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A/D(数模转换)的概念和指标

热度 11已有 668 次阅读2019-10-18 13:36 |个人分类:MCU|系统分类:嵌入式| 单片机, ADC, DAC

ADC:通过模数转换器(analog to digital converter)将模拟量到数字量的转换。
DAC:通过数模转换器(digital to analog converter)将数字量到模拟量的转换。
如何选取A/D转换器
由A/D的种类很多,包括积分型,逐次逼近型,并行/串行比较型,Σ-Δ型等多种类型等等。同时指标很多,并且指标有差别,A/D的指标包括:
(1)ADC的位数
一个 n 位的 ADC 表示这个 ADC 共有 2 的 n 次方个刻度。8 位的 ADC,输出的是从 0~255 一共 256 个数字量,也就是 2 的 8 次方个数据刻度。
(2)基准源
基准源,也叫基准电压,是 ADC 的一个重要指标,要想把输入 ADC 的信号测量准确,那么基准源首先要准,基准源的偏差会直接导致转换结果的偏差。比如我们的基准源应该是 5.10V,但是实际上提供的却是 4.5V,这样误把 4.5V 当成了 5.10V 来处理的话,偏差也会比较大。
(3)分辨率
分辨率是数字量变化一个最小刻度时,模拟信号的变化量,定义为满刻度量程与 2n-1 的比值。假定 5.10V 的电压系统,使用 8 位的 ADC 进行测量,那么相当于 0~255 一共 256 个刻度把 5.10V 平均分成了 255 份,那么分辨率就是 5.10/255 = 0.02V。
(4)INL(积分非线性度)和 DNL(差分非线性度)
初学者最容易混淆的两个概念就是“分辨率”和“精度”,认为分辨率越高,则精度越高,而实际上,两者之间是没有必然联系的。分辨率是用来描述刻度划分的,而精度是用来描述准确程度的。同样一根米尺,刻度数相同,分辨率就相当,但是精度却可以相差很大。
INL:指的是 ADC 器件在所有的数值上对应的模拟值,和真实值之间误差最大的那一个点的误差值。是 ADC 最重要的一个精度指标,单位是 LSB。LSB(Least Significant Bit)是最低有效位的意思,那么它实际上对应的就是 ADC 的分辨率。一个基准为 5.10V 的 8 位 ADC,它的分辨率就是 0.02V,用它去测量一个电压信号,得到的结果是 100,就表示它测到的电压值是 100*0.02V=2V,假定它的 INL 是 1LSB,就表示这个电压信号真实的准确值是在1.98V~2.02V 之间的,按理想情况对应得到的数字应该是 99~101,测量误差是一个最低有效位,即 1LSB。
DNL:指的是 ADC 相邻两个刻度之间最大的差异,单位也是 LSB。一把分辨率是 1 毫米的尺子,相邻的刻度之间并不都刚好是 1 毫米,而总是会存在或大或小的误差。同理,一个 ADC 的两个刻度线之间也不总是准确的等于分辨率,也是存在误差,这个误差就是 DNL。
一个基准为 5.10V 的 8 位 ADC,假定它的 DNL 是 0.5LSB,那么当它的转换结果从 100 增加到 101 时,理想情况下实际电压应该增加 0.02V,但 DNL 为 0.5LSB 的情况下实际电压的增加值是在 0.01~0.03V 之间。值得一提的是 DNL 并非一定小于 1LSB,很多时候它会等于或大于 1LSB,这就相当于是一定程度上的刻度紊乱,当实际电压保持不变时,ADC 得出的结果可能会在几个数值之间跳动,很大程度上就是由于这个原因(但并不完全是,因为还有无时无处不在的干扰的影响)。
(5)转换速率
转换速率:是指 ADC 每秒能进行采样转换的最大次数,单位是 sps(或 s/s、sa/s,即 samples per second)。它与 ADC 完成一次从模拟到数字的转换所需要的时间互为倒数关系。ADC 的种类比较多,其中积分型的 ADC 转换时间是毫秒级的,属于低速 ADC;逐次逼近型 ADC转换时间是微妙级的,属于中速 ADC;并行/串行的 ADC 的转换时间可达到纳秒级,属于高速 ADC。




发表评论 评论 (2 个评论)

回复 grace-luo 2019-10-28 21:26
关于基准源不准带来偏差这方面,个人的理解如下:如果基准源不稳定,必定会为ADC的量化带来较大的偏差;如果基准源稳定,正如基准源本应该是5.10V,但实际提供的是4.5V的基准源,这得看ADC的种类和其输入信号的大小,比如对于并行比较型的ADC,量化的数量不变,假设每相邻两个刻度之间的间隔一样,则每个间隔对应的模拟信号变化值变小了,及能分辨更小的模拟信号变化值,同时其输入信号的最大幅值小于4.5V,则不会带来把偏差。这纯属个人理解,希望多多交流指教,共同进步。
回复 吹泡泡的小鱼 2019-10-29 09:11
grace-luo: 关于基准源不准带来偏差这方面,个人的理解如下:如果基准源不稳定,必定会为ADC的量化带来较大的偏差;如果基准源稳定,正如基准源本应该是5.10V,但实际提供的 ...
  

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