AD转换论文

学 号：

学 年 论 文

题 目 学 院 专 业 班 级 学生姓名 指导教师 职 称

A/D转换在控制系统中的应用 计算机科学与信息工程学院

自动化

2016 年 12 月 12 日

目录

摘要 ..................................................... 1 一.A/D转换的概念 ........................................ 2 1.简述 ................................................ 2 2.工作原理 ............................................ 3 3.A/D转换过程 ........................................ 3 二．A/D器件的类型及相关参数 .............................. 4 1.A/D器件的类型....................................... 4 2.A/D器件的相关参数 ................................... 6 三. 在控制系统中的应用描述 .............................. 10 1.休眠模式噪声消除 ................................... 10 （1）ADC噪声消除技术 .............................. 12 （2）ADC噪声消除功能的实现 ...................... 12

A/D转换器在控制系统中的应用

摘要

本文首先介绍了A/D转换的基本概念，工作原理，转换过程。再分类介绍A/D转换器的类型以及详细介绍了相关参数。最后以ATMEL公司A/D转换的AT90S8535为例，介绍了在噪声消除技术，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。结果表明，A/D转换器由于自身的结构、性能特点，在许多应用中不同的问题，需根据具体需求采取必要的措施来提高A/D转换器的精度。

关键字：A/D转换 AT90S8535 噪声技术

1

一.A/D转换的概念

1.简述

A/D是模拟量到数字量的转换，依靠的是模数转换器（Analog

to Digital Converter），简称ADC。这样于是就会引入两个概念模拟量和数字量。

那么什么是模拟量？就是指变量在一定范围内连续变化的量，也就是在一定范围内可以取任意值。比如我们米尺，从0到1米之间，可以是任意值。任意值也就是1cm，也可以是1.001cm，10.000cm??后边有无限个小数。总之，任何两个数字之间都有无限个中间值，所以称之为连续变化的量，也就是模拟量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。

而我们用的米尺上被我们人为的做上了刻度符号，每两个刻度之间的间隔是1mm，这个刻度实际上就是我们对模拟量的数字化，由于有一定的间隔，不是连续的，所以在专业领域里我们称之为离散的。我们的ADC就是起到把连续的信号用离散的数字表达出来的作用。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位、14位和16位等。那么我们就可以使用米尺这个“ADC”来测量连续的长度或者高度这些模拟量。

2

2.工作原理

A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。

3.A/D转换过程

A/D转换过程包括取样、保持、量化和编码四个步骤。 采样是指在A/D转换期间，为了使输入信号不变，保持在开始转换时的值，通常要采用一个采样电路。启动转换实际上是把采样开关接通，进行采样。为了保证采样后的信号能恢复原来的模拟信号，要求采样频率错误！未找到引用源。与被采样的模拟信号的最高频率错误！未找到引用源。应满足下面关系

错误！未找到引用源。>=2错误！未找到引用源。 保持是指在A/D转换期间，采样电路采样后，过一段时间后，开关断开，采样电路进入保持模式，才是A/D真正开始转换。

那么量化呢？模数转化是为了量数字系统不能识别的采集信息转化为能识别的结果，在数字系统中只有0和1两个状态，而模拟量的状态很多，而ADC的作用就是把这个模拟量分为很多一小份的量来组成数字量以便数字系统识别，所以量化的作用就是为了用数字量更精确表示模拟量。

最后编码，编码是将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过

3

程。

二．A/D器件的类型及相关参数

1.A/D器件的类型 （1）积分型

积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。

图一 积分型A\\D转换器原理图

（2）逐次比较型

逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。

4

图二 逐次比较型A\\D转换器原理图

（3）并行比较型/串并行比较型

并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称flash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。

串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。 （4）Σ-Δ调制型

Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等

5

组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。 （5）电容阵列逐次比较型

电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。 （6）压频变换型

压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辨率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。

2.A/D器件的相关参数

(1)分辨率(Resolution)。指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。

(2)转换速率(Conversion Rate)。是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低

6

速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是Ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次(Kilo / Million Samples Per Second)。

(3)量化误差(Quantizing Error)。由于AD的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD(理想AD)的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。

(4)偏移误差(Offset Error)。输人信号为雷时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。

(5)满刻度误差(Full Scale Error)。满刻度输出时对应的输人信号与理想输人信号值之差。

(6)线性度(Lineafity)。实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上3种误差。

对于AD转换器，选取的标准主要决定于采样频率和位数，以及价格、供货周期、应用情况等其他因数。生产高速AD的主要厂家有AD公司、Maxim公司以及TI公司(也就是BB公司)。这三家公司在高速AD上的产品种类不是很多，根据对各种AD芯片的查阅，选择TI公司的AD转换芯片ADS5422。

ADS5422是14bit的最高采样频率可达62Msps的高速AD转换芯

7

片，采用单- 5V电源供电，在采样频率为10M时其最大动态范围为82dB，最高信噪比达到72dB，其数字量输出可以直接和5V或者3.3V的CMOS芯片连接，模拟量输入的峰峰值为4V，可以直接输人0.5～4.5V的模拟量，封装形式为64脚的扁平四方封装。

14bit的AD转换适应信号的范围为10lg(214)dB=42dB，基本上可以适应各种应用场合。ADS5422的采样频率的大小由其输人时钟决定，输入时钟的范围可以在16ns～1μs，输人时钟为16ns时对应采样频率为62MHz，AD可以接受3V或者5V的TTL或者CM0S电平。DSP可以提供该时钟信号，并且可以软件设置输人时钟的各种特征量，包括时钟频率、高电平宽度等，基本上可以满足AD5422对时钟信号的要求。这里确定AD的实际采样频率为60MHz。这样，一秒钟内采样的数据量为50M个，由于DSP系统无法及时处理这些数据，在数据处理之前，必须将这些数据保存起来，使用ΠFO保存1M个数据，也就是20ms内的采样数据，1M个数据采集结束开始信号处理。由于高速AD采样导致信号不稳定，甚至出现错误。将设计多层板，加强布线的合理性，从电路板上尽可能去除干扰;其次提高算法的效率，节省计算时间。

除了这些主要参数之外，还有很多的相关参数。例如：功耗、接口方式、封装、温度等等。以下表为TI、AD、MAXIM公司系列为例：

8

TI公司:

AD公司：

MAXIM公司：

9

三.在控制系统中的应用描述

A/D

转换技术已应用在现实生活中的多个领域，随着计算机、通

信和多媒体技术的飞速发展，全球高新技术领域数字化的程度已不断加深。如今电子产业已经形成了以数字技术为主体的格局，特别是半导体产业显得尤为突出。半导体技术数字化集成化的日益提高，在推动微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、微机械电子系统（MEMS）的发展中，也推动了“嵌入”或“隐性”模数转换技术的发展。在这些因素的影响下，模数转换技术正朝着高精度、高速度的发展方向迈进。

现在时的我们已经身处数字化时代、计算机、多媒体、软件技术都是以数字化为基础。数字化技术正在引发一场范围广泛的产品革命，电器设备，信息处理设备，工厂控制设备都将向数字化方向变化。

1.休眠模式噪声消除

AT90S8535是ATMEL公司生产的一款基于AVR RISC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；

10

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：

图3ADC框图

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

11

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。

（1）ADC噪声消除技术

AT90S8535的内外部数字电路会产生电磁干扰，从而影响模拟测量精度。如果要求测量精度较高，则应采取如下技术以减少噪声：

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。

（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=\

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。

12

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。

1

3

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/j4e.html