模数转换电路课件

第四章、模数转换电路2011年12月第四章、模数转换电路2011年12月内容1、AD基本原理2、指标3、转换类型逐次逼近型并行（闪电式）积分型V/F流水线高分辨率4、模数转换电路选用5、模数转换技术发展方向6、典型应用内容1、AD基本原理1、AD基本原理采样量化最大量化误差LSB/2=2-NUR/2编码1、AD基本原理采样2、指标模数转换电路主要技术指标包括：分辨率采样速率精度、满度误差、线性误差、信噪比功耗通道数供电电压输入信号范围数据接口封装形式2、指标模数转换电路主要技术指标包括：转换时间8bitAD78210.66us16bitADC7150us22bitAD1175K50ms6bitAD9006AD9016470MSPS8bitAD0809100us12bitAD57440kSPS12bitICL7109高精度、双积分式12位模/数变换器OperatesAtUpto30Conversions/s

转换时间8bitAD78210.66us3.1、逐次逼近型1000000000003.1、逐次逼近型100000000000逐次逼近型特点：N次操作时钟决定转换时间较快速度，采样速率可达1MSPS功耗低精度较高结构简单举例：ADC0809AD574AD76723us逐次逼近型特点：3.2、并行（闪电式、闪烁式）组成：电阻分压器、电压比较器、缓冲器及编码器特点：模数转换速度高,采样速率在1GSPS以上,闪烁式缺点:分辨率不高，功耗大，成本高3.2、并行（闪电式、闪烁式）组成：电阻分压器、电压比较器特点：分辨率低：8位电路复杂：256比较器、译码器、锁存器超高速100MSPS译码3.2、并行（闪电式、闪烁式）特点：3.2、并行（闪电式、闪烁式）半闪烁式ADC由于功率和体积等因素的限制，要制造高分辨率闪烁式ADC比较困难。由两个较低分辨率的闪烁式ADC构成较高分辨率的半闪烁式ADC或分级型ADC是制造高速ADC的主要方式之一。例：ADC600半闪烁式ADC由于功率和体积等因素的限制，要制造高分辨率闪3.3、积分型模数转换器

表达式与时钟频率无关，只取决参考电压在积分型ADC中采用了积分器，对交流噪声产生的干扰有很强的抑制能力。优点：分辨率高，可达22位，功耗低、成本低。缺点是：转换速率低，12位积分型ADC的转换速率为100～300SPS。积分型ADC主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表等。

3.3、积分型模数转换器表达式与时钟频率无关，只取决参考电3.4、V/F型模数转换器

V/F型ADC和积分型ADC都属于间接ADCV/F型ADC的原理是先将输入模拟电压信号转换成与频率与电压成正比的脉冲信号，定时时间内对脉冲信号进行计数，计数结果即为正比于输入模拟电压信号的数字量从理论上讲，V/F型ADC的分辨率随着计数定时时间的增加而提高，但受到V/F转换精度等因素的限制其优点是：精度高、价格较低、功耗较低缺点是：转换速率低，12位V/F型ADC的转换速率为100～300SPS。

3.4、V/F型模数转换器V/F型ADC和积分型ADC都属3.5、流水线型模数转换器

具有简单重复的结构，良好的线性和低失调特性，较高的转换速率和分辨率。缺点是流水线太长会影响转换速度，需要严格的时序控制以及对工艺要求较高。

3.5、流水线型模数转换器具有简单重复的结构，良好的线性和3.5、高分辨率A/D

∑-Δ型ADC不是直接根据抽样信号的幅值大小进行量化编码，而是根据前一量化值与后一量化值的差值的大小来进行编码。∑-Δ调制器以极高的采样频率对输入模拟信号进行采样，并将两个采样之间的差值进行1位数字量化，从而得到用1位数码表示的数字信号；将这种∑-Δ调制器输出的1位数字信号送到数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。3.5、高分辨率A/D∑-Δ型ADC不是直接根据抽样信号优点为：由于∑-Δ调制器的采样速率，比奈奎斯特采样频率高出许多倍，因此，∑-Δ模数转换器又称为过采样A/D转换器，在∑-Δ模数转换器前面不需要加抗混叠滤波器；这种类型的ADC采用了1位数字量化器，从而大大减小了模数转换器的制作难度；∑-Δ模数转换器采用了∑-Δ调制技术和数字抽取滤波技术，可以获得极高的分辨率，可以达到24位；由于采用了1位数字量化器，采样与量化编码可以同时完成，不需要采样保持电路，简化了系统结构。缺点为：功耗稍高，当实现高速转换时，需要高阶∑-Δ调制器。

优点为：基本原理输入最高频率fbfs1=256fbAD7714AD7705ADS1605基本原理输入最高频率fbfs1=256fb调制器量化原理调制器量化原理多路情况多路情况4、模数转换电路选用

根据其应用场合，在考虑主要技术指标的同时，兼顾其它因素。针对实际应用的具体要求尽量做到选型合理，简化设计、提高性能、降低成本、提高性价比。专用功能模数转换器采用专用功能模数转换器可以大大减轻了设计负担、降低产品成本和提供高仪器可靠性。因此，专用功能模数转换器是首选目标。如对音频信号进行采集、储存和处理时，可以选用音频模数转换器AD1974；对多路电容式传感器进行检测时，可以选用电容式模数转换器AD7142，它可以将14路电容式传感器的电容量转换为数字量；设计电表时可以直接采用电能计量模数转换器ADE71xx和ADE75xx系列；设计误差小于±2度的温度测量仪表时，可以选用温度模数转换器AD7814，其温度测量范围为-55度~125度。分辨率和信噪比分辨率是模数转换器最主要的技术指标之一。在选择模数转换器时，分辨率必需满足要求，而且一定要考虑其信噪比、使用环境等因素，使实际转换精度符合要求。4、模数转换电路选用根据其应用场合，在考虑主要技术指标的同4、模数转换电路选用

采样速率根据奈奎斯特（Nyquist）采样定理，采样速率必须大于输入信号最高频率的两倍，才可以实现不失真采样。在模数转换器前需要对输入信号进行抗混叠滤波，即加低通滤波器。由于一般信号放大器具有有限的带宽，实际起到低通滤波作用，因此，在模数转换器采样速率较高情况下，可以省掉低通滤波器。若选用∑-Δ型ADC，由于其对输入信号进行了过采样，不需要加抗混叠滤波器。通道数在多路信号同步采样情况下，需要采用多通道同步采样模数转换器。如ADS7864可实现500kHz采样率、12位分辨率对6路信号同步采样。供电电压和功耗在设计电池供电仪表或设备时，在满足分辨率和采样速率等基本要求后，应尽量采用低功耗、低电源的模数转换器。4、模数转换电路选用采样速率4、模数转换电路选用

输入信号范围尽量使模数转换器输入信号范围和要转换的信号范围匹配，使模数转换器的分辨率得到更有效的使用。为使传感器的输出信号直接和模数转换器相连，去掉信号调理电路带来的影响，可以选用分辨率高的∑-Δ型ADC。数据接口根据微处理器的类型、通讯速率和模数转换器应用场合选择模数转换器的数据接口和控制信号接口。性价比每一种ADC都有各自的优点和缺点。在选用ADC时，不仅要考虑分辨率、速度和功耗等主要指标，还要考虑输入通道类型和数量、输入信号的形式、输入信号范围、供电电源、内部是否有基准电源、是否有采样保持器、数据接口类型等。在满足要求的同时，不需要追求更高指标，因为某项指标更高可能会影响到其它指标，而且价格会成倍增长。4、模数转换电路选用输入信号范围5、模数转换技术发展方向模数转换速度和分辨率提高

16位100～200MHz及8～10位10GHz的高性能A/D转换器是先进雷达、电子战和通讯系统的关键器件之一，是未来重点发展目标和方向。2004年美国国家半导体公司ADC0810008位模拟数字转换器采用折叠/内插结构，采样率高达1.6GHz，1.9V额定供电电压，功耗不超过1.4W，具有低噪音、低失真特性，采用低电压差分信号传输（LVDS）接口。2006年ADC08B3000芯片,3GSPS的速度捕捉输入信号，然后将有关数据存入4KB的先进先出(FIFO)存储器缓冲器，再由一个或两个8位的CMOS输出总线以不超过400Mbps的较低速度将模拟/数字转换器先进先出缓冲器的数据传往处理器，功耗不超3.6W。2007年德州仪器

(TI),400MSPS的14位模数转换器ADS5474。能够支持各种高带宽应用，其中包括测试与测量设备、软件无线电、雷达系统以及通信仪表等。2007年CirrusLogic公司.CS5560分辨率为24位，转换率为50kSPS；CS5570的分辨率为16位，转换率为100kSPS；CS5580/81的分辨率为14位，转换率为200kSPS。国内复旦大学,１２５ＭＨｚ～２００ＭＨｚ）中等分辨率（８ｂｉｔ）ＣＭＯＳ高速模数转换器。低功耗采用CMOS工艺和低电压技术开发各种低功耗ADC。TCL5510是美国TI公司生产的采用CMOS工艺制造的８位高阻抗并行A/D芯片，能提供的采样率为20MSPS。由于采用了半闪速结构及CMOS工艺，因而大大减少了器件中比较器的数量，TCL5510的功耗仅为130mW。5、模数转换技术发展方向模数转换速度和分辨率提高专用功能模数转换器专用功能模数转换器内部集成了其他功能模块，如音频模数转换器AD1974、电容数字转换器（CDC）AD7142、电能计量模数转换器ADE71xx和ADE75xx系列、隔离模数转换器AD7400

、温度模数转换器AD7814和视频解码器ADV718x、ADV74xx系列。专用功能模数转换器减轻了设计负担、降低了成本、灵活方便、提供高可靠性。外围器件集成将基准电源、采样保持器和增益放大器和模数转换电路集成在一块芯片上。与计算机及通信网络的兼容性数据和控制信号接口与计算机及通信网络兼容，如并行接口、USART、LVDS、I2C、PWM、SPI和USB等。光学模数转换器的发展模数转换器从采用的技术上来说主要有3种：半导体模数转换器,小于10Gsps超导材料模数转换器光学模数转换器（OADC）目前对光学模数转换器的研究,主要集中在微波数字雷达。1000Gsps采样速率的装置，使其具有对毫米波信号进行直接宽带模－数转换的能力。光学模数转换技术还处于探索阶段,具有广阔的研究前景。

5、模数转换技术发展方向专用功能模数转换器5、模数转换技术发展方向6、典型应用AD7672（逐次逼近型）ADC0809ad5746、典型应用AD7672（逐次逼近型）AD7672特点：AD7672特点：AD7672框图AD7672框图AD7672电源电压AD7672电源电压AD7672输入范围：AD7672输入范围：AD7672单极性输入输出关系AD7672单极性输入输出关系AD7672单极性失调调零、满度调零AD7672单极性失调调零、满度调零失调调零、满度调零过程失调调零、满度调零过程AD7672双极性输入（AD584）AD7672双极性输入（AD584）AD7672双极性输入输出关系AD7672双极性输入输出关系AD7672失调调零、满度调零过程失调调零：满度调零：AD7672失调调零、满度调零过程失调调零：满度调零：AD7672

与PC总线连接启动，读低8位转换结束中断读高8位AD7672启动，读低8位转换结束中断读高8位原理原理ADC0809ADC0809ADC574ADC574第四章、模数转换电路2011年12月第四章、模数转换电路2011年12月内容1、AD基本原理2、指标3、转换类型逐次逼近型并行（闪电式）积分型V/F流水线高分辨率4、模数转换电路选用5、模数转换技术发展方向6、典型应用内容1、AD基本原理1、AD基本原理采样量化最大量化误差LSB/2=2-NUR/2编码1、AD基本原理采样2、指标模数转换电路主要技术指标包括：分辨率采样速率精度、满度误差、线性误差、信噪比功耗通道数供电电压输入信号范围数据接口封装形式2、指标模数转换电路主要技术指标包括：转换时间8bitAD78210.66us16bitADC7150us22bitAD1175K50ms6bitAD9006AD9016470MSPS8bitAD0809100us12bitAD57440kSPS12bitICL7109高精度、双积分式12位模/数变换器OperatesAtUpto30Conversions/s

转换时间8bitAD78210.66us3.1、逐次逼近型1000000000003.1、逐次逼近型100000000000逐次逼近型特点：N次操作时钟决定转换时间较快速度，采样速率可达1MSPS功耗低精度较高结构简单举例：ADC0809AD574AD76723us逐次逼近型特点：3.2、并行（闪电式、闪烁式）组成：电阻分压器、电压比较器、缓冲器及编码器特点：模数转换速度高,采样速率在1GSPS以上,闪烁式缺点:分辨率不高，功耗大，成本高3.2、并行（闪电式、闪烁式）组成：电阻分压器、电压比较器特点：分辨率低：8位电路复杂：256比较器、译码器、锁存器超高速100MSPS译码3.2、并行（闪电式、闪烁式）特点：3.2、并行（闪电式、闪烁式）半闪烁式ADC由于功率和体积等因素的限制，要制造高分辨率闪烁式ADC比较困难。由两个较低分辨率的闪烁式ADC构成较高分辨率的半闪烁式ADC或分级型ADC是制造高速ADC的主要方式之一。例：ADC600半闪烁式ADC由于功率和体积等因素的限制，要制造高分辨率闪3.3、积分型模数转换器

表达式与时钟频率无关，只取决参考电压在积分型ADC中采用了积分器，对交流噪声产生的干扰有很强的抑制能力。优点：分辨率高，可达22位，功耗低、成本低。缺点是：转换速率低，12位积分型ADC的转换速率为100～300SPS。积分型ADC主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表等。

3.3、积分型模数转换器表达式与时钟频率无关，只取决参考电3.4、V/F型模数转换器

V/F型ADC和积分型ADC都属于间接ADCV/F型ADC的原理是先将输入模拟电压信号转换成与频率与电压成正比的脉冲信号，定时时间内对脉冲信号进行计数，计数结果即为正比于输入模拟电压信号的数字量从理论上讲，V/F型ADC的分辨率随着计数定时时间的增加而提高，但受到V/F转换精度等因素的限制其优点是：精度高、价格较低、功耗较低缺点是：转换速率低，12位V/F型ADC的转换速率为100～300SPS。

3.4、V/F型模数转换器V/F型ADC和积分型ADC都属3.5、流水线型模数转换器

具有简单重复的结构，良好的线性和低失调特性，较高的转换速率和分辨率。缺点是流水线太长会影响转换速度，需要严格的时序控制以及对工艺要求较高。

3.5、流水线型模数转换器具有简单重复的结构，良好的线性和3.5、高分辨率A/D

∑-Δ型ADC不是直接根据抽样信号的幅值大小进行量化编码，而是根据前一量化值与后一量化值的差值的大小来进行编码。∑-Δ调制器以极高的采样频率对输入模拟信号进行采样，并将两个采样之间的差值进行1位数字量化，从而得到用1位数码表示的数字信号；将这种∑-Δ调制器输出的1位数字信号送到数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。3.5、高分辨率A/D∑-Δ型ADC不是直接根据抽样信号优点为：由于∑-Δ调制器的采样速率，比奈奎斯特采样频率高出许多倍，因此，∑-Δ模数转换器又称为过采样A/D转换器，在∑-Δ模数转换器前面不需要加抗混叠滤波器；这种类型的ADC采用了1位数字量化器，从而大大减小了模数转换器的制作难度；∑-Δ模数转换器采用了∑-Δ调制技术和数字抽取滤波技术，可以获得极高的分辨率，可以达到24位；由于采用了1位数字量化器，采样与量化编码可以同时完成，不需要采样保持电路，简化了系统结构。缺点为：功耗稍高，当实现高速转换时，需要高阶∑-Δ调制器。

优点为：基本原理输入最高频率fbfs1=256fbAD7714AD7705ADS1605基本原理输入最高频率fbfs1=256fb调制器量化原理调制器量化原理多路情况多路情况4、模数转换电路选用

根据其应用场合，在考虑主要技术指标的同时，兼顾其它因素。针对实际应用的具体要求尽量做到选型合理，简化设计、提高性能、降低成本、提高性价比。专用功能模数转换器采用专用功能模数转换器可以大大减轻了设计负担、降低产品成本和提供高仪器可靠性。因此，专用功能模数转换器是首选目标。如对音频信号进行采集、储存和处理时，可以选用音频模数转换器AD1974；对多路电容式传感器进行检测时，可以选用电容式模数转换器AD7142，它可以将14路电容式传感器的电容量转换为数字量；设计电表时可以直接采用电能计量模数转换器ADE71xx和ADE75xx系列；设计误差小于±2度的温度测量仪表时，可以选用温度模数转换器AD7814，其温度测量范围为-55度~125度。分辨率和信噪比分辨率是模数转换器最主要的技术指标之一。在选择模数转换器时，分辨率必需满足要求，而且一定要考虑其信噪比、使用环境等因素，使实际转换精度符合要求。4、模数转换电路选用根据其应用场合，在考虑主要技术指标的同4、模数转换电路选用

采样速率根据奈奎斯特（Nyquist）采样定理，采样速率必须大于输入信号最高频率的两倍，才可以实现不失真采样。在模数转换器前需要对输入信号进行抗混叠滤波，即加低通滤波器。由于一般信号放大器具有有限的带宽，实际起到低通滤波作用，因此，在模数转换器采样速率较高情况下，可以省掉低通滤波器。若选用∑-Δ型ADC，由于其对输入信号进行了过采样，不需要加抗混叠滤波器。通道数在多路信号同步采样情况下，需要采用多通道同步采样模数转换器。如ADS7864可实现500kHz采样率、12位分辨率对6路信号同步采样。供电电压和功耗在设计电池供电仪表或设备时，在满足分辨率和采样速率等基本要求后，应尽量采用低功耗、低电源的模数转换器。4、模数转换电路选用采样速率4、模数转换电路选用

输入信号范围尽量使模数转换器输入信号范围和要转换的信号范围匹配，使模数转换器的分辨率得到更有效的使用。为使传感器的输出信号直接和模数转换器相连，去掉信号调理电路带来的影响，可以选用分辨率高的∑-Δ型ADC。数据接口根据微处理器的类型、通讯速率和模数转换器应用场合选择模数转换器的数据接口和控制信号接口。性价比每一种ADC都有各自的优点和缺点。在选用ADC时，不仅要考虑分辨率、速度和功耗等主要指标，还要考虑输入通道类型和数量、输入信号的形式、输入信号范围、供电电源、内部是否有基准电源、是否有采样保持器、数据接口类型等。在满足要求的同时，不需要追求更高指标，因为某项指标更高可能会影响到其它指标，而且价格会成倍增长。4、模数转换电路选用输入信号范围5、模数转换技术发展方向模数转换速度和分辨率提高

16位100～200MHz及8～10位10GHz的高性能A/D转换器是先进雷达、电子战和通讯系统的关键器件之一，是未来重点发展目标和方向。2004年美国国家半导体公司ADC0810008位模拟数字转换器采用折叠/内插结构，采样率高达1.6GHz，1.9V额定供电电压，功耗不超过1.4W，具有低噪音、低失真特性，采用低电压差分信号传输（LVDS）接口。2006年ADC08B3000芯片,3GSPS的速度捕捉输入信号，然后将有关数据存入4KB的先进先出(FIFO)存储器缓冲器，再由一个或两个8位的CMOS输出总线以不超过400Mbps的较低速度将模拟/数字转换器先进先出缓冲器的数据传往处理器，功耗不超3.6W。2007年德州仪器

(TI),400MSPS的14位模数转换器ADS5474。能够支持各种高带宽应用，其中包括测试与测量设备、软件无线电、雷达系统以及通信仪表等。2007年CirrusLogic公司.CS5560分辨率为24位，转换率为50kSPS；CS5570的分辨率为16位，转换率为100kSPS；CS5580/81的分辨率为14位，转换率为200kSPS。国内复旦大学,１２５ＭＨｚ～２００ＭＨｚ）中等分辨率（８ｂｉｔ）ＣＭＯＳ高速模数转换器。低功耗采用CMOS工艺和低电压技术开发各种低功耗ADC。TCL5510是美国TI公司生产的采用CMOS工艺制造的８位高阻抗并行A/D芯片，能提供的采样率为20MSPS。由于采用了半闪速结构及CMOS工艺，因而大大减少了器件中比较器的数