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A/D转换器的选型技巧及注意事项

2014年02月06日 ⁄ 综合 ⁄ 共 2599字 ⁄ 字号 评论关闭

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AD的选择,首先看精度和速度,然后看是几路的,什么输出的比如SPI或者并行的,差分还是单端输入的,输入范围是多少,这些都是选AD需要考虑的。DA的选择,主要是精度和输出,比如是电压输出还是电流输出等等。

    在进行电路设计时,面对种类繁多的A/D、D/A芯片,如何选择你所需要的器件呢?这要综合设计的诸项因素,系统技术指标、成本、功耗、安装等,最重要的依据还是速度和精度。

    精度:与系统中所测量控制的信号范围有关,但估算时要考虑到其他因素,转换器位数应该比总精度要求的最低分辩率高一位。常见的A/D、D/A器件有8位,10位,12位,14位,16位等。

    速度:应根据输入信号的最高频率来确定,保证转换器的转换速率要高于系统要求的采样频率。

    通道:有的单芯片内部含有多个A/D、D/A模块,可同时实现多路信号的转换;常见的多路A/D器件只有一个公共的A/D模块,由一个多路转换开关实现分时转换。

    数字接口方式:接口有并行/串行之分,串行又有SPI、I2C、SM等多种不同标准。数值编码通常是二进制,也有BCD(二~十进制)、双极性的补码、偏移码等。

    模拟信号类型:通常AD器件的模拟输入信号都是电压信号,而D/A器件输出的模拟信号有电压和电流两种。

    根据信号是否过零,还分成单极性(Unipolar)和双极性(Bipolar)。

    电源电压:有单电源,双电源和不同电压范围之分,早期的A/D、D/A器件要有+15V/-15V,如果选用单+5V电源的芯片则可以使用单片机系统电源。

    基准电压:有内、外基准和单、双基准之分。

    功耗 :一般CMOS工艺的芯片功耗较低,对于电池供电的手持系统对功耗要求比较高的场合一定要注意功耗指标。

    封装:常见的封装是DIP,现在表面安装工艺的发展使得表贴型封装的应用越来越多。

    跟踪/保持(Track/Hold缩写T/H): 原则上直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持,其他情况都应加采样保持。

    满幅度输出(Rail-to Rail) 新近业界出现的新概念,最先应用于运算放大器领域,指输出电压的幅度可达输入电压范围。在D/A中一般是指输出信号范围可达到电源电压范围。(国内的翻译并不统一,如“轨-轨”、“满摆幅”)

高精度测量类的A/D设计注意事项:

1:参考电压需要足够精确,推荐使用外部高精准参考电压。

2:如果PGA可调,增益系数一般是越小噪声越低。
3:一般最好用到满量程,此时AD精度不浪费。
4:如果有偏置,需要进行自校。
5:请注意在使用DEMO板调试时,会由调试口导入PC噪声,由信号连接线导入外部噪声,因此建议使用屏蔽电缆传输信号。
6:板上注意模拟电源和数字电源,以及模拟地和数字地要分开,减少耦合噪声路径。
7:使用差分输入可以减少共模噪声,但是差模噪声会增大。
8:如果是片内集成AD的MCU,支持高速时钟,如果不影响性能,内部工作时钟越低,对您的AD采样引起的干扰越小,如果是板上就需要注意走线和分区。
9:信号输入前级接滤波电路,一般一阶RC电路较多,注意Fc=1/1000~1/100 采样频率,电阻和电容的参数注意选取.信号接入后级接滤波电路最好采用sinc滤波方式.注意输入偏置电流会限制您外部的滤波电阻阻值的大小。
R x Ib < 1LSB。
有的片内AD还有集成输入Buffer,有助与抑制您的噪声,一般是分两当,看输入信号范围和满量程之间的关系。
AD分为很多种,SAR,FLASH,并行比较型,逐次逼近型,Delta sigma型,一般是速度越高,精度越高越贵。针对不同场合不同成本不同要求分别选用,还得注意是您的Layout。

A/D转换器件选型指南

  A/D转换器的品种繁多,性能各异,A/D转换器的选择直接影响系统的性能。在确定设计方案后,首先需要明确A/D转换的需要的指标要求,包括数据精度、采样速率、信号范围等等。

  1.确定A/D转换器的位数

  在选择A/D器件之前,需要明确设计所要达到的精度。精度是反映转换器的实际输出接近理想输出的精确程度的物理量。在转化过程中,由于存在量化误差和系统误差,精度会有所损失。其中量化误差对于精度的影响是可计算的,它主要决定于A/D转换器件的位数。A/D转换器件的位数可以用分辨率来表示。一般把8位以下的A/D转换器称为低分辨率ADC,9~12位称为中分辨率ADC,13位以上为高分辨率。A/D器件的位数越高,分辨率越高,量化误差越小,能达到的精度越高。理论上可以通过增加A/D器件的位数,无止境提高系统的精度。但事实并非如此,由于A/D前端的电路也会有误差,它也同样制约着系统的精度。

  比如,用A/D采集传感器提供的信号,传感器的精度会制约A/D采样的精度,经A/D采集后信号的精度不可能超过传感器输出信号的精度。设计时应当综合考虑系统需要的精度以及前端信号的精度。

  2.选择A/D转换器的转换速率

  在不同的应用场合,对转换速率的要求是不同的,在相同的场合,精度要求不同,采样速率也会不同。采样速率主要由采样定理决定。确定了应用场合,就可以根据采集信号对象的特性,利用采样定理计算采样速率。如果采用数字滤波技术,还必须进行过采样,提高采样速率。

  3.判断是否需要采样/保持器

  采样/保持器主要用于稳定信号量,实现平顶抽样。对于高频信号的采集,采样/保持器是非常必要的。如果采集直流或者低频信号,可以不需要采样保持器。

  4.选择合适的量程

  模拟信号的动态范围较大,有时还有可能出现负电压。在选择时,待测信号的动态范围最好在A/D器件的量程范围内。以减少额外的硬件付出。

  5.选择合适的线形度

  在A/D采集过程中,线形度越高越好。但是线形度越高,器件的价格也越高。当然,也可以通过软件补偿来减少非线性的影响。所以在设计时要综合考虑精度、价格、软件实现难度等因素。

  6.选择A/D器件的输出接口

  A/D器件接口的种类很多,有并行总线接口的,有SPI、I2C、1-Wire等串行总线接口的。它们在原理和精度上相同,但是控制方法和接口电路会有很大差异。在接口上的选择,主要决定于系统要求、已经开发者对于各种接口的熟练程度。

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