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  • AD转换器工作原理

    2013-07-08 14:40:00
    AD转换器工作原理
  • 点击【集成电路 | AD数模转换器工作原理】获得视频讲述,接下来芯仔用文字来为大家介绍【AD数模转换器工作原理】吧~AD数模转换集成电路是个什么东西?顾名思义转换就是用于转换,那么转换什么呢?转换抽象的如...

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    点击【集成电路 | AD数模转换器的工作原理】获得视频讲述,接下来芯仔用文字来为大家介绍【AD数模转换器的工作原理】吧~

    AD数模转换集成电路是个什么东西?

    顾名思义转换就是用于转换,那么转换什么呢?

    转换抽象的如物理量,如温度、压力、速度等都是模拟量;转换为数字量,就是转换为计算机能读懂的语言,输入到计算机中,那么计算机才能对它进行处理。此处的数模转换集成电路起到一个翻译的功效。

    数模转换集成电路是直接就可以将模拟信号转换为数字信号吗?

    当然不是的,这中间是经过一定的努力的。AD转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。转换器强大的地方,在于这4个过程不需要人为干预,整个转换器电路已经设计好服务你的了。可以在电路中输入模拟信号,在输出端则可将数字信号直接转换到我们的MCU单片机集成电路中。

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    那么,哪些地方决定你的AD数模转换集成电路是否足够强悍呢?

    emm...首先呢,AD数模转换集成电路的位数有4位、8位、12位等,高的24位都有;位数越高能表达的数字就越多,表达的数字越多,那么它的精密度就越高。

    另外衡量一颗数模转换集成电路能力的重要指标是它的转换速度——采样的速度必须跟量化与编码的速度一样,不然采样的东西还没有转换完成就会造成堵塞,所以这时候转换速度就变得很重要啦。

    举个例子——

    例:TAC549这颗转换器,它的转换速率是40kSPS,意思就是它一秒钟可以进行40000次的采样。

    当然啦,数模转换器的能量还不止于此。有些转换芯片,除了可以采集数据外,还能同时采取数据点高达6处。可谓是八爪鱼式工作法,功能强大啊。

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  • AD转换 AD转换就是模数转换。顾名思义,就是把模拟信号转换成数字信号。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、电容阵列逐次比较型及压频变换型。 A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟...

    AD转换

      AD转换就是模数转换。顾名思义,就是把模拟信号转换成数字信号。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、电容阵列逐次比较型及压频变换型。

      A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号,也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前,输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。

      原理

      A/D转换后,输出的数字信号可以有8位、10位、12位、14位和16位等。A/D转换器的工作原理主要介绍以下三种方法:逐次逼近法双积分法电压频率转换法 A/D转换四步骤:采样、保持、量化、编码。

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      AD转换分类

      1)积分型(如TLC7135)

      积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率),然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率, 但缺点是由于转换精度依赖于积分时间,因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型,现在逐次比较型已逐步成为主流。

      2)逐次比较型(如TLC0831)

      逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成,从MSB开始,顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较,经n次比较而输出 数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低,在低分辩率(《12位)时价格便宜,但高精度(》12位)时价格很高。

      3)并行比较型/串并行比较型(如TLC5510)

      并行比较型AD采用多个比较器,仅作一次比较而实行转换,又称FLash(快速)型。由于转换速率极高,n位的转换需要2n-1个比较器,因此电路规模也极大,价格也高,只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。

      串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间,最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成,用两次比较实行转换,所以称为 Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级(MulTIstep/Subrangling)型AD,而从转换时序角度 又可称为流水线(Pipelined)型AD,现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高,电路 规模比并行型小。

      4)Σ-Δ(Sigma?/FONT》delta)调制型(如AD7705)

      Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型,将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号,用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化,因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。

      5)电容阵列逐次比较型

      电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式,也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致,在单芯片上生成高 精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列,可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。

      6)压频变换型(如AD650)

      压频变换型(Voltage-Frequency Converter)是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率,然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加,只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低,但是需要外部计数电路共同完成AD转换。

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      AD转换中参考电压的作用

      参考电压是这个样子的,假如你选择的参考电压是5v,你的ad是12位的,那么当你的输入电压是5v的时候你的单片机的显示应该是4095 ,如果是0v的输入那单片机里面的值就是0 ,中间点的值成线性关系,就是说假如你的输入是m,那单片机单片机的值就是4096*m/5,这样反过来你知道了单片机的值就可以算出你的输入是多少了!

      还有在信号地和模拟地之间加上一个电感是为了去干扰,就像在vcc和GND之间用电容一样。

      ad转换时的参考电压是内部T行网络的标准电压,参考电压可以认为是你的最高上限电压(不超过电源电压),当信号电压较低时,可以降低参考电压来提高分辨率。改变参考电压后,同样二进制表示的电压值就会不一样,最大的二进制(全1)表示的就是你的参考电压,在计算实际电压时,就需要将参考电压考虑进去。参考电压的稳定性对你的系统性能有很大的影响。

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  • 单片机系统内部运算时用的全部是数字量,即0和1,因此对单片机系统而言,我们无法直接操作模拟量,必须将模拟量转换成数字量。所谓数字量,就是用一系列0和1组成的一进制代码表示某个信号大小的量。用数字量表示同一个...

    单片机系统内部运算时用的全部是数字量,即0和1,因此对单片机系统而言,我们无法直接操作模拟量,必须将模拟量转换成数字量。所谓数字量,就是用一系列0和1组成的一进制代码表示某个信号大小的量。用数字量表示同一个模拟量时,数字位数可以多也可以少,位数越多则表示的精度越高,位数越少表示的精度就越低。

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    比如上图中正弦波模拟量,我们可以用一个0000~-1111位二进制数字量来表示它,5位二进制数最多只能有32种组合形式,因此需把这个正弦波最大值与最小值之间分成32等分,每一等分用一组5位二进制数来表示。很显然,如果用32等分数字量表示这个模拟量的话,任意两相邻等分之间的模拟量我们便无法表示出来,唯有增加等分,也就是再增加数字量的位数才可表示出来。因此,若要用数字量完全表示一个模拟量的话,其数字量位数就为无穷多位。但若要设计出这样的硬件,现在的技术还无法完成。单片机在采集模拟信号时,通常都需要在前端加上模拟量/数字量转换器,简称模/数转换器,即常说的A/D (Analog to Digital)芯片。下面来看看AD的原理吧。

    在A/D转换器中,因为输入的模拟信号在时间上是连续的,而输出的数字信号代码是离散的,所以A/D转换器在进行转换时,必须在一系列选定的瞬间(时间坐标轴上的一些规定点上)对输入的模拟信号采样,然后再把这些采样值转换为数字量。因此,一般的A/D转换过程是通过采样保持、量化和编码这三个步骤完成的,即首先对输入的模拟电压信号采样,采样结束后进入保持时间,在这段时间内将采样的电压量转化为数字量,并按一定的编码形式给出转换结果,然后开始下一次采样。模拟量到数字量转换过程如下。

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    1. 采样定理

    可以证明,为了正确无误地用下图中图1所示的采样信号vs表示模拟信号v,必须满足:

    F≧2Fimax (1)·

    式中,后为采样频率, Fimax为输入信号v的最高频率分量的频率。上式就是所谓的采样定理。在满足采样定理的条件下,可以用一个低通滤波器将信号vs还原为v,这个低通滤波器的电压传输系数|A(f)|在低于Fimax的范围内应保持不变,而在Fs-Fimax以前应迅速下降为零,如图b所示。因此,采样定理规定了A/D转换的频率下限。

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    因此, A/D转换器工作时的采样频率必须高于式(1)所规定的频率。采样频率提高以后,留给A/D转换器每次进行转换的时间也相应缩短了,这就要求转换电路必须具备更快的工作速度。因此,不能无限制地提高采样频率,通常取fs=(3~5)fm已经能够满足要求。因为每次把采样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间,所以在每次采样以后,必须把采样电压保持一段时间。可见,进行A/D转换时所用的输入电压,实际上是每次采样结束时的V值。

    2.量化和编码

    我们知道,数字信号不仅在时间上是离散的,而且数值上的变化也不是连续的。这就是说,任何一个数字量的大小,都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的。因此,在用数字量表示采样电压时,也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数,这个转化过程就叫做量化。所规定的最小数量单位叫做量化单位,用A表示。显然,数字信号最低有效位中的1表示的数量大小,就等于A。把量化的数值用二进制代码表示,称为编码。这个二进制代码就是A/D转换的输出信号。既然模拟电压是连续的,那么它就不一定能被A整除,因而不可避免地会引入误差,我们把这种误差称为量化误差。在把模拟信号划分为不同的量化等级时,用不同的划分方法可以得到不同的量化误差。假定需要把0~+1V的模拟电压信号转换成三位二进制代码,这时便可以取A=(1/8) V并规定凡数值在0~ (1/8) V之间的模拟电压都当做0× A看待,用二进制的000表示:凡数值在(1/8) ~ (2/8) V之间的模拟电压都当做1× A看待,用二进制的001表示, ,如图(a)所示。不难看出,最大的量化误差可达A,即(1/8) V.

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    为了减少量化误差,通常采用图(b)所示的划分方法,取量化单位A=(2/15) v,并将000代码所对应的模拟电压规定为0~(1/15) v,即0~A/2,这时,最大量化误差将减少为A/2=(1/15) V。这个道理不难理解,因为现在把每个二进制代码所代表的模拟电压值规定为它所对应的模拟电压范围的!

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  • DCDC转换器就是将动力电池组高电压转换为恒定12V或者14V、24V低电压, 既能给全车电器供电,又能给辅助蓄电池充电的设备。DCDC转换器在纯电动汽车上的功能就相当于发电机和调节器在传统燃油车...
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    纯电动汽车,顾名思义是以动力电池组电能为动力的汽车,除了动力电池组、电机、电机控制器等之外, 全车电气与传统燃油车无明显区别。更多新能源汽车资讯在“优能工程师”,由易到难,由浅入深,全方位学习,维信馆主。

    DCDC转换器就是将动力电池组高电压转换为恒定12V或者14V、24V低电压, 既能给全车电器供电,又能给辅助蓄电池充电的设备。DCDC转换器在纯电动汽车上的功能就相当于发电机和调节器在传统燃油车上的功能。

    一、DCDC转换器的拓扑结构

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    双管正激变换器拓扑结构

    双管正激变换器的特点

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    1、MOSFET 同时导通,每个MOSFET承受一倍直流输入电压,不会出现漏感尖峰,漏感尖峰始终被钳位在Vin;

    2、没有漏感能量,开关管导通时,存储于漏感中的所有能量不是消耗于电阻元件或功率开关管内,而是在开关管关断时通过续流二极管D1,D2回馈给Vin;

    3、占空比最大0.5,开关管关断时,Np上的反向电压与导通时的正向电压相等;

    4、若最大导通时间不超过半周期的80 %,使下半周期开始前有20 %的余量,则磁芯总能成功复位,因此不需要复位回路;选择足够大的次级匝数,使Vin最小时次级电压峰值与最大占空比0.4的乘积等于所需要的电压,就可以成功复位。

    5、输出功率更高;

    二、开关电源的几种过载保护模式

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    ①表示电流下垂型,也就是折返型;

    ②表示恒流型;

    ③表示恒功率型。

    电源作为一切电子产品的供电设备,除了性能要满足供电产品的要求外,其自身的保护措施也非常重要,如过压、过流、过热保护等。一旦电子产品出现故障时,如电子产品输入侧短路或输出侧开路时,则电源必须关闭其输出电压,才能保护功率MOSFET和输出侧设备等不被烧毁,否则可能引起电子产品的进一步损坏,甚至引起操作人员的触电及火灾等现象,因此,开关电源的过流保护功能一定要完善。

    1、输出恒流式限制

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    一个纯电阻负载可以描述为一根直线,在无负载即电阻无穷大时,负载线是垂直的。当负载电阻发生变化时,这根直的负载线将会以原点为中心,顺时针旋转,当短路时,其电阻为零,负载线成水平位置。

    如上图,负载从R1增加至R3,电流增大,电压不变,曲线沿着P1-P2-P3变化,这就是电源在正常工作范围下的电流和电压变化曲线。

    一旦电流达到P3点,就不允许继续增加。当负载继续向零的方向下降时,输出电流仍然保持在一个恒定值,同时电压必须向零的方向下降, 即P3-P4曲线。但是这个区域常常不能确定,工作点在负载为R4时的P4-P4范围中的某一点,变动可达20%。

    2、折返输出电流限制

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    如上图,当负载电流从零增大时,其输出电压仍然保持在5V。但是当电流值增大到Imax的限流值并到P2点时,如果再减少负载电阻(而增大负载),就会引起电压和电流的下降。因此在短路的情况下,输出端只输出小电流Isc。

    3、其他过载保护类型

    (1)原边超功率限制:这种形式的超功率限制,其原边功率常常受到监视,若负载存在超过设定最大值的趋势,通过限制输入功率方法可以阻止功率进一步增大。

    (2)超功率延时关断保护:如果负载功率超过预定的最大值,其持续时间也超过规定的安全工作时间,那么电源就会被关断停止供电,同时输入电源的开关周期也会被复位到正常工作状态。但这种保护模式通常应用于软盘驱动器和螺线管驱动器。

    (3)逐个脉冲的超功率或过电流限制:副边限流保护中经常采用此技术。逐个快速脉冲限流技术的主要优点就是响应速度快。电流型控制器(如UC2845)就是以此为技术的。

    (4)恒功率限制:恒定输入功率功率限制通过限制最大传输功率来保护原边电路。但是在反激变换器中,这种技术几乎不能保护副边输出元件。这种形式的功率限制一般只作为某些限制的补充,如副边限流这种补充限制的电路中。

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