簡(jiǎn)述選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)的技術(shù)指標(biāo)與注意事項(xiàng)

劉 洋 蔡 嘯

(沈陽三洋建筑機(jī)械有限公司，遼寧 沈陽 110122)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器就是常見的A/D轉(zhuǎn)換器，用于進(jìn)行模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)中作業(yè)控制信號(hào)與數(shù)據(jù)處理信號(hào)的聯(lián)動(dòng)，有著十分重要的作用。現(xiàn)在隨著科技水平與制造工藝的發(fā)展，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用范圍更加廣泛，因此我們要因地制宜的選擇合適的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以達(dá)到功能性與經(jīng)濟(jì)性的良好結(jié)合。下面我們就針對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)與注意事項(xiàng)略作敘述。

1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

通常情況下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器大致可分為直接型和間接型模數(shù)轉(zhuǎn)換器這兩類，其中直接型模數(shù)轉(zhuǎn)換器又可以分為電荷再分配型、反饋型和非反饋型這三種形式，間接型模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以分為電壓/時(shí)間變換型、電壓/頻率變換型和∑-Δ式這三類。[1]下面我們就對(duì)這些種類的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)分別進(jìn)行對(duì)比介紹。

1.1 轉(zhuǎn)換時(shí)間

轉(zhuǎn)換時(shí)間指的是模數(shù)轉(zhuǎn)換器自接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)直到輸出端可以得到穩(wěn)定的信號(hào)所需要的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間的長短受轉(zhuǎn)換電路的類型影響較大，在這幾種類型的轉(zhuǎn)換器中，間接型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度是最慢的，一般都在10-300ms之間，有時(shí)所用的時(shí)間可能會(huì)更長。逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度要優(yōu)于間接型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它的轉(zhuǎn)換時(shí)間可以控制在0.4μs左右。并型比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，有的最快轉(zhuǎn)換速度可以控制在20-50ns之間，單從轉(zhuǎn)換時(shí)間來講，并型比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器是轉(zhuǎn)換速度最好的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

1.2 轉(zhuǎn)換速率

轉(zhuǎn)換速率是轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)，用來表示轉(zhuǎn)換的速度。如一般情況下，并型比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到20-50M次/s;逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到2.5M次/s左右;間接型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率與前兩種相比則要小得多。

1.3 轉(zhuǎn)換精度

轉(zhuǎn)換精度一般可以分為分辨率和轉(zhuǎn)換誤差，接下來我們就對(duì)其分別進(jìn)行簡(jiǎn)介。

(1)分辨率

分辨率一般是以輸出的二進(jìn)制或十進(jìn)制數(shù)字的位數(shù)來進(jìn)行表示的，它是用來衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力的。由于N位輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以用于區(qū)分2的N次冪級(jí)次的不同等級(jí)的模擬輸入電壓，其區(qū)分能力為滿量程輸入電壓的1/2N，且在電壓一定的情況下，位數(shù)越高，分辨率就越高。單位分辨為1LSB，如N=12時(shí)，用百分?jǐn)?shù)可將其表示為：1/212=0.24‰。

(2)轉(zhuǎn)換誤差

轉(zhuǎn)換誤差用于表示輸出誤差的最大值，它用于衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量的差別，可用最低有效位數(shù)的倍數(shù)來進(jìn)行表示。常可分為量化誤差、偏移誤差和滿刻度誤差等。

①量化誤差：量化誤差是指因轉(zhuǎn)換器分辨率有限，在轉(zhuǎn)換過程中而引起的誤差，它可以表示為有限的分辨率轉(zhuǎn)移特性曲線與理論分辨率轉(zhuǎn)移特性曲線間的最大偏差量。

②偏移誤差：偏移誤差是指輸入信號(hào)為零時(shí)，由于電路中存在外接電位器，導(dǎo)致的輸出信號(hào)不為零而產(chǎn)生的誤差值，為此我們應(yīng)該將電路中的外接電位器調(diào)到最小，以減小誤差量。

③滿刻度誤差：滿刻度誤差是指當(dāng)輸出信號(hào)為滿刻度值輸出時(shí)，其實(shí)際電壓值與滿刻度電壓值之間的差值。

2 選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)的注意事項(xiàng)

進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇有許多注意事項(xiàng)，下面我們就以位數(shù)選擇和轉(zhuǎn)換速率這兩點(diǎn)較為重要的項(xiàng)為例來進(jìn)行介紹。

2.1 進(jìn)行位數(shù)選擇時(shí)的注意事項(xiàng)

常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度多由其需求的精度來進(jìn)行確定，這就要求我們?cè)谶\(yùn)用一定的算法的前提下，要綜合對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)的傳感器、轉(zhuǎn)換器、控制機(jī)構(gòu)、信號(hào)預(yù)處理電路和輸出電路的精度進(jìn)行分析與控制。

一般情況下，我們?cè)谝紤]兩個(gè)主要因素，即靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)平滑性。[2]其中，靜態(tài)精度是模擬信號(hào)在進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)化時(shí)所產(chǎn)生的誤差的主體。

因此，我們?cè)诳紤]其靜態(tài)精度時(shí)，要尤其注意輸入信號(hào)的量化誤差隨著信號(hào)轉(zhuǎn)化而在輸出信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的誤差。現(xiàn)在使用的大多數(shù)測(cè)量裝置的精度值一般不小于0.1%，一般取0.05%-0.1%之間，與其相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)(含符號(hào)位)為11-12位，以此來提高靜態(tài)精度。如果其量程很大時(shí)，我們可以采用雙精度的轉(zhuǎn)換方案以滿足量程的要求。

當(dāng)在進(jìn)行動(dòng)態(tài)平滑性考慮時(shí)，可利用軟件程度來模擬其數(shù)學(xué)模型的動(dòng)態(tài)曲線，然后通過不斷的改變模擬的位數(shù)來對(duì)動(dòng)態(tài)曲線進(jìn)行調(diào)整，然后選取所需平滑程度的動(dòng)態(tài)曲線，并確定出模擬該動(dòng)態(tài)曲線所使用的位數(shù)。一般來說，分辨率越高，平滑性越好。數(shù)位在13位以上的具有較高的分辨率，其平滑性較好;在9-12位間的為中等分辨率，其平滑性一般;在8位以下的為低分辨率，其平滑性較差。要適當(dāng)選擇其位數(shù)，避免選取的過低以影響精度，也不要選取得過高以增加成本。

2.2 進(jìn)行轉(zhuǎn)換速率選擇時(shí)的注意事項(xiàng)

在進(jìn)行轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的選擇過程中，要首先選擇好采樣速率，采樣定理為：只有當(dāng)采樣頻率大于2倍信號(hào)頻率時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)將采樣后的數(shù)字信號(hào)恢復(fù)到原模擬信號(hào)時(shí)，信號(hào)的原始數(shù)據(jù)不會(huì)因轉(zhuǎn)換而缺失。依據(jù)采樣定理和實(shí)際需要，來選擇一個(gè)波形周期內(nèi)采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。如果轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs時(shí)，其對(duì)模擬信號(hào)的處理頻率最高為1000Hz，而當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs時(shí)，其對(duì)模擬信號(hào)的處理頻率可提高至10000Hz。[3]如果再提高處理頻率就較為困難了，所以定出的轉(zhuǎn)換速率要在滿足定理的同時(shí)，符合實(shí)際的條件。

通過以上對(duì)選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)和注意事項(xiàng)的介紹，使我們對(duì)其基礎(chǔ)知識(shí)有了初步的了解，希望可以為初學(xué)者們提供入門參考。

[1]陳兵.《基于高速A/D轉(zhuǎn)換器HI3318的采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)》.《國外電子元器件》.2003.8.

[2]胡智宏，江泳.《高性能A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用研究》.《現(xiàn)代電子技術(shù)》.2008.16.

[3]紀(jì)宗南.《集成A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用技術(shù)和實(shí)用線路》.中國電力出版社.2009.