2024年4月27日发(作者：)
宁夏理工学院毕业设计
摘要
模数转换技术是模拟技术向数字技术发展关键技术和必要前提。传统的模数转换技术
虽然具有较高的转换速度，但是很难达到16位以上的分辨率，实现大动态范围及微弱信
号的检测。新兴的过采样∑-△技术，虽然可以实现直到24位的分辨率，但是其达到20位
以上分辨率时的转换速度只有几Hz-几十Hz，无法实现高频信号的检测。本论文提出了解
决现有模数转换技术主要矛盾和问题的研究方案，探索并验证了利用现有器件实现高速高
精度模数转换的数据采集技术。
本论文首先结合现代电路的设计方法，设计了高速高精度模数转换系统；并通过理论
分析验证了系统的可行性。其次，系统设计时刻以抑制噪声为准则，设计了由硬件和软件
构成的实验系统，并对这一系统进行了综合误差分析。最后，经过试验，不仅验证了系统
方案和误差分析，经过实验，形成完善的高速高精度模数转换系统的原理设计及其理论验
证体系。
关键词：
模数转换；分辨率；精度；转换速度；数据压缩
I
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Abstract
Analog-to-Digital Converter(ADC)technology is,therefore,getting more and more
important,and sometimes plays an even decisive tional rate ADCs'resolution is
usually below 16-bit,though the conversionis relatively the other hand,the ADCs using
new over-sampling∑-∆ technology can reach as hight as 24-bit r,the
conversion rate falls down to several decades Hz once the resolution goes up to 20-bit,making it
difficulty to process the weak,or wide-dynamitic-range signals of high aim of this
study is to validate the idea,theoretically and experimentally respectively.
Firstly,Secondly,an ADC system of high conversion rate and high ting of
high-rate and middle-accuracy A/D&D/A converters,is described,including the details for the
hardware and software provides a practical resolution for detecting and processing the
fast signals of weak,or Wide-dynamitic-range.
Key words:
Analog-to-Digital Converter(ADC); Resolution; Accuracy; Conversion rate;Data
compress
II
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目 录
摘要 .................................................................................................................................................. I
Abstract .......................................................................................................................................... II
第一章 绪论 .............................................................................................................................. - 1 -
1.1引言 .............................................................................................................................. - 1 -
1.2模数转换技术现状 ...................................................................................................... - 1 -
1.2.1.并行比较型 ............................................................................................................... - 2 -
1.2.2.逐次逼近型 ............................................................................................................... - 2 -
1.2.3.积分型 ....................................................................................................................... - 2 -
1.2.4.压频变换型 ............................................................................................................... - 3 -
1.2.5.流水线型 ................................................................................................................... - 3 -
1.2.6.∑-∆型 ........................................................................................................................ - 4 -
1.3本设计研究的主要内容及意义 .................................................................................. - 5 -
第二章 高速高精度模数转换技术的理论分析 ...................................................................... - 7 -
2.1高速高精度模数转换技术的设计原理 ...................................................................... - 7 -
2.2实际系统参数的设计 .................................................................................................. - 9 -
第三章 系统硬件和软件设计 .................................................................................................- 11 -
3.1系统功能 .....................................................................................................................- 11 -
3.2转换系统设计 .............................................................................................................- 11 -
第四章 系统误差修正 ............................................................................................................ - 17 -
4.1高速高精度模数转换系统误差分析 ........................................................................ - 17 -
参考文献 .................................................................................................................................. - 18 -
结束语 ...................................................................................................................................... - 19 -
致谢 .......................................................................................................................................... - 21 -
附录 .......................................................................................................................................... - 22 -
III
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第一章 绪论
1.1引言
物质世界的信息经过传感器之后大都以模拟信号的方式存在，曾经，模拟系统是处理
模拟信号的主要方法。随着大规模集成电路、计算机技术、数字系统的飞速发展，数字技
术日益显示出高性能、可靠性好、灵活性、体积小、功耗低、成本低等优点，使得模拟信
号越来越多地采用数字系统来处理。模数转换是物质世界与数字系统的接口，是模拟信号
进入数字系统进行数据处理的前提和关键。
传统的模数转换技术出于结构工艺的限制
[1]
，虽然具有较高的转换速度，可实现高频
信号的测量，但很难达到16位以上的高分辨率，实现大动态范围及微弱信号的检测。90
年代发展起来的过采样∑-△技术
[2]
，突破了对分辨率的限制，可实观直到24位高分辨率的
模数转换。但是由于这一技术制造工艺、调制器调制和数字滤波的限制，使得真正达到20
位以上分辨率时的转换速度只有几Hz-几十Hz，转换速度低的缺陷使这一高精度高分辨率
的模数转换技术，虽然可进行大动念范围及微弱信号的检测，但只能用于低频信号的测量。
因此，高频大动态范围模拟信号检测的需要，对模数转换技术的精度、速度方面提出了更
高的要求。为了满足高频大动态范围信号及高频小信号的测量，本论文提出了高速高精度
模数转换技术的方法，设计了高速高精度的模数转换系统，实现了可达到20位以上分辨
率，几十KHz高转换速度的模数转换系统。这一研究为生物医学信息检测与处理，如高分
辨率心电图、脑机能、平滑肌肌电等研究中，在大动态范围信号中提取微弱信息提供有力
的工具。并且可广泛地应用于工业测控、科学试验、水声探测和地质勘探等数据采集系统。
1.2模数转换技术现状
任何模数转换器（ADC）都包括三个基本功能
[3]
：抽样、量化和编码。抽样过程将模
拟信号在时间上离散化使之成为抽样信号；量化将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信
号：编码则将数字信弓最终表示成数字系统所能接受的形式。如何实现这三个功能就决定
了ADC的形式和性能。同时，ADC的分辨率越高，需要的转换时间就越长，转换速度就
越低，故ADC的分辨率和转换速度两者总是相互制约的。因而，在发展高分辨率ADC的
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同时要兼顾高速，在发展高速ADC的同时要兼顾高分辨率，在此基础上还要考虑功耗、
体积、便捷、多功能、与计算机及通讯网络的兼容性以及应用领域的特殊要求等问题，这
样也使得ADC的结构和分类错综复杂
[4]
。现有的模数转换技术主要包括以下几种：
1.2.1.并行比较型
并行比较ADC是现今速度最快的模数转换器，采样速率可达1GSPS（每秒采样），通
常称之为“闪烁式”（flash）
[5]
。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四部分组成。
这种结构的ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主要取决于比较器的开关速度、编
码器的传输时问延迟等。随着分辨率的提高，需要高密度的模拟设计以实现转换必需的数
量很大的精密电阻分压和比较器电路。输出数字增加一位，精密电阻数量就要增加一倍，
比较器也近似增加一倍。
并行比较型ADC的分辨率受管芯尺寸、过大的输入电容、大量比较器所产生的功率
消耗的限制。结构重复的并联比较器如果精度不匹配，还会造成静态误差。这类ADC的
优点：具有最高的转换速度。缺点：分辨率不高；功耗大；成本高。
1.2.2.逐次逼近型
逐次逼近型ADC是应用非常广泛的模数转换技术
[6]
，它由比较器、D/A转换器、比较
寄存器SAR、时钟发生器以及控制逻辑电路组成，它对采样输入信号与已知电压不断进行
比较，然后转换成二进制数。
这一类型ADC的优点：高速，采样速率可达1MSPS；与其他ADC相比功耗相当低；
在分辨率低于12位时，价格较低。缺点：在高于14位分辨率情况下，价格较高。
1.2.3.积分型
积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC
[7]
.是应用比较广泛的一类转换器类型。通过
两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成证比的时间间隔。与此同时，在此时间间
隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数.从而实现A/D转换。
这类ADC主要应用于低速、精密测量等领域，例如：数字电压表。其优点：分辨率
较高，可达16位：功耗低，成本低。缺点是：转换速度低，转换速度在12位时为100.300SPS。
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1.2.4.压频变换型
前面所讲到的并行ADC和逐次逼近ADC均属于直接转换ADC，积分型和压频变换
型属于间接ADC
[8]
。这类ADC是先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲
信号，然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数，计数结果即为正比于输入模拟电
压信号的数字量。
从理论上讲，这种ADC的分辨率可以无限增加，只要采样时间长到满足输出频率分
辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点：高精度；价格较低，功耗较低。缺点：类似与
积分型ADC其转换速率受到限制，12位时为100.300SPS。
1.2.5.流水线型
流水线型（Pipeline）ADC又称为子区式ADC
[9]
，它由级联的若干级电路组成，每一级
包括一个采样/保持放大器，一个低分辨率的ADC和DAC，以及一个求和电路，其中求和电
路还包括可提供增益的级间放大器。快速精确的n位转换器分为两段以上的子区（流水线）
来完成。首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个ｍ位分辨率的粗A/D转换器
对输入进行量化，接着用一个至少n位精度的数模转换器（DAC）产生一个对应于量化结
果的模拟电平送至求和电路，求和电路从输入信号中扣除此模拟电平，并将差值精确放大
某一固定增益后送交下一级电路处理。经过Ｐ级这样的处理后，最后由一个较高精度的ｋ
位细A/D转换器对残余信号进行转换
[10]
。将上述各级粗、细A/D的输出组合起来构成高精
度的n位输出。图1.2.1所示，为一个14位4级流水线ADC的原理图及每级内部结构图。
第一级
第二级
第三级
第四级
k位精
ADC
误差纠正校准数字输出
图1.2.1(a) ADC流水线结构示意图
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采样保持 误差放大
ADC
DAC
本级输出
图1.2.1(b) ADC流水线每级结构示意图
流水线型ADC必须满足P*ｍ+k＞n不等式以便纠正重叠错误，P为级数，m为各级
中ADC的粗分辨率，k为精细ADC的细分辨率，n是流水线ADC的总分辨率。流水线
ADC不但简化了电路设计，它还具有如下优点：每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正，
具有良好的线性和低失调；每一级具有独立的采样/保持放大器，前一级电路的采样/保持
可以释放出来用于处理下一次采样，因此允许流水线各级同时对多个采样进行处理，从而
提高了信号的处理速度，可达10MSPS。同时，流水线型ADC也有一些缺点：复杂的基准
电路和偏置结构；输入信号必须穿过数级电路造成流水线延迟：同步所有输出需要严格的
锁存定时；对工艺缺陷敏感，对印刷线路板更为敏感，会影响增益的线性、失调及其他参
数。
1.2.6.∑-∆型
与一般的ADC不同，∑-∆型ADC不是直接根据抽样数据每一个样值的大小进行量化
编码，而是根据前一量值与后一量值的差值即所谓增量的大小来进行量化编码，在某种意
义上它是根据信号波形的包络线来进行量化编码
[2][11]
。∑-∆型ADC有两部分组成，第一部
分为模拟∑-∆调制器，第二部分为数字抽取滤波器，如图1.2.2所示。
∑-∆调制器
1位DAC
积分器
1位ADC
数字抽取
图1.2.2∑-∆ A/D转换器框图
∑-∆调制器采用过采样技术与噪声整形技术对量化噪声进行双重抑制。使调制器输出
的码流在基带内能够达到系统所要求的信噪比
[12]
。∑-∆调制器以极高的抽样频率对输入模
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拟信号进行抽样，并对两个抽样之间的差值进行低位量化，从而得到用低位数码表示的数
字信号或用低位数码表示的∑-∆码流，然后将这种∑-∆码流送给第二部分的数字抽取滤波器
进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。因此，抽取滤波器实
际上相当于一个码型变换器。由于∑-∆具有极高的抽样速率，通常比奈奎斯特抽样频率高
出许多倍，因此∑-∆转换器又称为过抽样A/D转换器。这种类型的ADC采用了极低位的
量化器，从而避免了制造高位转换器和高精度电阻网络的困难，另一方面因为它采用了∑-∆
调制器技术和数字抽取滤波，可以获得极高的分辨率。同时，由于采用了低位量化输出的
∑-∆码不会对抽样值幅度变化敏感，而且由于码位低，抽样与量化编码可以同时完成，几
乎不花时间，因此可以不需要采样保持电路，这就使得采样系统的构成大为简化
[13]
。
这种增量调制型ADC实际上采用以高速抽样率来换取高位量化，即以速度来换精度的
方案。它的一个突出优点是在一片混合信号CMOS大规模集成电路上实现了模数转换与数
字信号处理技术的结合：分辨率高达24位：采用混合信号CMOS工艺，可实现低价格、高
分辨率的数据采集和数字信号处理；由于采用高频过采样技术，降低了对传感器信号进行
滤波的要求，实际上取消了信号调理。缺点：当高速转换时。需要高阶调制器；在转换速
率相同的条件下，比积分型和逐次逼近型ADC有较高的功耗；由于过采样率、数字滤波器
陷波频率的限制，使得此类转换器的转换速度很低。在20位分辨率时，转换速度只有几
十Hz
[14]
。
综上所述，传统方式的ADC，例如：逐次逼近型、积分型、压频变换型主要应用于中
速或较低速、中等精度的数据采集和智能仪器中。在并行基础上发展起来的分级型利流水
线型ADC主要应用于高速情况下的瞬念信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集
术等领域。这些离速ADC的不足之处就是分辨率不能满足实际需要，无法实现大动态范
围及小信号的检测。90年代以来获得很大发展的∑-∆型ADC利用高抽样率和数字信号处
理技术，将抽样、量化、数字信号处理融为一体，从而获得了高精度的ADC，目前可达
24位，其主要应用于高精度数据采集特别是数字音响系统、地震勘探仪器、声纳等电子测
量领域。这一类型的ADC的主要缺点是转换速度很低，很难实现高频信号的检测。可见，
分辨率、精度和转换速度之间的矛盾是现有模数转换技术存在的主要问题。
1.3本设计研究的主要内容及意义
新型的模数转换技术应朝着高速、高分辨率的方向发展
[15]
，在此基础上，还要考虑功
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耗、体积、兼容性。针对目前现有模数转换技术的精度与转换速度之问的矛盾，很难实现
高频大动态范围信号及高频小信号的模数转换。因此，研究具有高分辨率高精度，同时兼
顾高转换速度的模数转换技术，是模数转换技术发展的必然趋势。这样，才能解决模数转
换技术速度和精度之间的矛盾，实现高频大动态范围信号及高频小信号的测量，从而使
ADC的应用领域不断拓宽，而广泛应用于自动化、仪器仪表等领域。本论文提出了新型高
速高精度模数转换技术，根据其原理所设计的高速高精度模数转换系统可应用于工业测
控、科学试验、水声探测、地质勘探等各种数据采集与测控系统中。特别是在地质勘探领
域有广阔的应用前景，在军事上（如用于潜艇声纳探测、导航等）也有着重大的价值。因
此，研究具有自主知识产权的高速高精度的模数转换数掘采集系统.有着巨大的意义和价
值。
本论文以现代微处理器技术、集成电路应用、误差理论以及数据压缩为基准，提出了
新型高速高精度模数转换技术的设计原理；根据理论分析，利用现有高速、中等精度的A/D
和D/A转换器以等集成电路芯片，采用数字处理技术实现控制和数据处理，结合现代电路
的设计方法，设计了高速高精度模数转换系统；在系统硬件和软件的设计中，以抑制噪声
为设计准则，对试验系统进行了综合误差分析：通过试验验证了理论设计和误差分析，实
现了20位以上分辨率，转换速度几十KHz的高速高精度模数转换系统。主要工作有以下
几个方面：
1.绪论部分讨论了模数转换技术的现状及存在的主要矛盾和不足，提出了本论文的研
究内容和研究意义。
2.第二章阐述了新型高速高精度模数转换技术的设计方法，根据其原理，设计出了系
统设计的总体方案和实际系统参数选择。
3.第三章论述了系统的硬件和软件设计。结合系统的转换原理，选择恰当的器件，设
计了在SOC控制下的高速高精度模数转换系统及其校准系统的具体电路。并时刻以系统噪
声抑制为硬件和软件设计的原则，着重讨论了对各种噪声的抑制方法。
4.第四章在硬件平台确定后进行系统综合误差分析。讨论了系统中各种误差的传递规
律，并根据误差传递定律合成系统的总体误差，分析了高速高精度模数转换系统的分辨率、
精度。
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第二章 高速高精度模数转换技术的理论分析
本章提出高速高精度模数转换技术的设计原理，根据这一方法设计了高速高精度模数
转换系统。并对系统方案的可行性进行论证，给出实际系统的参数设计。
2.1高速高精度模数转换技术的设计原理
高速高精度模数转换技术是通过硬件系统与软件编程的结合，来解决现有模数转换技
术转换速度和分辨率的矛盾.主要设计思想为：在SOC的控制下，利用高速中等精度的ADC
和DAC，将输入模拟信号经过DAC反馈调节放大后输入到ADC中进行模数转换，从而
得到ADC和DAC共同作用的复合转换结果；利用校准系统对转换结果进行校准，得到修
正值来修正转换结果，进而得到高精度的转换结果。
2.1.1系统结构
根据高速高精度模数转换技术的设计思想，本论文设计了高速高精度模数转换系统来
实现这一理论。如图2.1.1所示的原理结构图，高速高精度模数转换系统包括转换控制系
统、校准系统和存储系统三大部分。转换控制系统由转换系统、SOC控制系统组成。
Ain
AMP
Vref
ADC
CPU
Dout
DAC
SOC
图2.1.1高速高精度模数转换系统原理结构图
校准系统由高精度模拟信号源、万用表系统、Pc机数据交换系统组成。存储系统由掉
电保护的存储器构成。各系统的主要功能如下：
转换系统主要由高速的中等精度的DAC、ADC、信号放大驱动电路组成[16]，主要功
能是实现模拟信号的转换。
SOC控制系统有两方面的作用：一是在转换系统中，控制ADC进行模数转换、调整
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DAC输出的反馈电压、合成转换结果、并从存储器读取解压缩后的修正值[17]：二是在校
准系统中控制高精度音频DAC产生基准模拟信号、获得修正值、并将海量的修正值经数
据压缩后存储到存储系统。
高精度模拟信号源由SOC控制高精度DAC产生模拟信号，并调理到转换系统的模拟
输入电压范围，得到高精度基准模拟信号。
万用表系统是对高精度模拟信号源产生的高精度基准模拟信号进行定标，验证和保证
基准模拟信号在模拟输入范围内的分辨率和精度。
Pc机数据交换系统作为辅助分析系统，有两方面的功能：一是在定标过程中，接收和
存储万用表的读数，分析电压数据，得到高精度模拟信号源的定标关系，为SOC提取定标
算法。二是在校准过程中，获得转换系统的实际转换数据，计算并分析修正值。得到修正
数据的压缩和解压缩规律，为SOC提取压缩和解压缩算法。
掉电保护存储器存储作为压缩后修正值的存储区域，在正常转换时提供解压缩的修正
值。
2.1.2系统工作原理
系统工作的前提是转换系统中ADC、DAC和运放都采用线性器件：对于运放而言，
输出的ｋ∆是∆的线性单调函数，其中∆＝Vin-Vr；对于ADC的输出也是k∆的线性单调函
数：对于DAC，Vr与输入数字量也成线性单调关系。这些都是由器件本身的性质决定的。
由于各种器件都存在着不理想特性，因而整合成为一个系统的时候需要经过一个复杂的整
合调试过程。
系统工作过程包括定标过程、校准过程、转换过程、修正过程。
首先，校准系统中，对高精度模拟信号源进行定标。然后，利用高精度模拟信号源输
出的基准模拟信号对转换系统进行校准，获得修正值。最后，转换系统正常工作，读取已
存储的修正值，合成转换结果。在测量环境发生显著变化或初次使用高速高精度模数转换
系统之前，需要进行定标和校准，得到修正值，此后可连续重复地进行正常测量。
需要说明的是，本论文中高精度模拟信号源主要是基于SOC器件的改造，实现了SOC
控制下，L位初始值到基准模拟信号的转换，输入的为初始L位的数字信号，输出为0~V
REF
的基准模拟信号。由于是采用改造的方案，因而在电路转换中会引入误差，这使得高精度
的DAC输出的基准模拟信号并不一定有L位精度。因而本文选用了高精度数字万用表对
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模拟信号的定标，保证高精度模拟信号源至少有m+n位的精度。
2.2实际系统参数的设计
原理设计方案的提出，理论可行性的分析都是在原理上论证了高速高精度转换系统的
可行性。本论文根据上述理论，设计了具体的转换控制系统和校准系统，从实践和试验中
验证理论设计，形成完善的理论验证体系。
根据上述的原理方案，选择各子系统的元器件、设计具体硬件是很重要的环节，这涉
及到整个系统的精度和速度
[18]
，具体的选择方法在下一章中将详细论述。
2.2.1转换控制系统参数选择
影响系统精度和转换速度的主要器件是转换系统中的ADC和DAC。本论文选择AD
公司生产的ADμC836前端SOC作为核心器件。该SOC内建双通道16位∑-∆型原生ADC
和双通道16位DAC（PWM）。其精度和速度完全满足本设计需求。除此之外，此SOC内
建8位标准8052H内核，内部集成可编程倍频锁相环，将外部32kHz的晶振频率倍频至
12MHz提供内部器件使用，极大的降低了本系统的EMI干扰。优化的处理器内核最高可
以提供6MIPS的指令处理速度。足以满足计算、解压缩等大量数据处理的任务。
2.2.2校准系统参数选择
20位以上的DAC都采用∑-∆技术，但是这些高精度的芯片多为音频系统服务的。对
于需要使用通用线性高精度DAC的场合，只有利用现有的音频DAC，采用外围电路的扩
展进行改造，成为高精度模拟信号源。音频DAC采用burr-brown公司生产的96KHz采样
率，24位∑-∆型DAC，其型号为：PCM1748。
万用表采用胜利仪表公司的VC70系列12位万用表。万用表分辨率限制了整个系统设
计可达到的最大分辨率。如果在条件允许的情况下，采用更高有效位的万用表，则可以达
到更高分辨率。
2.2.3存储系统参数选择
存储系统采用掉电可保护的flash存储器，存储经过数据压缩处理后的修正值。在修正
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值大小及其压缩规律确定之后，才能选择存储器的容量。本论文暂且选择ATMEL公司的
8M flash存储器AT49F008A作为本设计的存储器。
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第三章 系统硬件和软件设计
系统方案确定之后，需要设计硬件、编写程序来实现和验证理论设计，硬件电路的设
计不仅直接关系到系统的精度和转换速度，而且也关系到系统成本、体积、性能等诸多方
面。因而，正确、合理、恰当的选择器件、设计电路、组织系统，是实现理论设计的前提，
是保证精度和转换速度的必备条件。软件的编写也直接影响到系统的可行性和转换速度。
本章将设计、分析各子系统硬件电路，给出系统硬件和软件的设计方案。
3.1系统功能
高速高精度模数转换系统可制成独立的板卡作为通用的ADC使用，在外部控制器的
控制下完成高速高精度的模数转换。其工作模式有校准、单次转换、连续转换三种模式。
这三种工作模式的选择是通过系统与外部的接口控制实现的
[19]
。
Ain MOSI
Agnd MISO
CLK
Power FLAG
Gnd
图3 1 1系统接口图
表3.1 1接口说明
接口名称
Ain
Agnd
Power
Gnd
MOSI
MISO
CLK
FLAG
方式
输入
输入
输入
输入
输出
输入
输入
输入/输出
说明
模拟信号输入端
模拟信号接地端
电源输入端
电源接地端
串行数据输出
串行数据输入
串行数据时钟
标志信号，可以自定义输入输出意义
其他微控制
器、PLC或者
工控机等。
本论文根据系统的功能设计了试验系统，实现三种工作模式。
3.2转换系统设计
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转换系统主要由基准电源、ADC转换电路、DAC反馈电路、放大驱动电路构成，下
面就各部分的电路设计进行分析。
3.2.1基准电源的设计
基准电源（Voltage refernces）是当代模拟集成电路极为重要的组成部分，在许多集成
电路中，如数模转换器（DAC）、模数转换器（ADC）、线性稳压器和开关稳压器等，都需
要精密而又稳定的电压基准
[20]
。外部基准电压源提供的基准电压，其精度及稳定性.直接影
响到转换器的精度和误差的产生，因此选用高精度、低温漂的基准电源是实现高精度转换
的关键。基准电源应具有精确的输出电压、低温度漂移、良好的负载调整率、良好的电压
调整率、良好的长期稳定性等性能
[21]
。
高速高精度模数转换系统中，为确保16位的ADC和DAC的1LSB的精度，基准电
压的温度系数应小于
1
oo
/10C1.5ppm/1C
。由于ADμC836内部集成的基准电压源精度
16
2
不高，因而本系统需要使用独立参考电压源来为本机提供参考电压。
基准电源通常应具有足够的电流可以驱动其他器件，如ADC或DAC。这些外部器件
的吸取电流会影响到基准电压，也就是说，随着吸取电流的增大，参考电压会跌落，基准
电压源需要根据负载的变化尽快的将基准电压输出到原来的水平，此为基准电压源的负载
调整率特性。由于ADμC836内部集成了一个V
REF
输入驱动器，因而芯片工作期间基本不
会产生参考电压的抖动。因而对外部参考电压源的负载调整率要求不高。
基准电压源的另一个重要指标是电压噪声。如果一个2.5V基准在输出端具有500μV
的电压噪声，该噪声会带来0.02％的误差，这将系统性能限制于仅12位，而且这还没有
考虑任何其它的转换器误差。理想情况下，基准电压的噪声应远低于1LSB，这样才不至
于限制转换器性能的发挥。
鉴于以上考虑，我们选择AD公司的ADR421作为外部基准电压源。
ADR421是AD公司生产的适用于高分辨率转换器的基准电压芯片
[22]
。它具有以下显
著特点：
低电压噪声0.62μV
低温度系数1ppm/
o
C
良好的负载调整率70ppm/mA
宽输入范围4.5~18V
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输出电压2.5V
为提供稳定的基准电压输出，在基准芯片的输入、输出端和ADC和DAC参考电压的
输入端，应采用电容旁路技术。通常采用0.1pF的陶瓷电容，尽可能短的路径连接REF和
REF-，这样可旁路高频成分、滤除电源噪声，若采用表贴式电容则还可以将自感减小到最
低程度。如图3.2.2所示为ADR421的应用电路。
图3.2.2 ADR421电路连接图
3.2.2放大驱动电路的设计
转换系统中放大驱动电路的主要功能除实现ADC输入驱动外，还要将∆信号进行严格
的线性放大。以保证ADμC836的16位ADC工作在满量程状态。
一般ADC系统中放大器的主要作用是
[23]
放大（或衰减）输入信号、为ADC转换器提
供需要的直流偏置、滤波等
[24]
，具体设计原则如下：
高转换速度：考虑系统高速的特点，应该采用高速的运放，运放的0.0015％（16位分
辨率）建立时间应小于1μs。因而要选择高速宽带宽的运放。
低噪声：基于高精度的要求，应采用低噪声、低失真、低漂移的运放
[25]
。选择低失调
电压/电流及相应的小温度系数，而且应具有极低的电压噪声密度和电流噪声密度。
避免负荷效应；采用运放作为信号源和ADC的中间级，应避免负荷效应。因而，运
放需要高输入阻抗，低输出阻抗，只有这样才可以减小ADC的容性负载效应。
综合以上原则，本论文采用超低失真宽带放大器MAX4107作为差动放大器；采用低
噪声高速驱动运放AD8021作为ADC的放大输入驱动运放；使用LM324作为电子开关使
用。放大驱动电路如图3.2.3所示。
- 13 -
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图3.2.3放大驱动电路图
3.2.3 核心SOC ADμC836设计
ADμC836是AD公司基于8052内核开发的SOC，其中集成2路∑-∆型原生ADC其
精度高达16位，温度漂移仅为0.5ppm/oC。其内核兼容C51硬件语言，极大地简化了系统
设计的过程。ADμC836系列SOC通常使用Keil作为软件开发环境。使用AD公司提供的
WSD作为下载软件。使用RS232接口作为下载接口，方便开发与调试。
本系统使用ADμC836的ADC粗采集模拟信号，之后使用ADμC836的DAC输出同
样的模拟信号，输出的模拟信号经滤波后与原信号进行k倍的差分放大。放大之后的信号
再次送入ADμC836的另一路ADC中进行A/D转换。最后ADμC836将两次转换的结果
处理后经过串口发送至PC机输出转换结果。
本系统中使用了ADμC836中的两个ADC，可以同时进行初始化，但需要分别控制。
初始化函数如下。
int CHAN = 0; //声明保存转换通道的变量
Int ADCCHAN0H,ADCCHAN0L,ADCCHAN1H,ADCCHAN1L;
//声明保存ADC转换结果的变量
ADCCON1 = 0x080;
ADCCON2 = CHAN;
//启动ADC电源
//设置转换通道
//允许中断
//允许ADC转换完成中断
- 14 -
EA = 1;
EADC = 1;
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ADCCON1 |= 0x01; //将CONVST位置位，启动当前ADC通道转换
//**********ADC的中断函数如下*************
void adc_int() interrupt 6
{
If(F0==0)
{
ADCCHAN0H=ADCDATAH;
ADCCHAN0L=ADCDATAL;
F0=1; }
Else
{
ADCCHAN1H=ADCDATAH;
ADCCHAN1L=ADCDATAL;
F0=1; }
}
本设计中使用ADμC836的DAC输出系统指定的模拟量，因而DAC需要一直工作，
只要使用软件调整其输出的值即可。为了保证系统转换精度，本系统使DAC输出12位有
效模拟量，因而在第二路ADC转换结果的高4位应该与第一路转换结果的低4位完全相
同。以此来保证系统信号的完整性。相应软件设计如下。
DACCON = 0x0D;
DAC0H = 0x00;
DAC0L = 0x00;
ADμC836的主函数设计，在此SOC的主函数中需要实现如下功能：
调用ADC和DAC
查询转换系统的修正值
管理通讯接口
由此，主函数设计如下：
Void main( void )
- 15 -
//判断ADC通道
//保存ADC转换结果
return;
//将DAC0初始化为12位精度
//DAC0的高8位
//DAC0的低8位
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{
Init_232();
// Init_SPI();
Init_ADC();
Init_DAC();
While(1)
{
ADC0();
Start_DAC();
ADC1();
Debug_Res();
Send_Res();
}
}
//初始化232通讯口
//初始化SPI总线，作为ADC模块时使用
//初始化ADC
//初始化DAC
//启动第一ADC通道转换，等待转换完成
//启动DAC输出
//启动第二ADC通道转换，等待转换完成
//处理修正转换结果
//将转换结果经过232口发出
- 16 -
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第四章 系统误差修正
系统原理方案、电路设计、元件选择等都是按照抑制噪声、降低误差的原则选择设计
的，但是仍会有某些误差影响系统的实际转换结果，使转换系统的实际转换结果与理论真
值产生偏差。本章主要从理论上分析各种误差源对实际转换结果造成的影响，得到修正值
的大小。
4.1高速高精度模数转换系统误差分析
高速高精度模数转换系统主要包括基准电源、ADC转换电路、DAC反馈电路、放大
驱动电路等子系统，每一个子系统都是误差的来源，都对系统的整体误差有影响。经分析，
本系统的主要误差来自三个方面：
由基准电压源电压抖动造成的误差。
DAC输出的无源滤波网络的功耗抖动。
运算放大器的漏电流抖动。
为了尽量保证转换的精度，本设计使用软件算法对转换结果进行滤波和修正。修正后
的ADC精度基本可以保持20位的有效精度。随机噪声是限制系统输入信号带宽的主要因
素，同时决定了放大驱动电路的放大倍数和DAC反馈电路的反馈位数。要达到20位分辨
率，就要将随机误差限制在20位分辨率之外。系统误差可以通过修正值补偿，而得到20
位精度的转换结果。在极限误差情况下，各种误差经过误差的传递后，影响系统21位转
换的低10位。其中，最低1位受随机误差的影响，是不能修正的。因而，采用21位的高
20位作为20位转换结果，其低9位剔除了随机误差影响，这9位误差是受系统误差影响
的。在具体器件和电路确定之后，是可以修补的。也就是说，20位实际转换结果是可以通
过修正得到最终具有20位精度的20位转换结果。在保证20位分辨率的情况下，信号带
宽最大为629HZ，于现有20位ADC最大带宽相比（15Hz），已有很大的提高。通过误差分
析，高精度模拟信号源可以达到20位的分辨率，通过定标关系可以为转换系统提供20位
精度的基准模拟信号。
- 17 -
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参考文献
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[4] 刘书明, 高性能模数与数模转换器件[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社,2000
[5] EKaess,, , New Encoding Scheme For High-Speed FlashADC'S[R]. 1997 IEEE
International Symposium on Circuits and Systems,June 9-12,1997,HongKong
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[8] 姜学庸, 赵九捷, 数字电子技术[M]. 天津: 天津大学出版社,1994
[9] Hsin-Shu Chen, Bang-Sup Song, Kantilal Bacrania, A 14-b 20-MSamples/s CMOS Pipelined ADC[R].
IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,VOL 36,NO.6,JUNE 2001
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[15] 高光天, 模数转换器的特点与发展趋势[J]. 电子产品世界,1999.7: 40~42
[16] 陆口方, 一种提高A/D转换分辨率的方法[J]. 电测与仪表,1998.7: 23~24
[17] Dinesh r, , A Proguammable Nonlinear ADC Using Optimal-Sized ROM[J],IEEE
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[25] 蒋焕生, 放大电路的噪声分析[M]. 北京: 高等教育出版社,1987
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结束语
高速高精度模数转换技术的研究是适应了ADC高速、高分辨率、高精度发展的趋势，
满足了高频大动态范围及高频微弱模拟信号检测的需要，解决了现有模数转换技术速度和
精度之间的矛盾，实现了具有自主知识产权的高速高精度模数转换数据采集系统。本论文
的研究将使高分辨率、高精度ADC的应用领域将不断拓宽，必将突破现有高分辨率器件
低频信号检测的局限性，为生物医学信息检测与处理，如高分辨率心电图、脑机能、平滑
肌肌电等研究中，在人动态范围信号中提取微弱信息提供有力的工具。
本论文提出了高速高精度模数转换技术的设计原理，以现代微处理器技术、集成电路
技术为基础，综合了误差分析、数据处理等理论，设计了高速高精度模数转换系统，论证
了系统的高速、高精度特性，探索了一种利用现有器件实现高速高精度模数转换的数据采
集技术。本论文的主要工作和创新性研究包括以下几个方面：
提出了高速高精度模数转换技术的设计原理，利用现有高速、中等精度的转换器件设
计了高速高精度模数转换系统转换机理。并通过理论分析论证了系统的可行性，为系统的
实现奠定了理论基础。
结合实际选择恰当的A/D和D/A转换器、基准电源、运放等元件，采用SOC技术进
行控制和数据处理，构建了系统的试验平台。
分析了影响系统精度的各种噪声，在硬件和软件的设计上，采用噪声抑制方法保证系
统噪声最低。并利用误差理论分析了系统的综合误差对系统精度的影响，得到理论分析后
系统的分辨率、精度和速度参数。
通过试验验证了高速高精度模数转换系统的设计原理和可行性，得到实际转换结果；
验证了系统精度和转换速度的理论分析，试验系统的分辨率和精度达到20位水平；试验
系统的转换速度达到629Hz。
针对现有时间和条件的限制，本论文主要的工作是通过硬件和软件的设计，来进行系
统方案的论证、可行性验证；并在现有条件下实现了20位精度和629SPS的模数转换系统
的整体设计和试验验证。根据本人在论文完成过程中的认识和思考，提出以下建议供进一
步研究参考：
本论文所讨论的各种噪声和误差都是在实验室较稳定的情况下，忽略了温度的影响的
理想情况。但在实际应用中，转换器将工作于各种环境下，由温度而引起的温漂也是产生
- 19 -
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误差的重要原因，将直接导致系统精度的下降。因而，应通过进一步的试验来分析温度和
精度之间的关系，得到更准确的精度参数。
由于万用表精度的限制，本论文的只能验证所设计系统20位的精度和分辨率。如果
采用更高精度的万用表，可以验证20位以上模数转换系统的精度，进而将本论文设计的
系统进一步推广深入。
本论文所采用的现有转换器件为1MHz转换速度，如果能够采用更高转换速度的转换
器件，并采用性能更好的SOC，那么本论文所设计的系统的转换速度将会进一步提高。
- 20 -
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致谢
本论文的研究是在张丽杰导师的亲切关怀和悉心指导下完成的。导师渊博的知识，敏
锐的洞察力，丰富的科研经验，严谨的治学态度和忘我的工作精神给我留下了深刻的印象，
使我受益匪浅。在课题研究过程中，导师对设计思想及存在的问题给予了悉心地分析与指
导，在课题开展过程中给予了全力支持，使本论文的研究得以顺利完成。在此，谨向导师
多年的谆谆教导和生活上无微不至的关怀表示忠心的感谢！
同时还要感谢各位领导老师在课题的研究过程中给予的指导和帮助，以及在生活中的
关怀和照顾。感谢07级自动化同学的互相帮助与关怀以及带给我学习和生活中的快乐。
最后还要特别感谢我的父母和亲人给我永久不变的关怀与支持，他们默默的关怀和无
私的奉献，是我学海生涯的最大支持！
谨以此献给所有关心、支持、帮助我的亲人、师长和朋友们
李昊阳
2011年4
- 21 -
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附录
/*REV. 1.0 31th October 2002
ADuC831 Apps, Analog Devices Inc.*/
/* BYTE Register */
sfr P0 = 0x80;
sfr SP = 0x81;
sfr DPL = 0x82;
sfr DPH = 0x83;
sfr DPP = 0x84;
sfr PCON = 0x87;
sfr TCON = 0x88;
sfr TMOD = 0x89;
sfr TL0 = 0x8A;
sfr TL1 = 0x8B;
sfr TH0 = 0x8C;
sfr TH1 = 0x8D;
sfr P1 = 0x90;
sfr SCON = 0x98;
sfr SBUF = 0x99;
sfr I2CDAT = 0x9A;
sfr I2CADD = 0x9B;
sfr T3FD = 0x9D;
sfr T3CON = 0x9E;
sfr P2 = 0xA0;
sfr TIMECON = 0xA1;
sfr HTHSEC = 0xA2;
sfr SEC = 0xA3;
- 22 -
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sfr MIN = 0xA4;
sfr HOUR = 0xA5;
sfr INTVAL = 0xA6;
sfr DPCON = 0xA7;
sfr IE = 0xA8;
sfr IEIP2 = 0xA9;
sfr PWMCON = 0xAE;
sfr CFG831 = 0xAF;
sfr P3 = 0xB0;
sfr PWM0L = 0xB1;
sfr PWM0H = 0xB2;
sfr PWM1L = 0xB3;
sfr PWM1H = 0xB4;
sfr SPH = 0xB7;
sfr IP = 0xB8;
sfr ECON = 0xB9;
sfr EDATA1 = 0xBC;
sfr EDATA2 = 0xBD;
sfr EDATA3 = 0xBE;
sfr EDATA4 = 0xBF;
sfr WDCON = 0xC0;
sfr CHIPID = 0xC2;
sfr EADRL = 0xC6;
sfr EADRH = 0xC7;
sfr T2CON = 0xC8;
sfr RCAP2L = 0xCA;
sfr RCAP2H = 0xCB;
sfr TL2 = 0xCC;
sfr TH2 = 0xCD;
sfr PSW = 0xD0;
- 23 -
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sfr DMAL = 0xD2;
sfr DMAH = 0xD3;
sfr DMAP = 0xD4;
sfr ADCCON2 = 0xD8;
sfr ADCDATAL = 0xD9;
sfr ADCDATAH = 0xDA;
sfr PSMCON = 0xDF;
sfr ACC = 0xE0;
sfr DCON = 0xE8;
sfr I2CCON = 0xE8;
sfr ADCCON1 = 0xEF;
sfr B = 0xF0;
sfr ADCOFSL = 0xF1;
sfr ADCOFSH = 0xF2;
sfr ADCGAINL = 0xF3;
sfr ADCGAINH = 0xF4;
sfr ADCCON3 = 0xF5;
sfr SPIDAT = 0xF7;
sfr SPICON = 0xF8;
sfr DAC0L = 0xF9;
sfr DAC0H = 0xFA;
sfr DAC1L = 0xFB;
sfr DAC1H = 0xFC;
sfr DACCON = 0xFD;
/* */
/* TCON */
sbit TF1 = 0x8F;
sbit TR1 = 0x8E;
sbit TF0 = 0x8D;
- 24 -
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sbit TR0 = 0x8C;
sbit IE1 = 0x8B;
sbit IT1 = 0x8A;
sbit IE0 = 0x89;
sbit IT0 = 0x88;
/* P1 */
sbit T2EX
sbit T2
/* SCON */
sbit SM0
sbit SM1
sbit SM2
sbit REN
sbit TB8
sbit RB8
sbit TI
sbit RI
/* IE */
sbit EA
sbit EADC
sbit ET2
sbit ES
sbit ET1
sbit EX1
sbit ET0
sbit EX0
/* P3 */
sbit RD
sbit WR
sbit T1
= 0x91;
= 0x90;
= 0x9F;
= 0x9E;
= 0x9D;
= 0x9C;
= 0x9B;
= 0x9A;
= 0x99;
= 0x98;
= 0xAF;
= 0xAE;
= 0xAD;
= 0xAC;
= 0xAB;
= 0xAA;
= 0xA9;
= 0xA8;
= 0xB7;
= 0xB6;
= 0xB5;
- 25 -
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sbit T0 = 0xB4;
sbit INT1 = 0xB3;
sbit INT0 = 0xB2;
sbit TXD = 0xB1;
sbit RXD = 0xB0;
/* IP */
sbit PSI
sbit PADC
sbit PT2
sbit PS
sbit PT1
sbit PX1
sbit PT0
sbit PX0
/* WDCON */
sbit PRE3
sbit PRE2
sbit PRE1
sbit PRE0
sbit WDIR
sbit WDS
sbit WDE
sbit WDWR
/* T2CON */
sbit TF2
sbit EXF2
sbit RCLK
sbit TCLK
sbit EXEN2
sbit TR2
= 0xBF;
= 0xBE;
= 0xBD;
= 0xBC;
= 0xBB;
= 0xBA;
= 0xB9;
= 0xB8;
= 0xC7;
= 0xC6;
= 0xC5;
= 0xC4;
= 0xC3;
= 0xC2;
= 0xC1;
= 0xC0;
= 0xCF;
= 0xCE;
= 0xCD;
= 0xCC;
= 0xCB;
= 0xCA;
- 26 -
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sbit CNT2 = 0xC9;
sbit CAP2 = 0xC8;
/* PSW */
sbit CY = 0xD7;
sbit AC = 0xD6;
sbit F0 = 0xD5;
sbit RS1 = 0xD4;
sbit RS0 = 0xD3;
sbit OV = 0xD2;
sbit F1 = 0xD1;
sbit P = 0xD0;
/* ADCCON2 */
sbit ADCI = 0xDF;
sbit DMA = 0xDE;
sbit CCONV = 0xDD;
sbit SCONV = 0xDC;
sbit CS3 = 0xDB;
sbit CS2 = 0xDA;
sbit CS1 = 0xD9;
sbit CS0 = 0xD8;
/* DCON */
sbit D1 = 0xEF;
sbit D1EN = 0xEE;
sbit D0 = 0xED;
sbit D0EN = 0xEB;
/* I2CCON */
sbit MDO = 0xEF;
sbit MDE = 0xEE;
sbit MCO = 0xED;
sbit MDI = 0xEC;
- 27 -
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sbit I2CM = 0xEB;
sbit I2CRS = 0xEA;
sbit I2CTX = 0xE9;
sbit I2CI = 0xE8;
/* SPICON */
sbit ISPI = 0xFF;
sbit WCOL
sbit SPE
sbit SPIM
sbit CPOL
sbit CPHA
sbit SPR1
sbit SPR0
= 0xFE;
= 0xFD;
= 0xFC;
= 0xFB;
= 0xFA;
= 0xF9;
= 0xF8;
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/* Author : ADI - Apps /MicroConverter
Date : May 2002
File : ADCcont.c
Hardware : ADuC831
Description : Performs ADC conversions in continuous mode at a
rate of 40KSPS (assuming an 11.0592 Mclk).
Outputs ADC results via UART. Continuously
flashes LED.
All rate calculations assume an 11.0592MHz Mclk. */
#include
#include
sbit LED = 0x0B4;
void adc_int() interrupt 6{
void DELAY(int length);
void main(void)
{
- 29 -
printf("%02BX%02BXn",ADCDATAH,ADCDATAL);
return;
}
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int CHAN = 0;
T3CON=0x085;
T3FD= 0x08;
SCON = 0x052;
/* */
ADCCON1 = 0x080; // power up ADC /16 + 1 acq clock
ADCCON2 = CHAN ; // select channel to convert
/*LAUNCH */
EA = 1; // enable interrupts
EADC = 1; // enable ADC interrupt
CCONV = 1; // begin continuous conversions
/* CONTINUE WITH */
for (;;)
{
DELAY(2);
LED ^= 1; // blink (complement) the LED
}
// the micro is free to continue with other tasks (flashing the LED in
// this case) while the ADC is continuously converting, and results
// are being handled by the ADC interrupt service routine.
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}
void DELAY(int length)
{
while (length >=0)
length--;
}
- 31 -
宁夏理工学院毕业设计
//********************************************************************
//
// Author : ADI - Apps /MicroConverter
//
// Date : May 2002
//
// File : DACsine.c
//
// Hardware : ADuC831
//
// Description : DAC outputs a sine wave 420Hz to DAC0.
// Rate calculations assume a crystal value of 11.0592MHz
//********************************************************************
#include
#include
sbit LED = 0x0B4;
void main (void)
{
unsigned code values[64][2]={
{0x07, 0xFF},{0x08, 0xC8},{0x09, 0x8E},{0x0A, 0x51},{0x0B, 0x0F},
{0x0B, 0xC4},{0x0C, 0x71},{0x0D, 0x12},{0x0D, 0xA7},{0x0E, 0x2E},
{0x0E, 0xA5},{0x0F, 0x0D},{0x0F, 0x63},{0x0F, 0xA6},{0x0F, 0xD7},
{0x0F, 0xF5},{0x0F, 0xFF},{0x0F, 0xF5},{0x0F, 0xD7},{0x0F, 0xA6},
{0x0F, 0x63},{0x0F, 0x0D},{0x0E, 0xA5},{0x0E, 0x2E},{0x0D, 0xA7},
{0x0D, 0x12},{0x0C, 0x71},{0x0B, 0xC4},{0x0B, 0x0F},{0x0A, 0x51},
{0x09, 0x8E},{0x08, 0xC8},{0x07, 0xFF},{0x07, 0x36},{0x06, 0x70},
- 32 -
宁夏理工学院毕业设计
{0x05, 0xAD},{0x04, 0xEF},{0x04, 0x3A},{0x03, 0x8D},{0x02, 0xEC},
{0x02, 0x57},{0x01, 0xD0},{0x01, 0x59},{0x00, 0xF1},{0x00, 0x9B},
{0x00, 0x58},{0x00, 0x27},{0x00, 0x09},{0x00, 0x00},{0x00, 0x09},
{0x00, 0x27},{0x00, 0x58},{0x00, 0x9B},{0x00, 0xF1},{0x01, 0x59},
{0x01, 0xD0},{0x02, 0x57},{0x02, 0xEC},{0x03, 0x8D},{0x04, 0x3A},
{0x04, 0xEF},{0x05, 0xAD},{0x06, 0x70},{0x07, 0x36}};
DACCON = 0x0D; //DAC0 on 12-bit Asynchronous
DAC0H = 0x08;
DAC0L = 0x00;
}
while (1)
{
}
int i;
for ( i = 0 ; i < 64; i++)
{
}
LED ^= 1;
DAC0H = values[i][0];
DAC0L = values[i][1];
//DAC0 mid scale
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发布者：admin，转转请注明出处：http://www.yc00.com/news/1714217676a2404182.html
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