辑上保持器是一个独立的单元,但是,工程上保持器总是与采样器做在一起。两者合称采样保持器。

    二、ADC的主要技术参数

    1.分辨率

    对于ADC来说,分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需要输入模拟电压的变化量。通常定义为满刻度电压与2n的比值,其中n为ADC的位数。例如具有12位分辨率的ADC能够分辨出满刻度的1/1212(0.0244%)。
    有时分辨率也用A/D转换器的位数来表示,如ADC0809的分辨率为8位,AD574的分辨率为12位。

    2.量化误差

    量化误差是由于ADC的有限分辨率引起的误差,这是连续的模拟信号在整数量化后的固有误差。对于四舍五入的量化法,量化误差在±1/2LSB之间。

    3.绝对精度

    绝对精度是指在输出端产生给定的数字代码所表示的实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差。

    4.相对精度

    它与绝对精度相似,所不同的是把这个偏差表示为满刻度模拟电压的百分数。

    5.转换时间

    转换时间是ADC完成一次转换所需要的时间,即从启动信号开始到转换结束并得到稳定的数字输出量所需要的时间,通常为微秒级。

    6.量程

    量程是指能转换的输入电压范围。

    三、AD转换的一般步骤

    在这里插入图片描述
    采样和保持通常在采样保持电路中完成,量化和编码通常在AD转换电路中完成。

    由于AD转换需要一定的时间,在每次采样以后,需要把采样电压保持一段时间。

    在这里插入图片描述
    s(t)有效期间,VT导通,u向C充电,u0(=uc)跟随uI的变化而变化;
    s(t)无效期间,VT截止,u0(=uc)保持不变,直到下次采样。
    由于集成运放A具有很高的输入阻抗,在保持阶段,电容C上所存电荷不易泄放。

    四、AD转换器的一般分类

    AD 转换器按照转换原理可分为直接AD 转换器和间接AD 转换器。
    所谓直接AD 转换器,是把模拟信号直接转换成数字信号,如逐次逼近型,并联比较型等。其中逐次逼近型AD 转换器,易于用集成工艺实现,且能达到较高的分辨率和速度,故目前集成化AD 芯片采用逐次逼近型者多;
    间接AD 转换器是先把模拟量转换成中间量,然后再转换成数字量,如电压/时间转换型(积分型)、电压/频率转换型、电压/脉宽转换型等。 其中积分型A/D 转换器电路简单,抗干扰能力强,切能作到高分辨率,但转换速度较慢。 有些转换器还将多路开关、基准电压源、时钟电路、译码器和转换电路集成在一个芯片内,已超出了单纯A/D 转换功能,使用十分方便。

    五、ADC的一般特性

    1. 模拟输入,可以是单信道或多信道模拟输入;
    2. 参考输入电压,该电压可由外部提供,也可以在ADC 内部产生;
    3. 频率输入,通常由外部提供,用于确定ADC 的转换速率;
    4. 电源输入,通常有模拟和数字电源接脚;
    5. 数字输出,ADC 可以提供平行或串行的数字输出。
      在输出位数越多(分辨率越好)以及转换时间越快的要求下,其制造成本与单价就越贵。
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    51单片机AD转换电路设计实现

    关于AD转换的原理,大家在《数字电子技术》中已经学过,这里做过多的介绍,本文介绍一款经典的8位AD转换芯片ADC0804,基于51单片机设计AD转换电路,并完成测量值的转换。

    1 芯片引脚介绍

    1a47b61654b189335e66a06cbe8ce132.png

    CS:片选信号,低电平有效,即CS=0时候芯片才能正常工作,单独一个ADC0804芯片时候直接置零。当有多个芯片时候可以通过片选信号实现分时复用。

    WR:低电平有效,当WR信号由高到低时候实现一次ADC转换。

    RD:低电平有效,RD=0时候可以读取数据。

    Vin+:模拟电压输入端。

    Vin-:一般接地,当模拟电压是双边输入时候Vin+和Vin-分别接模拟电压的正负极。

    VREF/2:参考电压接入引脚,可悬空或接外界电压。接外电压时候芯片的参考电压为所接电压的两倍。悬空时候芯片参考电压为VCC。

    CLKR/CLKIN:外接RC电路产生转换所需的时钟信号,CLK=1/1.1RC。

    AGND和DGND:模拟和数字地。

    INTR:中断请求信号输出引脚,当完成一次AD转换后该引脚为低电平,一般与单片机的中断信号相连。

    DB0~DB7:输出转换后的八位二进制结果。

    2 ADC0804的一般接法:

    ee9c6d9be06038dccbf8e6aa7f19c051.png

    Proteus仿真电路:

    cd3969cd8845969a958c93c28adfd57e.png

    3 ADC0804的工作时序:

    9419d4c5c676a507b8ff6067be2959c5.png

    启动转换时序

    先将CS置低电平,芯片开始工作,WR随后置低,经过一段时间的低电平之后,WR拉高,AD转换启动,经过1-8个A/D时钟周期后,模数转换完成,INTR引脚拉低,通知单片机本次转换完成。

    509bb62c69a5f2459de0810d43ee43ea.png

    数据读取时序

    当INTR为低电平时,先将CS置低,接着RD置低,经过一段时间后数字输出口上的数据达到稳态,此时单片机可以读取数据,读取完成后将RD拉高,最后将CS拉高。INTR自动变化,无需人为操作。一般在只有一片ADC0804芯片时候,可以一直将CS置低。

    4 仿真实现

    51单片机读取ADC0804数据的方式有两种,一种是通过不断扫描的方式读取;另一种是将ADC0804的INTR引脚接单片机的中断引脚,当AD转换完成后,通过外部中断的方式通知单片机读取数据。

    4.1 扫描的方式

    Proteus仿真电路图

    fdeea4e2d1e09a816d5bc1417fa2ab4d.png

    源代码:

    #include <reg51.h>
    #include <intrins.h>
    sbit CS=P3^5;
    sbit adrd=P3^7;
    sbit adwr=P3^6;
    unsigned char code display[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};
    unsigned char com[]={0x01,0x02,0x04,0x08};
    unsigned char num,num2=0,time[4]={0,0,0,0},val;
    float val2;
    unsigned int val3;
    
    
    void main()
    {
    	TMOD=0x01;
    	TH0=(65536-917)/256;		
    	TL0=(65536-917)%256;;		
    	EA=1;
    	ET0=1;
    	TR0=1;
    	CS=0;
    	while(1){
    	   adwr = 1;//
         _nop_();
         adwr = 0;//
    		_nop_();
         adwr = 1;//
     
         P1 = 0xff;//
         adrd = 1;//
         _nop_();
    		 adrd = 0;//
         _nop_();
         val = P1;//
         adrd = 1;//
     
    	  	val2=((val*1.0/255)*5.0);
    	  	val3=val2*1000;
    		  time[0]=val3/1000;
    			time[1]=val3%1000/100;
    		  time[2]=val3%100/10;
    			time[3]=val3%10;
     
     
    	}
    }
    
    void Timer0() interrupt 1
    {
      TH0 = (65536-917)/256;		
    	TL0 = (65536-917)%256;;	
    	num++;
    		if(num==10){		
    			num=0;
    			P0=~com[num2];
    		  P2=0xff;
    			if(num2==0)
    			{P2=display[time[num2]]|0x80;}
          else			
    		  {P2=display[time[num2]];}
    			num2++;
    			if(num2>=4)
    			num2=0;	
    		}
     
    }

    4.2 外部中断的方式

    Proteus仿真电路

    5357bd429a6589212ce308ece4a35348.png

    源代码:

    #include <reg51.h>
    #include <intrins.h>
    sbit CS=P3^5;
    sbit adrd=P3^7;
    sbit adwr=P3^6;
    unsigned char code display[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};
    unsigned char com[]={0x01,0x02,0x04,0x08};
    unsigned char num,num2=0,time[4]={0,0,0,0},val;
    float val2;
    unsigned int val3;
    
    void Delay50ms()		//@11.0592MHz
    {
    	unsigned char i, j, k;
    
    	_nop_();
    	_nop_();
    	i = 3;
    	j = 26;
    	k = 223;
    	do
    	{
    		do
    		{
    			while (--k);
    		} while (--j);
    	} while (--i);
    }
    
    
    void main()
    {
    	TMOD=0x01;
    	TH0=(65536-917)/256;		
    	TL0=(65536-917)%256;;		
    	EA=1;
    	ET0=1;
    	TR0=1;
     
     
      EX0=1;
    	IT0 = 0;
     
     
    	CS=0;
    	while(1){
    	   adwr = 1;//
         _nop_();
         adwr = 0;//
    		_nop_();
         adwr = 1;//
        Delay50ms();	
     
    	}
    }
    
    void Timer0() interrupt 1
    {
      TH0 = (65536-917)/256;		
    	TL0 = (65536-917)%256;;	
    	num++;
    		if(num==10){		
    			num=0;
    			P0=~com[num2];
    		  P2=0xff;
    			if(num2==0)
    			{P2=display[time[num2]]|0x80;}
          else			
    		  {P2=display[time[num2]];}
    			num2++;
    			if(num2>=4)
    			num2=0;	
    		} 
    }
    
    void Init0() interrupt 0
    {
         adrd = 1;//
         _nop_();
    	 adrd = 0;//
         _nop_();
         val = P1;//
         adrd = 1;//
     
    	   val2=((val*1.0/255)*5.0);
    	   val3=val2*1000;
    		 time[0]=val3/1000;
    		 time[1]=val3%1000/100;
    		 time[2]=val3%100/10;
    		 time[3]=val3%10;
    }
    展开全文
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    前言:AD转换就是模拟信号到数字信号的转换。顾名思义,就是把模拟信号转换成数字信号,其是数字信号处理等电路中经常用到的芯片,类似于是电路的“前端”。

    一、AD 转换原理

    我们想要了解一个器件,最好先掌握其大致原理。A/D转换器(ADC)是通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量包含:

    (1)电压、电流等电信号;

    (2)压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但这些非电信号必须经各种传感器将其转换成电压信号。

    目前,各个芯片厂商研发出了几种AD转换的方法,主要包括积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、压频变换型。

    (1)积分型

    积分型ADC是一种通过使用积分器将未知的输入电压转换成数字表示的一种模-数转换器。在它最基本的实现中,这个未知的输入电压是被施加在积分器的输入端,并且持续一个固定的时间段(所谓的上升阶段)。然后用一个已知的反向电压施加到积分器,这样持续到积分器输出归零(所谓的下降阶段)。这样,输入电压Vin的计算结果实际是参考电压Vref的一个函数,定时上升阶段时间和测得的下降阶段时间。

    具体来说,积分ADC是Q=CV=it的最直接的诠释。将被测电压Vin通过积分电阻R等比变换为电流i,并对电容C充电,直至电容两端电压达到Vref,充电时间为Tc,则i=-C·Vref/Tc,或者Vin反比于Tc。

    对于实际电路,积分ADC还具有一项问题,根据i=CVref/Tc,与i成比例的Vin不仅与Tc成反比,而且与C成正比。如果C变化,ADC的转换结果会成比例变化,从而造成单斜积分ADC对元件的强烈依赖性。

    除聚四氟乙烯介质外,几乎没有电容介质的介电常数具有理想的温度系数,即使使用聚四氟乙烯材料,其温漂仍很明显。实际的单斜积分ADC可通过测量Vref将电容的变化去除,但需要更长的测量时间,从而限制测量速度。

    实际上,电容的介质损耗才是更为棘手的因素,而且是所有积分型ADC无法回避的问题。对于电容而言,容量越小,电容参数越灵活,越易于控制介质损耗。但为获得足够的分辨率,尤其考虑积分时间t与Vin的反比关系,单斜积分ADC必须使用容量巨大的电容,因此电容的介质损耗在单斜积分ADC中尤其显著。

    (2)逐次逼近型

    逐次逼近型ADC由比较器、电阻分压网络和若干控制逻辑电路构成。原理是将一个等值电阻串放置在参考电压Vref和地之间,每个电阻端点电压都由开关引出,作为分段参考电压,用过开关控制,就可以按照二进制搜索算法,将相应分段参考电压送到比较器。逐次逼近型ADC控制信号线数量庞大,N为DAC需要2^N条单独的开关控制信号线,因此常常使用开关树的结构。如下图所示:

    简单说来,逐次逼近型ADC就是通过不停地切换分压电阻网络的开关来逐次比较输入电压与参考电压的大小关系,因此逐次逼近型ADC转换速度受到很大限制。

    (3)sigma-delta(∑-Δ)型

    Sigma-Delta ADC是一种目前使用最为普遍的高精度ADC结构,在精度达到20位以上的场合,Sigma-Delta是必选的结构。通过采用过采样、噪声整形以及数字滤波技术,降低对模拟电路的设计要求,实现了其他类型的ADC无法达到的高精度和低功耗。

    Sigma-Delta ADC的运作过程,就是把待测信号Vin与参考电压(±Vref)之间的差值进行不断的累积并通过反馈令这个差值趋于零。实质上ADC就是除法器。

      Dout=(Vin/Vref) * 2^n

    一个分辨率为n位的ADC完成了一个以Vref为除数的除法,并且把结果用n位二进制数来表达。

    Sigma-Delta最终实现的,与所有的ADC一样,就是完成除法。模拟集成电路中除法器是不可实现的,但是模拟电路可以非常好的实现加法和减法(用运放及模拟开关对电容进行充放电)。Sigma-Delta ADC正是用加法和减法去实现除法的一种方式。

    具体来说,如图2所示,Delta-Sigma ADC的工作原理是由差动器、积分器和比较器构成调制器,它们一起构成一个反馈环路。调制器以大大高于模拟输入信号带宽的速率运行,以便提供过采样。模拟输入与反馈信号(误差信号)进行差动(delta)比较。该比较产生的差动输出馈送到积分器(sigma)中。然后将积分器的输出馈送到比较器中。比较器的输出同时将反馈信号(误差信号)传送到差动器,而自身被馈送到数字滤波器中。

    这种反馈环路的目的是使反馈信号(误差信号)趋于零。比较器输出的结果就是1/0流。该流如果1密度较高,则意味着模拟输入电压较高;反之,0密度较高,则意味着模拟输入电压较低。接着将1/0流馈送到数字滤波器中,该滤波器通过降采样与抽样,将1/0流从高速率、低精度位流转换成低速率、高精度数字输出。

    例如,一个正弦波输入信号与比较器输出的码流所对应的波形如图3所示,输出码流随着输入信号幅值的变化而变化,当输入信号处于波峰位置时,输出码流1占大多数;当输入信号处于波谷位置时,输出码流0(图3中,以-1表示)占大多数;输入信号处于平衡位置时,输出码流1和0跳变激烈,各占50%。

    二、AD转换关键技术参数

    (1)分辨率(Resolution)

    指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量,定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度,通常以数字信号的位数来表示。定义满刻度于2^n的比值(n为AD器件位数)。对于5V满刻度,采用8位的AD时,分辨率为5V/256=0.01953V=19.53mv;当采用12位的AD时,分辨率则为5V/4096=0.00122V=0.122mv。位数越多,分辨率就越高

    (2)转换速率(Conversion Rate)

    转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD,逐次比较型AD是微秒级属中速AD,全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念,是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成,采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是Ksps和Msps,表示每秒采样千/百万次(Kilo / Million Samples Per Second)。

    (3)量化误差(Quantizing Error)

    由于AD的有限分辨率而引起的误差,即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD(理想AD)的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量,表示为1LSB、1/2LSB。

    (4)偏移误差(Offset Error)

    输人信号为雷时输出信号不为零的值,可外接电位器调至最小。

    (5)满刻度误差(Full Scale Error)

    满刻度输出时对应的输人信号与理想输人信号值之差。

    (6)线性度(Lineafity)

    实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移,不包括以上3种误差

    AD的其他指标还有绝对精度(Absolute Accuracy)、相对精度(Relative Accuracy)、微分非线性、单调性和无错码、总谐波失真(THD,Total Harmonic Distotortion)和积分非线性等。

    三、AD转换常用芯片

    (注:Diff是差分输入形式,SE是单端对地输入形式)

    四、常用DA电路方案

    下面分享的方案是基于TM7705的D/A转换电路。

    TM7705 是应用于低频测量的 2/3 通道的模拟前端。该器件可以接受直接来自传感器的低电平的输入信号,然后产生串行的数字输出。利用 Σ-Δ 转换技术实现了 16 位无丢失代码性能。选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端。片内数字滤波器处理调制器的输出信号。通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新速率,从而对数字滤波器的第一个陷波进行编程。

    TM7705 只需 2.7~3.3V 或 4.75~5.25V 单电源。 TM7705 是双通道全差分模拟输入, 带有一个差分基准输入。当电源电压为 5V、 基准电压为 2.5V 时, 该器件都可将输入信号范围从 0~+20mV 到 0~+2.5V 的信号进行处理。还可处理±20mV~±2.5V 的双极性输入信号,对于 TM7705 是以 AIN(-)输入端为参考点。当电源电压为 3V、基准电压为 1.225V 时,可处理 0~+10mV 到 0~+1.225V 的单极性输入信号,它的双极性输入信号范围是±10mV 到±1.225V。因此, TM7705 可以实现 2/3 通道系统所有信号的调理和转换。

    TM7705 是用于智能系统、微控制器系统和基于 DSP 系统的理想产品。其串行接口可配臵为三线接口。增益值、 信号极性以及更新速率的选择可用串行输入口由软件来配臵。该器件还包括自校准和系统校准选项,以消除器件本身或系统的增益和偏移误差。

    本方案为验证成功的ADC电路方案,包含电路原理图、PCB文件和BOM表,免费下载地址:

    微信公众号 硬件之家 后台回复 TM7705​​​​​​​ 获取下载链接

    硬件之家,技术向前。

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  • AD转换的一个硬件实现原理

    千次阅读 2018-09-29 11:43:36
    ADC的一个实现原理如下,也就是说利用PWM滤波后得到的电压值作为比较器的正端输入,而模拟输入作为比较器的负端输入,通过判断输出是高还是低,加上不断地改变比较器正端的输入电压(通过改变PWM的占空比),从而...

    ADC的一个实现原理如下,也就是说利用PWM滤波后得到的电压值作为比较器的正端输入,而模拟输入作为比较器的负端输入,通过判断输出是高还是低,加上不断地改变比较器正端的输入电压(通过改变PWM的占空比),从而界定出模拟输入电压的范围。

    据说,很多单片机采用了这种方法。

    举个例子,假设模拟输入为2V,假设PWM的高电平为5V,我们先使比较器正端的输入电压为2.5V,则输出为高,此时我们知道模拟输入小于2.5V,接着采用折半的方法继续验证,使比较器正端的输入电压为1.25V,此时输出为低,所以我们知道模拟输入大于1.25V,以此类推,我们会不断得到一个越来越精确的范围。具体精度受限于具体电路,所以也就有了很多单片机所说的具体多少位ADC(诸如10bit-AD等)了。

    下面进行仿真验证(采用软件multisim):

    (1)RC滤波效果如下:

    从图中我们可以知道,PWM方波(蓝色)经过RC滤波后,会得到一个直流电压(红色),由于此时PWM的占空比为50%,所以输出电压是PWM高电平的50%,要想改变输出电压的大小,只需要改变PWM的占空比即可(正比关系)。

    需要注意的是,通过仿真验证:提高R、C的值可以使输出的纹波变小,但是会使延时时间变长(也就是到达稳定电压的时间变长)。增加PWM的频率也可以使纹波变小,且目前没有发现对电路有什么不好的影响。

    (2)当正端输入(2.5V)比模拟输入高(2V)时,效果如下,此时输出为高(绿色)。

    (3)当正端输入(1.25V)比模拟输入低(2V)时,效果如下,此时输出为高(绿色)。

    (4)通过不断的判断输入的高低,不断的调整输入电压的范围,就可以得到越来越精确的范围。

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