數(shù)模與模數(shù)轉換器2

1

A/D轉換的一般工作過程

2并行比較型A/D轉換器

3逐次比較型A/D轉換器4雙積分式A/D轉換器

5A/D轉換器的主要技術指標

9.2A/D轉換器A/D轉換器概述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換成對應的數(shù)字量。1.A/D功能:

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

特點:轉換速度快,轉換時間10ns~1s,

但電路復雜。②逐次逼近型

特點:轉換速度適中,轉換時間為幾s~100s,轉換精度高，在轉換速度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡。③雙積分型

特點:轉換速度慢,轉換時間幾百s~幾ms,但抗干擾能力最強。

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

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

A/D轉換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個過程。9.2.1A/D轉換的一般工作過程

1.取樣與保持

采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉換為在時間離散的模擬量。

采樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經低通濾波器后愈能真實地復現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。

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

≥2fimax S(t)=1:開關閉合S(t)=0:開關斷開采得模擬信號轉換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。取樣與保持過程通過采樣與保持電路同時完成。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的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個最小數(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)字信號最低位為1時所對應的模擬量用表示，即1LSB。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數(shù)字量。9.2.1A/D轉換的一般工作過程量化編碼任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(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輸入信號編碼量化后電壓a只舍不入量化方式:量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：將0~1V電壓轉換為3位二進制代碼b四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。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轉換器電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網絡精密參考電壓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)的關系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲，經優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。3、電路特點：在并行A/D轉換器中，輸入電壓I同時加到所有比較器的輸入端，從I加入到三位數(shù)字量穩(wěn)定輸出所經歷的時間為比較器、D觸發(fā)器和編碼器延遲時間之和。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數(shù)字量是與I輸入時刻同時獲得的。所以它的轉換時間最短。

缺點是電路復雜，如三位ADC需7個比較器、7個觸發(fā)器、8個電阻。位數(shù)越多，電路越復雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并行轉換的方法。單片集成并行比較型A/D轉換器的產品很多，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

結果

9.2.3

逐次比較型A/D轉換器逐次逼近轉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<待測重量Wx，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>待測重量Wx，2克砝碼撤除12克第四次再加1克砝碼總重＝待測重量Wx，1克砝碼保留13克1.轉換原理所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設待秤重量Wx

=13克。稱重過程

9.2.3

逐次比較型A/D轉換器1.轉換原理

100…0100…0I

≥5V

1第一個CP：A=6.84VVREF=10V1.轉換原理

010…0110…010I

<7.5V第二個CP：A=6.84VVREF=10V1.轉換原理001…0101…0I

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

逐次比較型A/D轉換器11000000101000001011000010101000101011001010111010101111小結：1、

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

逐次比較型A/D轉換器9.2.4雙積分式A/D轉換器

1、雙積分式A/D轉換器的基本指導思想

對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而得到相應的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉換器也稱為電壓－時間－數(shù)字式積分器。10>0<09.2.4雙積分式A/D轉換器1、電路組成9.2.4雙積分式A/D轉換器00000Cr信號將計數(shù)器清零；開關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）準備階段：1經過2n個CP000101011100000001010111001000101011111100010101110101001010111000，(2)第一次積分：t=t0時，開關S1與A端相接，積分器開始對I積分。經2n個CP后,開關切換到B，，=VP。第一積分時間為2nTCVREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進行第二次積分；當t=t2時積分器輸出電壓O≥0，比較器輸出C=0，時鐘脈沖控制門G被關閉，計數(shù)停止。110010100(2)第二次積分：T1=2nTC

T2=Tc

T2=t1

t2

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

9.2.5A/D轉換器的主要技術指標

單片集成A/D轉換器的轉換精度是用分辨率和轉換誤差來描述的。

分辨率:說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。通常以輸出二進制(或十進制)數(shù)的位數(shù)表示。轉換誤差：表示A/D轉換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。9.2.5A/D轉換器的主要技術指標2.轉換時間

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

并行比較A/D轉換器(8位）

逐次比較型A/D轉換器

間接A/D轉換器10~50s<50ns10ms~1000ms9.2.5A/D轉換器的主要技術指標例10.2.1某信號采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉換集成芯片在1秒鐘內對16個熱電偶的輸出電壓分時進行A/D轉換。已知熱電偶輸出電壓范圍為0~0.025V(對應于0~450℃溫度范圍)，需要分辨的溫度為0.1℃，試問應選擇多少位的A/D轉換器，其轉換時間為多少？解：

由題意可知分辨率為12位A/D轉換器的分辨率為

故必須選用13位的A/D轉換器。

系統(tǒng)的采樣速率為每秒16次，采樣時間為62.5ms。對于這樣慢速的采樣任何一個A/D轉換器都可達到。

10.2.6集成A/D轉換器及其應用

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)轉換芯片。分辨率8位，轉換時間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轉換器及其應用。

該芯片內有輸出數(shù)據鎖存器，當與計算機連接時，轉換電路的輸出可以直接連接在CPU數(shù)據總線上，無需附加邏輯接口電路。10.2.6集成A/D轉換器及其應用

引腳功能說明：

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

D7~D0：A/D轉換器數(shù)據輸出端，該輸出端具有三態(tài)特性，能與微機總線相接。

AGND：模擬信號地。DGND：數(shù)字信號地。

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

10.2