ad_da原理及主要技术指标.doc

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1、 一 . 产生原因 随着现代科学技术的迅猛发展特别是数字系统已广泛应用于各种学科领域及日常生活微型计算机就是一个典型的数学系统。但是数字系统只能对输入的数字信号进行处理其输出信号也是数字信号。而在工业检测控制和生活中的许多物理量都是连续变化的模仿量如温度、压力、流量、速度等这些模拟量可以通过传感器或换能器变成与之对应的电压、 电流或频率等电模拟量。为了实 现数字系统对这些电模拟量进行检测、运算和控制就需要一个模拟量与数字量之间的相互转换的过程。即经常需要将模拟量转换成数字量简称为 AD 转换完成这种转换的电路称为模数转换器 (Analog to Digital Converter) 简称 AD

2、C;或将数字量转换成模拟量简称 DA 转换完成这种转换的电路称为 数模转换 器 (Digital to Analog Converter) 简称 DAC 图 1 是某微机控制系统框图。 二 .ADC 和 DAC 基本原理及特点 2.1 模数转换器 (ADC)的基本原理 模拟信号转换为数字信号一般分为四个步骤进行即 取样、保持、量化和编码 。前两个步骤在取样 -保持电路中完成后两步骤则在 ADC 中完成。 常用的 ADC 有积分型、逐次逼近型、并行比较型 /串并行型、 - 调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点 : 1）积分型 (如 TLC7135)

3、。 积分型 ADC工作原理是 将输入电压转换成时间或频率，然后由定时器 /计数器获得数字值 。其长处是用简朴电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依靠于积分时间因此转换速率极低。初期的单片ADC 大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。双积分是一种常用的 AD 转换技术具有精度高，抗干扰能力强等优点。但高精度 的双积分 AD 芯片价格较贵，增加了单片机系统的成本。 2）逐次逼近型 (如 TLC0831) 。 逐次逼近型 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

4、属于中等。其优点是 速度较高、功耗低 在低分辨率 ( 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现转换 又称 FLash 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 转换器等速度非凡高的领域。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 Halfflash 型。 二 . 4） -调制型 (如 AD7701) 。 - 型 ADC

5、以很低的采样分辨率 ( 1 位 )和很高的采样速率将模拟信号数字化通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率然后对 ADC 输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率。 - 型 ADC 的电路结构是由非常简单的模拟电路和十分复 杂的数字信号处理电路构成。 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轻易。假如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

6、(如 AD650) 。 压频变换型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意输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辨率高、功耗低、价格低但是需要外部计数电路共同完成 AD转换。 2.1 数模转换 器 (DAC)的基本原理 DAC的内部电路构成无太大差异一般按输出是电流还是电压、能否作乘法运算等进行分类。大多数 DAC 由电阻阵列和 n个电流 开关 (或电压开关 )构成。按数字输入值切换开关产生比例于输入 的电流 (或电压 ) 。此外也有为了改善精度而把

7、恒流源放入器件内部的。 DAC 分为电压型和电流型两 大类电压型 DAC 有权电阻网络、T 型电阻网络和树形开关网络等 ;电流型 DAC 有权电流型电阻网络和倒 T 型电阻网络等。 1）电压输出型 (如 TLC5620) 。电压输出型DAC 虽有直接从电阻阵列输出电压的但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载由于无输出放大器部分的延迟故常作为高速 DAC 使用。 2）电流输出型 (如THS5661A ) 。电流输出型 DAC很少直接利用电流输出大多外接电流 - 电压转换电路得到电压输出后者有两种方法 :一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流 - 电压转换二是外接

8、运算放大器。 3）乘算型(如 AD7533) 。 DAC 中有使用恒定基准电压的也有在基准电压输入上加交流信号的后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出因而称为乘算型 DAC。乘算型 DAC 一般不仅可以进行乘法运算而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用。 4）一位 DAC。一位 DAC与前述转换方式全然不同它将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出然后用数字滤波器作平均化而得到一般的电压输出用于音频等场合。 三 .ADC 和 DAC 的主要技术指标 1 ADC 分辨率指输出数字量变化一个最低有效位 (LSB)所需的输入模拟电压的变化量。 2

9、ADC 的精度决定于量化误差及系统内其他误差之总和。一般精度指标为满量程的0. 02% 高精度指标为满量程的 0. 001%。 3 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。 4 量化误差由于 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。 DAC的主要技术指标 1）分辩率

10、指输出模拟电压的最小增量即表明 DAC输入一个最低有效位 (LSB)而在输出端上模拟电压的变化量。 2）建立时间是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间也可以认为是转换时间。 DA 中常用建立时间来描述其速度而不是 AD 中常用的转换速率。一般地电流输出 DA 建立时间较短电压输出 DA 则较长。 3）精度是指输 入端加有最大数值量时 DAC 的实际输出值和理论计算值之差它主要包括非线性误差、比例系统误差、失调误差。 4）线性度在理想情况下 DAC 的数字输入量作等量增加时其模拟输出电压也应作等量增加但是实际输出往往有偏离。 四 .ADC和 DAC的发展趋势和应用前景 自电子管 ADC 面世

11、以来经历了分立 半导体 、集成电路数据转换器的发展历程。 ADC 和 DAC 的 生产已进入全集成化阶段同时在转换速度和转换精度等主要指标上有了重大突破还开发了一些具有与计算机直接接口功能的芯片。在集成技术中又发展了模块、混合和单片机集成数 据转换器技术。对高速 ADC 和 DAC的发展策略是在性能不受影响的前提下尽量提高集成度为最终用户提供产品的解决方案。对 ADC 和 DAC 的需求大量增加而且要求性能指标有较宽覆盖面以便适应不同场合应用的要求。 ADC 主要的应用领域不断拓宽阔泛应用于多媒体、通讯、自动化、 仪器 仪表等领域。对不同的领域的不同要求例如接口、 电源 、通道、内部配置的要求

12、每一类 ADC 都 有相应的优化设计方法 ;同时用户不仅要考虑到 ADC本身的工艺和电路结构而且还应考虑到 ADC 的外围电路如相应的信号调理电路等模拟电路的设计。 随着 通信事业、多媒体技术和数字化 设备 的飞速发展信号处理越来越趋向数字化促进了高速 DAC 有了长足进步牵动着 DAC 制造商研制出许多新结构、新工艺及各种特别用途的高速 DAC。高速 DAC 的应用领域主要有三个方面 :数字化仪器包括波形重建和任意波形发生器 ;直接数合成 (DDS) 包括接收器本机振荡器、跳频无线电设备、通信系统、正交调制 (QAM)系统和雷达系统 ;图形显示系统包括失量扫描和光栅扫描。 数据转换器技术是模

13、拟信号和数字信号之间的重要桥梁低电压、大电流、高效率、小尺寸、低成本是 ADC /DAC转换器发展 的趋势。同时 ADC /DAC转换器的效率和密度也在不断增加。除此以外通信与网络设备的集成化趋势需要 ADC /DAC转换器集成更多的功能同时具有更宽的输出电压或多路输出。近年来转换器产品已达到数千种 ADC 和 DAC 的市场呈稳步增长的发展趋势它们在现代军用和民用电子系统中均显示出其重要性。 DAC和 ADC测试规格 DAC和 ADC芯片必须执行一些特定的静态和动态参数检测。下一面一一介绍这些指标： DAC静态参数指标 分辨率 (Resolution)是指 DAC输出端所能变 化的最小值 。

14、 补充：分辨率表示 D/A 转换器 在理论上可以达到的精度 。也可以用 D/A 转换器能够分辨出来的 最小电压与最大电压之比 给出分辨率。 满量程范围 (FSR), 是指 DAC输出信号幅度的最大范围，不同的 DAC 有不同的满量程范围。该范围可以是正和 /或负电流，正和 /或负电压。 最小有效位 (LSB)大小是指 输入代码变化最小数值时输出端模拟量的变化 。 差分非线性度(DNL)用于测量小信号非线性误差。计算方法：本输入代码和其前一输入代码之间模拟量的变化减去 1个最小有效位 (LSB)大小。 单调性是指如果增加输入代码其输出模拟量也会保持相应的增加或反之的特性。该特性对使用在反馈环电路

15、之中的 DAC 非常重要，它能保证反馈环不会被死锁在两个输入代码之间。 整体非线性度 (INL)是指对一个输入代码所有非线性度的累计。这一参数可以通过测量该代码相应的输出模拟量与起终点间直线之间的偏差来完成。 偏差(offset)是指 DAC 的 输入代码为 0 时 DAC 输出模拟量与理想输出的偏差 。 增益误差 (gain error)是指 DAC的 输入代码为最大时 DAC实际输出模拟量与理想输出的偏差 。 精度 (accuracy)是指 DAC的输出与理想情况的偏差，包括了所有以上的这些错误，有时用百分比来表示。一般情况不直接测量该参数，通过静态错误的计算而得出其结果。 ADC静态参数

16、规格 满量程范围 (FSR)的定义与 DAC的一样。 偏差 (offset error)是指保证输出代码为 0时的理想输入模拟量与实际输入模拟量的偏差。计算方法：输出第一个代码发生变化时ADC 的实际输入模拟值减去 1/2 个最小有效位 (LSB)大小再减去理想的 0代码输入模拟值。 ADC的增益 误差 (gain error)是指满量程输入时输出代码的误差。计算方法：满量程输出代码加上 1 1/2 最小有效位 (LSB)时输入值与满量程输出代码时输入之间的差值，再加上偏差 (offset error)。 最小有效位 (LSB)大小是通过测量最小的和最大的转换点后计算得到的。理想情况下，模拟输

17、入变化一个 LSB 值，将引起输出端变化一个代码。 差分非线性度 (DNL)用于测量小信号非线性误差。计算方法：两个转换点之间的模拟输入量之差减去一个最小有效位 (LSB)值。 无丢码 (no missing code)是指 该 ADC在实际情况下能产生多少位输出 。一个 14 位的 ADC 可能被说明为 ”无丢码位数为 12(no missing codes to 12 bits)”，这就表明此 ADC在输入变化时， 其输出端的低两位代码不会发生变化 ，而只是其它的高 12 位代码能发生变化。 整体非线性度 (INL)是指一个指定代码中点实际输入和理想传输函数线上输入之间的偏差。 ADC的测

18、量精度概念与 DAC的相似。 DAC动态参数指标 信噪比 (SNR)是通过给 DAC 施加一个满量程 的正弦波数字代码再分析其输出波形频率特性而得到的。 DAC 的输出经过滤波滤除基波分量以及所有谐波分量后剩下部分就是噪声。 SNR 就是基波分量与所有噪声分量之和的比值。 信号与噪声谐波比 (SNDR 或 SINAD)跟 SNR 的计算方法一样，只是谐波分量也计算在噪声内。 全谐波失真 (THD)和 SINAD 相似，但它只包含谐波分量不包括噪声。在这个比值计算中，基波分量是分母而不是分子。 DAC 的输入为一个正弦波的数字代码；其输出是阶梯状的正弦波输出，需要通过一个滤波器进行平滑处理。经滤

19、波后的输出波形再在频域 进行分析，寻找与基波频率相关的谐波分量。 互调失真 (IM)用于测试由两种频率互调而产生的非谐波分量的失真。这种失真是由待测芯片的非线性度而引起的。测试该参数时：先给待测 DAC 输入两个频率分量的波形数字代码，再计算输出波形中的两个频率之和及之差信号分量。 最大转换速率 (maximum conversion rates)是芯片规格书指标之一。当 DAC 的输入变化时，其输出端需要一段时间才能得到稳定的相应输出值。最长的稳定时间就是最大转换速率。 建立时间 (settling)是指输出值达 到并稳定在预定值的 +-1/2LSB 范围或某些别的规定范围之内所需的时间。

20、ADC动态参数指标 信噪比 (SNR)的概念与运算放大器的概念一样。和 THD 测量类似，给 ADC 输入端加一个纯正弦波，通过 ADC 芯片的采样之后，输出一组数字代码。再用数字信号处理算法提取其中的 SNR信息。 SNR的单位是 dB。 总谐波失真 (THD)的概念与运算放大器的概念一样，但他们的测试方法不一样。给 ADC输入一个纯正弦波，输出是一组由正弦波采样而来的数字代码，我们再把这些代码与理想正弦波特性进行比较。使用数 字信号处理算法提取其中的总谐波失真信息。单位是 dB。 信号与噪声谐波比(SNDR 或 SINAD)是基波分量与噪声及谐波失真分量总和的比值，单位是 dB。 互调失真

21、 (IM)用于测试由两种频率互调而产生的非谐波分量的失真。这种失真是由待测芯片的非线性度而引起的。测试该参数时：先给待测 ADC 输入两个频率分量模拟波形，再计算输出数字代码中的两个频率之和及之差信号分量。 动态范围 (Dynamic range)是指 ADC 输入信号幅度的最大值与最小值的比值，单位是 dB. 理想 ADC的动态范围是 20log(2bits-1)。 无杂波动态范围 (SFDR)是指基波或载玻分量与其它非基波和载波的最大杂波的频率分量 (可以是谐波或失真波 )的比值，单位是 dB。 到此为止，我们讨论了相对简单的存储器和逻辑芯片的测试技术，也介绍了复杂混合信号芯片的特殊测试要求。在接下来的最后一章，我们将介绍射频 /无线芯片的测试。