【導(dǎo)讀】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(qiáng)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。
目標(biāo)
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(qiáng)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(jìn)行采樣，并將數(shù)字值分配給每個樣本。數(shù)字值以二進(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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2N個數(shù)字值，其中N表示二進(jìn)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(zhǔn)則可確定采樣信號的最大帶寬。該理論認(rèn)為，信號頻率必須小于或等于一半采樣頻率以防混疊?；殳B是指通過采樣過程，目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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2N個數(shù)字碼，且1 LSB = FS/2N，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(xí)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(dá)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2N -1個比較器，同時有2N個電阻提供基準(zhǔn)電壓。當(dāng)比較器的模擬輸入電壓高于所施加的基準(zhǔn)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(zhǔn)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(dāng)?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(jìn)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?；蛘撸梢允褂盟膫€ 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(zhǔn)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(dāng)于ADC輸出狀態(tài)的二進(jìn)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(jī)。
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(jìn)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(VIN)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(jìn)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VIN的近似數(shù)字碼。
● 內(nèi)部基準(zhǔn)DAC，向比較器提供相當(dāng)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(jìn)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(VREF/2)提供給比較器電路，以便與采樣輸入電壓進(jìn)行比較。如果此模擬電壓超過VIN，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(jìn)行相同的測試，持續(xù)執(zhí)行此二進(jìn)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VIN < VDAC。因此，位3設(shè)置為0。然后將DAC設(shè)置為0100并進(jìn)行第二次比較。由于VIN > VDAC，位2保持為1。然后將DAC設(shè)置為0110并進(jìn)行第三次比較。將位1設(shè)置為0，然后將DAC設(shè)置為0101進(jìn)行最終比較。最后，由于VIN > VDAC，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(jìn)行仿真，該腳本基于比較器的輸出執(zhí)行二進(jìn)制搜索并生成正確的二進(jìn)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(jìn)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(jìn)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VIN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(jìn)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。VREF取自內(nèi)部VDD，因此其應(yīng)充分解耦。這將提供0 V到VDD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?？梢栽谑静ㄆ魃媳O(jiān)視這些電壓的實際值。
22
圖22.VIN（通道1）和VREF（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(dāng)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(dāng)切換配置為輸出引腳的DIO0引腳時，轉(zhuǎn)換機(jī)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(jìn)制數(shù)據(jù)，如圖23所示。
圖23.AD7920的SPI接
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(zhǔn)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(zhǔn)電壓（稱為下坡(rundown)）。因此，輸入電壓可以根據(jù)基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓必須準(zhǔn)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(jìn)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(dāng)基準(zhǔn)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：
VIN = 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)。
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