1. 模數(shù)轉(zhuǎn)換
模數(shù)轉(zhuǎn)換充當(dāng)了模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換站,模擬信號(hào)因?yàn)槿菀资艿礁蓴_,信號(hào)處理時(shí)容易受到其他條件的限制,且不易存儲(chǔ)的特點(diǎn)。在實(shí)際處理經(jīng)常換成數(shù)字信號(hào)。在輸出時(shí),再又轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),典型的應(yīng)用就是D類功放。
在ADC信號(hào)鏈中至少包括5個(gè)部分:前端傳感器,信號(hào)調(diào)理,抗混疊濾波,輸入防護(hù),ADC。在模擬部分ADC是終端,在數(shù)字部分ADC是輸入端,因此ADC是鏈接模擬和數(shù)字信號(hào)的核心模塊。
2. ADC的工作原理
ADC完成了模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)ADC轉(zhuǎn)換的器件主要包括下面4個(gè)過程:采樣——保持——量化——編碼。
對(duì)應(yīng)的電路如下所示:
目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多類型的ADC,如果深入到ADC內(nèi)部的細(xì)節(jié)看,采樣和保持電路基本一樣,但是在量化和編碼方面卻存在非常大的區(qū)別。正式這種區(qū)別 ,才產(chǎn)生了類似SAR,pipeline等之類不同的ADC架構(gòu)。
2.1采樣定理
模擬信號(hào)隨時(shí)間連續(xù)變化,而數(shù)字信號(hào)是離散的,要得到轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)第一步就是獲取到模擬信號(hào),即對(duì)模擬信號(hào)采樣。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)無法做到隨時(shí)間連續(xù),所以只能間隔一定的時(shí)間對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行取樣。在單位時(shí)間對(duì)模擬信號(hào)采樣次數(shù),被稱為采樣率,單位是Kmps。
根據(jù)香濃定理,為了能將取樣信號(hào)還原成輸入的信號(hào)則必須滿足
其中fs是取樣頻率,fimax是輸入模擬信號(hào)的最高頻率分量的頻率。在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中,通常采樣頻率3~5倍的。
在采樣的過程中,通常會(huì)涉及到兩個(gè)定理容易被搞混淆,一個(gè)是香濃采樣定理,另外一個(gè)是奈奎斯特采樣定理。通常也成為奈奎斯特——香濃取樣定理。可以查閱相關(guān)的資料學(xué)習(xí)。
2.2 S/H保持電路
保持電路的核心就是將采樣后的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間,在這段時(shí)間內(nèi)信號(hào)要保持不變,能讓后級(jí)的數(shù)字電路完成量化和編碼。通常采用電容作為取樣后的保持器件。原理如下所示:
圖中的電容C即為保持電容。采樣開關(guān)和保持電容通常作為一個(gè)整體,成為S/H電路。A1和A2是兩個(gè)運(yùn)放,接成跟隨的形式。這兩個(gè)運(yùn)放在IC里面是真實(shí)存在的,A1是用來隔離前面的信號(hào),同時(shí)利用正向輸入電阻無窮大的特性。A2是用來隔離后面的信號(hào),利用輸出阻抗在20~50Ω的特性。兩邊都是運(yùn)放,把S/H電路夾在中間,可以降低噪聲。
根據(jù)前面采樣和保持電路的原理,可以對(duì)前兩個(gè)過程進(jìn)行仿真。
假設(shè)現(xiàn)在采樣的速率比較低,手動(dòng)就可以滿足條件,從下面的波形可以看出,紅色是原始波形,藍(lán)色是采樣到的信號(hào),存在較大的失真,也就是無法正常還原采樣的信號(hào)。
使用MOS管代替開關(guān)后,加入采樣的驅(qū)動(dòng)頻率,仿真的結(jié)果可以看出,紅色波形是輸入信號(hào),藍(lán)色是采樣后的信號(hào),基本上能將輸入信號(hào)進(jìn)行還原。
2.3?量化
量化是指將連續(xù)的模擬信號(hào)用有限個(gè)離散的數(shù)字信號(hào)近似化,量化后的模擬信號(hào)被劃分為有限個(gè)且具有相同幅度的階距的集合,如下圖所示。? ? ? ??? ? ?? ? ? ? ??
原始的模擬信號(hào)是連續(xù)無限的,用來量化的數(shù)字信號(hào)是離散有限的,那么在量化的過程中,會(huì)因?yàn)殡A距的數(shù)量有限,部分模擬信號(hào)會(huì)被同一個(gè)量化后的值代替。從上圖也可以看出,當(dāng)離散后的數(shù)字信號(hào)為某一定值是,此時(shí)的模擬信號(hào)是在連續(xù)變化,因此,被量化的原始信號(hào)和量化后的信號(hào)之間存在差值,這種差值就是量化誤差。
根據(jù)量化誤差的定義可知,假如我們用無窮多個(gè)離散值來量化模擬信號(hào),則每個(gè)階距就是一個(gè)點(diǎn),那么和原始信號(hào)幾乎就是一樣,沒有量化誤差,但實(shí)際并不可能存在,所以量化誤差存在的根本原因是量化時(shí)的所使用的分辨率是有限的。
分辯率(Resolution)和精度經(jīng)常被混淆。在初中物理我們學(xué)過,分辨率是用來描述刻度劃分,精度是用來描述準(zhǔn)確度。比如我們有兩個(gè)把直尺,都是10cm,一把直尺上面有100個(gè)小刻度,另外一把直尺上有10個(gè)刻度,那么前者的分辨率是1mm,后者的分辨率是1cm。顯然前者的分辨率要比后者高。在ADC中刻度的劃分使用數(shù)字信號(hào)的位數(shù)來表示,比如理想的8位ADC分辨率就不如18位的ADC。
精度表示測(cè)量值和真實(shí)值之間的誤差,或者說測(cè)量值偏離真值的幅度。使用兩個(gè)相同分辨率的ADC來測(cè)量同一個(gè)模擬量,測(cè)出的結(jié)果也不可能完全相同,在不考慮量化誤差的前提下,ADC本身會(huì)由于器件材料和工藝制程的影響,導(dǎo)致測(cè)量值偏離真實(shí)值。為了描述這種精度的大小,較長(zhǎng)使用的是絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度:用電壓分辨率(LSB)的倍數(shù)表示,如 ± 1/1LSB 、± 1LSB 等。相對(duì)精度 :用絕對(duì)精度除以滿量程值的百分?jǐn)?shù)表示 。
量化編碼的不同導(dǎo)致不同ADC的類型。
2.4 編碼
編碼是ADC內(nèi)部轉(zhuǎn)換的最后一個(gè)過程,將量化后的結(jié)果,用二進(jìn)制或者其他進(jìn)制的形式表示出來,就是編碼的過程。經(jīng)過編碼后,原始的模擬信號(hào)成為了數(shù)字信號(hào)。編碼的本質(zhì)是輸出一串?dāng)?shù)字代碼,這個(gè)代碼會(huì)盡可能的接近當(dāng)前采樣到的模擬值。因此,使用哪種方式進(jìn)行量化,將決定編碼的規(guī)則。
現(xiàn)在有一個(gè)3位的ADC,對(duì)輸入0~1V的電壓進(jìn)行量化編碼,其過程如下。
3位ADC則可以將輸入信號(hào)進(jìn)行8等階距的量化。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
從量化的過程可以看出,當(dāng)輸入的電壓在0~1/8V之間的任意一個(gè)模擬值時(shí),此時(shí)輸出的編碼均是000,在1/8~2/8V之間的任意電壓時(shí),此時(shí)輸出編碼值均為001。那么這個(gè)量化過程引入最大的量化誤差為1/8V,也就是量化時(shí)等階距的值,一個(gè)1LSB。隨著分辨率的增加,可以將模擬量量化為多位,因此分辨率增加,量化誤差可以減少。
隨著數(shù)字電路的發(fā)展,ADC其實(shí)大多數(shù)人用的越來越少,并不是因?yàn)锳DC不用了,而是上游的芯片公司把ADC做到了芯片里面,直接以數(shù)字信號(hào)進(jìn)行輸出。但是無論是分離式的信號(hào)鏈,還是集成在芯片內(nèi)部,ADC的整體框架沒有變。
審核編輯:湯梓紅
評(píng)論
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