遠(yuǎn)見1何驅(qū)動adc原理

ADC的原理本次課重點(diǎn)ADC技術(shù)指標(biāo)退出ADC分析一、A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理1、模數(shù)轉(zhuǎn)換則是將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使

輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換功能的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）2、基本原理：在A/D轉(zhuǎn)換中，因為輸入的模擬信號在時間上是

連續(xù)的，而輸出的數(shù)字信號是離散量，所以進(jìn)行

轉(zhuǎn)換時只能按一定的時間間隔對輸入的模擬信號

進(jìn)行采樣，然后再把采樣值轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量。通常A/D轉(zhuǎn)換需要經(jīng)過采樣、保持量化、編碼四

個步驟。也可將采樣、保持合為一步，量化、編

碼合為一步，共兩大步來完成。(1)采樣和保持：采樣，就是對連續(xù)變化的模擬信號進(jìn)行定時測量，抽取其樣值。采樣結(jié)束后，再將此取樣信號保持

一段時間，使A/D轉(zhuǎn)換器有充分的時間進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采樣－保持電路就是完成該任務(wù)的。其中，

采樣脈沖的頻率越高，采樣越密，采樣值就越多，其采樣－保持電路的輸出信號就越接近于輸入信

號的波形。因此，對采樣頻率就有一定的要求，

必須滿足采樣定理即：fs≥2fImax其中fImax是輸入模擬信號頻譜中的最高頻率（2）量化和編碼如果要把變化范圍在O~7V間的模擬電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼的數(shù)字信號,由于3位二進(jìn)制代碼只有23即8個數(shù)值,因此必須將模擬電壓按變化范圍分成8個等級。每個等級規(guī)定一個基準(zhǔn)值,例如O~0.5V為一個等級,基準(zhǔn)值為OV,二進(jìn)制代碼為000，6.5~7V也是一個等級,基準(zhǔn)值為7V,二進(jìn)制代碼為111,其他各等級分別為該級的中間值為基準(zhǔn)值。凡屬于某一等級范圍內(nèi)的模擬電壓值,都取整用該級的基準(zhǔn)值表示。例如3.3V,它在2.5~3.5V之間,就用該級的基準(zhǔn)值3V來表示,代碼是011。顯然,相鄰兩級間的差值就是△=1V,而各級基準(zhǔn)值是△的整數(shù)倍。模擬信號經(jīng)過以上處理,就轉(zhuǎn)換成以△為單位的數(shù)字量了。上述過程可用上頁圖形表示。所謂量化，就是把采樣電壓轉(zhuǎn)換為以某個最小單位電壓△的整數(shù)倍的過程。分成的等級稱為量化級,A稱為量化單位。所謂編碼,就是用二進(jìn)制代碼來表示量化后的量化電平。采樣后得到的采樣值不可能剛好是某個量化基準(zhǔn)值,總會有一定的誤差,這個誤差稱為量化誤差。顯然,量化級越細(xì),量化誤差就越小,但是,所用的二進(jìn)制代碼的位數(shù)就越多,電路也將越復(fù)雜。量化方法除了上面所述方法外,還有舍尾取整法,這里不再贅述。常見A/D轉(zhuǎn)換器1、并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的電路如圖。它由電阻分壓器、電壓比較器及編碼電路組成，輸出的各位數(shù)碼是一次形成的，它是轉(zhuǎn)換速度最快的一種A/D轉(zhuǎn)換器。圖中由8個大小相等的電阻串聯(lián)構(gòu)成電阻分壓器，產(chǎn)生不同數(shù)值的參考電壓，形成1/8UREF-7/8UREF共7種量化電平7個量化電平分別加在7個電壓比較器的反相輸入端，模擬輸入電壓uI加在比較器的同相輸入端。當(dāng)uI大

于或等于量化電平時，比較器輸出為1，否則輸出為

0，電壓比較器用來完成對采樣電壓的量化。輸入模擬電壓uI比較器輸出編碼器輸出Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0D2D1D00￡

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REF11111111111比較器的輸出送到優(yōu)先編碼器進(jìn)行編碼，得到3位二進(jìn)制代碼D2D1D0。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度主要取決于量化電平的劃分，分得越精細(xì)，精度越高。這種ADC的最大優(yōu)點(diǎn)是具有較快的轉(zhuǎn)換速度，但是，所用的比較器和其他硬件較多，輸出數(shù)字量位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換電路將越復(fù)雜。因此，這種類型的轉(zhuǎn)換器適用于高速度、低精度要求的場合。2、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器（1）逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器由控制電路、數(shù)碼寄存器、

D/A轉(zhuǎn)換器和電壓比較器組成。（2）工作過程首先，控制電路使數(shù)碼寄存器的輸出為100，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓uo,送到電壓比較器于模擬輸入電壓uI進(jìn)行比較，若uI>uo,則通過控制電路將最高位的1保留，反之，則將最高位置0；接著將次高位置1，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓uo，重復(fù)上一步，根據(jù)比較結(jié)果決定次高位是1還是0；最后所有位都比較結(jié)束后，轉(zhuǎn)換完成。這樣數(shù)碼寄存器中保存的數(shù)碼就是A/D轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)碼。3、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器(1)基本原理：先把輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的時間寬度信號，然后在這個時間寬度里對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，時間寬度越寬，計數(shù)時間越長，計數(shù)值就越大，因此計數(shù)值就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。所以，雙積分型

ADC屬于電壓時間變換型A/D轉(zhuǎn)換器。圖是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖，由積分器、比較器、計數(shù)器、鎖存器、基準(zhǔn)電壓源、時鐘信號源和邏輯控制電路等部分組成(2)工作過程：首先，將計數(shù)器清零，電容C放電，積分器的輸出uO1為0。假定輸入電壓uI為正，并持續(xù)一小段時間不變。轉(zhuǎn)換過

程分兩次積分完成第一次積分：控制電路使模擬開關(guān)S接通輸入電壓uI，電容C開始充電，積分器輸出電壓uO1自零向負(fù)方向線性增加，由于uO1為負(fù)，比較器A2輸出uO2為正，計數(shù)器計數(shù)。當(dāng)計數(shù)器計到第2n個時鐘脈沖時，計數(shù)器計滿，復(fù)位到初始的0態(tài)，同時送出一個進(jìn)位脈沖C給控制電路，控制開關(guān)S合向基準(zhǔn)電壓-UREF。此時電容充電到uP。積分器對uI的積分過程結(jié)束，對-UREF的積分過程開始IOREFpO積分器輸入電壓與門輸出信號積分器輸入電壓O第二次積分：S接到-UREF后，電容C被反向充電，積分器的輸出uO1開始反向線性減小。由于uO1為負(fù)，計數(shù)器開始重新從0計數(shù)。當(dāng)uO1減小到0時，比較器A2輸出uO2變?yōu)樨?fù)值，封鎖脈沖CP，計數(shù)結(jié)束，同時通過控制電路送出使能信號EN，將計數(shù)值送到鎖存器鎖存。(3)特點(diǎn)兩次積分的時間常數(shù)相同均為RC，鎖存器中二進(jìn)制數(shù)的大小與uP有關(guān)，而uP的大小又由輸入電壓uI決定，計數(shù)值正比于輸入電壓的大小，從而完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。雙積分型ADC的一個突出優(yōu)點(diǎn)是工作性能穩(wěn)定，因為兩次積分的時間常數(shù)均為RC，所以轉(zhuǎn)換結(jié)果不受R、C和時鐘信號周期的影響。雙積分型ADC的另一個突出優(yōu)點(diǎn)是有較強(qiáng)的抗干擾能力，由于轉(zhuǎn)換器的輸入端使用了積分器，在積分時間常數(shù)等于交流電網(wǎng)頻率的整數(shù)倍時，能有效地抑制工頻干擾。另外雙積分型ADC中不需要使用D/A轉(zhuǎn)換器，電路結(jié)構(gòu)比較簡單三、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1、分辨率2、轉(zhuǎn)換誤差3、轉(zhuǎn)換速度1、分辨率ADC的分辨率是指輸出數(shù)字量變化一個最低有效位所對應(yīng)的輸入模擬電壓的變化量。如ADC輸入模擬電壓范圍為0到10V，輸出為10位二進(jìn)制數(shù)，則分辨率為DU

=

10

V

=

9.77mV2n

2102、轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差通常以相對誤差形式給出，它表示實際輸出的數(shù)字量和理論輸出的數(shù)字量之間的誤差，一般多以最低有效位的倍數(shù)給出。如，轉(zhuǎn)換誤，表明實際輸出的數(shù)