模数转换器与嵌入式的接口技术

　　模数转换器主要包括Sigma-Delta型、逐次逼近型和闪速型，应用中工程师普遍关注的问题是如何提高转换精度?本文给出了按实际需要选择并校正模数转换器的一些软件和硬件的应用技巧。

　　模数转换器(ADC)接收模拟输入(电压或电流)，并转换为可被微处理器读取的数字值。图1给出了一个简单的电压输入ADC，假定该器件的输入由两部分组成：参考信号和测量信号，另外还带有一个输出和表示输入值的8位数字字。

　　参考电压是ADC所能转换的最大值，示例中的8位ADC可转换为介于0V和参考电压之间的任意电压，电压范围分为256个值或步长。步长的大小由下式给定：Vref/256,这里Vref表示参考电压，转换器的步长定义为转换器的分辨率。对于5V的参考电压，步长为：

　　5V/256=0.0195V或19.5mV

　　8位转换器将模拟输入表示为数字字，数字字的最高有效位指示输入电压是否大于参考电压的一半(5V参考电压的一半为2.5V)，后续的各位均表示前一位所表示范围的一半。

　　表1说明了这一点，将0010 1100中各位表示的电压相加，可以得到：

　　0.625+0.156+0.078 =0.859V

　　ADC的分辨率由参考输入和字宽决定，分辨率定义了可被ADC测量的最小电压变化。如前所述，分辨率的大小等于最小的步长大小，并可用参考电压除以转换值的数目加以计算。　　

表1

　　上例的分辨率为19.5mV，这意味着任何低于19.5mV的输入电压得到的输出结果为0，介于19.5mV和39mV之间的输入电压得到的输出结果为1，介于39mV和58.6mV之间的输入电压得到的输出结果为2。

　　可以通过降低参考输入提高分辨率，如将参考输入由5V变成2.5V，那么分辨率将为2.5/256，或9.7mV。但这时可被测量的最大电压将为2.5V，而非5V。

　　既能提高分辨率，又不降低可测量电压范围的唯一方法是增加ADC的位数。10位的ADC具有210或1,024个可能的输出代码，因此此时的分辨率为5V/1024，即4.88mV;而相同的参考输入条件下，12位ADC具有1.22mV的分辨率。

　　ADC的类型

　　ADC具有各种速率，使用不同的接口电路，并可提供不同的精确度。最常用的ADC类型包括闪速ADC、逐次逼近ADC和sigma-delta ADC。

　　1. 闪速ADC

　　闪速ADC是转换速率最快的一类ADC。闪速ADC在每个电压阶跃中使用一个比较器和一组电阻。因此4位ADC具有16个比较器，8位ADC则具有256个比较器，如表2所示。所有的比较器输出连接到一块逻辑器件上，该逻辑器件根据比较器的电压高低确定输出。

表2

　　闪速ADC的转换速率是比较器延迟和逻辑器件延迟(逻辑器件的延迟通常可以忽略不计)之和。闪速ADC的转换速率很快，但需要占据巨大的IC空间;而且由于所需的比较器数目很大，闪速ADC简直就是功率“黑洞”，需要消耗很高的电流强度。10位闪速ADC所需的电流约为0.5A。