基于CPLD的高分辨率AD转换电路设计

ｒｏｌｎｅｎａＹ

ＣＰＬＤ．ＢＡＳＥＤＣＩＲＣＵＩＴＤＥＳＩＧＮＯＦ

ＨＩＧＨ—Ｉ汪ＳＯＬＵＴＩＯＮＡＤＣＯＮＶＥＲＴＥＲ

ＡＴｈｅｓｉｓＳｕｂｍｉｔｔｅｄｔｏ

ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

ＦｏｒｔｈｅＡｃａｄｅｍｉｃＤｅｇｒｅｅｏｆＭａｓｔｅｒｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

ＢＹ

Ｓｕｐｅｒｖｉｓｅｄｂｙ

Ｐｒｏｆ．胁Ｊｉａｎｈｕｉ

ＳｅｎｉｏｒＥｎｇｎｇｌｎｅｅｒ１，５ｌｌｅｎＣｈｅｎａｎ

ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ

ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｍａｒｃｈ２０１０

东南大学学位论文独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及耳）（得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

珥盛、卜

东南大学学位论文使用授权声明

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研究生签名：一导师签名：巡一日期：Ｉ。．ｒ．。口

摘筮

摘要

ＣＰＬＤ（复杂可编程逻辑电路）具有系统可编稃、使川方便灵活的特点，在数字化仪器仪表的应川非常』。泛，同时数字化仪器仪表对丁．高精度ＡＤＣ有着非常明确的需求，论文基］ｉＣＰＬＤ设计出高精度ＡＤ转换器以达剑降低系统成本的目的，具有ＩＩ程使川价值。

论文从仪器仪表应用领域对温控的需求方面出发，基－ｊ－＿ＣＰＬＤ设计了具有高精度、低温漂的１６位ＡＤ转换器。模拟输入电压为Ｏ．１００ｍＶ，通过精准的放大厉送给ＡＤ６５２进行Ｖ／Ｆ变换，其输山的频率信号由ＣＰＬＤ进行测量，在采样时间内同时对标准频率信号和被测频率信号计数，结果送交控制器，产生１６位ＡＤ转换结果，同时设计了可提供０．１００ｍＹ连续可调的高精度测试用基准源，采用光电耦合器实现电气隔离以进一步降低相电路间的相互干扰。论文设计了相应的ＰＣＢ板。

论文对所设计的系统进行了调试与测试，结果表明，所设计的ＡＤ转换器无杂散动态范围（ＳＦＤＲ）为８６ｄＢ，信号噪声失真比为７９ｄＢ，满足系统的精度要求。关键词：Ｖ／Ｆ，ＣＰＬＤ，频率计，模数转换器

—————————●——一—－——一———一．～垒！！！苎！！…一——一

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ｕｓｅｄｉｎｄｉｇｉｔａｌｅｑｕｉｐｍ。ｎ‘８ＰｒｏｇｒａｎｕｎａｂｌｅＬｏｇｉｃＣｉｒｃｕｉｔ）ｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙＣＰＬＤ（Ｃｏｍｐｌｅｘ

ａｎｄｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｉｎｓｔｍｍｅｎｔｓｆｏｒｉｔｓｇｏｏｄｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｉｎ．ｓｙｓｔｅｍｐｒｏｇｒａｎｕｎａｂｉｌｉｔｙ，ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ

ＡＤＣｏｎＶｅｒｔｅ。Ｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓａｎｄｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｐｏｓｅｖｅｒｙｃｌｅａｒｄｅｍａｎｄｓｆｏｒｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ

ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｒｅｄｕｃｉｎｇＨｉｇｈ，ｐｒｅｃｉｓｉｏｎＡＤｃｏｎｖｅｒｔｅｒｂａｓｅｄＣＰＬＤｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ

ｃｏｓｔｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｏｂｖｉｏｕｓｌｙｈａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｖａｌｕｅｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

ｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ，ａＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ

ａｎｄｌｏｗ１６－ｂｉｔＡＤＣｏｎｙｅｒｔｅｒｂａｓｅｄＣＰＬＤｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｗｉｔｈｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ

ｆｒｏｍ０ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒｉｆｔ．Ｔｈｅａｎａｌｏｇｉｎｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｒａｎｇｅｓｔｏ１００ｍＶ．ＳｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙｔｈｅｉｎｐｕｔｏｆＡＤ６５２ｆｏｒＶ／ＦｓｉｇｎａｌｉｓｓｅｎｔｔＯｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｐｏｓｔ—ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．ＴｈｅｎｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌｉｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｔｈｅＣＰＬＤ，ｉｎｗｈｉｃｈｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｆｒｅｑｕｅｎｃＹｓｉｇｎａｌａｎｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｓｓｉｇｎａｌａｒｅｃｏｕｎｔｅｄｉｎｓａｍｐｌｉｎｇｔｉｍｅｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｔｈｅｎｔｈｅ１６－ｂｉｔＡＤｓｏｕｒｃｅａｃｈｉｅｖｅｄｂｙＡＣｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ａｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅ

ｏｆ０．１００ｍＶｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔ。ｐｒｏｖｉｄｅａ１１ａｄｊｕｓｔａｂｌｅｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｔｍｕ。ｕｓｌｙ．Ｍｅａｎｔｉｍｅ，。ｐｔｉｃ；ｔｌｃ。ｕｐｌｅｒｓａｒｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｓｕｓｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｉｓｏｌａｔｉｏｎｗｈｉｃｈｆｕｒｔｈｅｒｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＴｅｓｔｉｎｇＰＣＢｉｓａｌｓｏｄｅｓｉｇｎｅｄ．

ｉｓｍｅａｓｕｒｅｄＴｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄＡＤＣｏｎｖｅｒｔｅｒｂａｓｅｄＣＰＬＤａｎｄｔｈｅｈａｓｇｏｏｄｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉ。ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．Ｓｐｕｒｉｏｕｓｆｒｅｅｄｙｎａｍｉｃｒａｎｇｅ（ＳＦＤＲ）ｉｓ８６ｄＢａｎｄＳｉｇｎａｌ－Ｎｏｉｓｅ—Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ‘ａｔｌｏｉｓ７９ｄＢ，ｗｈｉｃｈｍｅｅｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍ’Ｓａｃｃｕｒａｃｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ

ＣｏｎｖｅｒｔｅｒＫｅｙｗｏｒｄｓ：Ｖ／ＦＣｏｎｖｅｒｔｉｏｎ，ＣＰＬＤ，ｃｙｍｏｍｅｔｅｉ。，Ａｎａｌｏｇ。ｔＯ—Ｄｌｇｉｔａｌ

｝－１录

目录

摘要要…………………．．……………．．…．．……．…．……………………………．…．……………………………………．………．ＩＡｂｓｔｒａｃｔ……………，……………………………．…．．．．…．．．．……………………………．…．．……．…………………………ＩＩ目录………………………………………………………………………………………………ＩＩＩ

第一章绪论………………………………………………………………………………………１

１．１研究的背景、方向和意义………………………………………………………………１１．２研究现状和本文的研究日标……………………………………………………………２１．３本文主要．Ｌ作……………………………………………………………………………２

第二章模数转换器原理…………………………………………………………………………．４

２．１模数转换器参数定义……………………………………………………………………４２．２模数转换器分类［１ｌ】……………………………………………………………………．１４２．３基于ＣＰＬＤ实现的模数转换器………………………………………………………．１５

第三章系统硬件设计…………………………………………………………………………．．２０

３．１系统硬件基本组成部分………………………………………………………………．２０３．２主要单元电路设计……………………………………………………………………．．２０３．３硬件抗干扰发计………………………………………………………………………．３０３．４硬件可靠性设计………………………………………………………………………．３２３．５ＰＣＢ设计…………………………………………………………………………………………………………．．３５

第四章系统软件设计…………………………………………………………………………．．３７

４．１系统软件总体结构……………………………………………………………………．３７４．２程序流程图……………………………………………………………………………．．３８４．３频率计的实现方法………………………………………………………………………３８４．４软件可靠性设计………………………………………………………………………．．４０

第五章系统测试………………………………………………………………………………一４１

５．１测试方案…………………………………………………………………………………．４ｌ５．２测试结果及分析………………………………………………………………………．．４１

第八章总结与展望……………………………………………………………………………．．４５参考文献…………………………………………………………………………………………４６附录………………………………………………………………………………………………………………．．……………．４９致谢………………………………………………………………………………………………………………………………５３

现一午端讫

第一章绪论

白步入信启、时代以米，人们的生活越来越依赖丁．荐类电ｆ产品。由丁‘市场需求不断增人的驱动和ｊ卜导体技术迅速发展的促进，集成电路住处理速度和芯片规模上都以指数形式增Ｋ，从而开创了今大的数字时代。冈此，我们需要通过电ｆ系统把外部的模拟信号采集进米，并把它转换成，“０”利，“ｌ”的数字信号，经数字电路处理后，再转换成模拟的形式玄控制各种机器设备或电子娱乐产品。实现这数据采集、转换功能的就是模数转换器

（Ａｎａｌｏｇ—ｔｏ—ＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＡＤＣ）和数模转换器（Ｄｉｇｉｔａｌ—ｔＯ—ＡｎａｌｏｇＣｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＤＡＣ）。同时，在现代先进的电子系统前端和后端都将应用ＡＤ转换器以改善数字处理技术的性能，特别是如雷达、声纳、高分辨率视频和图像显示、军事和医疗成像、高性能控制器与传感器以及包括无线电话和基站接收机在内的现代数字通讯系统等应用对高速、高分辨率的ＡＤ转换器的需求不断增加。近年来，它们在现代军、民用电子系统中均显示出其重要地位。

１．１研究的背景、方向和意义

与传统的模拟信号相比，数字信号具有便于存储转移、保真度和可靠性高等众多优点，因此，在工业控制、通信、多媒体等领域中彼广泛应用。相应的对模数转换器在速度，精度和功耗方面的要求也越来越高。同样模数转换器也起着将电池电量等模拟量转换为数字量以实现数字控制的目的。这些应用需要模数转换器拥有一定的精度以适应通信带宽的要求，同时又要保证较低的功耗。

随着电子技术的发展，．１．：业中大量使川高精度数控和测量设备，这些设备中通常需要将模拟信号转变为数字信号，最斤进行数字信号处理实现控制等实际操作，｜ｌ！：１此模数转换器成为整个链路中较为犬键模块。人部分ｒ业虑川实时性要求不是很高，但要求高的精度，冈此模数转换器一般需要满足高精度要求。另外，实际川ｐ府川中，电路的可靠性和成本也是重要的考虑冈紊，所以设计一种离可靠性、低成本、离精度的模数转挣器只有重要的现实意义，

目前，模数转换器二｝：要有两种实现方式：直接而州数模＃换器ｊ占片和基丁‘分立元件实现Ⅳ数牟之换器ｊ府Ⅲ数模车々授器，己：片府喇简单．但是高精废模数转换器：吝片成本较高，不ｊ芒合；业膨瑚中低成本要求：Ｉｌ业测Ｊ掣＿Ｚ域数控波备中通常部需要数字信号处理栏块，例如单片机、

ＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ，、ＣＰｌ．ＤｆＣｏｍｐｊｅｘＰ１１０９ｉ‘ａ¨１ｆｎ￡ｌｂ｜ｅＡｒｆｌａｙＬｏｇｉｃ）等．冈此蔓丁ＤＳＰ‘Ｄｉｇｉｔａｌ

东南学ｆｉ！Ｉ！卜擎。ｆ？１２上

数字信ｑ处理芯片，利ｊ一｝ｊ分立元什平¨～些基本芯片，可以实现低成本何勺高精度模数转换器，１ｒ常适合ｌ：业ＦｊｉⅢ。本论文基丁实际的Ｉ业需求，殴计了～款基－ＰＣ‘ＰＬＤｎＯ高分辨率模数转换器，具有很好的实际戍Ⅲ价值…。

１．２研究现状和本文的研究目标

随着科技的乜选发展、高分辨率的数模混合【Ｕ路的府州不断深入，电路设计日趋复杂，精度越来越高，所以高精度ＡＤ转换电路的设计就成了仪器仪表及各种测量控制系统的难点。在高精度测控系统中，高精度模数转换器是必不可少的，转换器的精度常常决定整个系统的精度。

分立的模数转换器实现可以分为３类：（１）逐次比较式ＡＤＣ，二进制输出，与数字信号处理芯片连线多，位数越多，连线也越多，成本也相应增加；（２）双积分式ＡＤＣ，以二进制或ＢＣＤ码的形式输出，精度高，抗干扰能力强，价格便宜，但转换速度较低；（３）ＶＦＣ（电压频率转换）式ＡＤＣ，利用积分原理，将输入电压（或电流）转换成频率输出，脉冲频率与输入电压（或电流）成比例，其精度高，线性度好，转换速度居中，转换位数与速度可调，且增加位数时不会增加与数字信号处理芯片的连线，因此，ＶＦＣ模数转换技术提供了一种廉价而有效的解决方法，非常适合工业应用‘２１。

本论文设计来源于仪器仪表的温控系统，采用高精度、低温漂的优质模拟、数字器件，辅以５２系列单片机为控制器，以复杂可编程逻辑器件ＣＰＬＤ（ＣｏｍｐｌｅｘＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＡｒｒａｙＬｏｇｉｃ）为频率测试的硬件平台，实现了高分辨率、低线性误差的ＡＤ转换器的设计。通过本设计掌握高精度、低漂移的高端ＡＤ转换器的设计方法，ＣＰＬｎ的设计，以及５２系列单片机的便件设计及软件编程。

论文设计的ＡＤ转换器的主要技术指标：

精度：１６ｂｉｒ

采样速率：５０Ｋ％１１Ｓ

１，３本文主要工作

木论文裂Ｊｒ．ＰＬＤ千¨ＶｊＦ车毒枷器９：现』’。移：ｒ胄｝分辨普：手¨低濡涝的撑敦车！ｊ挣绻．全文绷织结构如ｒ：

第一。苹为绪论ｉｍＩｊｊ７研有背帚、意，‘利ｆ甄ｌ状，提…．『’论，正的ｔｌＪ！＝瓮ｎ际．门。给Ⅲ比＝：［：的１

第一章绪论

组织结构安排：

第二章为模数转换器的原理简介，包括模数转换器的定义，性能表征和各种不同结构的模数转换器的特性：

第二章从系统的角度出发，详细阐述了整个系统的便仆ｉ殳计，并从单元电路入手，分别设计了各个子模块的电路，同时，讨论了硬件系统的抗干扰和可靠性设计：

第四章从软件架构出发，讨论了整个系统的软件设计，＝『｜给出了二ｆ群序流稃幽，讨论了软竹的可靠性发计；

第五章进行了系统测试，并给出了测试结果利分析；

第六章总结了整篇论文的内容和所做：ｆ：作，并就设计中存在的一些问题，提出了未来进一步ｒ作的方向。

乐向，』、学７研『昔；’ｆＺ论，之

第二章模数转换器原理

本章土要介｝“模数转换器的基本知识，通过讨论模数转换器的２占构特点，确定了基丁ＣＰＬＤ实现的模数转换器的原理。

２．１模数转换器参数定义

模数转换（ＡＤＣ）一般可分为两个独立的过程：采样和量化。采样是在时间轴上离散模拟信号，而量化则是在幅度上离散模拟信号。如图２．１（８）所示。模拟信号有一定的输入范围（Ｒ），量化时，把该输入范同分成Ｎ个等份：Ｒ＝｛Ｒ，，Ｒ，＝［ｘ，，ｘ，＋Ｉ），ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）。每一等份对应一个二进制编码Ｃ（ｆ），如图２．１（ｂ）所示。其中，每一等份的端点ｘ，，称为ＡＤｃ的转换阂值电压，每一等份的长度Ｒ．称为步长。步长可以是均匀的，也可以是不均匀的。ＡＤＣ按一定的搜索算法确定输入信号位于输入范同的某一等份。不同的算法对应于ＡＤＣ不同的结构。

采样

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丧｛止栏数车●换器仃儿１、性能参数二苒。兜介；“ＡＤｄ’的车车搀范再ｉ干｜ｉ车０伽｛古厦的概：色ＡＤＣ的靴ｊ换范胃．缸垲ＡＤＣ能够｝々换的晟ＪｊＬ也怍ｆ¨毋，。ｊ、ｌ包Ｊ－，／＿ｌ’奶的芦值：ＡＤＣ的ｊ＝誓挎精．哽！也

诧．．市傩故转搀器吼理

叫分辨率，是指ＡＤＣ可圳．识别的最小的模拟信号的变化，分辨率通常川满刻度（ＦＬｔｌｌＳｃａｌｅ．ＦＳ）的白｜分比米表示，但是通常也会用ＡＤＣ的位数Ｎ米表示’引。对丁．二进制编码，一个Ｎ比特的ＡＤＣ共有２～个输出状态，对丁一个理想的Ｎ比特的ＡＤＣ，假设输入范嗣是［¨丽、，¨。、］，则其分辨率可以表示为：ｒｅｓｏｌ—ｕｔｏｏｎ：半２—＿ｒ

Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ（２．１）（Ｚ ｌＪ需要说明的是，ＡＤＣ的分辨率对成。’ｒ．输出的Ｎ比特数字域中最末何的权重，冈此最后一位也叫做一个ＬＳＢ（ＬｅａｓｔＢｉｔ）。

２．１．１模数转换器的静态性能参数１４１

ＡＤＣ的静态特性基于ＡＤＣ的输入输山特性。在输入信号为直流量或者为频率很低的交流量时，ＡＤＣ静态性能参数主要决定了ＡＤＣ的性能。

ＡＤＣ的静态特性主要有以下４个方面：

Ｉ、积分非线性误差（ＩｎｔｅｇｒａｌＮｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙＥｒｒｏｒ，ＩＮＬ）

ｒＮＬ的定义：理想有限精度的传输曲线和实际有限精度的传输曲线相对应的每个数字编码在垂直方向上的差值的和。积分非线性误差表征了ＡＤＣ的总体线性度。那么两条曲线上相对应的每个编码在垂直方向上的差值就是该编码的微分非线性，因此可以得到：

２”一１

ＩＮＬ＝∑ｌＤＮＬ。Ｉ（２．２）

其中ｎ为ＡＤＣ的分辨率。由于ＤＮＬ代表了每个编码上的线性程度，冈此将微分非线性取绝对值再进行求和就表示了整个ＡＤＣ的非线性情况。

２、微分非线性误差∞ｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＮｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙＥｒｒｏｒ，ＤＮＬ）

微分非线性误著定义为每个币直台阶上测量的实际相邻编码之间的距离与理想相邻编码址臣离ｆ１ＬＳＢ）的善倚．以白分比或者ＬＳＢ为单何。一帔爿｛说，ＤＮＬ误筹可以表示为：

ＤＮＬ＝ｆＤ．一１）Ｌ。ＳＢ１２．３）

其中Ｄ，、表示实际代码苋鹰，以ＬＳＢ乃单付．出就是ｉ矩．ＤＮＬ丧示ｊ’实际代码宽度和理想代码宽嗖，’二间的筹侑，图２．２弘一个微钉。¨线 阽谬：莘｝ｊ有３比特的ＡＤＣｙＪ例，白÷传输曲线二表示…Ｊ，微分１ｒ线性瞑岳÷的概念

车南／、号ⅢＩ。；！证葩Ｉ：

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图２．２微分非线性误差的概念

～般地说，无论是设计还是应用，都要求ＡＤＣ的微分非线性误差在卜１ＬＳＢ，１ＬＳＢｌ范围内，否则会造成丢码或者非单调。一个功能正确的ＡＤＣ应该满足以下两个条件：

１、当输入为满幅度的斜坡电压时，对于Ｎ比特的ＡＤＣ，２‘Ⅳ个数字码都应该能够出现，有

数字量不出现的情况，称为“丢码”（ｍｉｓｓｉｎｇｃｏｄｅ）：

２、在“１”的基础上，应该满足单调性，也就是说，随着模拟量的增加，数字量应该以一个

ＬＳＢ为步长增加；如果模拟量增加，数字量保持不变或者减小，称为ｃｃ非单调”。

曲线

幽２．３２－码祠Ｉｍ单侧

ＡＤＣ的乏码和单骨睁干¨微＇｝ＩＦ－线性误莘密切相）：，矧２．３所示，对应ＤＮＬ＝１ＬＳＢ的情况，可以看山，数字编码’’０１０－．没何出现．随着模拟材的增Ｊ、，数字鼙直接∥、”００１一岿［变至“０１１一．这就是所ｉ胃的”丢码”：刈芦ｊＪＤＮＬ－－．１．５ＬＳＢ的怙况，可以石出，随着模拟苗的增，：，数！享：封没有增加．反而臧小．这就ｉ。占－１ｒ单【嗣“的情沅，乏码干¨１ｒ单峒对丁．ＡＤＣ的线性度有

现…币模数转换器ｊ累｝遵

严重的影响，往某些戍川中，这链不允ｉ午的。为了不出现丢码平¨１卜单蛹的情况，ＤＮＬ误差必须被控制在（－ＩＬＳＢ，ＩＬＳＢ】范同内，这ｂ前面得山的结论是完全～致的。

３、增益误差（ＧａｉｎＥｒｒｏｒ）

增螽误差决定丁ＡＤＣ实际的传输函数川最小平方逼近算法做出的直线干¨无限精，｜叟传输曲线之间的斜率的差值。它与输入电压的幅度成比例。增懿误筹州两条商线之间的水平著距米衡量，并且在最高的数字编码上，且以ＬＳＢ为单位。幽２．４以～个增益误莠只有３比特的ＡＤＣ为例，在传输曲线上表示出了增益误差的概念。

恕传输曲线

…限精度传输曲线

ｍ际传输曲线

㈨小平方逼近传输曲线

鼢

㈣

郴

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图２．４增益误差的概念

４、失调（Ｏｆｆｓｅｔｌ

假设一个ＡＤＣ只有失调误差，从实际传输曲线和理想传输曲线的差别上来看，失调误差可以这样来理解：水平平移实际传输曲线，直到实际传输曲线与理想传输曲线完全重合，则平移量就表示了失调误差的大小。失调相当丁．在ＡＤＣ的输出上加一个同定的偏移量，比较容易消除。图２．５以一个失调误差只有３比特的ＡＤＣ为例，在传输曲线上表示出了火调的概念。

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图２．５失调误差的概念

２．１．２模数转换器的动态性能参数

随着技术不断发展，ＡＤＣ的应用范同越来越广泛，采样速率不断的提高，相应地，输入信号也具有更高的频率和更大的带宽，在这种情况下，上一节介绍的ＡＤＣ静态参数已经不足以用来衡量ＡＤＣ的性能。此时，人们更多关注ＡＤＣ的动态性能参数。下面介绍几种比较重要的ＡＤＣ的动态性能参数。

首先介绍一下ＡＤＣ在频域的性能。在频域测量ＡＤＣ的性能主要通过对输出的数字信号做整数周期的快速傅立叶变换（ＦＦＴ）分析得到（此时ＡＤＣ的输入信号为正弦波）。由于量化过程中会引入量化噪声，在做ＦＦＴ分析时，这些噪声就构成了ＡＤＣ输出频谱的噪底（ｎｏｉｓｅｆｌｏｏｒ），输出信号的频谱和理想的正弦波频谱一样，是一条单独的谱线，叠加在噪底上，除了这些特性外，ＡＤＣ电路中的习Ｆ理想特性会改变ＡＤＣ的输出频谱，继而产生谐波，抬高噪底等等。

噪底为信噪比为零时输入信号的幅度，存典露！的ＡＤＣ的输出频谱中，除玄信号分量，

１

其余的分鼙儿噪声＿蛇者谐波／，Ｊ．２ｘ＇Ａ卑－－Ｌ，分布住［ｏ、÷．厂Ｉ］粘个慨９ｚｚｉＳ＇ｌ范同内。区分噪Ｉ｝士ｉ平¨谐波是

么

．

为了斤面介２“的两个动态性能参数：信嗡ｋｈ（ＳＮＲ）年ｔｌ信号噪声火真ｋｈ（ＳＩＮＡＤ）：咣底在ＡＤＣ的输出物｛谱。｝Ｊ是一个ｆ醴重要的概念，冈，山它日！．１巾昂度∥！定－ｊ’ＡＤＣ能够产牛ｊＪ！确数手编码的最小输入信号幅度：当信号幅度，Ｊ、川蒙声Ｉ嘶段仨ＩＡ，ｆ言号就不能做ＡＤＣ讥别．：ｆ：ｇｆ，：５ｆＪ。就台出现信喙比小ｒ零的情ｉ兄．

１、信噪比（Ｓｉｇｎａｌ—ｔｏ．ＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ．ＳＮＲ）

第一币挎数｝｝搀器垣胖

信噪比链ＡＤＣ的动态性能参数中最重要的一个。ＳＮＲ的定义是ＡＤＣ的输ＬＵ数字编码中，信号功率和噪声功率的比值，不包括谐波分鼙幂¨直流分昔。一般州ｄＢ表示。由丁。任意信号的功率和它的摆幅的平方成止比例，冈此，ＳＮＲ可以写成：

笋手型（加）净（加）（２４）（２．４）

Ｌｉｔｏｉｓｅｔ卵；ｌｔ０１．Ｃｅ

信噪比和ＡＤＣ的分辨率Ｎ的关系为：

ＳＮＲ＝６．０２木Ｎ＋１．７６（ｄＢ）（２．５）

需要说明的是，ＳＮＲ是输入信号幅度的函数，因为对于一定分辨率的ＡＤＣ，量化噪声为定值，而信号功率随着输入信号幅度的改变而改变，通常所说的ＳＮＲ一般是指输入信号为．１ｄＢＦＳ时的ＳＮＲ，不采用满幅输入是为了防止较大的失真。图２．６是用ＭＡＴＬＡＢ仿真得出的输入信号幅度和ＡＤＣ信噪比关系曲线。

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图２．６输入信号幅度和ＡＤＣ信噪比关系曲纠５１

由图２．６可以看出以｜、几点：信噪比是输入信号幅度的函数，也就是住量化噪声幅度一’Ｔｉ珂又了对数的螅冈。

｜、而洋细考虑。一ｆ、信口能比的定义。ｊ．：匝ｆ捉剑，ｆ言啖比定义为ＡＤＣ输出数亨编码中信号定的情况卜，随着输入￣信号幅度的增人，ＡＤＣ的信噪比单调一ｔ－升．但并不是线性，这是由功率羽Ｉ噪声功垮！的比值，不包括皓破分苗利直流分嚣这里的嗡声一：仅汉包拍餐ｆ艺噪声，坯包括开苁热噪声．ＡＤ（１电路本叻引起的ｎ蚺声等耳、冈ｌ比，实际仿真ｕｋ者洲鹫…米的ＡＤ（’自，］信噼比亓不是傍瓤洲的）ｊＢ样．而是会相府的减，ｊ、，冈乃诒：单纯的考虑信噪比时仅仅考瞪了餐化啖山．这是最理想的情况．更为确切的信曝比ａ，］定义心谬从ＡＤＯ．１的输出信号的频谱上米

２要值的钊得所．时比噪信的１（ＤＡ‘晕测¨平囊仿际实往，ＬＪＪ

乃：南』＿｝蛳ｌ旱ｆ！【２支‘

考虑：信口菜比测域的烂由丁。采样和越化过ｆ犁在输入信号中引入的。泶Ｆｂ／川＇４攀＿Ｌ，它以ｄＢ的形式表示，定义为信号功率的均力。根值和噪声功率的均方根值的比值．这里的噪声是指住［ｏ，三六］整个Ｍｑ斫ｓｒ范闱内除了直流，信号，喈波，力鼍波之外的其余全部噪声功率的总和。冈此，ＳＮＲ的…个精确的定义可以州‘卜面的公式米表示：

（２．６）

其中爿行］，ｘ［咒］，ｈ［ｎ］分别表示ＡＤＣ输出数字量、输入给ＡＤＣ的模拟信号和由丁电路的１Ｆ线性产生的谐波信号。

ｘ［ｎ】＝Ａｃｏｓ（ｎｃｏ抽＋妒）＋Ｃ（２．７）

●∞

五［甩］＝∑Ａ＾ｃｏｓ（ｎｈｃｏ加＋妒＾）胛＝０，１……Ｍ一１（２．８）

／／＝２

信噪比表示的是信号功率和噪声功率的比值，特别需要指出的是，这里说的“噪声”是指在一定频率范围内的噪声的总和，通常这个频率就是Ｎｙｑｕｉｓｔ带宽，对于一个理想的ＡＤＣ，不存在谐波失真，此时ＳＮＲ与ＳＩＮＡＤ（下面介绍）相等。同时，由于实际仿真和测试ＡＤＣ时，不可能止好使得噪声完全分布在Ｎｙｑｕｉｓｔ带宽内，也就是说，不可能刚好使得采样频率是信号带宽的两倍，而是大于实际信号带宽的两倍，这样，就会使得量化噪声不是完全分布在［ｏ，寺ｆ】范围内，而是分布在［厂ｍｊｎ’厶。。】范围内，其中＾１ｉｌ，，＾ｍ分别为信号频率的下限和上限，这样，量化嗓卢的总功率不变，但是分布的带宽减小，冈此单位带宽的噪声功率变火，且变为理想情况的———√上—一＞１倍。由于在计算昔化噪声时是对单位噪２ｂａｎｄ＿¨，ｉｄｔｈ州，。………………～’…“声功率谱密度住ｆ０．÷六］范阳内进行千只分．这样就会导致汁算得剑的鼙化噪声是实际革化吼声的————上一——＞１倍。Ｐ：Ｉ…、。。’。’

ｂａｎｄⅥｉｄｔｈ…。”…、。…。。。‘’。。。。…４２。一“比理想值，１、，这现象磋由丁采样堋军可：，叮能阿｜ｊ女Ｊ，垲信ｎ，ｊ带宽的两倍导ｊ立的，为ｊ７克服这…影响，：芝、颈对式２．６作哕．１、‘修Ｊｊ．：已得刨史为通喇的信唆比的计算公式：

第一帚镆苗｝｝狰擀Ｊ息理

ＳＮＲ。。。｝扭＝（６．０２ｔｌ＋１．７８＋ｌＯｌｏｇ熹）衄【ｏ】（２．９）

由丁－采样频率和信号频率的比值就是采样点数Ｍ，式（２．９）也可以写成：

㈣。…。。Ｉ船＝（６．０２ｎ＋１．７８＋ｌＯｌｏｇＭ）ｄＢ（２．１。）

２ｂａｎｄⅥ，ｉｄｔｈｇａｉｎ…，已是由丁噪卢分布而导致的。

Ｒａｔｉｏ，ＳＩＮＡＤ）

上～节介绍的信噪ＬＬ（ＳＮＲ）定义为信号功率利噪声功率的比值，它是ＡＤＣ一个重要的首先看一下谐波信号和输入信号频率以及采样信号频率的关系。

理论上来说，有采样和量化引起的噪声的带宽是无限大，但是由于采样速率的限制，通

，。．。，『Ｊ＝Ｉ±＾矾±，矾。ｌ（２．１１）

图２，７是一个皿州的ＡＤＣ输出频谱的浩波示意图，其中采样频率为２０ＭＨｚ．信号频率为其中多山的一项——上上一称为“ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ２、信号噪声失真比（Ｓｊｇｎａｌ—ｔｏ—Ｎｏｉｓｅ－Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ性能参数，但是，仅仅考虑噪声还不能够完全反映出ＡＤＣ的性能，冈为在采样和量化的过程中，在由丁电路的非理想因素引入噪声的同时，电路的非线性会在ＡＤＣ的输出代码中引入谐波和杂波，所谓谐波，是指在ＡＤＣ输出频谱中和输入信号频率成固定关系的，幅度高于噪底的信号成分：所谓杂波，是指在ＡＤＣ输出频谱中和输入信号频率没有固定关系的，幅度高于噪底的信号成分。杂波和谐波都是由于电路的非线性导致的。常只研究在Ｎｙｑｕｉｓｔ频率之内的噪声功率，但是带外的噪声功率对于带内并不是完全没有影响，在上一章提到欠采样时，带外的信号频谱会在第一Ｎｙｑｕｉｓｔ区域内产生镜像频谱，这正是欠采样的基础。对于带外的噪声信号和谐波信号，也是一样，会通过镜像在第一咖“纽区域内产生镜像，假设输入信号的频率为厂。，那么，第ｎ次谐波的镜像频谱的频率为：其中ｎ为谐波阶数，工为采样频率，ｋ＝０，ｌ，２，３……，７ＭＨｚ，相二输ｍ；晰谱中为了突…ｉ皆波分苗而忽略ｊ’噪声，可Ｕ｛瞳清楚的看｝Ｕ，住式２．１１所示的煳辜纠、２ｌ：珊了ｊ皆被钎踏

相对ｆ旧度ｆ高号频率＝７ＭＨｚ

频率

图２．７ＡＤＣ输出频谱的谐波示意图［９１

考虑到电路的非线性引起的谐波和杂波以后，参照ＳＮＲ的定义，可以将信号噪声失真｝Ｌ（ＳＩＮＡＤ）定义如下：信号噪声失真比测量的是由于采样和量化过程在输入信号中引入的噪声，杂波和谐波分量，它以ｄＢ的形式表示，定义为信号功率的均方根值和噪声，谐波，杂波等全部非理想信号的和的均方根值的比值，这里的非理想信号是指在［ｏ，去六］整个Ｎｙｑｕｉｓｔ范围内除了直流信号之外的其余全部噪声，谐波和杂波功率的总和。也就是说，信号噪声失真比反映的是ＡＤＣ的动态范围。

３、有效位数（ＥｆｆｅｃｔｉｖｅＮｕｍｂｅｒｏｆＢｉｔｓ，ＥＮＯＢ）【７１

有效位数是从信号噪声失真比引申出来的一个概念，它也是ＳＩＮＡＤ的另外一种表现形式，式（２．５）给出了ＳＮＲ利ＡＤＣ的位数ｎ的关系，更～般的情况卜，在考虑了谐波和杂波以后，ＡＤＣ位数应该州ＳＩＮＡＤ米表征，这时ＡＤＣ的何数就称为“有效位数”。ＥＮＯＢ和ＳＩＮＡＤ的犬系埘｛、面的式子米表示：

ＥＮＯＢ：—ＳＩ—ＮＡ—Ｄ－１—．７６ｄＢ６．０２ｆ２．ｉ２｝１７

考Ｉ＠ｆ，Ｊ上面提剑过的ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｇａｉｎ，式ｆ２．１２）应该。弓成：—————型三型型坐生ＥＡ：ＯＢ＝竺竺＝≥盘型Ｏ．ＩＪＺ限ｌＢｔ３，

４、总谐波失真（ＴｏｔａｌＨａｒｍｏｎｉｃＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ＴＨＤｌ［８Ｉ

菊＿二章。＿篾数转换器隐ｊ型－Ｈｗ…‘’＿－。‘。＾。一

前面提到，由丁．Ｉ乜路的非线性，会导致住ＡＤＣ的输出频谱中出现谐波利杂波，并且叮以闩ｊＳＩＮＡＤ米衡量。ＡＤＣ抑制谐波的性能也可以刖单独的性能参数来衡请，这就是总谐波失真（ＴＨＤ）．ＴＨＤ定义为ＡＤＣ输出频谱中所有谐波功率分量（包括带外镜像同带内的谐波分晕）的均方根平【｜，与信号功率的比值，以ｄＢ的形式表示：

ＴＨＤ（ｄＢ）＝２０ｌｏｇ（２．１４）

Ｘ（１）

其中ｍ为需要考虑剑的喈波阶数。一般来说，在计算ＴＨＤ时，取ｍ＝１０。

需要指出的是，上面提到的ＳＮＲ、ＳＩＮＡＤ和ＴＨＤ之间是存在一定的数学关系的１１５）。５、无杂散动态范围（ＳｐｕｒｉｏｕｓＦｒｅｅＤｙｎａｍｉｃＲａｎｇｅ，ＳＦＤＲ）

ＳＦＤＲ的定义和上面介绍的三个动态性能参数类似，它表示了信号功率和ＡＤＣ输出频谱中最大杂波或谐波信号功率的比值，图２．８是ＳＦＤＲ概念的示意图，从该图上可以清楚的看出ＳＦＤＲ的概念。

最大输入信号幅度（ＦｕｌｌＳｃａｌｅ，ＦＳ）

Ｆｒｅｑｕｅｎｃ）Ｆｓ／２

图２．８ＳＦＤＲ概：念彳ｉ意酬㈣ｊ

无另ｊ散动态范罔删量的是由丁采样和餐化过样住输入信号中引，＾、、Ｒ，』噤声，另ｊ波和偕波分封的最／、值羽ｌ输夕、信号功率的于系，它以ｄＢ的形式表示，定义为信号］，』ｊ孝的均方根值平¨晚，Ｊｊ，睹波，ｊｊ波苫全部１ｆ理想信号的功率的最上分苗Ｉｆ＇３±：Ｊ可柑值的比值，这里的＂理想信

１

号是指舀！［Ｏ．＝ｔ，、１罄个Ｍｑｔｄｓｒ范嗣ｆ山除了Ｊ～－－ＩＯＬ‘，ｒ一：ｔ一０之外的其余全部味卢，谐波手ｆｌ另？波功

２皋。ＳＦＤＲ可咀Ｉ｝Ｊ｛、面的数：：产公式米表示：

东南一事ｆ，细ｌ！ｊ：：｛ｔ论乏

ＳＦＤＲ（ｄＢ）＝２０ｌ。ｇ。竖＆！！！（２１５）、“。

。ｌ＇ｆｌａｘｑｆ，ｆｈ［ＩＹ州（ｆｓｐ）Ｉ，『Ｙａ。￥（ｆｈ）｜】

其中：Ｙ。、。（ｆＩ。）表示信号的平均值，Ｙ。、；（ｆｓｐ）表示杂波的平均值，Ｙ哪（ｆ。）表示睹波的平均值，ｍａｘ表示取最人值的函数，往式２，１５的定义当中，假设考虑的频率范阐是Ｎｙｑｕｉｓｔ带宽［ｏ，ｊ１六］，并且假ｉ殳考虑的喈波幂¨另｛波包括所有的带外镜像同带内的分鼙。

ＳＦＤＲ表示了住整个尬，ｑｕｉｓｔ频率Ｉ内实际１卜理想ＡＤＣ能够识别的最小输入信号的幅ｒ－ｊｒ．，实际输入信号过小ｓ，１，它的功率将会被谐波或者杂波的功率淹没，不能被ＡＤＣ识别。２．２模数转换器分类【１１】

‘Ｆ面将对模数转换器的结构按照采样速率和分辨率进行分类。

２．２．１中（或者低）速、高精度模数转换器

这一类型的转换器的速度不快，但精度可以做得很高（１６．２４比特）。实现这种转换器的方法常见的有积分型或称串行（ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ或ｓｅｒｉａｌ）和过采样（ｏｖｅｒｓａｍｐｌｉｎｇ）模数转换器。该类型的模数转换器主要用于音频、通信、测试仪、自动控制、地球物理测量等领域。２．２。２高速、低（或中等）精度模数转换器

该类型的模数转换器以全并行结构和主从型结构为主。具体的结构有：全并行（Ｆｌａｓｈ）、两步式（Ｔｗｏｓｔｅｐ）、折替式（Ｆｏｌｄｉｎｇ）、内插式（Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｎｇ）、流水线９７（Ｐｉｐｅｌｉｎｅｄ）￥ｔｌｆｔｔｌ’司交错（Ｔｉｍｅｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ）互＂Ｊ等。该类犁的模数转换器的数据吞吐量高，一次直接输出整个数字码，通常具有造度快的优点，但是精度不高（一。般为６一１２比特），而且消耗的功耗人ｆ从数十，７２Ｗ剑匕白／＂／ｌＷ不等），ｔ‘一酊的芯片ｒ６ｉ积也很／、。谚类掣的模数车专挣器主要朋－ｊｊ视：！｝ｊｉ处理、通信、高迷数字洲鼙他．青ｆｉ上等领域。由丁这类橙数转换器彳：适峭ｙ－．１＋业控制场台．闭此不仟洋细讨论，

第．一帚襻数转换器隐埋

２．２．３中速、中等精度模数转换器

这一一类型的转换器通常是以速度换取精度，冈此通常Ⅲ一一些算法来实现数据转换的功能。例如逐次比较巧９（＆ｌｃｃｅｓｓｉｖｅＡｐｐｒｏｘｉｍａｔｌｏｎ）利算法型（ａｌｇｏｒｉｔｈｎｌｌｃ）模数转换器都是利州一：分法来商找与输入信号对戍的数字信号。该类弭！的模数转换器的数据输出通常是串行的，它１ｆ’Ｊ的转换速度在儿十ＫＨｚ到儿白。ＫＨｚＺＩ＇司，精度也比高速转换器要高（１０．１６［‘匕特Ｊ。该类璎的模数转换器土要州丁－传感器、白动控制、音频处理等领域。

２．３基于ＣＰＬＤ实现的模数转换器

设计主要目的是设计一个１６位的ＶＦＣ式ＡＤ转换器，利用积分原理，将输入电压（或电流）转换成频率输出。采用计数频率高Ｉｊ勺ＣＰＬＤ器件实现测频，单片机控锗ＩＪＣＰＬＤ的测频操作和频率的计算。

用Ｖ／Ｆ转换器完成ＡＤ转换，需要１个定时器和２路计数器，计数器的计数频率限匍ＪＴＶ／Ｆ器件输出频率的提高。如果采用５１系列单片机内部的计数器，计数器的最高计数频率为单片机工作频率的１／２４，如果采用１２Ｍ的晶振，它的最高计数频率只能达Ｎｏ．５Ｍ，再有如果要实现１６位以上的ＡＤ转换，计数器的位数将大于１６位，单片机实现起来就比较困难。所以采用计数频率更高的ＣＰＬＤ器件和单片机共同组成测速模块。ＣＰＬＤ通用性好，避免了对于专用器件的依赖，降低了因专用器件停产或出现供货问题所带来的风险。其次，本板除了Ｖ／Ｆ转换外，尚有一些其它的控制需要用逻辑电路实现。用ＣＰＬＤｕ－Ｊ以－－举两得。最主要原因是ＣＰＬＤ本身修改灵活，便于设计系统调试。

ＶＦＣ式ＡＤ转换器脉冲频率与输入电压成比例，其精度高、非线性度低、转换速度居中、转换位数与速度可调、与ＣＰＵ的连线最少，且增加转换值数时不会增加与ＣＰＵ的连线，冈此，ＶＦＣＪｄＡＤ转换技术提供了～种廉价而有效的解决办法。

２．３．１系统总体构架设计

系统¨Ｊ‘以划ｊ』乃ｆ岜乐采样聋：纾、模捌．数字４＝！ｊｆ｛二部分，控制部分，人机接０］．莨中电限采样部分包幅：粘暂ｊ帅甙Ｉ也ｆ｛ｉ源：坎拟．数字＃皇化舒钉色把：电ｊ七收，ｊ，干“偏麓、ＶｊＦ４专换模块．计数转化ｆ鳇垮，控制部分包锅：拄制器模块．＾、机接口，键龠，显示模块。系统，营、体框幽２．９昕刁；，

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