模數(shù)轉(zhuǎn)換器
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- 發(fā)布時(shí)間:2015/5/29 10:32:57
- 作者:銀河電氣
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與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相關(guān)的定義
01采樣
采樣也稱(chēng)取樣,指把時(shí)間域或空間域的連續(xù)量轉(zhuǎn)化成離散量的過(guò)程。模數(shù)轉(zhuǎn)換器每隔一定的時(shí)間間隔對(duì)連續(xù)信號(hào)采樣,得到當(dāng)時(shí)時(shí)間點(diǎn)上連續(xù)信號(hào)的離散值,也就是連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)。
02量化編碼
模數(shù)轉(zhuǎn)換器將采樣得到的離散信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅值量化的數(shù)字信號(hào)。通常,我們所說(shuō)的“采樣”是指采樣和量化結(jié)合的過(guò)程。
03采樣頻率
采樣頻率表示數(shù)字信號(hào)采樣自模擬信號(hào)的速率,對(duì)模擬信號(hào)采樣的頻度。它代表了離散信號(hào)在和時(shí)域和空間域上的精確度。
04采樣定理
采樣定理是指在進(jìn)行模擬數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中,當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中最高頻率(信號(hào)帶寬)的2倍時(shí),采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息。
采樣得到的數(shù)字信號(hào)是對(duì)模擬信號(hào)的不完全描述,兩次采樣點(diǎn)之間的模擬信號(hào)是未知的。如果采樣頻率高于模擬信號(hào)變化的頻率,那么可以假定兩次采樣點(diǎn)之間的模擬信號(hào)的值是介于這兩次采樣值,但是如果采樣頻率低于模擬信號(hào)變化的頻率,那么假設(shè)是不成立的。
所以采樣定理確定了信號(hào)最高頻率的上限,或能獲取連續(xù)信號(hào)的所有信息的采樣頻率的下限。
05混疊
如果信號(hào)帶寬高于或等于奈奎斯特頻率(即采樣頻率的二分之一),會(huì)導(dǎo)致混疊現(xiàn)象。帶寬高于奈奎斯特頻率的信號(hào)會(huì)被重建成低于奈奎斯特頻率的混疊信號(hào)(混疊信號(hào)的頻率為信號(hào)頻率與采樣率之差);帶寬等于奈奎斯特頻率的信號(hào)會(huì)被重建成頻率不變,但是幅值相位變化的混疊信號(hào)。
例如:一個(gè)2KHZ的正弦信號(hào)在1.5KHZ采樣頻率的轉(zhuǎn)換后,會(huì)被重建為500HZ的正弦信號(hào)。一個(gè)2KHZ的正弦信號(hào)在2KHZ采樣頻率的轉(zhuǎn)換后,會(huì)被重建為2KHZ幅值相位發(fā)生變化的正弦信號(hào)。
為了避免混疊現(xiàn)象,通常采用兩種措施:
1、提高采樣頻率,達(dá)到信號(hào)最高頻率的兩倍以上;
2、輸入信號(hào)通過(guò)低通濾波器(通常稱(chēng)為抗混疊濾波器)進(jìn)行濾波處理,過(guò)濾掉頻率高于采樣率一半的信號(hào)。
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模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率(位數(shù))
“這是一款8位、10位的AD”,這里的8位、10位就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率,它表示為模擬信號(hào)可以編碼成數(shù)字信號(hào)值的個(gè)數(shù)(28 = 256,210 = 1024)。它是模數(shù)轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵指標(biāo)之一,關(guān)系著模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度(數(shù)值大小方面的精度)。
例如:測(cè)量0~5V范圍內(nèi)的電壓信號(hào),采用8位、10位的AD同時(shí)對(duì)1V電壓進(jìn)行采樣。
8位AD芯片,將0~5V分解成256個(gè)可能取的數(shù)字值,10位AD芯片,將0~5V分解成1024個(gè)可能取得數(shù)字值,若同時(shí)采用“四舍五入”的方式處理量化誤差,則8位AD理論采到的值為0.99609V,10位AD理論采到的值為1.00096,誤差分別為0.3%和0.01%。
模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中有多個(gè)地方會(huì)帶來(lái)誤差。
1、量化誤差。采樣量化過(guò)程中必定會(huì)造成誤差,采用高分辨率的AD芯片,只能減小誤差,而不能消除誤差。
2、非線性誤差。由于電路的噪聲、積分效應(yīng)等造成的誤差。
3、時(shí)基誤差,也成為孔徑誤差。由于時(shí)鐘振蕩不良,通常在對(duì)模擬信號(hào)采樣,離散化時(shí)出現(xiàn),即:采樣信號(hào)可能變成了,可以看作是一種相位誤差。
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模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)及優(yōu)缺點(diǎn)
直接ADC是將輸入模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,如并聯(lián)比較型ADC和逐次比較型ADC; 間接ADC是先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率,然后再把這些中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,如雙積分型ADC。
01并聯(lián)比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器
優(yōu)點(diǎn):采用各量級(jí)同時(shí)并行比較,各位輸出碼同時(shí)并行產(chǎn)生,因此轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換速度與輸出碼位數(shù)無(wú)關(guān)。
缺點(diǎn):成本高、功耗大,所用元件數(shù)量隨ADC位數(shù)的增加,以幾何級(jí)數(shù)上升。適用于要求高速、低分辨率的場(chǎng)合。
02逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器
特點(diǎn):逐次逼近型ADC每次轉(zhuǎn)換需要n+1個(gè)節(jié)拍脈沖才能完成,比并聯(lián)比較型ADC轉(zhuǎn)換速度慢,屬于中速ADC器件。另外,當(dāng)位數(shù)較多時(shí),所需的元、器件比并聯(lián)比較型少得多,應(yīng)用較廣。
03雙積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器
優(yōu)點(diǎn):
?。?)抗干擾能力強(qiáng)。采樣電壓是采樣時(shí)間內(nèi)輸入電壓的平均值。
?。?)穩(wěn)定性好,轉(zhuǎn)換精度高。通過(guò)兩次積分把VI和VREF之比變成兩次計(jì)數(shù)值之比,只要求RC和TC在兩次積分時(shí)保持不變即可。
?。?)非線性誤差小。轉(zhuǎn)換結(jié)果與積分時(shí)間常數(shù)RC無(wú)關(guān),消除了積分非線性帶來(lái)的誤差。
缺點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度低。