勘察仪器与原理-第三章-第五节--ok.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,勘 查 仪 器 原 理,教师：王旭,Email：hfli,第三章,测量系统基本部件,在电子系统中，经常用到,数字量,与,模拟量,的相互,转换,。如工业生产过程中的湿度、压力、温度、流量；通信过程中的语言、图像、,文字等物理量,需要转换为数字量，才能由计算机处理；而计算机处理后的数字量也必须再还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制，如数字音像信号如果不还原成模拟音像信号就不能被人们的视觉和听觉系统接受。因此，,数模,转换器和,模数,转换器是沟通模拟电路和数字电路的,桥梁,，也可称之为两者之间的,接口,，是数字电子技术的重要组成部分。,第五节,A/D转换器原理及主要类型介绍,数字电子技术和计算机技术几乎渗透到了各个领域，例如通信、网络、控制系统、检测系统等。但是接口输入信号（如温度、位移）和输出信号（如电压、图象信号）往往是模拟量，因此A/D和D/A必不可少。,A/D转换：将模拟信号转换为数字信号，相应的 电路叫A/D转换器，简称ADC；,D/A转换：将数字信号转换为模拟信号，相应的电路叫D/A转换器，简称DAC。,目前,电子系统呈现出,日益数字化,趋势,数字电路、数字处理无处不在,其主要原因是:与模拟电路相比,数字电路具有,噪声灵敏度低,、,抗干扰能力强,、,系统稳定度高,、,适应性广,、电路设计及自动测试容易、具有,可编程性,等特点(模拟电路一旦设计成型,就不易改变参数,不易调整电路),同时,也由于集成电路工艺的进步,使数字电路的性能得以不断提高,数字电路有如此多的优点,并在很多领域正在逐步取代模拟电路,但是,我们生存的环境却离不开对模拟信号的处理。首先,自然界出现的信号几乎都是模拟量,其次,人类感知和保留,本节主要内容,3.5.1 A/D转换器(常称ADC)的基本原理,3.5.2 高速ADC,3.5.3 高精度ADC,3.5.4,各种,ADC,性能比较,3.5.1,A/D,转换器的基本原理,什么是,A/D,转换?简单地说,就是,把连续时间信号转换为与其相对应的数字信号的过程,。反之称为,D/A,转换。,ADC,就是完成这种转换过程的电子元器件。它把采集到的采样模拟信号量化、编码后,转换成数字信号。,由于模拟信号是在时间上、量值上连续的,而数字信号在时间上、量值上都是离散的,所以,进行模数转换时,首先要按一定的时间间隔对模拟信号值取样(取样规则就是第二章讲的,采样定理,),使它变成时间上离散的信号,然后将采样信号值保持一段时间,在这段时间内对采样值进行量化,使采样值变成离散的量值,然后,再通过,编码器,把量化后的离散量值转换成数字量输出,这样,经过量化、编码后的信号就成了时间和量值都离散的数字信号。显然,模数转换一般要分采样、保持和量化、编码两步进行。,基本流程：,模拟信号(,A,)采样保持量化编码数字信号(,D,),A/D,转换器的工作原理如下图所示:,抗混叠,滤波器,采样-保持,量化,编码,时钟与控制,模,拟,信,号,数,字,信,号,f,s,(采样频率,),采样控制信号,抗混叠滤波器,：将输入信号频带以外的信号滤除，限制输入信号的带宽，使后续的采样不致将不希望的噪声或信号成份混叠在有用信号基带中；,采样电路,：在采样时钟控制下将输入信号转换为在时间上离散的采样信号（符合,采样定理,）；,保持电路,：在模数变换过程中保持采样值不变；,量化电路,：将采样值用一系列参考电平值中的一级来近似，这种近似称为量化，采样信号通过量化成为幅度离散的数字信号；,编码电路：,在输出端建立一个与量化电平相对应的二进制数字表示的数字量；,时钟与控制电路：,提供转换器所需时钟信号，并按转换过程控制各部分电路的动作。,具体电路中量化、编码结合在一起。,量化,编码,由取样保持电路完成,由,A/D,转换电路完成,A/D,转换的基本步骤：,采样（取样）,保持,一、采样、保持,电路,1、,为什么要采样、保持？,原因：,为避免数据量过大，造成存储和处理的 困难。,A/D,转换是需要时间的，不能对所有连续点都转换，只能对采样点；,采样：,为了把模拟信号转换成对应的数字信号，必须首先将模拟量每隔一定时间抽取一次样值，使时间上连续变化的模拟量变为一个时间上断续变化的模拟量，这个过程称为采样,。也就是,将时间和数值都是连续变化的模拟量转化为时间离散、数值连续的模拟量。为保证能从采样信号将原来的被采样信号无失真地恢复，必须满足：,采样信号频率,输入信号最高频率,简单地说,采样是将时间上连续变化的信号，,转换为时间上离散的信号,，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。,采样过程：,采样脉冲,输入模拟信号,采样输出信号,U,i,U,o,采样,开关,S（t,),U,i,S（t,),U,o,T,S,保持：,A/D,转换并不是瞬间完成的，它要求在转换期间被转换的模拟值保持不变，以保证转换的精度。,用下图来说明:,取,样,保,持,若采样直流或变化非常缓慢的模拟信号如温度，可不用保持器,可见，进行,A/D,转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的,v,I,值。,2、采样保持器基本原理,采样保持原理可用下图来说明:图中S为模拟开关,C为保持电容,运放A接成电压跟随器,也称缓冲放大器。这是最基本的采样保持器。,S,U,i,C,H,A,U,O,采样、保持电路原理图,V,C,工作原理:,当,V,C,为,采样电平,时,开关,S,导通,模拟信号,U,i,通过,S,向,C,充电,输出电压,U,o,跟踪输入模拟信号的变化；,当,V,C,为,保持电平,时,开关,S,断开,输出电压,U,o,保持在模拟开关断开瞬间的输入信号值,运放的作用是把,C,和负载隔离。,S,V,C,输入模拟信号,V,C,采样信号,采样脉冲,采样保持,信号,U,i,U,O,U,O,U,i,所以采样保持器是指在逻辑电平控制下处于“,采样,”或“,保持,”两种工作状态的电路。在采样状态下电路的输出跟踪输入模拟信号；在保持状态下电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号,直至进入下一次采样状态为止。参看上图,由于运放的输入阻抗很高,保持阶段在,C,上的电荷就不会通过负载放掉,实现了保持功能。(电容放电时间常数非常大,因此认为,C,上电压基本不变),3、采样保持器的基本结构,（1）串联型采样/保持器,优点：结构简单。,缺点：输出电压的误差（失调误差、共模误差）是两块运放误差的代数和，比较大，因此，此电路精度不高；另外，其跟踪速度也较低。,（,2,）,反馈型采样保持器,-,+,-,+,S,1,S,2,V,C,U,i,U,O,C,H,R,r,其特点是将输出端通过电阻反馈到输入端，使,N1、N2,共同组成一个跟随器。当采样时，开关,S1,导通，,S2,断开；当保持时，开关,S1,断开，,S2,导通，保持电容两端电压保持在开关,S1,断开瞬时值上，即输出电压保持在,S1,断开瞬时值上。,S2,为防止,N1,饱和所设。此器件的转换精度与速度比串联型高。,N1,N2,（3）电容校正型采样保持器,下图所示是利用,补偿电容,改善模拟式闭环采样保持器性能的实际电路原理图。,采样期间,，控制信号为高电平，使得二极管,D,1,导通、,D,2,截止。,D,2,截止导致电阻,R,2,上无电流，使场效应管,S,2,处于零偏状态而导通。,S,2,导通又使得场效应管,S,3,的栅漏电压等于输出缓冲器,N,2,的输入失调电压(理想情况下等于零)，因此,S,3,也处于零偏状态而导通。,S,3,导通时，电容,C,1,通过电阻,R,迅速放电，直至,C,1,上电压等于零。,D,1,导通导致电阻,R,1,上有压降，从而使场效应管,S,1,的栅源电压为正而截止。输入缓冲器,N,1,通过,S,2,、,S,3,处于电压跟随状态，输出缓冲器,N,2,则通过,S,3,处于电压跟随状态，从而使整个电路处于对输入信号的采样跟踪状态。,用补偿电容改善采样保持器性能的实际电路原理图,C1,C,H,S,1,S,2,S,3,R,控制信号,V,C,U,i,U,O,R1,R2,N,1,N,2,U,C1,U,C2,I,off2,I,off3,补偿电容,因为,C,H,漏电流的影响大体上可被,C1,的漏电流所补偿，使两电容上的电压变化相同，即保持电容放电使电压下降，补偿电容反向充电使输出电压上升，而且下降量等于上升量，使输出电压保持不变，达到提高保持精度的目的。,保持期间,，各二极管和场效应管的导通截止状态正好相反。此时，,N,1,通过,S,1,继续处于电压跟随状态，,N,2,则由于,C,1,两端电压不变而保持输出,U,o,等于,C,H,上所记忆的电压值。事实上,C,H,两端电压在缓慢变化，采用高质量的电容时，主要是由于,S,2,漏电流,I,off2,的影响，同时，受,S,3,漏电流,I,off3,的影响，,C,1,两端电压也在改变。若,S,2,和,S,3,两管匹配，则因它们的工作状态相同而有,I,off3,和,I,off2,大小相等、方向相同(即要么都符合图中假设方向，要么都与图中假设方向相反)，则电容漏电时,C,H,两端电压的改变率与,C,1,两端电压的改变率大小相等。,（4）,数字式采样保持器,下图所示是数字式采样保持器的框图。保持期间，控制信号为“,0,”，与门电路输出始终为“,0,”，可逆计数器的输出不变，经,D,/,A,转换后的输出电压,U,o,也不变。采样期间，控制信号为“,1,”，若,U,o,小于输入电压,U,i,，则比较器输出高电平，有升计数脉冲信号，无降计数脉冲信号，可逆计数器输出增加，反之，可逆计数器输出减小；直到,U,o,等于,U,i,，实现了对输入信号的跟踪。,数字式采样保持器的突出,优点是可实现任意长的保持周期,，没有下垂现象。另外，它没有采样和保持瞬态干扰，可兼有模拟和数字输出等。其缺点是初始探测时间比模拟式采样保持器要长得多。因为时钟周期,t,的选择受可逆计数器计数速率的影响，不能太小。对零到满刻度的阶跃输入信号，由于计数器的位数应等于,D,/,A,转换器的位数,n,，故可知道探测时间为(,2,n,-,1,),t,。所以数字式采样保持器,适合跟踪较慢、较小的输入变化。,数字式采样保持器框图,比较器,集成采样保持电路,LF198,调零,输入模拟电压,取样控制信号,外接保持电容,在取样阶段，开关S接通，运放A,I,、A,2,构成两级电压跟随器,在保持阶段，S断开，电容C,H,上电荷保持不变，使输出电压 保持不变。,二极管D,1,、D,2,和电阻R,1,构成保护电路。,在取样阶段，S接通，D,1,、D,2,截止，保护电路不起作用。,在保持阶段，S断开，保持不变；但 在变，使 达到正（负）最大值，使开关S承受过高的电压。接上保护电路后可使 基本等于输入电压 。,LF198,4、采样保持器性能参数,理想情况下，采样期间采样保持器的输出电压与输入电压时刻相等，但实际上并非如此，还存在着下列非理想指标。,（1）孔径时间,T,AP,:,采样保持电路中，由于逻辑控制开关有一定的动作时间，保持命令发出后到逻辑输入控制开关完全断开所需要的时间。由于这个时间的存在，采样时间被延迟。,此时间影响转换精度,。,T,AP,T,AC,（2）孔径时间不定性,TAP,：,它是孔径时间的变化范围。,（3）捕捉时间,T,AC,:,当从保持状态发出采样命令后，采样保持器的输出从所保持的值到达当前输入信号的值所需的时间。,该时间影响采样频率的提高，对转换精度无影响。,（4）保持电压的下降：,由于泄漏电流的存在，保持状态时，保持电容器的漏电，使保持电压值不是恒值。保持电压下降速度可用下式计算：,式中,I,-下降电流；,C,H,-保持电容。,（5）馈送：,在保持时，由于输入信号经模拟开关存在的寄生电容耦合到保持电容器，因此输入电压的变化将引起输出电压的微小变化。,（6）采样到保持的偏差：,采样最后值与建立保持时的保持值之间的偏差电压。,（7）电荷转移偏差：,保持状态时，电荷通过寄生电容转移到保持电容器上引起的偏差。,二、量化和编码,数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。而采样、保持所得电压信号虽呈阶梯状但电平仍是连续变化的，即不是数字量。因此，必须将采样保持后的信号的大小局限在规定的离散电平上，即在进行,A/D,转换时，必须将采样保持后的,电压化为某个规定的最小单位的整数倍,，这一过程称为量化。,将量化幅值用二进制代码或二十进制代码等表示出来的过程称为编码。那些代表模拟信号各采样值的代码组就是A/D转换的结果。,量化有多种方法，最简单的是标量量化中的均匀量化。均匀量化是量化间隔相等，量化也是一种压缩数据的方法，本课程主要针对均匀量化情况。,A/D,转换器(,ADC,)一般为标量均匀量化,1、量化与量化误差,(1)量化：,将模拟量转为数字量的过程。,也就是,将采样值用一系列参考电平值中的一级来近似,这种近似就是量化。,(模拟信号经过采样、保持而抽取的电压值,这些值的大小仍属于模拟量范畴,所以还要继续对这些离散的模拟量进行量化编码,才能最终形成数字信号),具体来讲,怎样量化一个模拟量?量化是,ADC,所要完成的主要功能,量化过程如下:,先确定一个最小数量单位,然后再把采样电压值化为这个最小单位的整数倍。,所确定的最小数量单位,称为量化单位,也称量化电平,一般用,或者,q,表示，显然=1,LSB,。,量化电平定义为满量程电压(或满度信号值),V,FSR,与2的,N,次幂的比值,即,q,=V,FSR,/2,N,。,（,N,为转换位数）,通常满量程电压也称,参考电压,，是,ADC,所能转换的,最大电压值,。,如，一个,ADC,的,V,FSR,=3.2,V,，转换成二进制数的位数为8，那么此,ADC,的量化单位为,q=3.2/2,8,=0.0125(V)=12.5(mV),若,N=10，q=3.2/2,10,=0.003125(V)=3.125(mV),由此看出,转换位数,N,越多,量化单位越小(量化等级越细),那么转换后的数字信号越接近原模拟信号值,也就是说,位数越多,转换精度越高,误差就越小,。,量化的方法一般有两种：,只舍不入法,和,有舍有入法。,如下图所示：,只舍不入法,有舍有入法,Xa,Xa,Xd,Xd,000,000,001,001,010,010,011,011,100,100,101,101,q,q,2q,2q,3q,3q,4q,4q,5q,5q,q/2,3q/2,(2)量化误差,由于,ADC,是用一个,离散的数字量,表示,连续的模拟量,所以这种表示只能是,近似,的,也就是说转换结果相对于原模拟信号存在,误差,这种误差称为,量化误差,也称,量化噪声,、,量化失真,。,量化误差,e,定义为采样保持后未量化的模拟值,Xa,与量化值,Xd,值之差,即,e=X,d,X,a,这个误差随分辨率(常用二进制位数,N,表示,ADC,的分辨率)的增加而减小,但,不可能减小到零,所以量化误差是一种,原理性误差,，只能减小，不可能通过先进的技术、方法来消除它。(这种量化误差,在还原信号的,D/A,转换后,作为噪声再生)另外,量化误差大小与量化方式有关。用下面的图表来说明:,Xd,Xd,Xa,Xa,e,e,q,q,q/2,-q/2,q/2,Xa,Xa,3q/2,只舍不入法,有舍有入法,001,010,011,2q,2q,由图看出：,只舍不入法的量化误差范围是,0 q,有舍有入法的量化误差范围是,q/2 +q/2,一般认为，量化误差是随机变量，分布区域在,0q,或,q/2 +q/2,。若码位选得足够多，则量化误差可以很小。,因为,e,为随机变量，那么量化误差的均值可用数学期望来计算：,P(x),为函数,f(x),的概率密度。,所以,（只舍不入法）,（有舍有入法）,（因为误差均匀分布在,0q,或,q/2 +q/2,之间，所以其概率密度为,1/q,),进而可计算出量化误差的方差为：,e,2,也称平均量化噪声功率。那么量化噪声功率谱密度为,f,s,为采样频率,所以，即使模拟信号为无噪声信号，经过,ADC,量化后，数字信号也将包含噪声,q,2,/12,，即量化噪声是不能彻底消除的。,另外还有非均匀量化，如对数量化（输入、输出关系是对数关系）；矢量量化主要用于图像压缩技术、语言编码技术等。,【按照量化的维数分，量化分为标量量化和矢量量化。标量量化是一维的量化，一个幅度对应一个量化结果。而,矢量,量化是二维甚至多维的量化，两个或两个以上的幅度决定一个量化结果。以二维情况为例，两个幅度决定了平面上的一点。而这个平面事先按照概率已经划分为,N,个小区域，每个区域对应着一个输出结果（码书，codebook）。由输入确定的那一点落在了哪个区域内，矢量量化器就会输出那个区域对应的码字（codeword）。矢量量化的好处是引入了多个决定输出的因素，并且使用了概率的方法，一般会比标量量化效率更高】,2、编码,模数转换过程的最后阶段是编码。,编码是用数字代码表示量化后的输入模拟电压,。编码形式有多种,最常用的编码形式为,二进制,编码。量化和编码是在同一个电路中完成的。另外,采集的模拟信号是有极性的,因此,编码有,单极性和双极性,两大类,可根据信号极性来选择编码形式。,(1)单极性编码,二进制码：,二进制码是单极性码中使用最普遍的一种码制。在数据转换中经常使用,二进制分数码,。一个（十进制）数D可用二进制分数码表示为：,由上式可以看出，第1位(最高位,MSB,)的权值是12，第2位的权值是14，第,n,位(最低位,LSB,)的权值是12,n,。,a,i,或为0或为1；,n,是位数。,数D的值就是所有非0位的值与它的权值的积的累加和(在二进制中，由于非0位的,a,i,均等于1，故数D的值就是所有非0位的权的和)。当上式的所有各位均为1时(,n,一定时，这时的D取得最大值)，,D112,n,，也就是说在二进制分数码中，数D的值是一个小数。,一个模拟输出电压,U,0,，若用二进制分数码表示则为,另一个码制是,BCD,编码。尽管上面介绍的二进制编码是普遍使用的一种码制，但在系统的接口中，经常使用另一些码制，以满足特殊的需要。例如，在数字电压表、光栅数显表中，数字总是以十进制形式显示出来，以便于人们读数。,(2)双极性编码,大多数情况下，模拟信号是双极性的，有正有负，此时就需要双极性编码。双极性编码也有多种形式，常见有3种编码形式：符号数值码、偏移二进制码、补码。,偏移二进制码是转换器最容易实现的双极性码制。从表22可以看出，一个模拟输出量，当用偏移二进制码表示时，其代码完全按照二进制码的方式变化，不同之处只是前者的代码简单地用满量程值加以偏移。偏移二进制码的优点是除了容易实现外，还很容易变换成2的二进制补码；缺点是在零点,附近发生主码跃迁。,三、,ADC,的主要性能指标,1、分辨率,分辨率说明,A/D,转换器对输入信号的分辨能力。,ADC,的分辨率定义为,ADC,所能分辨的输入模拟量的最小变化量。,通常用数字输出最低位（,LSB,）所对应的模拟输入的电平值表示，也就是能区分的最小输入模拟电压。,A/D,转换器的分辨率常用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。当位数为,n,位时，能区分的最小电压为,V,FSR,/2,n,。,因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。,分辨率=,从理论上讲，一个,n,位二进制数输出的,A/D,转换器应能区分输入模拟电压的,2,n,个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为:,例如，,A/D,转换器的输出为12位二进制数，最大输入模拟信号为10,V,，则其分辨率为,（满量程输入的,1/2,n,）,2、量化误差,量化误差是由,ADC,的有限分辨率而引起的误差。在忽略其它误差情况下，一个分辨率有限的,ADC,的阶梯状特性曲线与具有无限分辨率的,ADC,特性曲线之间的最大偏差，称为量化误差。量化误差的大小前面已得出，根据量化方式不同有两种，一种为,0q,，一种为,-q/2,q/2,。,3、偏移误差,定义为使,ADC,的输入信号为0时，输出信号不为0的值，也称零值误差。,在一定环境温度条件下，偏移电压是可以调零的。,4、满量程误差(增益误差),指,ADC,输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百分数表示。可调，受温度影响。,5、线性度,指,ADC,的实际特性曲线与理想直线的最大偏差。,模拟输入,数字输出,实际曲线,理想曲线,6、绝对精度,数字输出码所对应的模拟输入电压实际值与理想值之差。,绝对误差由增益误差、偏移误差、非线性误差、量化噪声等组成。,7、相对精度,数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比，用表示。,精度与分辨率是两个不同的概念。在绪论中已强调过，分辨率高的,ADC,不一定具有很高的精度。,8、转换速率,A/D,转换器完成一次转换所需的时间定义为,A/D,转换时间。其倒数称为转换速率。,A/D,转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型,A/D,转换器的转换速度相差很大。,双积分型,A/D,转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；,逐次逼近式,A/D,转换器的转换速度较快，需几十微秒；,并行比较型,A/D,转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。,四、,ADC,分类,分类方式,类 型,按器件工艺结构,1、组件型AD转换器,2、混合(集成)电路型AD转换器,3、单片式AD转换器,(1)双极型,(2)MOS型,(3)双极MOS型,按转换器工作原理,1、间接型AD转换器,(1)积分型(电压一时间变换型)AD转换器,(a)单积分型；(b)双积分型；(c)四重积分型(d)五重积分型；(e)脉宽调制型；(f)电荷平衡型。,(2)电压频率变换型AD转换器(VF变换器),2、比较型(直接型)AD转换器,(1)反馈比较型,(a)逐次逼近型,(b)跟踪比较型,(2)无反馈比较型,(a)并行比较型,(b)串行比较型,(c)串-并行比较型,3、,型AD转换器,按转换器精度,1、低精度AD转换器(8位及8位以下),2、中精度AD转换器(912位),3、高精度AD转换器(1316位),4、超高精度AD转换器(16位以上),按转换速率,1、低速AD转换器(1 ms),2、中速AD转换器(1ms10,s),3、高速AD转换器(10,s1,s),4、超高速AD转换器(U,i,，,说明该数过大，故将最高位的,1,清除置,零,，否则说明该数字不够大，,保留1,；,逐次逼近型电路结构框图及,工作原理,：,注意：,该过程类似于对分搜索的问题。,该过程也如同天平称重每次所用法码依次减半的称法。,D/A转换器,控制逻辑,脉冲源,数码寄存器,并行数字输出,D,U,L,U,i,U,f,逐次逼近式A/D转换器原理图,A,C,U,C,模拟信号输入,转换控制信号,CP,然后，按同样的方法,将,次高位置1,，,并且经过比较以后确定这个1是保留还是清除；,这样逐位比较下去，,逐次比较直至,最低位为止（,LSB,）为止，,比较完毕后，,此时寄存器中的数字就是,A/D,转换的,输出数字量,。,例：若,V,FSR,4,V,，n4。当采样保持电路输出电压为2.49,V,时，采用,有舍有入法,量化，其转换过程如下：,解：量化单位为,偏移电压为,q,/20.125,V,CP0,清0,0000 0V,CP1,1000 2V-0.125V 2.49V (去除),CP3 1010 2.5V-0.125V 2.49V(去除）,CP5 将结果1010送入输出寄存器。,优点：,转换速度较快，需n+2个CP即可完成。,电路较简单，（比并联比较型的电路规模小得多），可将位数做得较高，是目前用得最多的产品。,转换的结果为：,d,3,d,2,d,1,d,0,1010,一个,n,位逐次逼近型,A,/,D,转换器完成一次转换要进行,n,次比较，需要,n,+2,个时钟脉冲。其转换速度较慢，属于中速,A,/,D,转换器。但由于电路简单、,较高的分辨率（分辨率从8位到18位，采样速度从几十,kHz,到几十,MHz,）、,成本低，因此，也被广泛使用。,逐次逼近比较型,A/D,转换器的特点：,二、并行比较型A/D转换器,真正的高速ADC电路是并行比较型ADC,也称闪烁式ADC,它,将输入模拟电压,直接,转换为数字量，不经过中间变量，也,不需要,保持电路。此电路关键是比较器电路，如下图：,+,-,ui,u,ref,u,O,若,uiu,ref,，则比较器输出高电平(,1,)。,运放作为比较器用时，工作在,非线性区,。,ud=ui-u,ref,u,d,u,o,下图所示为3位二进制输出的并行比较型,A/D,转换器的逻辑图。这是一个直接,A/D,转换器，它由电压比较器、缓冲寄存器和编码器（代码转换器）几部分组成。图中，,V,R,为电压比较器的基准电源电压，输入的模拟电压幅值范围为0,V,R,。,并行比较型A/D转换器（3位）,C,C,C,C,C,C,C,4,C,C,C,C,O4,C,C,C,R/2,R,R,R,R,R,R,R/2,V,REF,V,R,V,R,V,R,V,R,14,14,14,14,13,11,3,1,D,Q,Q,C1,1D,1D,码,Q,D,(MSB),编,1D,Q,先,2,Q,Q,Q,1D,1D,优,C1,器,C1,1D,0,1D,(LSB),C1,1,C1,C1,C1,D,CP,V,I,电压比较器,寄存器,代码转换器,O7,O1,O2,O6,O5,O3,1,7,6,2,5,3,1,2,3,4,5,6,7,I,I,I,I,I,I,I,7,6,5,4,3,2,1,优点：,转换速度快，如TDC 1007J 8ADC转化速率达30MHz，SDA5010型6位ADC达100MHz,该ADC内含寄存器，可以不用附加取样保持电路，因为比较器和寄存器兼着取样保持的功能。,缺点,：,电路复杂、成本高、功耗大。,适用场合：,高速、低分辨率的场合。,优点：转换速度很快，故又称,高速,A/D,转换器,。,ADC,所有位的转换同时完成，其转换时间主要取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。,缺点：电路复杂，对于一个,n,位二进制输出的并行比较型,A/D,转换器，需,n,个精密电阻，,n,-1,个电压比较器和,2,n,-1,个触发器，编码电路也随,n,的增大变得相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。而且功耗大，成本高。,因此，这种转换器适用于,高速、精度较低,的场合。,并行比较型,A/D,转换器的特点：,并行比较式,ADC,虽然速度很高,但它的分辨率有限,只有,610,位,常用,8,位,电路复杂,功耗大,价格昂贵,成本高。比如,8位,ADC,就需要2,8,-1个比较器,2,8,个电阻,所以,一般情况下,大多选择逐次逼近式,ADC,虽然它的速度比并行,ADC,低,但它的分辨率达18位以上,故大多数数字仪器都使用逐次逼近式,ADC,。,流水线型模数转换器,流水线型,ADC,又称为子区式,ADC,，它由级联的若干级电路组成，每一级包括一个采样/保持放大器，一个低分辨率的,ADC,和,DAC,，以及一个求和电路。用多级低分辨率的,ADC,组成高分辨率的,ADC,。,优点：,具有良好的线性和低失调；,每一级具有独立的采样/保持放大器，前一级电路的采样/保持可以释放出来用于处理下一次采样，因此允许流水线各级同时对多个采样进行处理，从而提高了信号的处理速度，可达10,MSPS,（兆次/秒）；多级转换提高了,ADC,的分辨率。,复杂的基准电路和偏置结构；,输入信号必须穿过数级电路造成流水线延迟；,同步所有输出需要严格的锁存定时；,对工艺缺陷敏感，对印刷线路板更为敏感，会影响增益的线性、失调及其他参数。,缺点：,3.5.3 高精度ADC-,-,型ADC,要提高采样值量化精度，就要减小量化误差，也就是要,q值越小，N越大,。但是，传统ADC转换位数越多，每个子样电压的量化时间就越长，那么要求采样频率就越低，致使更高频率的信号得不到记录；另外，较多位数的传统ADC，需要由模拟电路产生众多的一系列标准权电压，用它们逐个与子样电压进行比较，靠模拟电路来保证这些权电压的精度是很难做到的；,其次，传统结构的,ADC是以器件的,高,精度和电路的复杂性为代价，而且，为了防止混叠噪声的影响，需要高性能的前端抗混叠滤波器，增加了对设计和工艺的要求；再说，对地震勘探来说，要求数据全采，什么意思？就是不需要前放后的滤波部分，检波器接收的所有信号经ADC后再处理，由此，传统ADC 是做不到这一点的。,目前，过采样,-,(Over Sampling Sigma-Delta)调制技术已得到广泛应用，它采用过采样技术与,-,调制器的噪声整形技术对,量化噪声进行双重抑制,，从而使信噪比提高，获得较高,精度,。另外，采用过采样,-,调制技术，大大缓解了对前置抗混叠滤波器的性能要求，使ADC中数字电路的比例增加，模拟电路的比例减小，对模拟电路精度的要求降低，从而降低成本，更适宜于与数字电路的大规模集成。,24位,-,ADC的引入，使数字地震仪的结构和性能产生革命性的变化，发达国家上世纪80年代已推出了具有24位ADC的新一代遥测地震数据采集系统，另外，地震仪的更新换代也是非常快的，SN388仪器是法国1992年推出的，但现在，我国石油物探队基本上都使用法国产408UL、428XL，极少数队用SN388。,若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯,q,量化噪声的总功率是一个常数,与采样频率,f,s,无关,功率密度谱,在,0f,s,/2,的频带范围内均匀分布。,量化噪声电平与采样频率成反比,提高采样频率,可以降低量化噪声电平,而基带是固定不变的,因而减少了基带范围内的噪声功率,提高了信噪比。,理论基础:信号采样量化理论,一、,-,型,ADC,的概念及原理,此ADC与传统ADC概念完全不同。传统ADC转换对象是信号子样的电压幅值，而,-ADC是采用过采样的,一位编码技术和数字滤波器技术,来实现模数转换的，其转换对象不再是,信号子样的电压幅值,，而是,采样点波形的变化趋向，,即对同一信号的两个,相邻采样点,之间的,差值,()进行一位编码，之后再通过数字滤波器获得高位输出信号。,其设计思想是，首先通过高频过采样，把模拟信号变成,1位,的高速数据流，这一步是调制；然后进行数字滤波，数字滤波过程的实质是，根据实际的采样频率从高速数据流中抽取24位作为采样点值，并把位速率降低。其实，它就是,采用了两个技术，一是过采样技术；一是-调制器技术。,其原理框图如下：,-,调制器,数字抽取滤波器,过采样,x(t),(,0,f,b,),f,s,1,f,s,y(n)n,位,调制器输出,1位,y,1,(n),设输入模拟信号,x(t),-调制器以过采样频率,f,s1,对,x(t),进行采样,-调制器的输出,y,1,(n),为1位数字信号序列,这种数字信号序列再经过数字抽取滤波器后,按,f,s,的分样频率输出,y(n),位数为2024位,从而实现模拟信号的高精度,高分辨率A/D转换。,1、过采样技术,过采样:是指以远远高于奈奎斯特频率的频率对模拟信号进行的采样。,一般高几百倍到几千倍,常取,256,倍。,因为采用过采样,使采样频率远离有用频带。由前面的信号采样量化理论可知,混叠失真是关于,f,s,/,2 对称的,如,若采样频率,f,s,=1KHZ,那么700HZ的信号将会与300HZ的频率发生混叠,f,s,=,f,信,+,f,混,但若,f,s,/2,远远高于有用频带的上边频时,只要混叠不进入有用频带内,可以允许具有某种程度的混叠出现。,因而,采用过采样,大大缓解了对前置抗混叠滤波器的性能要求,不要求象传统,ADC,的抗混叠滤波器的高性能、大陡度,一个简单的低通滤波器就行或者,省去抗混叠滤波器,而用后面的,数字滤波器来完成去假频功能,；同时,由于它的一位量化特点,采样保持电路也可省去,这样,就使电路简化许多,消除不少噪声和畸变,也利于电路的大规模集成。,过采样技术对量化噪声的抑制：,只要有量化,就会产生量化噪声,由前面的量化理论可知,若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯,q,量化噪声的,总功率,是一个常数,q,2,/12,此值与采样频率,f,s,的高低无关,且,量化噪声的功率谱均匀分布在,0,f,s,/2,的频带范围内,。由于有用信号带宽是固定的,所以提高采样频率可降低有用信号带宽内的噪声能量,使信噪比提高。,下图清楚显示采样频率与噪声功率谱密度的关系：,以,f,s,采样的量化噪声,以,f,s1,采样的量化噪声,f,s,1,/2,功,率,谱,密,度,f,s,/2,信号带宽,可以看出,信号带宽内的量化噪声能量相对小很多。,2、-,调制器的量化原理,(1)简单的增量调制原理,见下图：,+,量化编码,1位,D/A,x(t),x,1,(t),-,+,y,1,(n),采样脉冲,f,s,1,1位输出,e(t),增量调制的基本方法：把时间轴按采样间隔,t,分成相等的小段，,将纵轴分成相等电压间隔,，用阶梯信号,x,1,(t),来逼近输入模拟信号,x(t)。,采样脉冲比奈奎斯特采样频率高,256,倍以上。,开始工作时,y,1,(n),0，,那么1位,D/A,输出,x,1,(t)，,它代表了前一个离散点值，由过采样保证,x,1,(t),与,x(t),相差甚小，当,x(t)-x,1,(t),0,时，,e(t)0,y,1,(n),为,“,1,”,x(t)-x,1,(t),0,时，,e(t)f,信,因此允许(,f,s1,-f,信,)之间的频率分量存在,而不会因混叠失真影响,0f,信,的有用频带。如,若,f,s1,=2,MHZ,f,信,=250,HZ,那么1,MHZ,频率分量产生的混叠都不会落入0250,HZ,之间。,有用频带,（a）数字滤波前,（b）数字滤波后,f,f,整形滤波后的量化噪声,f,b,f,b,有用频带,f,a,f,a,信号频谱,二阶,-,ADC,提高,-ADC,系统信噪比最好办法是提高系统的阶次。,四、,-ADC,的特点,1、转换精度高；,2、转换速率低；,3、每路模拟输入通道都需要一个,-ADC,不,能采用时分多路复用技术；,4、由于采用过采样,-,调制,所以在,ADC,前不需要抗混叠滤波器。,抗混叠滤波器,抗混叠滤波器,抗混叠滤波器,抗混叠滤波器,多,路转换器,ADC,不,能采用时分复用技术,无需抗混叠滤波器,A/D,A/D,A/D,A/D,A/D转换器的使用,（b）,多,路转换器,输出,数字,模拟信号,3.5.4,各种,ADC,性能比较,传统方式的,ADC,，例如：逐次逼近型、积分型、压频变换型主要应用于中速或较低速、中等精度的数据采集和智能仪器中。,在并行基础上发展起来的分级型和流水线型,ADC,主要应用于高速情况下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集术等领域。这些高速,ADC,的不足之处就是分辨率不高，无法实现大动态范围及微弱信号的检测。,90年代以来获得很大发展的-型,ADC,利用高采样率和数字信号处理技术，将采样、量化、数字信号处理融为一体，从而获得了高精度的,ADC,，目前可达24位以上，-型,ADC,由于其极高的分辨率，在很多应用领域可以直接对传感器的输出信号进行转换处理而不需要任何信号调理（放大器和滤波器）电路；-型,ADC,不断提高的转换速度和相对低廉的价格，日益拓宽它的应用领域，对测控电路的设计必将带来深刻的影响和变革。目前，,这一类型的,ADC,的主要缺点是转换速度还不高，很难实现高频信号的检测。,下表列出了6种常用,ADC,比较对照表：,类型,并联比较式,分级型,逐次逼近式,-型,积分式,V/F型,主要特点,超高速,高速,综合性价比高,高分辨率高精度,高精度低成本抗干扰能力强,高分辨率低成本,分辨率,610,816,818,1624,1216,816,转换时间,几十ns,几十几百ns,几几十微秒,几几十ms,几十几百ms,几十几百ms,采样频率,几十兆次/秒,几兆次/秒,几十几百千次/秒,几十千次/秒,几几十次/秒,几几