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模数转换器

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  • 发布时间:2015/5/29 10:32:57
  • 作者:银河电气
定义
根据《GB/T 2900.56-2008 电工术语 控制技术》的定义,模数转换器(Analog-to-digital converter,ADC,A/D,AD)是指将模拟输入信号转换成数字输出信号的转换器。
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与模数转换器相关的定义

01采样

  采样也称取样,指把时间域或空间域的连续量转化成离散量的过程。模数转换器每隔一定的时间间隔对连续信号采样,得到当时时间点上连续信号的离散值,也就是连续信号转换为离散信号。

02量化编码

  模数转换器将采样得到的离散信号转换为幅值量化的数字信号。通常,我们所说的“采样”是指采样和量化结合的过程。

03采样频率

  采样频率表示数字信号采样自模拟信号的速率,对模拟信号采样的频度。它代表了离散信号在和时域和空间域上的精确度。

04采样定理

  采样定理是指在进行模拟数字信号的转换过程中,当采样频率大于信号中最高频率(信号带宽)的2倍时,采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。
  采样得到的数字信号是对模拟信号的不完全描述,两次采样点之间的模拟信号是未知的。如果采样频率高于模拟信号变化的频率,那么可以假定两次采样点之间的模拟信号的值是介于这两次采样值,但是如果采样频率低于模拟信号变化的频率,那么假设是不成立的。
  所以采样定理确定了信号最高频率的上限,或能获取连续信号的所有信息的采样频率的下限。

05混叠

  如果信号带宽高于或等于奈奎斯特频率(即采样频率的二分之一),会导致混叠现象。带宽高于奈奎斯特频率的信号会被重建成低于奈奎斯特频率的混叠信号(混叠信号的频率为信号频率与采样率之差);带宽等于奈奎斯特频率的信号会被重建成频率不变,但是幅值相位变化的混叠信号。
  例如:一个2KHZ的正弦信号在1.5KHZ采样频率的转换后,会被重建为500HZ的正弦信号。一个2KHZ的正弦信号在2KHZ采样频率的转换后,会被重建为2KHZ幅值相位发生变化的正弦信号。
  为了避免混叠现象,通常采用两种措施:
  1、提高采样频率,达到信号最高频率的两倍以上;
  2、输入信号通过低通滤波器(通常称为抗混叠滤波器)进行滤波处理,过滤掉频率高于采样率一半的信号。
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模数转换器的分辨率(位数)
   “这是一款8位、10位的AD”,这里的8位、10位就是模数转换器的分辨率,它表示为模拟信号可以编码成数字信号值的个数(28 = 256,210 = 1024)。它是模数转换器关键指标之一,关系着模数转换器的精度(数值大小方面的精度)。
  例如:测量0~5V范围内的电压信号,采用8位、10位的AD同时对1V电压进行采样。
8位AD芯片,将0~5V分解成256个可能取的数字值,10位AD芯片,将0~5V分解成1024个可能取得数字值,若同时采用“四舍五入”的方式处理量化误差,则8位AD理论采到的值为0.99609V,10位AD理论采到的值为1.00096,误差分别为0.3%和0.01%。
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模数转换器的误差
    模数转换的过程中有多个地方会带来误差。
  1、量化误差。采样量化过程中必定会造成误差,采用高分辨率的AD芯片,只能减小误差,而不能消除误差。
  2、非线性误差。由于电路的噪声、积分效应等造成的误差。
  3、时基误差,也成为孔径误差。由于时钟振荡不良,通常在对模拟信号采样,离散化时出现,即:采样信号可能变成了,可以看作是一种相位误差。
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模数转换器的分类及优缺点
  直接ADC是将输入模拟电压直接转换成数字量,如并联比较型ADC和逐次比较型ADC;  间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率,然后再把这些中间量转换成数字量,如双积分型ADC。 

01并联比较型模数转换器

  优点:采用各量级同时并行比较,各位输出码同时并行产生,因此转换速度快,转换速度与输出码位数无关。  
  缺点:成本高、功耗大,所用元件数量随ADC位数的增加,以几何级数上升。适用于要求高速、低分辨率的场合。 

02逐次逼近型模数转换器

  特点:逐次逼近型ADC每次转换需要n+1个节拍脉冲才能完成,比并联比较型ADC转换速度慢,属于中速ADC器件。另外,当位数较多时,所需的元、器件比并联比较型少得多,应用较广。

03双积分型模数转换器

优点: 
  (1)抗干扰能力强。采样电压是采样时间内输入电压的平均值。 
  (2)稳定性好,转换精度高。通过两次积分把VI和VREF之比变成两次计数值之比,只要求RC和TC在两次积分时保持不变即可。
  (3)非线性误差小。转换结果与积分时间常数RC无关,消除了积分非线性带来的误差。 
缺点:转换速度低。

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