數模轉換器基本原理

1、本次本次課內容課內容1、ADC的轉換原理；的轉換原理；2、ADC的主要參數。的主要參數。3、模數典型芯片介紹；、模數典型芯片介紹；4、ADC的基本應用方法。的基本應用方法。模數轉換器及其應用模數轉換器及其應用8.3 模數轉換器（模數轉換器（ADC）ADC作用：作用：將模擬量轉換為數字量。將模擬量轉換為數字量。主要應用主要應用：( (低速低速) )數字萬用表，電子秤數字萬用表，電子秤等；等；( (中速中速) )工業(yè)控制，實驗設備等；工業(yè)控制，實驗設備等；( (高速高速) )數字通信、數字通信、超高速超高速) )數字音頻、視頻信號變換、數字音頻、視頻信號變換、氣象數據分析處理。氣象數據分析處理。A

2、DC輸入是模輸入是模為輸入電壓為輸入電壓( (電流電流) )與基準與基準電壓電壓( (電流電流) )相比所占的比例。相比所占的比例。ADC輸出與輸入關系可表示如下：輸出與輸入關系可表示如下：nREFinout2VAD即即ADC是將輸入信號是將輸入信號Ain與其所能分辨與其所能分辨的最小電壓增相比較，得到與輸入模擬量對的最小電壓增相比較，得到與輸入模擬量對應的倍數（應的倍數（取整取整）。）。 3位位ADC示意圖示意圖 輸出數字量輸出數字量對應一個對應一個模擬區(qū)間模擬區(qū)間8.3.1 ADC的基本原理的基本原理一、采樣和采樣定理一、采樣和采樣定理ADC周期性地將輸入模擬值轉換成與其大周期性地將輸入模

3、擬值轉換成與其大小對應的數字量，該過程稱為小對應的數字量，該過程稱為采樣采樣。采樣是否丟失某些信息？采樣是否丟失某些信息？ 時域采樣定理：時域采樣定理：一個頻帶有限的信號一個頻帶有限的信號f(t)，如果其頻譜在區(qū)間如果其頻譜在區(qū)間( (以外為零，則它可以唯以外為零，則它可以唯一的由其在均勻間隔一的由其在均勻間隔Ts( (Ts1/2fm) )上的樣點值上的樣點值f(nTs)確定。確定。即只要即只要采樣脈沖頻率采樣脈沖頻率fs大于或等于大于或等于輸入信號輸入信號中最高頻率中最高頻率fm的兩倍（的兩倍（fs 2fm），則采樣后的），則采樣后的輸出信號就能夠不失真地恢復出模擬信號。輸出信號就能夠不失真

4、地恢復出模擬信號。二、采樣二、采樣/保持電路保持電路模擬量到數字量轉模擬量到數字量轉換需要一定時間，在此換需要一定時間，在此期間要求采樣所得的樣期間要求采樣所得的樣值保持不變。這個過程值保持不變。這個過程需有相應電路實現。需有相應電路實現。Ctw，故，故Vs的變的變化與化與Vi同步。同步。VsLF198 三、量化和編碼三、量化和編碼模擬信號經模擬信號經S/H得到的得到的取樣值取樣值仍屬模擬范仍屬模擬范疇，疇，需經量化需經量化（將取樣值表示為最小數量單位將取樣值表示為最小數量單位的整數倍的整數倍）處理，時間上和數值上都為離散的）處理，時間上和數值上都為離散的數字信號。數字信號。最小數量單位稱量化

5、單位最小數量單位稱量化單位( (1=1LSB) )。編碼：編碼：將將量化結量化結補碼編碼。補碼編碼。因取樣值為輸入信號某些時刻的瞬時值，因取樣值為輸入信號某些時刻的瞬時值，它們不可能都正好是化誤差它們不可能都正好是化誤差( () )。量化誤差：量化誤差：有限生的輸出數據的等效模擬有限生的輸出數據的等效模擬值與實際輸入模擬量之間的差值。值與實際輸入模擬量之間的差值。 量化誤差的量化誤差的大小大小與量化方式、量化單位、與量化方式、量化單位、ADC編碼位數、基準電壓大小有關。編碼位數、基準電壓大小有關。常用的量化方式：常用的量化方式：舍入量化舍入量化和和截斷量化截斷量化兩種方式兩種方式。例如：例如：

6、FSR=1V的的3位位ADC，其分辨率為，其分辨率為1/8V（1LSB）。分別采用舍入量化和截斷量）。分別采用舍入量化和截斷量化兩種方式，化兩種方式，情況如下情況如下：LSB/21.5LSB2LSBLSB 數數字字值值對對應應的的輸輸入入范范圍圍LSB1LSB數字值數字值數字值數字值對對應應的的輸輸入入范范圍圍舍入量化舍入量化截斷量化截斷量化量化值量化值量化區(qū)間中點量化區(qū)間中點量化區(qū)間末端量化區(qū)間末端輸出輸出001H量化點誤差為量化點誤差為0 Vi=1/8V量化點誤差為量化點誤差為0Vi=1/8V1/16Vi3/16(V)1/8Vi2/8(V)最大最大誤差誤差1/81/16; 1/83/16L

7、SB/21/82/81LSB(2n1)個個2n一一、并行（、并行（閃速閃速） ADC可有可有2n種種比較結果比較結果即即n位位數字量數字量8.3.2 ADC的基本原理的基本原理VinI6 I5 I4 I3 I2 I1 I0Y2 Y1 Y0量化值量化值0Vin1V11111110000V1VVin2V01111110011V2VVin3V00111110102V3VVin4V00011110113V4VVin5V00001111004V5VVin6V00000111015V6VVin7V00000011106V7VVin8V00000001117V3位并行比較型位并行比較型ADC的轉換的轉換真值

8、表真值表優(yōu)點：優(yōu)點：轉換快（僅一個時鐘周期）。轉換快（僅一個時鐘周期）。不足：不足：n較大時，比較器、分壓電阻數較大時，比較器、分壓電阻數量太大，難以保證其準確性及一致性。量太大，難以保證其準確性及一致性。NextNext二、逐次逼近式二、逐次逼近式ADC開始前清零開始前清零!比較器比較器即完成一次轉換需即完成一次轉換需n+1個時鐘周期。個時鐘周期。首先首先，置置DN-1“1”，若，若VP =“H”，則保，則保留留DN-1=“1”；否則，；否則，DN-1=“0”。然后，然后，置置DN-2“1”，若，若VP =“H”，則保，則保留留DN-2=“1”；否則，；否則，DN-2=“0”。 D0位確定，

9、轉換結束。位確定，轉換結束。 優(yōu)點：優(yōu)點：技術成熟，精度較高、速度較快。技術成熟，精度較高、速度較快。 不足：不足：對對Vi中入端需用中入端需用S/H電路（電路（ADC轉轉換期間換期間Vi要恒定要恒定）。）。SAR ADC 轉換的時序波形轉換的時序波形（Vin=6.8V8位二進制數）位二進制數）Tclk=10sTcon=90s三、雙積分式（三、雙積分式（雙斜式雙斜式）ADCVi0放電開關放電開關控制控制K1置位置位原理原理波形波形結果結果過程過程 K1K2電電容容積分輸出積分輸出 比較器比較器計數器計數器開始開始 地地 通通放放電電Vo =0采樣采樣Vi0向下向下反轉反轉開始計數開始計數直到溢

10、出直到溢出編碼編碼VR02斷斷反反向向充充電電線性下降線性下降 低電平低電平重新計數重新計數Vo0向上向上反轉反轉停止計數停止計數輸出結果輸出結果1、雙積分式、雙積分式ADC工作原工作原理理電路電路結果結果溢出值恒定溢出值恒定t1恒定恒定反向充電電壓恒定反向充電電壓恒定Vi不同積分不同積分輸出不同輸出不同VR恒定恒定斜率恒定斜率恒定1it0i1otRCVdtRVC1)t(V1采樣結束采樣結束：編碼結束：編碼結束： 0tRCVtRCVdtRVC1tVttV2R1itttR1o21o2112、雙積分式、雙積分式ADC轉換結轉換結果果1Ri1Ri2NVVNVVN令計數脈沖周期為令計數脈沖周期為TC，

11、則則t1=N1TC；t2=N2TC。優(yōu)點：優(yōu)點：N2Vi，抗干擾性和精度較好?？垢蓴_性和精度較好。不足：不足：轉換速度慢，轉換速度慢，20次次/s。分辨率分辨率：能分辨的最小輸入變化量能分辨的最小輸入變化量?？?。可用分辨率、相對分辨率或以數字位數表示。用分辨率、相對分辨率或以數字位數表示。8.3.3 ADC的主要參數的主要參數一一、轉換精度轉換精度00n0010021100FSR分分辨辨率率相相對對分分辨辨率率設設ADC位數范圍位數范圍FSR。分辨率分辨率=FSR/2n；直接表示；直接表示n；例：例：FSR=10V的的12位位ADC，其分辨率表，其分辨率表示：分辨率示：分辨率2.44mV、0.

12、0244%、12位。位。n越大分越大分辨率越高辨率越高信噪比（信噪比（SNR）：ADC輸出端信號與輸出端信號與噪聲之比，用噪聲之比，用dB表示。對于正弦波輸入信號，表示。對于正弦波輸入信號，信噪比的理論值滿足信噪比的理論值滿足6dB規(guī)則：規(guī)則： SNR=( (6.02n1.76) )dB 式中：式中：n為為ADC的位數，即的位數，即ADC的位數的位數每增加一位，每增加一位，SNR值增加約值增加約6dB。 利用利用ADC實際信噪比，可求其有效位數實際信噪比，可求其有效位數( (ENOB) )：02. 676. 1SNRENOB其它參數（總諧波失真、互調失真等）自學。其它參數（總諧波失真、互調失真

13、等）自學。轉換時間：轉換時間：從啟動從啟動ADC轉換開始到正確轉換開始到正確輸出數字信號的一段時間間隔。輸出數字信號的一段時間間隔。 注意：注意：實際應用中，在實際應用中，在ADC完成轉換后完成轉換后到數據被讀出之前，不允許有新的轉換。到數據被讀出之前，不允許有新的轉換。二、二、ADC的轉換時間和轉換速率的轉換時間和轉換速率轉換速率：轉換速率：單位時間（每秒）內單位時間（每秒）內ADC重重復轉換的次數。復轉換的次數。數數據據輸輸出出時時間間轉轉換換時時間間轉轉換換速速率率1與硬件連接、與硬件連接、編程方法等編程方法等有關。有關。三、三、ADC的接口特性的接口特性ADC與外部電路連接時的特性，包

14、括與外部電路連接時的特性，包括:輸入特性：輸入特性：電壓電壓( (電流電流) )范圍、輸入極性范圍、輸入極性( (單、雙極性單、雙極性) )、模擬信號最高有效頻率等。、模擬信號最高有效頻率等。輸出特性：輸出特性：編碼方式編碼方式( (自然或偏移二進制自然或偏移二進制碼等碼等) )、輸出方式、輸出方式( (串、并行；三態(tài)、緩沖、鎖串、并行；三態(tài)、緩沖、鎖存輸出存輸出) )以及電平類型以及電平類型( (TTL、CMOS等等) )?？刂铺匦裕嚎刂铺匦裕簡愚D換、轉換完成；片選信啟動轉換、轉換完成；片選信號號( (CS) )、數據讀、數據讀( (RD) )等控制信號等控制信號端。端。 8.3.4 典型

15、典型ADC介紹（介紹（ADC0809）dip28封裝封裝誤差誤差1LSB決定轉換時間決定轉換時間+5V單電源；單電源；15 mW功耗功耗單極性單極性05 VADC0809工作時序圖工作時序圖清零清零啟動啟動CLK：要求頻率：要求頻率101280kHz，典型值，典型值640kHz。轉換進行中轉換進行中轉換結束轉換結束 ADC0809與與8031的接口電路的接口電路1、根據分辨率確定、根據分辨率確定ADC位數位數n設設ADC電壓輸入范圍為電壓輸入范圍為FSR，位數為，位數為n，要求分辨率為要求分辨率為M。則。則1MFSRlg32. 31MFSRlogn2標稱位數標稱位數8、10、12、14等等例：

16、例：某某ADC的的FSR=10V，系統(tǒng)要求分辨，系統(tǒng)要求分辨率率M=2mV。試確定其位數。試確定其位數。3 .121210000lg32. 31MFSRlg32. 3n可選可選13位位一、一、ADC的選擇的選擇8.4.3 ADC的應用的應用2、根據采集速度確定、根據采集速度確定ADC的轉換速度的轉換速度設系統(tǒng)轉換速率為設系統(tǒng)轉換速率為f；硬件延遲時間；硬件延遲時間ty；ADC轉換時間為轉換時間為tcon。則：。則：T1/f 。ycontf1tT = ty + tcon 3、ADC其它方面的選擇需注意事項其它方面的選擇需注意事項輸出信號的編碼方式；與其他邏輯電平輸出信號的編碼方式；與其他邏輯電平

17、的匹配情況；控制信號是否合乎要求等。另的匹配情況；控制信號是否合乎要求等。另外，外， 轉換時間要與應用系統(tǒng)匹配。轉換時間要與應用系統(tǒng)匹配。二、二、ADC的調整的調整使用使用ADC通常要調整通常要調整其失調和增益誤差。方其失調和增益誤差。方法：硬件、軟件消除。法：硬件、軟件消除。 基準基準標準轉換值標準轉換值實測值實測值8Vyhxh-8Vylxl將兩組數據代入將兩組數據代入方程方程y=max+b可求出可求出ma（實際增益）實際增益）和和b（實際失調）（實際失調） 。有了有了ma、b及實測輸出及實測輸出x，用，用y=max+b即可即可得到消除了增益和失調誤差標準輸出。得到消除了增益和失調誤差標準輸

18、出。 三、三、高分辨率高分辨率ADC與微處理器的接口與微處理器的接口 當當ADC位數位數大于大于CPU數據寬度的接口方數據寬度的接口方法（法（通常通常ADC提供兩次讀出數據控制提供兩次讀出數據控制）。）。數據線數據線為三態(tài)為三態(tài) 數據線數據線非三態(tài)非三態(tài) 8.4.4 ADC的應用電路的應用電路一、數據采集系統(tǒng)一、數據采集系統(tǒng)將被采樣的模擬信將被采樣的模擬信號變化范圍變換為接近號變化范圍變換為接近ADC輸入模擬信號的滿輸入模擬信號的滿量程范圍。量程范圍。目的：目的：為了為了減小減小ADC的量化誤差的量化誤差。二、二、ADC的滿量程轉換的滿量程轉換 例如例如：被采樣信號被采樣信號Vi=0mV11m

19、V；單極；單極性性ADC采用截斷量化，采用截斷量化，FSR=10V，輸出位數，輸出位數12位位。量化區(qū)間大?。毫炕瘏^(qū)間大?。?.44mVPGA取值取值1100D=Vi /(分辨率分辨率)11/2.44=4.511100/2.44=450.8截斷量化后截斷量化后D=4=004HD=450=1C2H相應無誤差相應無誤差模擬量模擬量42.44mV=9.76mV4502.44mV/100=10.98mV相對誤差相對誤差11.3%0.18%05V如：單極性如：單極性ADC采樣雙極性輸入電壓。采樣雙極性輸入電壓。 三、三、ADC的功能擴展的功能擴展Vi=-5V對應對應Dn-1D0為全為全0。Vi=+5V對應對應 Dn-1D0為全為全1。雙極性電壓雙極性電壓單極性電壓單極性電壓四、常用數據處理技術四、常用數據處理技術為消除采樣數據中干擾，可用硬件方法，為消除采樣數據中干擾，可用硬件方法，也可用軟件對采樣數據進行處理，使采樣數據也可用軟件對采樣數據進行處