數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器2

1

A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器

3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

9.2A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器概述ADCDn~D0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。1.A/D功能:

A/D轉(zhuǎn)換器要將時(shí)間上連續(xù)，幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散，幅值也離散的數(shù)字信號(hào)，它一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個(gè)過程。2.A/D轉(zhuǎn)換器分類①并聯(lián)比較型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間10ns~1s,

但電路復(fù)雜。②逐次逼近型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時(shí)間為幾s~100s,轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡。③雙積分型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間幾百s~幾ms,但抗干擾能力最強(qiáng)。

v/V

4

3

2

1

0

C

B

A

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

t/ms

00000100

00000011

00000010

取樣時(shí)間上離散的信號(hào)保持、量化量值上也離散的信號(hào)編碼模擬信號(hào)時(shí)間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號(hào)時(shí)間上和量值上都離散9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個(gè)過程。9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

1.取樣與保持

采樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模擬量。

采樣信號(hào)S(t)的頻率愈高，所采得信號(hào)經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。合理的采樣頻率由采樣定理確定。

采樣定理：設(shè)采樣信號(hào)S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號(hào)I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs

≥2fimax S(t)=1:開關(guān)閉合S(t)=0:開關(guān)斷開采得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間。取樣與保持過程通過采樣與保持電路同時(shí)完成。電路：AV1AV2=1，A1

的Ri

高，A2

的Ri

高，A2

的Ro低采樣不能放電保持1.取樣與保持（1）電路及工作原理2.量化與編碼數(shù)字信號(hào)在數(shù)值上是離散的。采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化過程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位,用表示。它是數(shù)字信號(hào)最低位為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬量用表示，即1LSB。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個(gè)代碼表示出來。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。9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程量化編碼任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。

兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。量化誤差：保持后量化前的電壓與量化后的電壓差量化方式2.量化與編碼（2）兩種量化方式011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v輸入信號(hào)編碼量化后電壓a只舍不入量化方式:量化中把不足一個(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b四舍五入量化方式:量化過程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v輸入信號(hào)編碼模擬電平最大量化誤差為：最小量化單位：Δ=1LSB=2/15V＝1/15V

9.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)精密參考電壓D觸發(fā)器VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量1、電路組成2、工作原理VI=8VREF/151111000編碼器:輸入低電平有效；I7的優(yōu)先級(jí)最高00111VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15vivOvREF1111000

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI

9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI

11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI

7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI

13VR/15

011111111013VREF/15

vI

VREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vI

VREF/15

0000000000

根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。3、電路特點(diǎn)：在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時(shí)加到所有比較器的輸入端，從I加入到三位數(shù)字量穩(wěn)定輸出所經(jīng)歷的時(shí)間為比較器、D觸發(fā)器和編碼器延遲時(shí)間之和。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與I輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。

缺點(diǎn)是電路復(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。所加砝碼重量

結(jié)果

9.2.3

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似。第一次8克砝碼總重<待測(cè)重量Wx，8克砝碼保留8克第二次再加4克砝碼總重仍<待測(cè)重量Wx，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>待測(cè)重量Wx，2克砝碼撤除12克第四次再加1克砝碼總重＝待測(cè)重量Wx，1克砝碼保留13克1.轉(zhuǎn)換原理所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設(shè)待秤重量Wx

=13克。稱重過程

9.2.3

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器1.轉(zhuǎn)換原理

100…0100…0I

≥5V

1第一個(gè)CP：A=6.84VVREF=10V1.轉(zhuǎn)換原理

010…0110…010I

<7.5V第二個(gè)CP：A=6.84VVREF=10V1.轉(zhuǎn)換原理001…0101…0I

≥6.25V101第三個(gè)CP：A=6.84VVREF=10V10000000A=6.84VVREF=10V101011119.2.3

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器11000000101000001011000010101000101011001010111010101111小結(jié)：1、

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；2、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間與其位數(shù)n和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短；9.2.3

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器9.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

1、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想

對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變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，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓－時(shí)間－數(shù)字式積分器。10>0<09.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器1、電路組成9.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器00000Cr信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零；開關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開S2使電容的初始電壓為0。2、工作原理1）準(zhǔn)備階段：1經(jīng)過2n個(gè)CP000101011100000001010111001000101011111100010101110101001010111000，(2)第一次積分：t=t0時(shí)，開關(guān)S1與A端相接，積分器開始對(duì)I積分。經(jīng)2n個(gè)CP后,開關(guān)切換到B，，=VP。第一積分時(shí)間為2nTCVREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進(jìn)行第二次積分；當(dāng)t=t2時(shí)積分器輸出電壓O≥0，比較器輸出C=0，時(shí)鐘脈沖控制門G被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。110010100(2)第二次積分：T1=2nTC

T2=Tc

T2=t1

t2

在計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)=Qn-1…Q1Q0，就是A/D轉(zhuǎn)換器得到的結(jié)果。9.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)：1.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)RC無關(guān)，從而消除了積分非線性帶來的誤差。2.由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在T1時(shí)間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力。T1=2nTC3.只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。1.轉(zhuǎn)換精度

9.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述的。

分辨率:說明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。通常以輸出二進(jìn)制(或十進(jìn)制)數(shù)的位數(shù)表示。轉(zhuǎn)換誤差：表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。9.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)2.轉(zhuǎn)換時(shí)間

指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換電路的類型有關(guān)并行比較A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高,逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之,間接A/D轉(zhuǎn)換器(如雙積分A/D)的速度最慢。

并行比較A/D轉(zhuǎn)換器(8位）

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

間接A/D轉(zhuǎn)換器10~50s<50ns10ms~1000ms9.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)例10.2.1某信號(hào)采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉(zhuǎn)換集成芯片在1秒鐘內(nèi)對(duì)16個(gè)熱電偶的輸出電壓分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍為0~0.025V(對(duì)應(yīng)于0~450℃溫度范圍)，需要分辨的溫度為0.1℃，試問應(yīng)選擇多少位的A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為多少？解：

由題意可知分辨率為12位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為

故必須選用13位的A/D轉(zhuǎn)換器。

系統(tǒng)的采樣速率為每秒16次，采樣時(shí)間為62.5ms。對(duì)于這樣慢速的采樣任何一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器都可達(dá)到。

10.2.6集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用

1.ADC0804引腳及使用說明

ADC0804是用CMOS集成工藝制成的逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。分辨率8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間100s，輸入電壓范圍為0~5V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為±5V。

以ADC0804介紹集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用。

該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在CPU數(shù)據(jù)總線上，無需附加邏輯接口電路。10.2.6集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用

引腳功能說明：

VIN+、VIN-：ADC0804的兩模擬信號(hào)輸入端，用以接收單極性、雙極性和差動(dòng)輸入信號(hào)。

D7~D0：A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出端，該輸出端具有三態(tài)特性，能與微機(jī)總線相接。

AGND：模擬信號(hào)地。DGND：數(shù)字信號(hào)地。

CLKIN：外電路提供時(shí)鐘脈沖輸入端。CLKR：內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器外接電阻端與CLKIN端配合可由芯片自身產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，其頻率為1/1.1RC。

10.2