數(shù)字電子技術(shù) 第六版 課件 8ch3 AD轉(zhuǎn)換器

第8章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器8.3

A/D轉(zhuǎn)換器8.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的一般過(guò)程8.3.2并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器8.3.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器8.3.4A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)8.3.5集成A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例8.3.1A/D轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程一、取樣-保持電路

為了能較好地恢復(fù)原來(lái)的模擬信號(hào)，根據(jù)取樣定理，要求取樣脈沖uS的頻率fs

必須大于等于輸入模擬信號(hào)uI頻譜中最高頻率fI(max)

的2倍，即

fs

≥2fI(max)

當(dāng)取樣脈沖uS

為高電平時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，輸入電壓uI經(jīng)其對(duì)C

迅速充電，使電容C上的電壓uC

跟隨輸入電壓uI

變化，在tW

期間uC

=uI。

當(dāng)取樣脈沖uS

為低電平時(shí)，NMOS管截止，電容C上的電壓uC

在TS

-

tW

期間保持不變，直到下一個(gè)取樣脈沖到來(lái)。這期間，輸出電壓uO

始終跟隨電容C

上的電壓uC

變化。C

要將取樣-保持電路輸出的樣值電壓變換成與其成正比的數(shù)字量，還必須對(duì)樣值電壓進(jìn)行量化，通常用數(shù)字信號(hào)最低位1對(duì)應(yīng)的模擬電壓作為量化單位，用Δ表示。將樣值電壓變?yōu)榱炕瘑挝徽麛?shù)倍的過(guò)程稱(chēng)為量化。

在量化時(shí)，樣值電壓一般不能被Δ

整除，非整數(shù)部分的余數(shù)被舍去，必然會(huì)產(chǎn)生誤差，這個(gè)誤差稱(chēng)為量化誤差。

A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，量化單位越小，則量化誤差也越小。

二、量化與編碼6.3.2并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器0000000000uI電阻構(gòu)成分壓器

當(dāng)0V≤uI＜(1/15)VREF

時(shí)，D2D1D0=000。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器代碼轉(zhuǎn)碼器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF工作原理代碼轉(zhuǎn)換器0000001001uI當(dāng)(1/15)VREF≤

uI＜(3/15)VREF

時(shí)，D2D1D0=001。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器代碼轉(zhuǎn)換器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理代碼轉(zhuǎn)換器0000011010uI當(dāng)(3/15)VREF≤

uI＜(5/15)VREF

時(shí)，D2D1D0=010。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器代碼轉(zhuǎn)換器代碼轉(zhuǎn)換器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器代碼轉(zhuǎn)換器代碼轉(zhuǎn)換器0000111011uI當(dāng)(5/15)VREF≤

uI＜(7/15)VREF

時(shí)，D2D1D0=011。VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF

6.3.2并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理0001111100uI當(dāng)(7/15)VREF≤

uI＜(9/15)VREF

時(shí)，D2D1D0=100。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器代碼轉(zhuǎn)換器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器代碼轉(zhuǎn)換器工作原理00111111uI當(dāng)(9/15)VREF≤

uI＜(11/15)VREF

時(shí)，D2D1D0=101。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD10D00

(LSB)比較器寄存器代碼轉(zhuǎn)換器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理代碼轉(zhuǎn)換器0111111110uI當(dāng)(11/15)VREF≤

uI＜(13/15)VREF

時(shí)，D2D1D0=110。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器代碼轉(zhuǎn)換器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理代碼轉(zhuǎn)換器1111111111uI當(dāng)(13/15)VREF≤

uI＜1VREF

時(shí)，D2D1D0=111。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器代碼轉(zhuǎn)換器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理代碼轉(zhuǎn)換器

當(dāng)輸入電壓uI在0V~VREF間變化時(shí)，寄存器狀態(tài)和輸出數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所示。輸入模擬電壓uI寄存器狀態(tài)代碼輸出Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D2D1D00<uI≤(1/15)VREF0000000000(1/15)VREF<uI≤(3/15)VREF0000001001(3/15)VREF<uI≤(5/15)VREF0000011010(5/15)VREF<uI≤(7/15)VREF0000111011(7/15)VREF<uI≤(9/15)VREF0001111100(9/15)VREF<uI≤(11/15)VREF0011111101(11/15)VREF<uI≤(13/15)VREF0111111110(13/15)VREF<uI≤

VREF1111111111電路點(diǎn)評(píng)：并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是只需比較一次就可獲得輸出的數(shù)字量，所以轉(zhuǎn)換速度非常高。缺點(diǎn)是為了實(shí)現(xiàn)高速度轉(zhuǎn)換時(shí)，需要大量的電壓比較器和觸發(fā)器以及復(fù)雜的代碼轉(zhuǎn)換器（編碼器），這導(dǎo)致電路很復(fù)雜，成本高。因此，并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器多用在要求轉(zhuǎn)換速度高的場(chǎng)合。8.3.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是一種間接型A/D轉(zhuǎn)換器，其基本原理：將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間間隔，在此時(shí)間內(nèi)用計(jì)數(shù)器對(duì)恒定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)的計(jì)數(shù)值正比于輸入的模擬電壓，從而實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。檢零比較器積分器定時(shí)觸發(fā)器G2&時(shí)鐘控制門(mén)QuOuCFFnRD基準(zhǔn)電壓計(jì)數(shù)器RS2usCPRC11J1KDn-1

(MSB)D1D0(LSB)n

位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器RCP…G1&-VREFS1C∞∞uI

一、電路組成8.3.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

基準(zhǔn)電壓VREF必須與輸入模擬電壓uI極性相反，且前者絕對(duì)值大于后者絕對(duì)值。...1.轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備

轉(zhuǎn)換控制信號(hào)uS=0，G2輸出高電平1，使開(kāi)關(guān)S1閉合，電容C放完電荷，計(jì)數(shù)器清零；定時(shí)觸發(fā)器FFn復(fù)位,

Qn=0，使開(kāi)關(guān)S2接輸入模擬電壓uI。8.3.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器二、工作原理-VREF積分器檢零比較器uO<0,uC=1uO>0,uC=0定時(shí)觸發(fā)器2.第一次積分（取樣階段）

在時(shí)間t=0

時(shí)，轉(zhuǎn)換控制信號(hào)uS由0

變?yōu)?/p>

1，G2輸出0，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S2接入模擬電壓uI。uI經(jīng)電阻R對(duì)電容C進(jìn)行充電，積分器開(kāi)始對(duì)uI進(jìn)行積分；積分器的輸出電壓

uO(t)為uO(t)=

-VREF8.3.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器二、工作原理iR積分器

檢零比較器uo<0,uC=1uo>0,uC=0定時(shí)觸發(fā)器+-2.第一次積分（取樣階段）

由于積分器uO<0，過(guò)零比較器輸出uC=1，這時(shí)時(shí)鐘控制門(mén)G1打開(kāi)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)周期為T(mén)C的時(shí)鐘脈沖CP

進(jìn)行計(jì)數(shù)，經(jīng)時(shí)間T1=2nTC后，計(jì)數(shù)器計(jì)滿2n個(gè)CP脈沖，各計(jì)數(shù)觸發(fā)器自動(dòng)返回0狀態(tài)，同時(shí)給定時(shí)觸發(fā)器FFn

送出一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，F(xiàn)Fn

置1，Qn＝1,使開(kāi)關(guān)S2接-VREF。8.3.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器二、工作原理-VREFiR積分器檢零比較器uo<0,uc=1uo>0,uc=0定時(shí)觸發(fā)器積分器檢零比較器+-2.第一次積分（取樣階段）

第一次積分結(jié)束后，對(duì)應(yīng)時(shí)間為t=t1=

T1，這時(shí)積分器輸出電壓uO(t1)為

uO(t1)=﹣

uI=﹣

uI

T1RC2nTCRC8.3.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器二、工作原理-VREFiR定時(shí)觸發(fā)器3.第二次積分（比較階段）

在時(shí)間t=t1(=T1)時(shí)，第一次積分結(jié)束，開(kāi)關(guān)S2接–VREF，電容C開(kāi)始經(jīng)R放電，積分器對(duì)-VREF進(jìn)行反向積分（第二次積分）。8.3.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器二、作原理-VREFiR積分器檢零比較器uO<0,uC=1uO>0,uC=0定時(shí)觸發(fā)器+-3.第二次積分（比較階段）

由于積分器uO<0，檢零比較器輸出uC=1，計(jì)數(shù)器從0開(kāi)始第二次計(jì)數(shù)。當(dāng)積分器輸出電壓uO(t)上升到uO(t)=0時(shí)，由于

uC=0，G1關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。8.3.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器二、工作原理-VREFiR積分器檢零比較器uO<0,uC=1uO>0,uC=0定時(shí)觸發(fā)器+-3.第二次積分（比較階段）

第二次積分的時(shí)間T2=t2–t1。這時(shí)輸出電壓uO(t2)為

uO(t2)=uO(t1)+(-VREF)dt=0∫

-1RCt1t2

得由此可知，第二次積分的時(shí)間間隔T2與輸入模擬電壓uI是成正比的。T2=uI

2nTCVREF8.3.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器二、工作原理-VREFiR定時(shí)觸發(fā)器+-uI3.第二次積分（比較階段）

如在T2時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)為N，由于T2=NTC，則因此，計(jì)數(shù)器計(jì)了N個(gè)CP脈沖后所處的狀態(tài)表示了輸入uI的數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)了模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。計(jì)數(shù)器的位數(shù)就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)。2nVREFN=uI8.3.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器二、工作原理需兩次積分，故轉(zhuǎn)換速度慢，但成本低、精度高、抗干擾能力強(qiáng)，常用于低速場(chǎng)合。-VREFiR定時(shí)觸發(fā)器+-電路點(diǎn)評(píng)：雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器在第一次積分時(shí)間T1內(nèi)，對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行積分時(shí)，存在于輸入信號(hào)中的干擾已被積分器濾除掉，因此雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗干擾能力、工作穩(wěn)定。同時(shí)，在前后兩次積分過(guò)程中，采用了具有相同時(shí)間常數(shù)RC

的同一個(gè)積分器，因此，R、C參數(shù)的變化對(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響可以忽略不計(jì)，所以轉(zhuǎn)換精度高，電路也比較簡(jiǎn)單。它的主要缺點(diǎn)是完成一次轉(zhuǎn)換需要進(jìn)行兩次積分，因此轉(zhuǎn)換速度較低。但由于優(yōu)點(diǎn)十分突出，因此，獲得了廣泛的應(yīng)用。8.3.4A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)

一、分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位（LSB）變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入模擬電壓的變化量。

例如最大輸出電壓為5V的10位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為5V/210=4.88mV分辨率也可用A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表示。位數(shù)越多，能分辨的最小模擬電壓值就越小，分辨能力也越高。指A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量之間的差值。

二