实例介绍
【实例简介】
毫无疑问，所有的信号处理必须以数字信号的获取为前提，简单说就是ADC数采系统。和大家分享一份非常有价值的资料，NS(国家半导体)的ADC精讲，图文并茂相当值得一看。资料绝对压箱底，下了一定要看哦，保你获益匪浅，更为难得的是——中文版。
何谓ADC? 混合信号器件 模拟信号输入 数字信号输出 可作除法器使用 输出:输入在VεF中所占部分是多少? 输出=2 XGxA/VREF ·n=输出位数(分辨率) G〓增益系数(通常为1) AN=模拟输入电压(或电流) vpEF(laEF)=基准电压(或电流) National Semiconductor e 2003 National Scmicordustor Co'porat 由于模数转换器(ADC)既有模拟功能又有数字功能,因此它是一种混合信号器件。很多人把AD( 看作是一种神秘的器件。其实,它可以被简单地视为一种提供输出的器件,而这种输出以数字形式 来代表输入电压或电流 请注意,在这里是指电压或电流。多数ADC把输入电压转换为数字,但ADC的真正定义也包括输 入可能是电流的情况。 ΔDC有一个模拟参考电斥或电流来对模拟输入进行比较。数字输出值告诉我们,参考电压或电流 有多人部分是输入电压或电流。因此,ADC基本上是一种除法器。 IO转移函数由此处列出的公式给定。如果您以前看过这个公式,您很可能没有看过ˇG”条件(增益 因子)。这是因为我们一般认为它等于(uniy)。然而,美国国冢半导体公司已终推出了带有不同增 益因子的ADC,因此了解该因子的存在是很重要的。 清注意:这里假设讨论的ΔDC是二进制输出。对于偏差二进制或者2’s补数输出会有稍微修改。 Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 3 June 2006 at Authored by: Nicholas" Nick"Gray All rights reserved 模拟一数字转换器 到底做了些什么? 对于一个3- bit ado,有8种可 能的输出玀码。 在本例中,如果输入电压为55V 基准电压为8V,则输出为101 0V<000<1V 1V≤001<2v 模拟输入 模/数 2V≤010<3V 3V<011<4V 更多的位数可以有更好的精度和 4V<100<5V 更小的步长 转换器 5v<101<6V 6V<110<7v 7V<111<8v 较低的基准电压可得到较小的步 长,但要付出噪声的代价。 National Semiconductor r 2005 National Semir r Cormn'atinn 汶甲以一个3-bAD转换器为例。因为精度是3bts所以有23=8可能的輪出代码。相令输出 代码之问的差是VEF/23 假设输岀卬应没有误差’每次输廴电压增加1νot输岀代咼籽増加1bit·这就是说:最低的有 效位数(LSB〕)代表了1Ⅴot压,这是转换器所能丛珵的最小分量。基于以上原因,我们可以说这 转换器的精是10V,因为我们可把电压解小至一个vot,故度也可以bt表达 注意:如果减小基泩电压到0.8V,LSB将捋代表100m∨,这样就允许以更高精度来测量更小的电压 范围(otoo.8)。对我们的客户而舌,这是从转换器中获得夷高精度的常用的方法,而无需买价格 更昂贯丶更精度转换器 AD转换器的精度可以用输出的位数来表示(例如3bits)。精度也可以定为LSB的大小(最低有效 位数)或者一个薮值(例如vo) Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 3 June 2006 at Authored by: Nicholas" Nick"Gray All rights reserved 最低有效位(LSB8)与 最高有效位(MSB) 0010 加权 最低有效位 2n?) 第7个最高有效位27 第6个最高有效位2 第5个最高有效位2m5 第4个最高有效位2n4 第3个最高有效位2n3) 第2个最高有效位2m2 最高有效位 一个8bit字的位权重 MSB B5 B2 B1 128 16 8 National Semiconductor a2006Natinal Semiconducto-Cprporation 最低和最高有效位数( LSB and msB)王如它们名字所暗示的一样:权重最小的位数(LSB)和权重最 高的位数(MSB)。对于n-bit输出而言,最高有效位数的权重是201)=2/2此时"n”字中所有位 数的总和。最低有效位约权重是1 5 Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 3 June 2006 at Authored by: Nicholas" Nick"Gray All rights reserved 不同精度与基准电压的 LSB值 LSB值取决于ADC的基准电压与精度 精度 1 LSB 1.00V 8 3.9062mv 100V 244.14gV 2.00V 8 7.8125mV 2.00V 10 19531mV 2.00V 12 488.28pM 2.048V 10 2.0000mV 2.048V12 4.00V 8 15.625mV 4.00V 10 3.9062mV 4.00V 12 97656uV National Semiconductor @2006 National Semiconductor Corporation 因为LSB等于v}2n·通过该式我们可以发现·如釆朵用下面两利方法,能够实现高的精度( 更低的误):(1)使用更高精度的转换器和或者(2)使更小的准电压。 更咼精度(更多的位数)需要面临约问题就是成。也就是说’更小的LSB意着难以找到个真 正小的信号,因为其很容易消失在喋声肀·陉低了线澳翠的SNR性能。 陘低基准电压所面临的问题就是输入动态范围的损失。同样地,小的信号也会淹没在噪声中’致 SNR的性能的损失 6 Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 3 June 2006 at Authored by: Nicholas" Nick"Gray All rights reserved 量化娱差 110 1 LSB 101 100 010 00l 0 2 输入(V) 以1111111/ National 误差幅度由0至1LSB Semiconductor @2006 National Semiconductor Corporation 继续以一个3- oit ado为简单例子。当ADC在零输入时,输出代码是零(00)随着输入电压朝着ⅤRr8增 加,误差乜会增加,因为输入不再是零,但输出代码仍然为零,因为各和输入电压都是由单一输出代码来代 表的。当输入电压达到V8时,输出代码从000变为001,此时输出准确地代表了输入电压,并且误差减 小为零。随着输入电压超过ⅴr8,诙差冉次增加,直到输入电压达到Vr/4,此时误差冉次降到零。如图 上所示,该过程在整个输入范围内继续。 这里的最大误差是1LSB。这个0到1LSB的范围被称作“量化不确定性”( quantization uncertainty),因为存 在各种模拟输入值,它们可能产生仁意特定代码,而且我们不清楚输入电压究竞是多少。量化不确定性也被 秾作“量化误差”( quantization error)。该误差是由ADC的冇限解析度引起的。也就是说,ADC只能把输入解 所为2个离散值。于是转换器的解析度就是2。每—个输出代码代表了整个输入值范围。这输入值范围是 个 guanto 在这以q代表。 因此,对于8ⅴ参考(带有大小为一的增益因子)而言,3-bit转换器把输入触析为VεF⑧=8V8=1V步长。 这样,量化误差是一种缩减误差 不过,0到1LSB的误差不如±/2LSB那么有用,因此我们把一个偏移量引入ADC中,强迫误差范围为 1/2LSB。 Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 3 June 2006 at Authored by: Nicholas" Nick"Gray All rights reserved 增加72LSB偏移 110 100 011 010 、LSB 001 000 输入(V) +I/ LSB 误差 0 141444b A LSB National Semiconductor @2006 National Semiconductor Corporation 如果我们添加1/2LSB偏移量到ADC输入,那么输岀代码将在它以其它方式变化之前改变1/2LSB 输出从000变到001,输入值是12LSB而不是1LSB,并且所有后续代码的变化都比它们在没有 偏移量时的变化低L/2LSB。 在输入电压为零时,输出代码是零(000),和以前一样。随着输入电压朝着12LSB增加,误差也增 加,因为输入不再是零,但输出代码仍然为零ε当输入达到1/2LSB时,输出代码从000变到001。 输入还没有达到1LSB,只是在1/2LSB处,因此误差目前是-12LSB。随着输入超过12LSB,误 差朝零移动,直到输入达到1LSB,此时误差为零。随着输入超过1LSB,误差也増加,直刭输入达 到112ISB,此时输出代码增加一,误差的符号再次变为负号。这个过程在整个输入范围内继续。 请注意,与没有偏移的情况相比,每个代码转变点都减小了1/2LSB,这样第一个代码转变(从000 到001)是在+1/2LSB,而最后一个代码转变(从110到111)是在ⅤREF之下11/2LSB处。若数 字计数器被给予的时钟周期数量超过了设定的水平,会导致完全计数,ADC的输出不应该象数字计 数器那样在超范圄的输入情况下发生“旋转 8 Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 3 June 2006 at Authored by: Nicholas" Nick"Gray All rights reserved 关调误差 111 实际状况 理想状况 输801 出编码 00 010 移误差 1/81/43/81/25183478FS 漠拟输入(V) National Semiconductor a2006Natinal Semiconducto-Cprporation 在一个理想的转换器中,一个q/2的输入电压刚好处在输出代码由0转变到1的位置。相对 于这一点,任的偏离被称为零刻度失调误差,或者失逅昃差。当第一个转换点高于或低于坦想 他时,这个误差相对地可正或可负。失调误差是一个常数,可以很容易地乘以一个系数或标 定出来。失调误差可以表小成满刻度电压的百分比、电压值或LSB。 而广部失调有别于失调误差,它是可以引发输出代码发作第一次转变所要求的电压与佐LSB 电压之间的差值。 Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 3 June 2006 at Authored by: Nicholas" Nick"Gray All rights reserved 满刻度(失调)误差 满度误差 实际状况 111 110 101 理想状况 100 011 010 000 1814381/25/83/4718FS 模拟输人() National Semiconductor a2006Natinal Semiconducto-Cprporation 在一个理想的AD转换器,输出代码变到满度刚好发生在当输入电压等于 G*V*(2n -1.5)/2处,这里“G”是转换器的增益(常是“1),VRF是ADC基准电压,n是ADC的分辨率( 输出位数) 在一个真实的ADC中,产生这个转变的满刻度模拟输入电压与理想值有一定的差异。满划 度误是在满刻度输出转换点处的误差。引烂误差的部原因是由于失调电压所造成的,还有就 是传输酾数的曲线误差造成。满刻度误差可以用LSB·vot或者满刻度电压的百分北来表示。 最高失调是满刻度误差的一和类型,定义为正向基准电压和输入岂压钓差值,输人岂压指的是引 输什代码转换到满刻度力1.5LSB,或者VFs OT = VET +1.5 LSB-VREF= VES -VREF 这里Eo是最高失调电压 Vr是引起满刻度转换的输入电压 kEF是ADC基准电压 Vs高于Vr1.5LSB 10 Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 3 June 2006 at Authored by: Nicholas" Nick"Gray All rights reserved 【实例截图】
【核心代码】
毫无疑问，所有的信号处理必须以数字信号的获取为前提，简单说就是ADC数采系统。和大家分享一份非常有价值的资料，NS(国家半导体)的ADC精讲，图文并茂相当值得一看。资料绝对压箱底，下了一定要看哦，保你获益匪浅，更为难得的是——中文版。
何谓ADC? 混合信号器件 模拟信号输入 数字信号输出 可作除法器使用 输出:输入在VεF中所占部分是多少? 输出=2 XGxA/VREF ·n=输出位数(分辨率) G〓增益系数(通常为1) AN=模拟输入电压(或电流) vpEF(laEF)=基准电压(或电流) National Semiconductor e 2003 National Scmicordustor Co'porat 由于模数转换器(ADC)既有模拟功能又有数字功能,因此它是一种混合信号器件。很多人把AD( 看作是一种神秘的器件。其实,它可以被简单地视为一种提供输出的器件,而这种输出以数字形式 来代表输入电压或电流 请注意,在这里是指电压或电流。多数ADC把输入电压转换为数字,但ADC的真正定义也包括输 入可能是电流的情况。 ΔDC有一个模拟参考电斥或电流来对模拟输入进行比较。数字输出值告诉我们,参考电压或电流 有多人部分是输入电压或电流。因此,ADC基本上是一种除法器。 IO转移函数由此处列出的公式给定。如果您以前看过这个公式,您很可能没有看过ˇG”条件(增益 因子)。这是因为我们一般认为它等于(uniy)。然而,美国国冢半导体公司已终推出了带有不同增 益因子的ADC,因此了解该因子的存在是很重要的。 清注意:这里假设讨论的ΔDC是二进制输出。对于偏差二进制或者2’s补数输出会有稍微修改。 Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 3 June 2006 at Authored by: Nicholas" Nick"Gray All rights reserved 模拟一数字转换器 到底做了些什么? 对于一个3- bit ado,有8种可 能的输出玀码。 在本例中,如果输入电压为55V 基准电压为8V,则输出为101 0V<000<1V 1V≤001<2v 模拟输入 模/数 2V≤010<3V 3V<011<4V 更多的位数可以有更好的精度和 4V<100<5V 更小的步长 转换器 5v<101<6V 6V<110<7v 7V<111<8v 较低的基准电压可得到较小的步 长,但要付出噪声的代价。 National Semiconductor r 2005 National Semir r Cormn'atinn 汶甲以一个3-bAD转换器为例。因为精度是3bts所以有23=8可能的輪出代码。相令输出 代码之问的差是VEF/23 假设输岀卬应没有误差’每次输廴电压增加1νot输岀代咼籽増加1bit·这就是说:最低的有 效位数(LSB〕)代表了1Ⅴot压,这是转换器所能丛珵的最小分量。基于以上原因,我们可以说这 转换器的精是10V,因为我们可把电压解小至一个vot,故度也可以bt表达 注意:如果减小基泩电压到0.8V,LSB将捋代表100m∨,这样就允许以更高精度来测量更小的电压 范围(otoo.8)。对我们的客户而舌,这是从转换器中获得夷高精度的常用的方法,而无需买价格 更昂贯丶更精度转换器 AD转换器的精度可以用输出的位数来表示(例如3bits)。精度也可以定为LSB的大小(最低有效 位数)或者一个薮值(例如vo) Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 3 June 2006 at Authored by: Nicholas" Nick"Gray All rights reserved 最低有效位(LSB8)与 最高有效位(MSB) 0010 加权 最低有效位 2n?) 第7个最高有效位27 第6个最高有效位2 第5个最高有效位2m5 第4个最高有效位2n4 第3个最高有效位2n3) 第2个最高有效位2m2 最高有效位 一个8bit字的位权重 MSB B5 B2 B1 128 16 8 National Semiconductor a2006Natinal Semiconducto-Cprporation 最低和最高有效位数( LSB and msB)王如它们名字所暗示的一样:权重最小的位数(LSB)和权重最 高的位数(MSB)。对于n-bit输出而言,最高有效位数的权重是201)=2/2此时"n”字中所有位 数的总和。最低有效位约权重是1 5 Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 3 June 2006 at Authored by: Nicholas" Nick"Gray All rights reserved 不同精度与基准电压的 LSB值 LSB值取决于ADC的基准电压与精度 精度 1 LSB 1.00V 8 3.9062mv 100V 244.14gV 2.00V 8 7.8125mV 2.00V 10 19531mV 2.00V 12 488.28pM 2.048V 10 2.0000mV 2.048V12 4.00V 8 15.625mV 4.00V 10 3.9062mV 4.00V 12 97656uV National Semiconductor @2006 National Semiconductor Corporation 因为LSB等于v}2n·通过该式我们可以发现·如釆朵用下面两利方法,能够实现高的精度( 更低的误):(1)使用更高精度的转换器和或者(2)使更小的准电压。 更咼精度(更多的位数)需要面临约问题就是成。也就是说’更小的LSB意着难以找到个真 正小的信号,因为其很容易消失在喋声肀·陉低了线澳翠的SNR性能。 陘低基准电压所面临的问题就是输入动态范围的损失。同样地,小的信号也会淹没在噪声中’致 SNR的性能的损失 6 Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 3 June 2006 at Authored by: Nicholas" Nick"Gray All rights reserved 量化娱差 110 1 LSB 101 100 010 00l 0 2 输入(V) 以1111111/ National 误差幅度由0至1LSB Semiconductor @2006 National Semiconductor Corporation 继续以一个3- oit ado为简单例子。当ADC在零输入时,输出代码是零(00)随着输入电压朝着ⅤRr8增 加,误差乜会增加,因为输入不再是零,但输出代码仍然为零,因为各和输入电压都是由单一输出代码来代 表的。当输入电压达到V8时,输出代码从000变为001,此时输出准确地代表了输入电压,并且误差减 小为零。随着输入电压超过ⅴr8,诙差冉次增加,直到输入电压达到Vr/4,此时误差冉次降到零。如图 上所示,该过程在整个输入范围内继续。 这里的最大误差是1LSB。这个0到1LSB的范围被称作“量化不确定性”( quantization uncertainty),因为存 在各种模拟输入值,它们可能产生仁意特定代码,而且我们不清楚输入电压究竞是多少。量化不确定性也被 秾作“量化误差”( quantization error)。该误差是由ADC的冇限解析度引起的。也就是说,ADC只能把输入解 所为2个离散值。于是转换器的解析度就是2。每—个输出代码代表了整个输入值范围。这输入值范围是 个 guanto 在这以q代表。 因此,对于8ⅴ参考(带有大小为一的增益因子)而言,3-bit转换器把输入触析为VεF⑧=8V8=1V步长。 这样,量化误差是一种缩减误差 不过,0到1LSB的误差不如±/2LSB那么有用,因此我们把一个偏移量引入ADC中,强迫误差范围为 1/2LSB。 Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 3 June 2006 at Authored by: Nicholas" Nick"Gray All rights reserved 增加72LSB偏移 110 100 011 010 、LSB 001 000 输入(V) +I/ LSB 误差 0 141444b A LSB National Semiconductor @2006 National Semiconductor Corporation 如果我们添加1/2LSB偏移量到ADC输入,那么输岀代码将在它以其它方式变化之前改变1/2LSB 输出从000变到001,输入值是12LSB而不是1LSB,并且所有后续代码的变化都比它们在没有 偏移量时的变化低L/2LSB。 在输入电压为零时,输出代码是零(000),和以前一样。随着输入电压朝着12LSB增加,误差也增 加,因为输入不再是零,但输出代码仍然为零ε当输入达到1/2LSB时,输出代码从000变到001。 输入还没有达到1LSB,只是在1/2LSB处,因此误差目前是-12LSB。随着输入超过12LSB,误 差朝零移动,直到输入达到1LSB,此时误差为零。随着输入超过1LSB,误差也増加,直刭输入达 到112ISB,此时输出代码增加一,误差的符号再次变为负号。这个过程在整个输入范围内继续。 请注意,与没有偏移的情况相比,每个代码转变点都减小了1/2LSB,这样第一个代码转变(从000 到001)是在+1/2LSB,而最后一个代码转变(从110到111)是在ⅤREF之下11/2LSB处。若数 字计数器被给予的时钟周期数量超过了设定的水平,会导致完全计数,ADC的输出不应该象数字计 数器那样在超范圄的输入情况下发生“旋转 8 Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 3 June 2006 at Authored by: Nicholas" Nick"Gray All rights reserved 关调误差 111 实际状况 理想状况 输801 出编码 00 010 移误差 1/81/43/81/25183478FS 漠拟输入(V) National Semiconductor a2006Natinal Semiconducto-Cprporation 在一个理想的转换器中,一个q/2的输入电压刚好处在输出代码由0转变到1的位置。相对 于这一点,任的偏离被称为零刻度失调误差,或者失逅昃差。当第一个转换点高于或低于坦想 他时,这个误差相对地可正或可负。失调误差是一个常数,可以很容易地乘以一个系数或标 定出来。失调误差可以表小成满刻度电压的百分比、电压值或LSB。 而广部失调有别于失调误差,它是可以引发输出代码发作第一次转变所要求的电压与佐LSB 电压之间的差值。 Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 3 June 2006 at Authored by: Nicholas" Nick"Gray All rights reserved 满刻度(失调)误差 满度误差 实际状况 111 110 101 理想状况 100 011 010 000 1814381/25/83/4718FS 模拟输人() National Semiconductor a2006Natinal Semiconducto-Cprporation 在一个理想的AD转换器,输出代码变到满度刚好发生在当输入电压等于 G*V*(2n -1.5)/2处,这里“G”是转换器的增益(常是“1),VRF是ADC基准电压,n是ADC的分辨率( 输出位数) 在一个真实的ADC中,产生这个转变的满刻度模拟输入电压与理想值有一定的差异。满划 度误是在满刻度输出转换点处的误差。引烂误差的部原因是由于失调电压所造成的,还有就 是传输酾数的曲线误差造成。满刻度误差可以用LSB·vot或者满刻度电压的百分北来表示。 最高失调是满刻度误差的一和类型,定义为正向基准电压和输入岂压钓差值,输人岂压指的是引 输什代码转换到满刻度力1.5LSB,或者VFs OT = VET +1.5 LSB-VREF= VES -VREF 这里Eo是最高失调电压 Vr是引起满刻度转换的输入电压 kEF是ADC基准电压 Vs高于Vr1.5LSB 10 Copyright C 2003, 2004, 2006 National Semiconductor ABCs of adcs - 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