ADC原理及的应用.docx

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ADC原理及的应用

高精度Delta-SigmaA/D转换器的原理及其应用

本次在线座谈主要介绍TI的高精度Delta-SigmaA/D转换器的原理及其应用，Delta-Sigma转换器的特点是将绝大多数的噪声从动态转移到阻态，通常Delta-Sigma转换器被用于对成本与精度有要求的低频场合。

本文首先将对TI的高精度Delta-SigmaA/D转换器进行综述性介绍，而后将介绍噪声的测量及芯片ADS1232等。

Delta-Sigma转换器综述

Delta-Sigma转换器是采用超采样方法将模拟电压转换成数字量的1位转换器，它由1位ADC、1位DAC与一个积分器组成，见图1。

Delta-Sigma转换器优点表现在低成本与高分辨率，适合用于现在的低电压半导体工业的生产。

Delta-Sigma转换器组成

Delta-Sigma转换器由差分放大器、积分器、比较器与１位的DAC组成，输入信号减去来自1位DAC的信号将结果作为积分器的输入，当系统得到稳定工作状态时，积分器的输出信号是全部误差电压之和，同时积分器可以看作是低通滤波器，对噪声有-6dB的抑制能力。

积分器的输出用1位ADC来转换，而后比较器将输出数字1和0的位流。

DAC将比较级的输出转换为数字波形，回馈给差分放大器。

Delta-Sigma转换器原理详述

积分器将量化噪声伸展到整个频带宽度，从而使噪声成型，而滤波器可以过滤掉绝大多数的成型噪声。

有几个误差源会降低整个系统的效果，为了满足ADC的输入范围，很多信号要求一些放大电路和电平偏移电路，有时放大器在ADC的内部，有时使用外部放大器。

无论是哪一种情况，放大器电压、电压漂移、输入偏置电流或采样噪声将引入误差信号。

为了得到精确的ADC转换结果，放大器的误差应该通过调整来消除或减少。

积分器对输入低频或直流信号内置一个低通滤波器，从而极大地降低了通道内的噪声。

典型的半导体放大器的噪声分为两个部分，1/F噪声和对地噪声，Delta-SigmaADC的主要应用是在低频场合，因此1/F噪声的影响占主要地位。

选择合适的放大器可以控制1/F噪声。

由噪声频谱图可知（见图2），器件的噪声在高频主要是背景噪声，而在低频主要是1/F噪声，当越接近我们想要得到的直流信号时，1/F噪声越大。

人们通常把1/F噪声想象成漂移，它是一个非常低频率的现象，常用的解决方法是采用窄波输入。

获得窄波稳定输入的方法如图3所示，如果有一个1mV的射调电压加在差分放大器的同向输入端，1mV的信号出现在正的输出端，而在下面的电路中，1mV的信号被输出到负的输出端。

由于它被交替地加到正的和负的输出端，因此最后的结果是经过平均后，这1mV的射调电压不会出现在输出端，而这在Delta-Sigma转换器中有显著效果。

因为差分放大器的输出正好被积分器平均，漂移随着时间及射调变化，对窄波稳定电路来说，射调实际值是无关紧要的，因此随着时间的漂移和射调不会影响转换的结果。

图4给出了一个4位ADC转换为满刻度正弦波时的时域变化情况。

ADC采样一个正弦信号的输入，如果这一信号用一个DAC来呈现，那么采样和量化的效果将很容易被注意到。

采样意味着在一个不连续的时间点输出信号被捕捉，在这两个点间输出则保持不变，输入被采样的速率是大家熟知的采样频率，奈奎斯特原理规定采样必须至少是输入信号带宽的两倍，采样高于这最小要求的速率即是超采样，Delta-Sigma即是利用超采样的方法完成信号转换，而量化的作用是将连续的模拟信号的幅度，变换成不连续的电平。

利用超采样可将量化噪声分布到更宽的频率范围，从而降低了背景噪声的电平。

依靠1位ADC后的数字滤波器，Delta-Sigma转换器限制了噪声带宽。

由于大部分噪声不能通过数字滤波器，带宽的有效噪声得到降低。

将量化噪声分布在更宽的频率范围内，而后用滤波器滤去大部分噪声的技术，即是Delta-Sigma转换器应用低分辨率的ADC的基础。

噪声的测量

不同的方法可用于测量系统的噪声性能，同样系统噪声也可用不同的方法表达，它具有高斯分布的特征，信噪比SNR通常用于高速ADC系统，而ENOB通常用于低频和直流系统。

高斯分布

随机噪声一般具有高斯分布的特征，绝大多数的采样值将分布在相关的区域内，如果一个测量系统要求一个峰峰的限制，那么99.9％的采样应该分布在这个区域内，如图5所示。

峰峰噪声

有效的噪声告诉我们采样值是随机的，因而不能清楚地知道显示的结果将是什么，如果一个显示的位数是不能变化的，我们就叫做无噪声码。

峰峰的噪声是大量数据的统计测量，它不能被直接计算，它是有效噪声的6.6倍。

标准方差

标准方差的标准定义要求计算每一个测量值与全部测量值的平均值的差值的均方根（如公式1所示），由于要在所有值被采样后才能计算其平均值，所以在实际的数据采集系统中，其标准定义并不经常使用。

一个简易的方法是计算标准方差，它仅要求两个数字即所有值的和及所有数字的平方和（如公式2所示）。

ENOB的计算方法

ENOB有两种计算方法，第一种SNR=6.02N+1.76dB，ENOB=（SNR-1.76dB）/6.02；第二种方法是2ENOB=满刻度值/RMS噪声值=224/。

（其中信噪比是指信号的有效值与噪声有效值的比值）。

ADS1232特点及应用

ADS1232简介

ADS1232是一个精密的24位AD转换器，内部带有低噪声可编程精密放大器，精密的Delta-SigmaAD转换器和内置振荡器。

ADS1232为桥路传感器的应用及报告称重仪器提供一个完全的前端解决方案，具有非常低的噪声，当PGA=128倍时，20mV的输入范围内仅有17nVrms有效噪声，采样速率为10Hz及80Hz，对于50Hz与60Hz具有大于100dB的抑制能力。

对于称重仪器的应用，ADS1232是最容易使用的。

第一它具有完整的前端，不需要外置放大电路。

第二它没有外部时钟的要求。

第三所有的功能均由管脚来控制，没有寄存器需要编程。

另外称重仪器的参考设计可通过ADS1232的EDM板进行评估。

ADS1232提供一个低漂移、低噪声的可编程增益仪表放大器，包含2个运放和3个精密匹配的电阻R1、RF1和RF2。

它可选的增益是1倍、2倍、64倍和128倍。

在称重仪器中，大量采用比例测量方法，在这里桥路的接地电压同时为AD转换器的参考电压，因为桥路的输出正比于桥路的接地电压，而AD转换器的结果也正比于参考电压，因此采用比例方法测量时，AD转换器的输出结果只与桥路阻抗的变化有关，因此可以大大地提高测量精度。

图6给出了ADS1232在称重仪器中的应用，这里ADS1232的放大倍数为128倍，数据速率为10次/秒。

其他相关器件

ADS1100：

16位低功耗转换器

ADS1100是最小的16位ADC转换器，采用SOT23-6封装，内置增益可在1倍、2倍、4倍或8倍间进行选择，其数据速率为8~128次/秒，典型应用包括：

手持式设备与监视器、电池管理、消费产品与工业加工控制等。

ADS1112：

多通道16位ADC

ADS1112是一款16位精密的带有自动校正的模数转换器，有两个差分输入通道或三个单端输入。

内置2.078V电压基准，其电源电压为2.7~5.5V。

它的主要特性表现在具有完整的小型数据获取系统、输入复用器、PGA及振荡器。

它支持I2C接口，典型应用包括手持式设备、便携式监控器及功率管理等。

ADS1222：

24位低功耗转换器

ADS1222是TI最低成本的24位工业用Delta-Sigma转换器和业内最小的两通道差分输入转换器，具有很高的输入阻抗、内置温度传感器、两线串行输入接口和自校准电路。

其数据速率为240SPS，典型应用包括：

手持式设备与工业加工控制。

ADS1271：

24位高性能转换器

ADS1271是一款独特的将直流精度与交流性能组合在一起的高性能24位Delta-Sigma转换器，通常工业上的Delta-Sigma转换器利用高阶低通滤波器得到好的直流精度，但是限制了信号带宽，因此仅适合直流测量。

而音频应用的高分辨率的ADC需要大的可用带宽，但直流精度会因此变坏，而ADS1271却将优异的直流精度与交流性能组合在一起。

其典型应用包括：

压力传感器、测试与测量等。

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前言

在数据采集系统中，模数转换器是其中至关重要的环节，模数转换器的精度以及系统的成本直接影响到系统的实用性，因此，如何提高模数转换器的精度和降低系统的成本是衡量系统是否具有实际应用价值的标准。

一般，想提高模数转换器的精度，势必会引起成本的增加，这就要求我们按照具体的精度要求合理的设计模数转换器，来达到具体的要求和降低系统的成本。

在精度要求不是很高的场合，我们经常利用嵌入微控制器片内的A/D转换器来实现模数转换，以此来降低系统的成本，但由此又产生了另外的问题，嵌入式模数转换器是否具有所要求的精度，若超出测量范围如何与测量电路进行接口，以及如何减小微控制器的电磁干扰提高嵌入式模数转换器的精度问题。

这都要求我们采取不同的措施来提高嵌入式模数转换器的精度。

1 精度与分辨率

ADC的精度和分辨率是两个不同的概念。

精度是指转换器实际值与理论值之间的偏差；分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值。

ADC分辨率的高低取决于位数的多少。

一般来讲，分辨率越高，精度也越高，但是影响转换器精度的因素很多，分辨率高的ADC，并不一定具有较高的精度。

精度是偏移误差、增益误差、积分线性误差、微分线性误差、温度漂移等综合因素引起的总误差。

因量化误差是模拟输入量在量化取整过程中引起的，因此，分辨率直接影响量化误差的大小，量化误差是一种原理性误差，只与分辨率有关，与信号的幅度，采样速率无关，它只能减小而无法完全消除，只能使其控制在一定的范围之内，一般在±1/2LSB范围内。

1.1 偏移误差

偏移误差是指实际模数转换曲线中数字0的代码中点与理想转换曲线中数字0的代码中点的最大差值电压。

这一差值电压称作偏移电压，一般以满量程电压值的百分数表示。

在一定温度下，多数转换器可以通过对外部电路的调整，使偏移误差减小到接近于零，但当温度变化时，偏移电压又将出现，这主要是由于输入失调电压及温漂造成的。

一般来说，温度变化较大时，要补偿这一误差是很困难的。

1.2增益误差

增益误差是转换器输出全“1”时，实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。

它使传输特性曲线绕坐标原点偏离理想特性曲线一定的角度，即增益误差表示模数转换特性曲线的实际斜率与理想斜率的偏差，数值一般用满量程的百分比表示。

      ADC的理想传输函数的关系式是

（1）

式中Un是没有量化时的标准模拟电压，由于存在增益误差，式

（1）变为

（2） 

（2）式中的K为增益误差因子。

当K＝l时，没有增益误差。

当K＞1时，传输特性曲线的斜率变大，台阶变窄，在输入模拟信号达到满量程值之前，数字输出就己全“l”状态。

当K＜1时，传输特性曲线的斜率变小，台阶变宽，输入模拟信号己超满量程值时，数字输出还未达到全“1”状态输出。

在一定温度下，可通过外部电路的调整使K＝l，从而消除增益误差。

1.3线性误差

线性误差又称积分线性误差，是指在没有偏移误差和增益误差的情况下，实际传输曲线与理想传输曲线之差。

线性误差一般不大于1/2LSB。

因为线性误差是由ADC特性随输入信号幅值变化而引起的，因此线性误差是不能进行补偿的，而且线性误差的数值会随温度的升高而增加。

1.4微分线性误差

微分线性误差指实际代码宽度与理想代码宽度之间的最大偏差，以LSB为单位，微分线性误差也常用无失码分辨率表示。

由于时间和温度的变化，电源可能会有一定的变化，有时可能是造成影响ADC精度的主要原因，因此在要求比较高的场合，必须保证电源的稳定性，使其随温度和时间的变化量在所允许的范围之内，但在一般的场合，往往可以不考虑其对系统的影响。

2 嵌入式模数转换器的结构及影响转换的原因和消除方法

嵌入式模数转换器将模拟多路开关、采样保持、A/D转换、微控制器集成在一个芯片上，经常采用逐次比较型进行A/D转换，模拟输入信号一般为非负单极性，且输入信号的电压范围为0～AVREF，A/D转换器具有独立的模拟电源与参考电压。

实际应用中，由于输入信号的输出电阻不同，如果输出电阻过大，会引起实际测量的电压分压过小，因而引起测量值较实际值偏小；或者由于输入信号为双极性模拟信号，不能直接与嵌入式微控制器相连，必须采取特殊措施，使双极性模拟信号转换为可以直接测量的非负单极性信号；还有如果输入信号幅值过大，以至于超过参考电压，也必须引入将压环节，使输入电压低于参考电压，等等，下面对以上影响逐一进行分析。

2.1模拟输入信号阻抗对采样的影响

采样过程是采样电容充电，跟踪输入模拟信号电压的过程，由于采样电路存在模拟多路开关阻抗、采样开关阻抗和输入信号源阻抗，因此，其转换时间受模拟多路开关阻抗、采样开关阻抗与输入信号源阻抗的影响，模拟多路开关与输入信号源的阻抗越大则其转换时间越长。

逐次比较型A/D的输入端等效电路如下图所示：

图1 逐次比较型A/D的输入端等效电路

其中，RIN为输入模拟信号内阻，VS为输入模拟电压信号，RSH为模拟多路开关与采样开关的等效电阻，VSH为采样电容的充电电压，由等效电路可以看出，输入模拟信号内阻越大，则采样电容充电时间越长，因此，对于采样频率要求越高的场合，要求模拟输入信号内阻必须越小，在应用时必须首先估算在规定的采样频率下，对模拟输入信号内阻的要求。

由电路理论可以求得RIN所允许的最大值（假设采样时间为T）：

如果信号源内阻达不到要求，则需使用一个输出阻抗很小的缓冲器，例如可以使用电压跟随器，使信号源的输出阻抗达到A/D转换器所要求的输入阻抗的范围之内。

2.2 模拟信号极性及幅值的变换

在数据采集系统中，采集的模拟信号并非都是非负单极性信号，经常是双极性信号，因此在使用嵌入式A/D转换器的时候，需要对模拟输入信号进行极性转换，我们可以采用运算放大器组成的线性网络来对其极性及幅值进行转换，但须注意的是在引入线性网络的同时，又引入了一定量的非线性误差，其线性网络原理图可用下图表示：

图2线性网络原理图

只要改变电阻R1、R2、R3的大小以及它们的比例关系便可调整模拟输入信号的大小使其符合测量要求。

下面介绍一种常用芯片AT90S8535关于其A/D转换器使用时应该注意的情况。

AT90S8535是ATMEL公司生产的一款基于AVRRISC结构的，低功耗的8位单片机，其内部集成有模数转换器，模数转换器具有以下特点：

10位分辨率；±2LSB精确度；0.5LSB集成线性度；65～260μs转换时间；8通道；自由运行模式和单次转换模式；ADC转换结束中断；休眠模式噪声消除。

AT90S8535具有10位分辨率的逐次逼近型A/D转换器。

ADC与一个8通道模拟多路器相连，这样就允许A口作为ADC的输入引脚。

ADC包含一个采样保持放大器，ADC框图如下所示：

ADC可以工作于两种模式——单次转换和自由运行。

在单次转换模式下，用户必须启动每一次转换，而在自由运行模式下，ADC会连续采样并更新ADC数据寄存器。

ADCSR的ADFR位用于选择A/D转换器的运行模式。

由于模拟通道的转换总是要延迟到转换的结束，因此，自由运行模式可以用来扫描多个通道，而不中断转换器。

一般来说，ADC转换结束中断用于修改通道，但需考虑一下因素；结果一旦准备好，中断就被触发，在自由运行模式，中断一被触发，则下一次转换马上开始。

如果中断触发过后，模拟通道改变，而下一次转换已经开始，则仍旧使用以前设置。

图3ADC框图

3.1 ADC噪声消除技术

AT90S8535的内外部数字电路会产生电磁干扰，影响模拟测量精度。

如果要求测量精度较高，应采取如下技术减少噪声：

1）  AT90S8535的模拟部分及其他的模拟器件在PCB板上要有独立的地线层。

模拟地与数字地单点相连；

2）  使模拟信号通路尽量短。

使模拟走线在模拟地上通过，并尽量保持远离高速数字通路的走线；

3）  AVCC要通过一个RC网络连接到VCC；

4）  利用ADC的噪声消除功能减小来自CPU的噪声；

5）  如果A口的一些引脚作数字输出口，则在ADC转换过程中，这些口不要改变其状态。

3.2   ADC噪声消除功能的实现 

ADC可以在CPU空闲模式下进行转换，这一特征使得可以抑制来自CPU的噪声。

为了实现这一特性，需采取一下措施：

A）  必须选择单次转换模式，ADC的转换结束中断必须使能；ADEN=1；ADSC=0；ADFR=0；ADIE=1；

B）  进入空闲模式。

一旦CPU停止，则ADC将开始转换；

C）  如果在ADC转换结束之前没有发生其它中断，则ADC中断将唤醒MCU并执行ADC转换结束中断。

微控制器片内A/D转换器由于自身的结构、性能特点，在许多应用中会遇到与独立A/D转换器不同的问题，但大多数嵌入微控制器的A/D器都具有像AT90S8535相似的结构和特点，采取的消噪技术和方法也大致相同，我们需根据具体情况具体分析需采取嵌入A/D还是独立A/D，并根据具体需求采取必要的措施来提高A/D转换器的精度。

PS：

1/F噪声

白噪声是一种完全无规律的令人烦躁不安的噪声，该噪声的功率谱密度平行于横轴，是与频率无关的量，我们称之为1/f0波动；布朗噪声是一种相关性很强，使人感到单调乏味的噪声，该噪声的功率谱密度与f2成反比，我们称之为1/f2波动；介于上述两种形式之间的噪声是一种在局部呈无序状态，而在宏观上具有一定相关性的噪声，是一种使人感到舒服的波动。

由于该噪声的功率谱密度与频率在是成反比的，我们称之为1/f波动。