中北大学2011届毕业设计说明书
3 模数转换模块设计
模数转换模块，是数据采集系统的基础与前提部分。正是有了模数转换部分，形形色色的模拟量世界才能得以变成在工业上机器（计算机）所能识别的数字量，也正是如此，当今日新月异的电子科学才有了在生活中的广泛应用。
模数转换模块的设计，主要就是模数转换器，即ADC芯片的选用与设计。 3.1 ADC简介
模数转换过程包括量化和编码。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级。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。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转换成数字量。它用数模网络输出的一套基准电压，从高位起逐位与被测电压反复比较，直到二者达到或接近平衡。这种直接逐位比较型（又称反馈比较型）转换器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，常用提高数据放大器性能的方法来弥补。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-时间间隔(V/T)型和电压-频率(V/F)型两种，其中电压-时间间隔型中的双斜率法（又称双积分法）用得较为普遍。 3.2 ADC的分类
下面简要介绍常用的几种类型的ADC： （1） 积分型（如TLC7135） （2） 逐次比较型（如TLC0831）
（3） 并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）
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并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称Flash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。
串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为 Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级型AD，而从转换时序角度 又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。
（4） Σ-Δ调制型（如AD7705） （5） 电容阵列逐次比较型 （如AD7641） （6） 压频变换型（如AD650） 3.3 ADC的主要技术指标
（1）分辩率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。
（2）转换速率(Conversion Rate) 指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。
（3）量化误差(Quantizing Error) 由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。
（4）偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。
（5）满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。
（6）线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。
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其他指标还有：绝对精度(Absolute Accuracy)，相对精度(Relative Accuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（Total Harmonic Distotortion缩写THD）和积分非线性。 3.4 采样原理
3.4.1 Nyquist 采样定理
Nyquist采样定理，也即低通信号采样定理，是最基本的信号采样理论。设有一个频率带限信号x(t)，其频带限制在(0,fn)内，如果以不小于fs=2fn的采样速率对x(t)进行等间隔的采样，得到时间离散的采样信号x(n)=x(nTs)(其中Ts=1/fs,称为采样间隔)，则原信号x(t)将被所得到的采样值x(n)完全地确定。
由上述Nyquist采样定理可知，如果以不低于信号最高频率两倍的采样速率对带限信号进行采样，那么所得到的离散采样值就能准确的确定原信号。即只要满足：
ws≥2wh 或 fs≥2fh
由上式可以看出，当fs≥2fh时，定理适用，但是fs<2fh就不合适了，实际场合中的被采样信号越来越高，而采样率是有限的，为正确采样，此时用到如下定理。
3.4.2 带通采样定理
带通采样定理，对一个频带内的信号采样。设有一个频率带限信号x(t)，其频带限制在(fl,fh)内，如果其采样速率fs满足：
2(fl?fh)(2n?1)fs?
式中，n取能满足fs≥2(fh-fl)的最大正整数(0，1，2，3，?)，则用fs进行等间隔采样所得到的信号采样值x(nTs)能准确的确定原信号x(t)。
上式用带通信号的中心频率f0和频带宽度B也可表示为：
4f02n?1fs?
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fl?fh2式中f0?，n是能满足fs≥2B(B为频带宽度)的最大正整数。当频带
宽度B一定时，为了能用最低采样速率即两倍频带宽度速率(fs=2B)对带通信 号进行采样，带通信号的中心频率和频带宽度满足下列关系式：
f0?(2n?1)2B
也即信号的最高(或最低)频率是带宽的整数倍，其频谱图如下图3-1所示：
图3-1 带通信号的频谱
如图(b)所示(图中只画出了正频率部分，负频率部分是对称的)。也就是说位于图(b)任何一个中心频率为f0n (n=0，1，2，3，?)带宽为B的带通信号均可以用同样的采样频率fs=2B对信号进行采样，这些采样均能表示位于不同频段(中心频率不同)的原信号x0(t)，x1(t)，x2(t)?? 3.5 ADC的选型
A/D转换器的选择是至关重要的。根据参数所选择的A/D转换器应能确保模拟信号在数字位流中被准确地表示，并提供一个具有任何必需的数字信号处理功能的平滑接口，这一点很重要。
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3.5.1 选型参数
对终端系统要求的清晰了解将简化A/D转换器的选择过程。在某些场合，它可以把所需考虑的选择参数限制为屈指可数的几个。在选择高速A/D转换器时，设计师必须考虑下面几个因素： ● 终端系统的要求 ● 成本
● 分辨率或精度 ● 速度 ● 性能
速度与分辨率的关系：（1）目前的高速A/D最初是按速度和分辨率进行分类的。转换器的速度是指A/D能够进行转换的取样速率或每秒的取样数量。对于高速A/D来说，速度以百万取样每秒(Msps)为计量单位。（2）分辨率是指转换器能够复制的位数精度：分辨率越高，则结果越精确。分辨率以位来计量。目前市场上的高速A/D的分辨率为8～16位，速度为2～4Gsps。速度和分辨率始终是一对矛盾。分辨率的增加通常会导致可实现速度的降低。
一旦确定了合适的速度/分辨率组合，设计师仍然能够从市场上的几百种A/D中选出最合适的一个。对终端应用更为深入的了解将揭示对附加性能的要求。用于评定高速A/D的最常用性能参数如下： ● 信噪比（SNR）
● 信号与噪声加失真之和之比（SINAD） ● 无寄生动态范围（SFDR） ● 差分线性误差（DNL或DLE） ● 积分线性误差（INL或ILE） ● 有效位数（ENOB） ● 增益误差 ● 功耗 3.5.2 选择ADC
综上所述，在本次设计中，本人选择的高速ADC为TLC5510。下面将详细介
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