1、第4章 模/数转换器第 4 章 模/数转换器4.1 4.1 A/D A/D 转换原转换原理理4.2 4.2 A/DA/D转转换器的性能指换器的性能指标标4.3 4.3-A/D-A/D 转换转换器器4.4 16 4.4 16 位高精位高精度度A/DA/D芯芯片片 AD7705AD7705第4章 模/数转换器模/数(A/D)转换器是数据采集系统的核心，担负着将由传感器送来的模拟信号变换成适合于计算机数字处理的二进制代码的任务。A/D 转换器的性能在很大程度上决定了数据采集系统的性能。现在 A/D 转换器的功能已经集成化，构建数据采集系统首先要考虑选用何种 A/D 芯片。本章重点介绍 A/D 的基本
2、概念、主要参数，并结合 AD7705 芯片介绍目前较为流行的-A/D 技术。第4章 模/数转换器4.1 A/D 转换原理转换原理A/D 转换的常用方法有:计数式 A/D 转换、逐次逼近型 A/D 转换、双积分式 A/D 转换、并行 A/D 转换和串/并行 A/D 转换等。在这些转换方式中，计数式 A/D 转换线路比较简单，但转换速率比较慢，所以现在很少应用。双积分式 A/D 转换精度高，多用于数据采集系统及精度要求比较高的场合。并行A/D 转换和串/并行 A/D 转换速度快。逐次逼近型 A/D 转换具有较高的转换速度，又有较好的转换精度，是目前应用最多的一种 A/D 转换。第4章 模/数转换器
3、逐次逼近型 A/D 转换器的原理如图 4.1 所示。逐次逼近的转换方法是用一系列的基准电压同输入电压比较，以逐位确定转换后数据的各位是 1 还是 0，确定次序是从高位到低位进行。逐次逼近型 A/D 转换器由电压比较器、D/A 转换器、控制逻辑电路、逐次逼近寄存器和输出缓冲寄存器组成。在进行逐次逼近转换时，首先将最高位置 1，这就相当于取最大允许电压的 1/2 与输入电压比较，如果搜索值在最大允许值的 1/2 范围内，那么最高位置0，此后次高位置 1，相当于在 1/2 范围中再做对半搜索。如果搜索值超过最大允许电压的1/2 范围，那么最高位和次高位均为 1，这相当于在另一个 1/2 范围中再做对
4、半搜索。因此，逐次逼近法也称为二分搜索法或对半搜索法。第4章 模/数转换器图 4.1 逐次逼近型 A/D 转换器的原理第4章 模/数转换器4.2 A/D 转换器的性能指标转换器的性能指标1.分辨率分辨率分辨率是相应于最低二进位(LSB)的模拟量值。它规定为 A/D 转换器能够区分的模拟量的最小变化值。因为能够分辨的模拟量值取决于二进制位数，所以通常用位数表示分辨率，如 4 位、8 位、12 位等。现在，A/D 芯片可支持的分辨率已高达 24 位，如美国CRISTAL 公司的 CS5524 芯片。第4章 模/数转换器图 4.2 是 4 位 A/D 转换器的转换特性，满度电压为 10V，因为 1L
5、SB=10/(24)=0.625V，所以 4 位 A/D 转换器的分辨率在满量程为 10V 时是 0.625V。2.转换时间转换时间转换时间指的是从发出启动转换命令到转换结束，得到稳定的数字输出量为止的时间。第4章 模/数转换器图 4.2 4 位 A/D 转换器的转换特性第4章 模/数转换器3.量化误差量化误差A/D 转换是将连续的模拟量转换为离散的数字量，对一定范围连续变化的模拟量只能反映成同一个数字量。A/D 转换器总存在 1/2LSB 的量化误差，这个误差是量化过程不可避免的。例如在图 4.2 中，6.875-1/2(0.625)6.875+1/2(0.625)范围内所反映的数字量都是
6、1011。第4章 模/数转换器4.精度精度精度指量化误差和附加误差之和。A/D 转换器除了量化误差外，还有其他因素引起的误差，如非线性引起的误差，这种附加误差的总和称为总不可调误差，实际上就是 A/D 调整到最精确情况下还存在的附加误差。第4章 模/数转换器4.3-A/D 转换器转换器4.3.1-调制器调制器-A/D 技术能采用较简单的结构及低成本来获得较高频率分辨率。-A/D 技术已经成为一种流行的技术，其基本原理是利用反馈环来提高粗糙量化器的有效分辨率并整形其量化噪声。-A/D 技术最早是在 20 世纪中期提出的，近 20 年由于超大规模集成电路技术的发展才逐渐得到应用。目前，这一技术已被
7、广泛应用于数字音频、数字电话、图像编码、通信时钟振动及频率合成等许多领域。第4章 模/数转换器-转换器是一种简单的 1 位 A/D 转换器，该 A/D 转换器以极高的过采样速率(Over-Sampling)运行，以获得高精度。输入信号的数值大小取决于 1 在高速 0/1 位流中所占的百分比。该转换器的核心部件为-调制器，如图 4.3 所示。第4章 模/数转换器图 4.3-调制器的原理第4章 模/数转换器-调制器是一个可使输出端数字 1 的平均数量与输入信号 V IN 的幅值保持等比例的闭环系统。负反亏环路为实现平衡而进行不断的调整，在这个过程中-调制器按如下逻辑工作:在调制器启动时，积分器输出
8、较低，因此比较器将 D/A 转换器输出设置为 0，并发送一个 0 至数据流中。请注意，这只是发送至下一个级的第一个位，可能不是最终数据字码的 MSB。第4章 模/数转换器 施加到积分器的电压为 V IN 和 V REF 之间的差。当 D/A 转换器输出为 V REF 时，如果模拟输入 V IN 值较大，那么施加到积分器的差分信号就较大。因此，必须在积分器处积累多个采样，以使其输出能够超过比较器阈值。当积分器输出超过比较器开关点时，下一位将变为 1，并通过锁存器，这会使 D/A转换器输出电压 V REF。这时 输出为负(因为 V IN 总小于 V REF)，这就会导致从积分器中减少电荷。但因为
9、V IN 较大，V REF 与 V IN 之差较小，这个消减过程较长，造成比较器输出 1 的个数较多。第4章 模/数转换器 当积分器输出电压小于 0 时，比较器输出为 0，这时 D/A 转换器输出也为-V REF，输出为正，但由于 V IN较大，输出 0 的时间不长，当积分器超过 0 时，A/D 转换器又会输出 1。相反如果 V IN较小，电压(V REF-V IN)将会较大，消减过程较短，造成比较器输出 1的个数较少。对比较器输出进行采样，同时以时钟时间为基础对 D/A 转换器进行刷新。第4章 模/数转换器该循环不断进行并使位流中 1 的百分比相当于 V IN与满量程电压 V REF的百分比
10、。如果V IN为 0 的一半，那么位流将包含相等数量的 1 和 0。在其他一些应用中，这种输出流编码被称为脉冲比例调制(PPM)。-调制器各环节的输出信号参见图 4.4。第4章 模/数转换器图 4.4-调制器各环节的输出信号第4章 模/数转换器4.3.2 滤波器和选抽器滤波器和选抽器上面所描述的-调制器需后接一个数字低通滤波器以及一个选抽器。设计滤波器的目的是从 0/1 数码流中提取信号信息。滤波器一般采用 Sinc3型滤波器，它的频域响应为式中，N 为调制时钟 clock 的频率，f s 为对信号的采样频率。Sinc3型滤波器的频率响应如图 4.5 所示，其中设采样输出频率为 60Hz。第4
11、章 模/数转换器图 4.5 Sinc3 型滤波器频率响应第4章 模/数转换器Sinc3型滤波器的频率响应近似于理想的加窗滤波器，起到均滑滤波的作用。在这里，Sinc3型滤波器的作用是平均 0/1 数码流，获取信号的采样值，同时抑制 1 位 A/D 转换器的采样噪声，达到提高分辨率的作用。另外，Sinc3型滤波器具有梳状陷波性质，所以可以用于去除如 50Hz 或 60Hz 的工频干扰。因为-输出的码率很快，一般达到几兆或几十兆的水平，而被测信号的频率一般不高，在几十赫兹到几千赫兹的水平，所以要设计选抽器用来降低码率，使 A/D 转换器的输出速率降低到一个合理范围。选抽器的频率可依照选抽比由时钟
12、clock 的信号分频得到。第4章 模/数转换器4.3.3 高阶高阶-调制器调制器在一阶-调制器的基础上，通过增加积分环节建立高阶-调制器。图 4.6 是二阶-调制器的结构图。图 4.6 二阶-调制器的结构第4章 模/数转换器在图 4.6 中，经理论分析可以证明增加一个积分环节可以起到如下作用:在保持相同采样精度的条件下，可以降低时钟频率。在相同时钟频率下，可以提高 A/D 转换器的采样位数。在其他条件都不变的情况下，可以提高 A/D 转换器的采样带宽。第4章 模/数转换器一般的-A/D 芯片都支持二阶以上的-调制器。图 4.7 列出了不同阶-调制器的信噪比，其中 05 分别代表 05 阶-调
13、制器。可见阶数越高，相同信噪比下的过采样率越高。一般在音频采样应用中使用 5 阶的-调制器，极大地降低了对过采样率的依赖。第4章 模/数转换器图 4.7 不同阶-调制器的信噪比(SNR)和过采样率之间的关系第4章 模/数转换器4.4 16 位高精度位高精度 A/D 芯片芯片 AD77054.4.1 AD7705 概述概述AD7705 是 AD 公司推出的 16 位-A/D 转换器，其结构如图 4.8 所示。AD7705 包括由缓冲器和增益可编程放大器(PGA)组成的前端模拟调节电路、-调制器、可编程数字滤波器等部件。AD7705 能直接将传感器测量到的多路微小信号进行 A/D 转换。这种器件还
14、具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点。第4章 模/数转换器图 4.8 AD7705 内部结构图第4章 模/数转换器AD7705 采用三线串行接口，有两个差分输入通道，能达到 0.003%非线性的 16 位无误码数据输出，其增益和数据输出更新率均可编程设定，还可选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方式。工作电压为 3V 或 5V。3V 电压时，最大功耗为 1mW，等待模式下电源电流仅为 8 A。AD7705 是完整的 16 位 A/D 转换器。若外接晶体振荡器、精密基准源和少量去耦电容，即可连续进行 A/D 转换。它采用了成本较低但能获得极高分辨率的-转换
15、技术，可以获得 16 位无误码数据输出。这一点非常符合对分辨率要求较高但对转换速率要求不高的应用，如数字音频产品和智能仪器仪表产品等。第4章 模/数转换器AD7705 包括两个差分模拟输入通道。片内的增益可编程放大器 PGA 可选择 1、2、4、8、16、32、64、128 八种增益之一，能将不同摆幅范围的各类输入信号放大到接近 A/D 转换器的满标度电压再进行 A/D 转换，这样有利于提高转换质量。当电源电压为 5V、基准电压为 2.5V 时，器件可直接接收 020mV 和 02.5V 摆幅范围的单极性信号以及 20mV 和 02.5V 范围的双极性信号。必须指出:这里的负极性电压是相对 A
16、IN(-)引脚而言的，这两个引脚应偏置到恰当的正电位上。第4章 模/数转换器在器件的任何引脚施加相对于 GND 为负电压的信号是不允许的。输入的模拟信号被 A/D 转换器连续采样，采样频率 f s 由主时钟频率 f CLK 和选定的增益决定。增益(16128)是通过多重采样并利用基准电容与输入电容的比值共同得到的。AD7705 的管脚及说明如图 4.9 和表 4.1 所示。第4章 模/数转换器图 4.9 AD7705 管脚图第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器图 4.10 为 AD7705 的基本应用连接参考图，其中 AD780 为稳压芯片，用来为 AD7705提供参考电压。第4章 模/数
17、转换器图 4.10 AD7705 的基本应用连接参考图第4章 模/数转换器4.4.2 AD7705 寄存器寄存器片内寄存器 AD7705 包括 8 个寄存器，均通过器件串行口访问。第 1 个是通信寄存器，它的内容决定下一次操作是对哪一个寄存器进行读操作还是写操作，并控制对哪一个输入通道进行采样。所有与器件的通信都必须先写通信寄存器。上电或复位后，器件默认状态为等待指令数据写入通信寄存器。它的寄存器选择位RS 2 RS 0 确定下次操作访问哪一个寄存器，而输入通道选择位 CH 1、CH 0 则决定对哪一个输入通道进行 A/D 转换或访问校准数据。第4章 模/数转换器第 2 个是设置寄存器，它是一
18、个可读/写 8 位寄存器，用于设置工作模式、校准方式和增益等。第 3 个是时钟寄存器，它也是一个可读/写的 8 位寄存器，用于设置有关 AD7705运行频率参数和 A/D 转换输出更新速率。不管是校准还是数据 A/D 转换，设置寄存器的数字滤波器同步位 FSYNC 都要置为 0，这样 AD7705 的校准或者数据 A/D 转换工作才能进行，否则校准和 A/D 转换不会进行，DRDY 信号也不会变低。当 FSYNC=0 时，在校准或 A/D 转换结束后 DRDY 信号将变低，此时可以读取校准系数或者数据寄存器。第4章 模/数转换器第 4 个是数据寄存器，它是一个 16 位只读寄存器，它存放 AD
19、7705 最新的转换结果。值得注意的是，数据寄存器实际上是由两个 8 位的存储单元组成的，输出时 MSB 在前，如果接收微控制器需要 LSB 在前，例如 8051 系列，读取时应该分两次读，每次读出 8 位分别倒序，而不是整个 16 位倒序。其他的寄存器分别是测试寄存器、零标度校准寄存器、满标度校准寄存器等，用于测试和存放校准数据，可用来分析噪声和转换误差。第4章 模/数转换器AD7705 提供自校准和系统校准两种功能选择。每当环境温度和工作电压发生变化，或者器件的工作状态改变(如输入通道切换、增益或数字滤波器频率变动和信号输入范围变化等)任一项发生时，必须进行一次校准。对于自校准方式，校准过
20、程在器件内部一次完成。AD7705 内部设置 AIN(+)端和 AIN(-)端为相同的偏置电压，以校准零标度;满标度校准是在内部产生的 V REF 电压和选定的增益条件下进行的。第4章 模/数转换器系统校准则是对整个系统增益误差和偏移误差，包括器件内部误差进行校准。在选定的增益下，先后在外部给 AIN(+)端施加零标度电压和满标度电压，校准零标度点，然后校准满标度 点。根据 零标度和满 标度的校准 数据，片内 的微控制器 计算出转换 器的输入/输出转换函数的偏移和增益斜率，对误差进行补偿。第4章 模/数转换器4.4.3 AD7705 微控制器接口微控制器接口AD7705 采用 SPI/QSPI
21、(SPI 的介绍见第 9 章)兼容的三线串行接口，能够方便地与各种微控制器连接，也比并行接口方式大大节省了 CPU 的 I/O 口资源。在图 4.11 所示的电路中，采用 8XC51 控制 AD7705。AD7705 的 CS 接低电平。串行输入/输出通过上拉电阻接到 V DD。DRDY 的状态可以通过专门的 IO 线来监视，也可通过访问通信寄存器的 DRDY 位来判断以节省一个 I/O 口。第4章 模/数转换器该应用中采用同一个电源来产生传感器桥路激励电压和 AD7705 的基准参考电压，所以在电压变化时它们所受到的影响比例相同，不会产生系统误差，因此降低了对电压稳定性的要求。当数字接口通信
22、发生故障时，可以通过向 DATAIN 持续输入 32 个脉冲周期以上的高电平来复位 AD7705 的数字接口。复位之后要等待 500 s 以上才能访问 AD7705 芯片。这种复位方式不会影响 AD7705 内部的任何寄存器，所有的寄存器将保持复位之前的内容，而芯片管脚 RESET 的复位将使片内所有的寄存器恢复到上电时的默认值。所有的寄存器在数字接口故障的状态下内容是不确定的，因此建议在复位之后重新设置 AD7705 内部所有的寄存器，防止错误。第4章 模/数转换器4.4.4 AD7705 应用示例应用示例AD7705 具有较高的分辨率、可靠性和较低的成本，非常适合仪表测量、工业控制等领域的
23、应用。图 4.12 为 AD7705 用于压力和温度测量的电路图。其中 AIN 1 路 AD 接压力传感器，AIN2 路 AD 接热电耦。REFIN(+)通过 24k 和 15k 的电阻得到参考电压，幅值为 1.92V。因为参考电压和供电电压同源，参考电压会随着电源的变化而变化，所以电压的扰动不会影响 AD 采样结果。第4章 模/数转换器图 4.12 AD7705 温度和压力测试电路第4章 模/数转换器需要注意的是，对热电耦的测量中，由于 AIN2的前端接了较大的电容(过滤干扰)，因此 AD 应处于缓冲模式(BufferedMode)，以提高 AD 的阻抗。因为当使能缓冲模式时，AD7705
24、会在模拟输入端和 AD 转换器之间接入一个缓冲器(其实是一个片内缓冲放大器)，这样 AD7705 就能适应模拟输入前端信号源的阻抗、器件参数(电阻电容)的变化、温度环境的变化等各 种与系统校准时不一致的情况(即器件工作条件的变化)。所以，AD7705 的校准和正常工作最好都要在缓冲模式下进行。第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章
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30、 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章 模/数转换器第4章
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