作者： Andreea Pop，系統(tǒng)設(shè)計/架構(gòu)工程師

(資料圖)

Antoniu Miclaus，系統(tǒng)應(yīng)用工程師

Mark Thoren，系統(tǒng)設(shè)計/架構(gòu)工程師

Doug Mercer，顧問研究員

目標

本實驗活動旨在通過構(gòu)建說明性示例來探討模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念。

背景信息

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬信號——即溫度、壓力、電壓、電流、距離或光強度等實際信號——轉(zhuǎn)換為該信號的數(shù)字表示。然后，系統(tǒng)可以處理、控制、計算、傳輸或存儲此數(shù)字表示。

圖1.模數(shù)轉(zhuǎn)換

ADC以均勻的時間間隔對模擬波形進行采樣，并將數(shù)字值分配給每個樣本。數(shù)字值以二進制編碼格式在轉(zhuǎn)換器的輸出端顯示。通過將采樣模擬輸入電壓除以基準電壓，再乘以數(shù)字碼數(shù)得到此值。轉(zhuǎn)換器的分辨率由輸出碼中的二進制位數(shù)來設(shè)定。

圖2.數(shù)字輸出碼

ADC執(zhí)行兩個過程：采樣和量化。ADC將無限分辨率的模擬信號表示為有限分辨率的數(shù)字碼。ADC會產(chǎn)生2^N個數(shù)字值，其中N表示二進制輸出位數(shù)。由于轉(zhuǎn)換器的分辨率有限，模擬輸入信號將落在量化電平之間，從而導(dǎo)致固有的不確定性或量化誤差。該誤差可確定轉(zhuǎn)換器的最大動態(tài)范圍。

圖3.量化過程

采樣過程提供連續(xù)時域信號，信號值以離散、均勻的時間間隔測量。通過此過程，根據(jù)奈奎斯特準則可確定采樣信號的最大帶寬。該理論認為，信號頻率必須小于或等于一半采樣頻率以防混疊。混疊是指通過采樣過程，目標帶寬內(nèi)出現(xiàn)所需信號頻段之外的頻率信號的情況。不過，在通信系統(tǒng)設(shè)計中，可利用此混疊過程將高頻信號向下轉(zhuǎn)換為低頻信號。這就是欠采樣技術(shù)。欠采樣的標準就是ADC具有足夠的輸入帶寬和動態(tài)范圍來采集最高目標頻率信號。

圖4.采樣過程

采樣和量化都是重要的概念，因為它們確定了理想ADC的性能極限。在一個理想ADC中，碼躍遷恰好相距1 LSB（最低有效位）。因此，對于一個N位ADC，共有2^N個數(shù)字碼，且1 LSB = FS/2^N，其中FS為滿量程模擬輸入電壓。然而，實際ADC操作也受到非理想效應(yīng)的影響，所產(chǎn)生的誤差超出了轉(zhuǎn)換器分辨率和采樣速率所決定的誤差。與ADC相關(guān)的許多交流和直流性能規(guī)格中都會體現(xiàn)這些誤差。

圖5.理想ADC的轉(zhuǎn)換函數(shù)

在此范圍內(nèi)，任何模擬輸入會產(chǎn)生同樣的數(shù)字輸出碼。

材料

ADALM2000 主動學(xué)習模塊

無焊試驗板和跳線套件

一個OP482 運算放大器

兩個AD654 電壓頻率轉(zhuǎn)換器

三個1 kΩ電阻

五個10 kΩ電阻

一個1 nF電容

一個SN74HC08與門

一個SN74HC32或門

一個SN74HC04逆變器

一個1 μF電容

一個AD7920 12位ADC

閃存ADC背景信息

Flash ADC，也稱為并行ADC，是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的最快方法之一。Flash ADC非常適合需要極寬帶寬的應(yīng)用，但其功耗比其他ADC架構(gòu)高且通常限制為8位分辨率。典型示例包括數(shù)據(jù)采集、衛(wèi)星通信、雷達處理、采樣示波器和高密度硬盤驅(qū)動器。

Flash ADC由高速比較器級聯(lián)而成。對于一個N位轉(zhuǎn)換器，電路采用2^{N -1}個比較器，同時有2^N個電阻提供基準電壓。當比較器的模擬輸入電壓高于所施加的基準電壓時，其輸出1。否則，比較器輸出0。代碼從1變?yōu)?的點就是輸入信號小于相應(yīng)比較器基準電壓電平的點。

請看圖6所示的電路。

圖6.Flash ADC—模擬側(cè)電路

此電路表示2位Flash ADC的模擬側(cè)，其架構(gòu)稱為溫度計代碼（一元碼）編碼。對于此類電路，需要使用額外的邏輯電路將一元碼解碼成適當?shù)臄?shù)字輸出碼。通過使用邏輯與門、或門和非門，我們可以構(gòu)建專有編碼器。其輸出為原始數(shù)值的二進制表示，最高有效輸入位從0開始。

圖7.Flash ADC—編碼輸出

圖8.Flash ADC試驗板連接

如前所述，F(xiàn)lash ADC使用高速比較器構(gòu)建而成，但為了方便起見，我們將使用OP482四通道運算放大器來介紹工作原理?；蛘?，可以使用四個AD8561比較器來構(gòu)建此電路。

硬件設(shè)置

在無焊試驗板上構(gòu)建圖7所示的電路。這是一個用于具有編碼輸出的2位Flash ADC的電路。

程序步驟

向電路提供±5 V電源電壓。在Scopy中將信號發(fā)生器的AWG1配置為具有5 V峰峰值幅度、2.5 V偏移和100 Hz頻率的上升斜坡鋸齒波。將AWG2用于為ADC提供5 V恒定基準電壓。

配置邏輯分析儀，使得數(shù)字通道DIO0、DIO1和DIO2形成一個針對一元碼解碼的通道組，通道DIO6和DIO7形成一個針對并行輸出解碼的通道組。

輸出信號波形如圖9所示。

圖9.Flash ADC—輸出碼

一元組通道表示2位Flash ADC的輸出溫度計代碼，通過在整個可用范圍(0 V至5 V)內(nèi)改變輸入模擬電壓來提供所有可能的輸出值。并行通道表示相當于ADC輸出狀態(tài)的二進制值。

電壓頻率轉(zhuǎn)換器用作ADC背景信息

在這個特殊應(yīng)用中，AD654電壓頻率轉(zhuǎn)換器用作ADC。

圖10.電壓頻率轉(zhuǎn)換器用作ADC

為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，應(yīng)將轉(zhuǎn)換器的輸出端連接到集成間隔定時器/事件計數(shù)器的微型計算機。

計數(shù)期間的信號邊沿（上升或下降）總計數(shù)與輸入電壓成正比。在此特定設(shè)置下，1 V滿量程輸入電壓會產(chǎn)生100 kHz信號。如果計數(shù)周期為100 ms，則總計數(shù)將為10,000。然后依據(jù)與該最大值的比例便可確定輸入電壓。因此，計數(shù)為5000時，相應(yīng)的輸入電壓為0.5 V。

硬件設(shè)置

構(gòu)建試驗板電路以將電壓頻率轉(zhuǎn)換器用作ADC，如圖11所示。

程序步驟

向電路提供5 V電源電壓。將信號發(fā)生器的AWG1配置為1 V恒定電壓。

配置示波器，使通道1上顯示輸出信號，并從通道1“測量”選項卡中啟用頻率測量。輸出信號波形如圖12所示。

圖11.電壓頻率轉(zhuǎn)換器用作ADC—試驗板連接

圖12.滿量程輸入電壓下電壓頻率轉(zhuǎn)換器用作ADC

圖12中的曲線顯示了電壓頻率轉(zhuǎn)換器采用1 V滿量程輸入電壓時的輸出信號波形。請注意，相應(yīng)輸出頻率為100 kHz。

現(xiàn)在將輸入電壓設(shè)置為0.5 V。輸出信號波形如圖13所示。

圖13.半量程輸入電壓下電壓頻率轉(zhuǎn)換器用作ADC

圖中顯示了電壓頻率轉(zhuǎn)換器采用0.5 V半量程輸入電壓時的輸出信號波形。請注意，輸出頻率現(xiàn)在為50 kHz。

逐次逼近寄存器(SAR) ADC背景信息

逐次逼近寄存器(SAR) ADC在每次轉(zhuǎn)換時，針對所有可能的量化電平，通過二進制搜索將連續(xù)模擬波形轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字表示，最后匯聚為數(shù)字輸出。

通常，SAR ADC電路由四個子電路組成：

用于采集輸入電壓(V_IN)的采樣保持電路(S/H)。

模擬電壓比較器，它將VIN與內(nèi)部DAC的輸出進行比較并將比較結(jié)果輸出至SAR。

SAR子電路，用于向內(nèi)部DAC提供V_IN的近似數(shù)字碼。

內(nèi)部基準DAC，向比較器提供相當于SAR數(shù)字碼輸出的模擬電壓。

圖14.SAR ADC的典型架構(gòu)

對SAR進行初始化，使最高有效位(MSB)等于數(shù)字1。將此代碼輸入DAC，然后DAC將此數(shù)字碼的模擬等效信號(V_REF/2)提供給比較器電路，以便與采樣輸入電壓進行比較。如果此模擬電壓超過V_IN，則比較器使SAR重置此位；否則，此位將保留為1。然后將下一位設(shè)置為1并進行相同的測試，持續(xù)執(zhí)行此二進制搜索直到SAR中的每個位都已經(jīng)過測試。所得到的代碼是采樣輸入電壓的數(shù)字近似值，并最終由SAR在轉(zhuǎn)換結(jié)束(EOC)時輸出。

圖15.4位SAR ADC示例

圖15顯示了4位轉(zhuǎn)換的一個示例。y軸表示DAC輸出電壓。在此示例中，第一次比較顯示V_IN< V_DAC。因此，位3設(shè)置為0。然后將DAC設(shè)置為0100并進行第二次比較。由于V_IN> V_DAC，位2保持為1。然后將DAC設(shè)置為0110并進行第三次比較。將位1設(shè)置為0，然后將DAC設(shè)置為0101進行最終比較。最后，由于V_IN> V_DAC，位0保持為1。

硬件設(shè)置

為了利用ADALM2000重點說明SAR ADC的工作原理，對于DAC器件將使用在下次實驗中探討的電路，但此設(shè)置中將使用4位DAC（而不是8位）。DAC的輸出端將連接到比較器，同時通過腳本對SAR進行仿真，該腳本基于比較器的輸出執(zhí)行二進制搜索并生成正確的二進制值。

圖16.SAR ADC原理圖

構(gòu)建SAR ADC的試驗板電路，如圖17所示。

圖17.SAR ADC試驗板連接

將OP484集成電路中的兩個精密軌到軌運算放大器用于該SAR ADC，一個用于R-2R梯形DAC，另一個作為DAC輸出和輸入電壓之間的比較器。

程序步驟

向電路提供±5 V電源電壓。配置示波器，使通道1上顯示比較器輸出信號，通道2上顯示DAC輸出信號。

將邏輯分析儀中的前4個數(shù)字通道分組，并將解碼器設(shè)置為并行。

下載SAR ADC腳本，并使用Scopy界面運行腳本。

使用逐次逼近法，根據(jù)從比較器輸出端收到的反饋更新數(shù)字碼。

利用示波器在時域內(nèi)實現(xiàn)DAC輸出的逼近行為可視化。產(chǎn)生的波形如圖18所示。

圖18.SAR ADC逐次逼近波形

經(jīng)過幾個逼近步驟后，輸出值接近輸入值（設(shè)置為2 V）。

AD7920 12位ADC背景信息

AD7920是一款12位高速、低功耗SAR ADC。它可以采用單電源供電，電源電壓范圍為2.35 V至5.25 V。此ADC支持串行接口。串行時鐘提供轉(zhuǎn)換時鐘，并在轉(zhuǎn)換期間控制來自AD7920的信息傳輸。轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過/CS和串行時鐘進行控制，從而為器件與微處理器或DSP接口創(chuàng)造了條件。輸入信號在/CS的下降沿進行采樣，而轉(zhuǎn)換同時在此處啟動。圖19顯示了ADC采樣階段和轉(zhuǎn)換階段的簡化原理示意圖。

在采樣階段，SW2閉合且SW1置于A。在此設(shè)置下，比較器保持在平衡狀態(tài)，采樣電容采集V_IN的信號。為使ADC啟動轉(zhuǎn)換，SW2斷開，而SW1移至位置B，使比較器變得不平衡?？刂七壿嫼碗姾稍俜峙銬AC可以加上和減去采樣電容中的固定電荷數(shù)量，使得比較器恢復(fù)到平衡狀態(tài)，進而轉(zhuǎn)換完成。

硬件設(shè)置

圖21給出了AD7920的典型連接設(shè)置。V_REF取自內(nèi)部V_DD，因此其應(yīng)充分解耦。這將提供0 V到V_DD的模擬輸入范圍。轉(zhuǎn)換結(jié)果以16位字輸出，前4位為0，后12位或10位MSB為結(jié)果。

圖19.AD7920采樣和轉(zhuǎn)換階段

圖20.AD7920試驗板連接

圖21.AD7920典型連接

程序步驟

打開Scopy，使能正電源為3 V。配置信號發(fā)生器的通道1為0 V到3 V之間的某一恒定值，例如該域的中間值1.5 V。可以在示波器上監(jiān)視這些電壓的實際值。

圖22.V_IN（通道1）和V_REF（通道2）電壓

在邏輯分析儀中，將DIO0、DIO1和DIO2配置為一個組通道。將該組通道設(shè)置為SPI，各通道設(shè)置為對應(yīng)的SPI信號——DIO0為CS#，DIO1為CLK，DIO2為MISO。當CS#下降沿啟動數(shù)據(jù)傳輸時，應(yīng)將DIO0觸發(fā)器設(shè)置為下降沿。將DIO1觸發(fā)器設(shè)置為低電平，并從觸發(fā)器設(shè)置中將“觸發(fā)器邏輯”設(shè)置為AND。DIO2是ADC的輸出信號，不需要觸發(fā)器設(shè)置。使能邏輯分析儀，它應(yīng)在等待觸發(fā)信號。

在模式發(fā)生器中配置時鐘信號。使能DIO1通道，將其“模式”設(shè)置為5 MHz頻率的時鐘，然后單擊Run（運行）?？梢詮臄?shù)字IO工具控制CS#。當切換配置為輸出引腳的DIO0引腳時，轉(zhuǎn)換機會開始。如果CS#的下降沿和CLK的低電平狀態(tài)同時發(fā)生，轉(zhuǎn)換將啟動，應(yīng)能在邏輯分析儀中看到輸出信號和MISO十六進制數(shù)據(jù)，如圖23所示。

圖23.AD7920的SPI接口

可以使用ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)的公式檢查結(jié)果，其中MISO數(shù)據(jù)為數(shù)字輸出碼，示波器通道1上讀取的電壓為模擬輸入，示波器通道2上讀取的電壓為基準輸入，N為AD7920的位數(shù)。

以上計算得出的結(jié)果是ADC輸入電壓為1.5 V，在示波器通道1上讀出的也是該值。

額外活動：雙斜率ADC

雙斜率ADC（或變體）是許多高精度數(shù)字電壓表的核心器件。此架構(gòu)具有幾個有用的特性：由于大多數(shù)誤差源都會抵消，因此只需要幾個精密元件，還可以通過配置來抑制特定噪聲頻率，如50 Hz或60 Hz線路噪聲，并且對高頻噪聲不敏感。

圖24.雙斜率ADC結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)換器的工作原理如下：在固定時間內(nèi)對積分器施加未知輸入電壓（稱為上坡(runup)），然后對積分器施加與輸入極性相反的已知基準電壓（稱為下坡(rundown)）。因此，輸入電壓可以根據(jù)基準電壓和下坡-上坡時間比計算得到：

圖25.雙斜率ADC積分器輸出波形

可以看出，雙斜率轉(zhuǎn)換器的精度不受大多數(shù)元件容差的影響：

積分器的電阻和電容容差會影響輸出斜率，但同時也會影響上坡和下坡。

用于設(shè)置上坡時間和測量下坡時間的時基誤差對兩個時間的影響是相同的。

基準電壓必須準確，因為它會直接影響測量結(jié)果。另一個誤差源是積分器電容中的電介質(zhì)吸收，因此聚丙烯或聚苯乙烯是理想選擇，而鋁電解不太合適。

圖26.雙斜率ADC積分器輸出波形

圖26所示為雙斜率ADC的頻率響應(yīng)。在固定時間間隔（上坡）內(nèi)對輸入采樣，上坡開始時電壓對結(jié)果的影響與上坡結(jié)束時電壓對結(jié)果的影響一樣。有時也將此稱為箱式平均值，它能夠抑制在1/T、2/T、3/T等頻率下發(fā)生的干擾（噪聲）。200 ms積分時間對應(yīng)于10個周期的50 Hz噪聲和12個周期的60 Hz噪聲；由于它能夠抑制線路噪聲，因此通常將其作為上坡時間。

仿真

打開這里提供的LTspice^?文件DualSlope.asc。

圖27.雙斜率ADC積分器原理圖

運行仿真，探測Vintegrate節(jié)點。

圖28.雙斜率ADC積分器仿真1

該仿真將60 Hz線路噪聲添加到直流輸入電壓中。通過.step指令運行幾種情況——1 V、2 V、3 V、4 V 5 V輸入電壓以及60 Hz線路噪聲的幾個不同相位。由于200 ms上坡時間是60 Hz線路周期的整數(shù)，所以噪聲在頻率響應(yīng)中為零，并且無論相位如何，下坡時間都不受影響。將頻率更改為62.5 Hz，使其處于頻率響應(yīng)的峰值。

圖29.雙斜率ADC積分器仿真2

硬件設(shè)置

為雙斜率ADC構(gòu)建試驗板電路，如圖30所示，并按照圖示對M2K進行連接。

圖30.雙斜率ADC積分器試驗板電路

程序步驟

打開Scopy。內(nèi)核Scopy初始化文件Dual_slope_scopy_setup.ini以幫助設(shè)置。

電源：使能跟蹤，設(shè)置為±5 V。

數(shù)字IO：DIO2設(shè)置為OUT，設(shè)置為1。

模式發(fā)生器：組DIO0、DIO1，模式：導(dǎo)入（加載文件dual_slope_pattern.csv）。頻率設(shè)置為5 Hz。

信號發(fā)生器：通道1初始設(shè)置為恒定2.5 V。

示波器：200 ms時基，通道1設(shè)置為400 mV/刻度。下降沿觸發(fā)器，200 mV（將在積分器重置間隔開始時觸發(fā)M2K）。

圖31.雙斜率ADC積分器波形

當基準電壓源連接到-5 V電源并將輸入電壓設(shè)置為2.5 V時，請注意下坡為2格(400 ms)，而上坡為1格(200 ms)。因此：

V_IN= 5 V × (200 ms / 400 ms) = 2.5 V

通過改變輸入電壓，可以看到上坡時間發(fā)生變化。波形如圖32所示。

圖32.不同輸入電壓的雙斜率ADC積分器波形

實際實現(xiàn)雙斜率轉(zhuǎn)換器時，將使用一個微控制器來控制積分器并設(shè)置上坡/測量下坡時間。大多數(shù)微控制器都提供計數(shù)器外設(shè)，因而很容易實現(xiàn)。

問題：

1.能否說出ADC的若干實際應(yīng)用？

您可以在學(xué)子專區(qū) 論壇上找到答案。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Andreea Pop自2019年起擔任ADI公司的系統(tǒng)設(shè)計/架構(gòu)工程師。她畢業(yè)于克盧日-納波卡理工大學(xué)，獲電子與通信學(xué)士學(xué)位和集成電路與系統(tǒng)碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：andreea.pop@analog.com。

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項目工作，同時為Circuits from the Lab^?、QA自動化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：antoniu.miclaus@analog.com。

Mark Thoren是ADI公司的一名系統(tǒng)設(shè)計/架構(gòu)工程師。他擁有緬因大學(xué)農(nóng)業(yè)/機械工程學(xué)士學(xué)位和電氣工程碩士學(xué)位。Mark試圖保留配備處于破損狀態(tài)并將其恢復(fù)原狀的設(shè)備的實驗室工作臺。聯(lián)系方式：mark.thoren@analog.com。

Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學(xué)習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。聯(lián)系方式：doug.mercer@analog.com。

關(guān)鍵詞：