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、Σ -Δ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) 。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Halfflash型。
4 Σ-Δ调制型(如AD7701) 。Σ- Δ型ADC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。Σ-Δ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。
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。