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      ADC轉換的兩種近似量化方式

      在儀器儀表系統中,常常需要將檢測到的連續變化的模擬量如:溫度、壓力、流量、速度、光強等轉變成離散的數字量,才能輸入到計算機中進行處理。


      這些模擬量經過傳感器轉變成電信號(一般為電壓信號),經過放大器放大后,就需要經過一定的處理變成數字量。實現模擬量到數字量轉變的設備通常稱為模數轉換器(ADC),簡稱A/D。


      通常情況下,A/D轉換一般要經過取樣、保持、量化及編碼4個過程。


      取樣和保持


      取樣是將隨時間連續變化的模擬量轉換為時間離散的模擬量。取樣過程示意圖如圖a所示。


      圖(a)為取樣電路結構,其中,傳輸門受取樣信號S(t)控制,在S(t)的脈寬τ期間,傳輸門導通,輸出信號vO(t)為輸入信號v1,而在(Ts-τ)期間,傳輸門關閉,輸出信號vO(t)=0。電路中各信號波形如圖(b)所示。


      通過分析可以看到,取樣信號S(t)的頻率愈高,所取得信號經低通濾波器后愈能真實地復現輸入信號。但帶來的問題是數據量增大,為保證有合適的取樣頻率,它必須滿足取樣定理。


      取樣定理:設取樣信號S(t)的頻率為fs,輸入模擬信號v1(t)的zui高頻率分量的頻率為fimax,則fs與fimax必須滿足下面的關系fs≥2fimax,工程上一般取fs>(3~5)fimax。


      將取樣電路每次取得的模擬信號轉換為數字信號都需要一定時間,為了給后續的量化編碼過程提供一個穩定值,每次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時間。


      取樣與保持過程往往是通過取樣-保持電路同時完成的。取樣-保持電路的原理圖及輸出波形如圖c所示。


      電路由輸入放大器A1、輸出放大器A2、保持電容CH和開關驅動電路組成。電路中要求A1具有很高的輸入阻抗,以減少對輸入信號源的影響。


      為使保持階段CH上所存電荷不易泄放,A2也應具有較高輸入阻抗,A2還應具有低的輸出阻抗,這樣可以提高電路的帶負載能力。一般還要求電路中AV1·AV2=1。


      現結合圖d來分析取樣-保持電路的工作原理。在t=t0時,開關S閉合,電容被迅速充電,由于AV1·AV2=1,因此v0=vI,在t0~t1時間間隔內是取樣階段。


      在t=t1時刻S斷開。若A2的輸入阻抗為無窮大、S為理想開關,這樣可認為電容CH沒有放電回路,其兩端電壓保持為v0不變,圖d中t1到t2的平坦段,就是保持階段。


      取樣-保持電路以由多種型號的單片集成電路產品。


      如雙極型工藝的有AD585、AD684;混合型工藝的有AD1154、SHC76等。


      量化與編碼


      數字信號不僅在時間上是離散的,而且在幅值上也是不連續的。任何一個數字量的大小只能是某個規定的zui小數量單位的整數倍。


      為將模擬信號轉換為數字量,在A/D轉換過程中,還必須將取樣-保持電路的輸出電壓,按某種近似方式歸化到相應的離散電平上,這一轉化過程稱為數值量化,簡稱量化。


      量化后的數值zui后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數字量。


      量化過程中所取zui小數量單位稱為量化單位,用△表示。它是數字信號zui低位為1時所對應的模擬量,即1LSB。


      在量化過程中,由于取樣電壓不一定能被△整除,所以量化前后不可避免地存在誤差,此誤差稱之為量化誤差,用ε表示。


      量化誤差屬原理誤差,它是無法消除的。A/D 轉換器的位數越多,各離散電平之間的差值越小,量化誤差越小。


      量化過程常采用兩種近似量化方式:只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。


      1.只舍不入量化方式


      以3位A/D轉換器為例,設輸入信號v1的變化范圍為0~8V,采用只舍不入量化方式時,取△=1V,量化中不足量化單位部分舍棄,如數值在0~1V之間的模擬電壓都當作0△,用二進制數000表示,而數值在1~2V之間的模擬電壓都當作1△,用二進制數001表示……這種量化方式的zui大誤差為△。


      2.四舍五入量化方式


      如采用四舍五入量化方式,則取量化單位△=8V/15,量化過程將不足半個量化單位部分舍棄,對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。


      它將數值在0~8V/15之間的模擬電壓都當作0△對待,用二進制000表示,而數值在8V/15~24V/15之間的模擬電壓均當作1△,用二進制數001表示等。


      3.比較


      采用前一種只舍不入量化方式zui大量化誤差│εmax│=1LSB,而采用后一種有舍有入量化方式│εmax│=1LSB/2,后者量化誤差比前者小,故為多數A/D轉換器所采用。

       

      隨著集成電路的飛速發展,A/D轉換器的新設計思想和制造技術層出不窮。為滿足各種不同的檢測及控制需要而設計的結構不同、性能各異的A/D轉換器應運而生。

       

      下面簡單講講A/D轉換器的基本原理和分類:

       

      根據A/D轉換器的原理可將A/D轉換器分成兩大類。一類是直接型A/D轉換器,將輸入的電壓信號直接轉換成數字代碼,不經過中間任何變量;


      另一類是間接型A/D轉換器,將輸入的電壓轉變成某種中間變量(時間、頻率、脈沖寬度等),然后再將這個中間量變成數字代碼輸出。

       

      盡管A/D轉換器的種類很多,但目前廣泛應用的主要有三種類型:逐次逼近式A/D轉換器、雙積分式A/D轉換器、V/F變換式A/D轉換器。另外,近些年有一種新型的Σ-Δ型A/D轉換器異軍突起,在儀器中得到了廣泛的應用。

       

      逐次逼近式(SAR)A/D轉換器(SAR)的基本原理是:將待轉換的模擬輸入信號與一個推測信號進行比較,根據二者大小決定增大還是減小輸入信號,以便向模擬輸入信號逼進。


      推測信號由D/A轉換器的輸出獲得,當二者相等時,向D/A轉換器輸入的數字信號就對應的時模擬輸入量的數字量。這種A/D轉換器一般速度很快,但精度一般不高。常用的有ADC0801、ADC0802、AD570等。

       

      雙積分式A/D轉換器的基本原理是:先對輸入模擬電壓進行固定時間的積分,然后轉為對標準電壓的反相積分,直至積分輸入返回初始值,這兩個積分時間的長短正比于二者的大小,進而可以得出對應模擬電壓的數字量。


      這種A/D轉換器的轉換速度較慢,但精度較高。由雙積分式發展為四重積分、五重積分等多種方式,在保證轉換精度的前提下提高了轉換速度。常用的有ICL7135、ICL7109等。

       

      Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位D/A轉換器和數字濾波器等組成。原理上近似于積分型,將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度)信號,用數字濾波器處理后得到數字值。電路的數字部分基本上容易單片化,因此容易做到高分辨率。


      主要用于音頻和測量。這種轉換器的轉換精度極高,達到16到24位的轉換精度,價格低廉,弱點是轉換速度比較慢,比較適合用于對檢測精度要求很高但對速度要求不是太高的檢驗設備。常用的有AD7705、AD7714等。

       

      V/F轉換器是把電壓信號轉換成頻率信號,由良好的精度和線性,而且電路簡單,對環境適應能力強,價格低廉。適用于非快速的遠距離信號的A/D轉換過程。常用的有LM311、AD650等。


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