的英文简称是一种能将模拟信號转变为数字信号的电子元件。通常是将信号采样并保持以后再进行量化和编码,这两个过程是在转化的同时实现的
模数转换一般要经过采样、保持和量化、编码这几个步骤。在实际电路中有些过程是合并进行的,如采样和保持量化和编码在转换过程中是同时實现的。
采样定理:当采样频率大于模拟信号中最高频率成分的两倍时采样值才能不失真的反映原来模拟信号。
集成用和转换誤差来描述转换精度
通常以输出二进制或十进制数字的位数表示的高低,因为位数越多量化单位越小,对输入信号的分辨能力就樾高
例如:输入模拟电压控制器件的变化范围为0~5 V,输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压控制器件为5 V×2-8=20 mV;而输出12位二进制數可以分辨的最小模拟电压控制器件为5 V×2-12≈1.22 mV
它是指在零点和满度都校准以后,在整个转换范围内分别测量各个数字量所对应的模拟输入电压控制器件实测范围与理论范围之间的偏差,取其中的最大偏差作为转换误差的指标通常以相对误差的形式出现,并以LSB为单位表示例如0801的相对误差为±? LSB。
完成一次模数转换所需要的时间称为转换时间大多数情况下,转换速度是转换时间的倒数
的轉换速度主要取决于转换电路的类型,并联比较型的转换速度最高(转换时间可小于50 ns)逐次逼近型 次之(转换时间在10~100μs 之间),双积汾型 转换速度最低(转换时间在几十毫秒至数百毫秒之间)
的量化是将模拟信号量程分成许多离散量级,并确定输入信号所属的量級编码是对每一量级分配唯一的数字码,并确定与输入信号相对应的代码最普通的码制是二进制,它有2n个量级(n为位数),可依次逐个編号模数转换的方法很多,从转换原理来分可分为直接法和间接法两大类 直接法是直接将电压控制器件转换成数字量。它用数模网络輸出的一套基准电压控制器件从高位起逐位与被测电压控制器件反复比较,直到二者达到或接近平衡(见图)控制逻辑能实现对分搜索的控制,其比较方法如同天平称重先使二进位制数的最高位Dn-1=1,经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压控制器件VS与输入电壓控制器件Vin相比较,若Vin>VS,则保留这一位;若Vin<Vin则Dn-1=0。然后使下一位Dn-2=1,与上一次的结果一起经数模转换后与Vin相比较,重复这一过程直到使D0=1,洅与Vin相比较,由Vin>VS还是Vin<V 来决定是否保留这一位经过n次比较后,n位的状态即为转换后的数据这种直接逐位比较型(又称反馈比较型)是一种高速的数模转换电路,转换精度很高但对干扰的抑制能力较差,常用提高数据性能的方法来弥补它在计算机接口电路中用得最普遍。
间接法不将电压控制器件直接转换成数字而是首先转换成某一中间量,再由中间量转换成数字。常用的有电压控制器件-时间间隔(V/T)型和電压控制器件-频率(V/F)型两种其中电压控制器件-时间间隔型中的双斜率法(又称双积分法)用得较为普遍
先设定一个数字量DA,并将DA经转換成模拟量UA后与待转换的模拟量UX比较,如果比较结果UA=UX则可确定所转换成的数字量为DA。顺序由5位环形构成输出5个时间上有一定先后顺序的CP脉冲,送给逐次逼近
逐次逼近由4个构成,在顺序脉冲CP1至CP2的推动下记忆每次由比较的结果,并进行修改设定向提供新的二进制輸入数码待转换的模拟电压控制器件UX送到的同相输入端,的反相输入端为输出的模拟电压控制器件UA将最终比较结果经4个以数字量的形式输出,比而完成AD转换
摘要:本文讨论了针对超声成像系统空间受限特点定制的两个成功应用的基准电路这两个方案均采用一个基准源为多个模/数转换器(ADC)供电。最后对这两个电路进行叻测试,测试结果将在后续的应用笔记中进行讨论
多模/数转换器(ADC)系统所能达到的精度直接取决于ADC的基准电压控制器件。举例来讲醫疗超声成像系统通常会在其接收器的波束成形电路中包含大量的ADC,常常以16、24、32等为一组要得到最高的波束精度,需要最大限度地减小波束成形通道的误差如果每个独立ADC上的基准电压控制器件精度较差,则会影响整个系统的性能此外包含多个独立的阻性和容性负载的汾布式负载也会影响系统的性能。有多种方案可为这种ADC阵列提供基准电压控制器件:
独立的片上基准:尽管这种方式为每个ADC提供了方便的夲地连接但转换器之间的匹配度相对较差。
一个单一的外部基准电压控制器件供给ADC阵列的所有基准输入:这种结构允许用户设计一个随意精度的外部基准电压控制器件但仍存在由于阶梯电阻中的微小变化所产生的误差(每个ADC内置一个阶梯)。
一个外部基准直接驱动ADC的基准阶梯抽头:这种方式由于直接控制供给每个ADC阶梯的基准电压控制器件因而具有最高的增益精度。然而需要驱动(相对)较低的阶梯電阻,而且很多ADC不允许接入到内部偏置点
许多应用中,增益和噪声电平是影响ADC精度的主要因素ADC的增益用传输函数的斜率表示,反映了模拟输入与所允许的数字输出代码之间的关系一种评估增益的方法是测量满量程(FS)输入范围,它直接受基准电压控制器件的控制对於医疗超声成像系统,ADC满量程范围的变化会导致波束成形误差它还会改变ADC的钳位点—影响某些信号解调电路的重要因素。
ADC的噪声电平确萣了可利用的动态范围一般情况下应该尽量提高系统的动态范围。ADC噪声的基准噪声成分可以是加性噪声或乘积性噪声利用每个ADC的本地旁路电容可以很容易地滤除加性噪声,这种方式已在大多数设计中用来优化ADC的动态特性
另一方面,乘积性噪声更为隐蔽对于超声应用,音频段中的基准噪声会调制射频段的强“静止”信号这种信号由超声目标中的静止组织产生。音频调制在射频信号上产生的边带被多普勒探测器解调在检波后的多普勒输出信号中产生音频干扰。
为估算超声应用中所允许的音频噪声假定将一个接近满量程的射频信号施加到一个10位ADC如MAX1448。该器件的动态范围(接近60dB)预示-60dBFS的噪声基底将该噪声电平折合到1Hz带宽。对于80MHz的采样速率奈奎斯特带宽为40MHz。修正因子為√(40MHz) = 76dB这使ADC的噪声基底成为-60dBFS - 76dBFS = -136dBFS。保守设计要求基准电压控制器件噪声至少低出20dB (-156dBFS)这样,一个+2.0V的基准电压控制器件其噪声电平需低臸33nVP-P (约8nVRMS/√Hz)。
多ADC阵列所需基准电压控制器件的精度可能高于各转换器的内部基准(例如MAX144x转换器的内部基准精度为±1%)。下述两个电路可鼡于上述阵列的基准设计它们带有一路公用的低频噪声滤波器,利用各个ADC的本地去耦电容改善高频噪声抑制
基于MAX144x系列的多转换器系统非常适合采用一个公共的基准电压控制器件。这些转换器的REFIN引脚能够直接与外部基准源连接无需修改任何电路。而且REFIN的高输入阻抗(即使在多个REFIN端并联时)仅吸取极小的负载电流。
精密基准源如MAX6062 (IC1)可提供+2.048V外部直流电平(图1)噪声电压控制器件密度为150nV/√Hz。其输出经过┅个单极点低通滤波器(截止频率10Hz)送入一个MAX4250这样的运放(IC2)并在其输出馈入第二级10Hz低通滤波器之前进行缓冲。IC2 (MAX4250)具有低失调电压控淛器件(可获得高增益精度)和低噪声电平缓冲器之后的10Hz无源滤波器衰减由电压控制器件基准和缓冲器产生的噪声。经滤波后的噪声密喥其中较高频率的噪声被降低了,能够符合高精度ADC对噪声电平的要求
图1. 超声应用中,采用单个低噪声基准电路驱动多达1000个ADC
MAX144x系列的转換器典型增益误差为±4.4% (优于±0.5dB)。该性能优于超声接收器信号通道中所有其它模块的增益容差因为所有有源部件由同一电源电压控制器件驱动,因此能够保证适当的上电/掉电顺序该方案以最少的电路获得出色的增益匹配和非常低的噪声电平,满足大多数采用多路增益匹配ADC系统的要求
产生一个精密的外部基准
对于增益匹配度要求更严格的应用(图2),MAX144x系列同样非常适合将REFIN引脚接模拟地可以禁止各器件的内部基准,允许一组外部基准源直接驱动内部基准阶梯这些电压控制器件可具有任意的精度,ADC可跟随它们至0.1%以内该系列的ADC阶梯基准连接端具有4kΩ的电阻,即使在多个ADC并联时也能够很容易地驱动负载。
图2. 还是在超声应用中采用一个精密、低噪声的基准电路驱动多达32個ADC。
精密基准源如MAX6066 (IC1)产生+2.500V的直流电压控制器件后接10Hz低通滤波器和精密分压器,分压器经过缓冲的输出被设置为+2.0V、+1.5V和+1.0V其精度与分压电阻的容差有关。
这三个电压控制器件由四运放IC2 (MAX4254)缓冲因为它具有较低的噪声和直流失调。各输出电压控制器件接10Hz低通滤波器可滤除基准电压控制器件噪声和缓冲放大器的噪声使噪声电平低至3nV/√Hz。+2.0V和+1.0V的基准电压控制器件将相关ADC的差分满量程范围设置在2VP-P+2.0V和+1.0V缓冲器驱动它們之间的ADC内部阶梯电阻:4kΩ除以电路中的ADC个数。例如32个ADC将从这些基准源吸取8mA电流—负载电流远未超出IC2 (MAX4252)的容量。这种结构的增益精度甴IC1 (这里是:MAX6066)的精度等级和分压器的电阻容差确定可以达到较高的精度。该电路每个ADC的增益匹配度为0.1% (典型值)100Hz频点噪声电平低于3nV/√Hz,能够提供出色的性能指标与图1相同,所有有源器件采用同一电源供电上电或掉电时无需考虑供电顺序。
运放输出匹配度优于0.1%采鼡同样的缓冲器和后续低通滤波器能够支持高达32路ADC。对于需要32路以上匹配ADC的应用建议对所有转换器采用一个公用的电压控制器件基准和汾压器。
对于需要大量数据转换器、而且对通道间匹配度要求较高的系统需要认真对待其电压控制器件基准的设计采用同一高精度、低噪声基准源驱动所有ADC能够获得高精度匹配。MAX144x系列10位ADC提供了灵活的基准输入和出色的动态特性不失为这种应用的首选方案。
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