數(shù)電-08-2模~數(shù)轉(zhuǎn)換器

9.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器概述：1、A/D轉(zhuǎn)換：將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為與之相應(yīng)的數(shù)字量。取樣后要保持一段時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)，將取樣的電壓量化為數(shù)字量——變?yōu)闀r(shí)間、幅值的離散量；∵模擬量是時(shí)間、幅值均連續(xù)；而數(shù)字量則時(shí)間、幅值均離散，∴實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，首先必須在一系列選定的瞬間，對(duì)輸入的模擬信號(hào)取樣——變?yōu)闀r(shí)間的離散量；然后，按一定的編碼方式給出結(jié)果?！?即實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，一般要經(jīng)過(guò)4個(gè)過(guò)程：取樣、保持、量化、編碼。實(shí)際電路中，取樣和保持、量化和編碼往往同時(shí)進(jìn)行。2、A/D轉(zhuǎn)換器的分類：（1）直接A/D轉(zhuǎn)換器：將輸入的模擬電壓直接（不需要中間變量）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。①并行比較型:由電壓比較器、觸發(fā)器、寄存器構(gòu)成，可以不附加取樣-保持電路。特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快，但隨著輸出代碼數(shù)位的增加，電路規(guī)模急劇膨脹?！?②反饋比較型：由D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、寄存器等構(gòu)成，取一個(gè)數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的模擬輸出電壓，將其與待轉(zhuǎn)換的模擬電壓相比較，若兩者不等，則調(diào)整所取的數(shù)字量，直到兩個(gè)模擬電壓相等為止，此時(shí)所取的數(shù)字量即為轉(zhuǎn)換結(jié)果。其思路是:常用典型電路為逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器：特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度較慢，但數(shù)位較多時(shí)，電路規(guī)模比并行比較型小得多，且轉(zhuǎn)換精度高。

——是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用最多的一種?！?（2）間接A/D轉(zhuǎn)換器：①電壓-頻率變換型（V-F變換型）首先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的頻率信號(hào)，然后在固定的時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量。②電壓-時(shí)間變換型（V-T變換型）首先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的時(shí)間寬度信號(hào)，然后在這個(gè)時(shí)間寬度里對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量。典型電路有雙積分A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換速度慢，但工作性能比較穩(wěn)定，特別是雙積分A/D轉(zhuǎn)換器抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)元器件的要求較低，所以在數(shù)字儀表中應(yīng)用非常廣泛。間接A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：※41、取樣與保持取樣電路：SvIvOS(t)TSt0vIt0S(t)t0vOTC：取樣時(shí)間；此時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，vO=vITS：取樣周期fS：1/TS取樣頻率TS-TC：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，vO=0TCfS≥2fmax●取樣保持9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程取樣信號(hào)S（t）頻率越高，所得信號(hào)經(jīng)低通濾波器后，越能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。合理的取樣頻率由取樣定理決定。fmax為輸入模擬電壓最高頻率分量的頻率。取樣信號(hào)取樣定理※5取樣－保持電路P446圖9.2.2（a）電路結(jié)構(gòu)（b）典型接法集成取樣－保持電路LF198外接的保持電容CH的取值必須兼顧輸出電壓下降率和獲取時(shí)間兩方面的要求。實(shí)際電路※6受控模擬開(kāi)關(guān)控制單元A1、A2電壓跟隨器保護(hù)二極管(1)vL=1→S閉合→vO=vO′=vI→電容CH充電至vI——取樣階段(2)vL=0→S斷開(kāi)→電容CH上電壓無(wú)放電回路

→vO維持原來(lái)的值不變——保持階段?∵運(yùn)算放大器輸入電阻極高！※72.量化與編碼數(shù)字信號(hào)在數(shù)值上是離散的。任何數(shù)字量只能是某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。采樣–保持電路的輸出電壓需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，量化后的數(shù)值最后還需通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。量化編碼※8量化：將樣值化成最小量化單位的整數(shù)倍的過(guò)程。量化誤差:由于模擬電壓是連續(xù)的，所以取樣電壓不一定能被△整除，因此，量化過(guò)程不可避免地會(huì)引入誤差，稱為量化誤差。量化單位Δ——量化的最小單位：即：D＝00…1時(shí)所代表的數(shù)值(VLSB)。量化誤差屬于原理誤差，無(wú)法消除。但位數(shù)越多，誤差越小。只舍不入量化方式四舍五入的量化方式。量化方式：※9111110101100011010001000編碼010Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v輸入信號(hào)量化后電壓把不足一個(gè)量化單位的部分舍棄；對(duì)于等于或大于一個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼(1)只舍不入（舍尾求整法）※10將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：111110101100011010001000編碼6Δ=12/15v5Δ=10/15v010Δ=0v7Δ=14/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v輸入信號(hào)模擬電平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼(2)有舍有入（四舍五入法）※119.2.2并行A/D轉(zhuǎn)換器圖9.2.4三位并行A/D轉(zhuǎn)換器(1)分壓器：由8個(gè)精密電阻組成，將參考電壓分成7級(jí)，分別為(2)電壓比較器：C1~C7若后者大于前者，電壓比較器輸出為1；否則輸出為0。各級(jí)參考電壓接于反相輸入端；輸入模擬電壓接于同相輸入端。1、三位并行A/D轉(zhuǎn)換器的組成※12圖9.2.4三位并行A/D轉(zhuǎn)換器7個(gè)正邊沿D觸發(fā)器構(gòu)成；輸入為各電壓比較器的輸出。(4)編碼器：8/3線優(yōu)先編碼器：輸入低電平有效；優(yōu)先級(jí)別：I7→I1；三位反碼輸出。(3)寄存器：※132、工作原理圖9.2.4三位并行A/D轉(zhuǎn)換器VI=8VREF/1511110009VREF/157VREF/155VREF/15001設(shè)輸入電壓VI=8VREF/15對(duì)I3=0編碼→011的反碼→100※14

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI13VR/15

011111111013VREF/15

vIVREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vIVREF/15

0000000000

表9.2.13位并行A/D轉(zhuǎn)換器輸入與輸出關(guān)系對(duì)照表※15+－C7C11DQ7+－C6C11DQ6+－C5C11DQ5+－C4C11DQ4+－C3C11DQ3+－C2C11DQ2+－C1C11DQ1線優(yōu)先編碼器8/3???????????????????RRRRRRRR/2VREFvI115VREFVREF1315315VREFVREF1115CPD1D0D2C01C02C03C04C05C06C07I1I2I3I4I5I6I78/3線優(yōu)先編碼器：輸入高電平有效；優(yōu)先級(jí)別：I7→I1；三位原碼輸出。VREF915VREF715VREF515VI=8VREF/151111000仍設(shè)輸入電壓VI=8VREF/15對(duì)I4=1編碼→100001看另外一張圖：※163、電路特點(diǎn)：在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓vI同時(shí)加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與vI輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。（幾十納秒）

缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，如三位ADC需7個(gè)比較器、7個(gè)觸發(fā)器、8個(gè)電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級(jí)并行轉(zhuǎn)換的方法。單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的AD9012(TTL工藝8位)、AD9002(ECL工藝，8位)、AD9020(TTL工藝，10位)等。※17若天平有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx=13克，可以用下表步驟來(lái)秤量：砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝碼總重<待測(cè)重量Wx，故保留砝碼總重仍<待測(cè)重量Wx，故保留砝碼總重>待測(cè)重量Wx，故撤除砝碼總重＝待測(cè)重量Wx，故保留暫時(shí)結(jié)果8克12克12克13克結(jié)論9.2.3逐次比較型A/D1.工作原理:類似用天平秤重?！?81)寄存器清零2)啟動(dòng)負(fù)脈沖CP1移位寄存器最高位置1，其它位置0。經(jīng)數(shù)碼寄存器將100…0D/A轉(zhuǎn)換器輸出vo=VREF/2。，9.2.51．組成框圖：

2．工作過(guò)程：※設(shè)A=6.84VVREF=-10V=5V100………0100………0000………0193)vo與vI比較，若vI≥VREF/2電壓比較器輸出1若vI<VREF/2電壓比較器輸出0存于寄存器的Dn-1位9.2.5※A=6.84V11VREF=-10V=5V＞5V1204)CP2移位寄存器次高位置1，其它低位置0，經(jīng)數(shù)碼寄存器將*100…0D/A轉(zhuǎn)換器輸出vo=(3/4)VREF，vo=(1/4)VREF，9.2.5※010………0=7.5V110………0A=6.84VVREF=-10V121vo與vI比較，5)再將決定寄存器次高位Dn-2，9.2.5※＜7.5VA=6.84VVREF=-10V=7.5V010………依次類推得到輸出數(shù)字量。22圖9.2.68位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器波形圖設(shè)vI=6.84V，VREF=-10V由此可見(jiàn)，經(jīng)8個(gè)時(shí)鐘周期，得到A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果：D7~D0為10101111該數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬電壓為6.835937相對(duì)誤差僅為0.06%9.2.6※即完成一次轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間：t=n?TCPTCP：時(shí)鐘脈沖周期逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換速度較慢。23對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，把輸入電壓的平均值轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，則，計(jì)數(shù)結(jié)果即為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。9.2.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器屬于間接型A/D(V-T型)基本原理:ppt25~31電路組成和工作原理P453~456※241．電路組成：Qn=0，S1接A端1，S1接B端積分器（A）過(guò)零比較器（c）時(shí)鐘控制門（G）n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（FF0~FFn-1）定時(shí)器FFn※9.2.8受控開(kāi)關(guān)25（1）準(zhǔn)備階段:控制電路提供清零信號(hào)，計(jì)數(shù)器清零，S2閉合，電容C放電至0，S2再開(kāi)啟。（2）第一階段：定時(shí)積分（對(duì)VI積分）：t=0

時(shí)刻，Qn=0→S1接通A端，積分器從0開(kāi)始負(fù)向積分，－過(guò)零比較器輸出高電平與門開(kāi)啟計(jì)數(shù)器從0開(kāi)始計(jì)數(shù)；

※9.2.82．工作過(guò)程：以vI為正直流電壓為例26第一次積分結(jié)束時(shí)，積分器的輸出電壓第一次積分時(shí)間為t=T1=2nTc經(jīng)2n個(gè)時(shí)鐘脈沖后，計(jì)數(shù)器FF0~FFn-1清零→定時(shí)器輸出Qn=1→開(kāi)關(guān)S1接通B端?！谝浑A段結(jié)束?！?.2.827即有：vo（t2）=－t=t1

時(shí)，S1接通B端，積分器對(duì)-VREF從VP開(kāi)始正向積分，同時(shí)，計(jì)數(shù)器又從0開(kāi)始計(jì)數(shù)（因?yàn)槿杂衯o＜0→vc=1），當(dāng)t=t2

時(shí)vo≥0→vc=0→時(shí)鐘控制門G關(guān)閉→計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。（3）第二階段：定壓積分（對(duì)-VREF積分）：※9.2.828——與輸入模擬量成正比T2=Tc設(shè)此期間計(jì)數(shù)器累計(jì)的時(shí)鐘脈沖數(shù)為即則第二次積分時(shí)間為中間變量T2=t2–

t1※9.2.829（4）休止階段：第二次積分結(jié)束，控制電路又使開(kāi)關(guān)S2閉合，電容C放電，積分器回0，電路再次進(jìn)入準(zhǔn)備階段，等待下一次轉(zhuǎn)換。3、工作波形：※9.2.9304、說(shuō)明：1）若取VREF=2n伏，則4）上述電路僅為基本電路，沒(méi)有包括控制電路等。即計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)在數(shù)值上等于被轉(zhuǎn)換的模擬電壓。※2）VREF與VI極性必須相反；3）VI＜VREF電路才能正常工作，否則計(jì)數(shù)器將溢出。312）由于兩次相反的積分采用同一積分器，所以元件參數(shù)變化對(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響可以忽略。5、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：1）有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力，尤其對(duì)周期等于T1或幾分之一T1的對(duì)稱干擾，理論上有無(wú)窮大的抑制能力。3）缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度較慢（幾十~幾百毫秒）。——在數(shù)字儀表中有非常廣泛的應(yīng)用※321、分辨率：以輸出二進(jìn)制代碼的位數(shù)表示。