數(shù)模轉(zhuǎn)換器基本原理及常見(jiàn)結(jié)構(gòu).ppt

本次課內(nèi)容 1、ADC的轉(zhuǎn)換原理； 2、ADC的主要參數(shù)。 3、模數(shù)典型芯片介紹； 4、ADC的基本應(yīng)用方法。,模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）,ADC作用：將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。 主要應(yīng)用：(低速)數(shù)字萬(wàn)用表，電子秤等；(中速)工業(yè)控制，實(shí)驗(yàn)設(shè)備等；(高速)數(shù)字通信、導(dǎo)彈測(cè)遠(yuǎn)等；(超高速)數(shù)字音頻、視頻信號(hào)變換、氣象數(shù)據(jù)分析處理。,ADC輸入是模擬量，輸出是數(shù)字量； ADC輸出的數(shù)字量可視為輸入電壓(電流)與基準(zhǔn)電壓(電流)相比所占的比例。,ADC輸出與輸入關(guān)系可表示如下：,即ADC是將輸入信號(hào)Ain與其所能分辨的最小電壓增量VREF/2n相比較，得到與輸入模擬量對(duì)應(yīng)的倍數(shù)（取整）。,3位ADC 示意圖,輸出數(shù)字量對(duì)應(yīng)一個(gè) 模擬區(qū)間,8.3.1 ADC的基本原理,一、采樣和采樣定理,ADC周期性地將輸入模擬值轉(zhuǎn)換成與其大小對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，該過(guò)程稱為采樣。 采樣是否會(huì)造成丟失某些信息？,時(shí)域采樣定理：一個(gè)頻帶有限的信號(hào)f(t)，如果其頻譜在區(qū)間(m,m)以外為零，則它可以唯一的由其在均勻間隔Ts(Ts1/2fm)上的樣點(diǎn)值f(nTs)確定。,即只要采樣脈沖頻率fs大于或等于輸入信號(hào)中最高頻率fm的兩倍（fs 2fm），則采樣后的輸出信號(hào)就能夠不失真地恢復(fù)出模擬信號(hào)。,二、采樣/保持電路,模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間，在此期間要求采樣所得的樣值保持不變。這個(gè)過(guò)程需有相應(yīng)電路實(shí)現(xiàn)。,Ctw，故Vs的變化與Vi同步。,Vs,LF198,三、量化和編碼,模擬信號(hào)經(jīng)S/H得到的取樣值仍屬模擬范疇，需經(jīng)量化（將取樣值表示為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍）處理，才能轉(zhuǎn)換為時(shí)間上和數(shù)值上都為離散的數(shù)字信號(hào)。 最小數(shù)量單位稱量化單位(1=1LSB)。 編碼：將量化結(jié)果用數(shù)字代碼表示出來(lái)。常見(jiàn)有自然二進(jìn)制編碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼編碼。,因取樣值為輸入信號(hào)某些時(shí)刻的瞬時(shí)值，它們不可能都正好是量化單位的整數(shù)倍，即在量化時(shí)不可避免地會(huì)引入量化誤差()。 量化誤差：有限位ADC產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)的等效模擬值與實(shí)際輸入模擬量之間的差值。 量化誤差的大小與量化方式、量化單位、ADC編碼位數(shù)、基準(zhǔn)電壓大小有關(guān)。,常用的量化方式：舍入量化和截?cái)嗔炕瘍煞N方式。,例如：FSR=1V的3位ADC，其分辨率為1/8V（1LSB）。分別采用舍入量化和截?cái)嗔炕瘍煞N方式，情況如下：,LSB/2,1.5LSB,一、并行（閃速） ADC,可有2n種 比較結(jié)果,即n位數(shù)字量,8.3.2 ADC的基本原理,3位并行比較型ADC的轉(zhuǎn)換真值表,優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換快（僅一個(gè)時(shí)鐘周期）。 不足：n較大時(shí)，比較器、分壓電阻數(shù)量太大，難以保證其準(zhǔn)確性及一致性。,Next,二、逐次逼近式ADC,開(kāi)始前清零!,比較器,即完成一次轉(zhuǎn)換需n+1個(gè)時(shí)鐘周期。,首先，置DN-1“1”，若VP =“H”，則保留DN-1=“1”；否則，DN-1=“0”。 然后，置DN-2“1”，若VP =“H”，則保留DN-2=“1”；否則，DN-2=“0”。 D0位確定，轉(zhuǎn)換結(jié)束。,優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，精度較高、速度較快。 不足：對(duì)Vi中噪聲敏感，輸入端需用S/H電路（ADC轉(zhuǎn)換期間Vi要恒定）。,SAR ADC 轉(zhuǎn)換的時(shí)序波形 （Vin=6.8V8位二進(jìn)制數(shù)）,Tclk=10s,Tcon=90s,三、雙積分式（雙斜式）ADC,放電開(kāi)關(guān),控制K1置位,1、雙積分式ADC工作原理,溢出值恒定 t1恒定,反向充電電壓恒定,Vi不同積分輸出不同,VR恒定 斜率恒定,采樣結(jié)束：,編碼結(jié)束：,2、雙積分式ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果,令計(jì)數(shù)脈沖周期為TC， 則t1=N1TC；t2=N2TC。,優(yōu)點(diǎn)：N2Vi，抗干擾性和精度較好。 不足：轉(zhuǎn)換速度慢，20次/s。,分辨率：能分辨的最小輸入變化量?？捎梅直媛省⑾鄬?duì)分辨率或以數(shù)字位數(shù)表示。,8.3.3 ADC的主要參數(shù),一、轉(zhuǎn)換精度,設(shè)ADC位數(shù)為n，滿量程范圍FSR。 分辨率=FSR/2n；直接表示n；,例：FSR=10V的12位ADC，其分辨率表示：分辨率2.44mV、0.0244%、12位。,n越大分辨率越高,信噪比（SNR）：ADC輸出端信號(hào)與噪聲之比，用dB表示。對(duì)于正弦波輸入信號(hào)，信噪比的理論值滿足6dB規(guī)則： SNR=(6.02n1.76)dB 式中：n為ADC的位數(shù)，即ADC的位數(shù)每增加一位，SNR值增加約6dB。,利用ADC實(shí)際信噪比，可求其有效位數(shù)(ENOB)：,其它參數(shù)（總諧波失真、互調(diào)失真等）自學(xué)。,轉(zhuǎn)換時(shí)間：從啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換開(kāi)始到正確輸出數(shù)字信號(hào)的一段時(shí)間間隔。,注意：實(shí)際應(yīng)用中，在ADC完成轉(zhuǎn)換后到數(shù)據(jù)被讀出之前，不允許有新的轉(zhuǎn)換。,二、ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率,轉(zhuǎn)換速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間（每秒）內(nèi)ADC重復(fù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)。,與硬件連接、編程方法等有關(guān)。,三、ADC的接口特性,ADC與外部電路連接時(shí)的特性，包括: 輸入特性：電壓(電流)范圍、輸入極性(單、雙極性)、模擬信號(hào)最高有效頻率等。 輸出特性：編碼方式(自然或偏移二進(jìn)制碼等)、輸出方式(串、并行；三態(tài)、緩沖、鎖存輸出)以及電平類型(TTL、CMOS等)。 控制特性：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換完成；片選信號(hào)(CS)、數(shù)據(jù)讀(RD)等控制信號(hào)端。,8.3.4 典型ADC介紹（ADC0809）,dip28封裝,誤差1LSB,決定轉(zhuǎn)換時(shí)間,+5V單電源；15 mW功耗,單極性05 V,ADC0809工作時(shí)序圖,清零,啟動(dòng),CLK：要求頻率101280kHz，典型值640kHz。,轉(zhuǎn)換進(jìn)行中,轉(zhuǎn)換結(jié)束,ADC0809與8031的接口電路,1、根據(jù)分辨率確定ADC位數(shù)n 設(shè)ADC電壓輸入范圍為FSR，位數(shù)為n，要求分辨率為M。則,標(biāo)稱位數(shù) 8、10、12、14等,例：某ADC的FSR=10V，系統(tǒng)要求分辨率M=2mV。試確定其位數(shù)。,可選 13位,一、ADC的選擇,8.4.3 ADC的應(yīng)用,2、根據(jù)采集速度確定ADC的轉(zhuǎn)換速度 設(shè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換速率為f；硬件延遲時(shí)間ty；ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間為tcon。則：T1/f 。,T = ty + tcon,3、ADC其它方面的選擇需注意事項(xiàng) 輸出信號(hào)的編碼方式；與其他邏輯電平的匹配情況；控制信號(hào)是否合乎要求等。另外， 轉(zhuǎn)換時(shí)間要與應(yīng)用系統(tǒng)匹配。,二、ADC的調(diào)整,使用ADC通常要調(diào)整其失調(diào)和增益誤差。方法：硬件、軟件消除。,將兩組數(shù)據(jù)代入方程y=max+b可求出ma（實(shí)際增益）和b（實(shí)際失調(diào)） 。,有了ma、b及實(shí)測(cè)輸出x，用y=max+b即可得到消除了增益和失調(diào)誤差標(biāo)準(zhǔn)輸出。,三、高分辨率ADC與微處理器的接口,當(dāng)ADC位數(shù)大于CPU數(shù)據(jù)寬度的接口方法（通常ADC提供兩次讀出數(shù)據(jù)控制）。,8.4.4 ADC的應(yīng)用電路,一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),將被采樣的模擬信號(hào)變化范圍變換為接近ADC輸入模擬信號(hào)的滿量程范圍。 目的：為了減小ADC的量化誤差。,二、ADC的滿量程轉(zhuǎn)換,例如：被采樣信號(hào)Vi=0mV11mV；單極性ADC采用截?cái)嗔炕?，F(xiàn)SR=10V，輸出位數(shù)12位。量化區(qū)間大小：2.44mV,05V,如：?jiǎn)螛O性ADC采樣雙極性輸入電壓。,三、ADC的功能擴(kuò)展,Vi=-5V對(duì)應(yīng) Dn-1D0為全0。,Vi=+5V對(duì)應(yīng) Dn-1D0為全1。,雙極性電壓,單極性電壓,四、常用數(shù)據(jù)處理技術(shù),為消除采樣數(shù)據(jù)中干擾，可用硬件方法，也可用軟件對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使采樣數(shù)據(jù)盡可能接近其真實(shí)值，以提高精度。,1、消除系統(tǒng)零點(diǎn)漂移與增益漂移 如：通過(guò)兩組數(shù)據(jù)求y=max+b中ma、b。,2、采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換 非電物理量電量數(shù)字量有意義數(shù)字量（標(biāo)度變換：線性、非線性參數(shù)變換）。 3、采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波（減少干擾比重）,1、驅(qū)動(dòng)問(wèn)題： 通常，在DAC之后或ADC之前需加放大電路，對(duì)模擬信號(hào)加以放大。 2、合理使用S/H： DAC之后加S/H可消除突跳； ADC之前加S/H可提高采樣頻率。 3