《AD轉(zhuǎn)換的過程》PPT課件.ppt

1、一、A/D轉(zhuǎn)換的過程,要把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量一般要經(jīng)過四個步驟，分別稱為采樣、保持、量化、編碼。,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,1.采樣,連續(xù)時間信號,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,采樣定理：為了不失真地恢復(fù)原始信號，采樣頻率至少應(yīng)是原始信號最高有效頻率的兩倍，即：,fS2fm,模擬信號的頻譜分布,模擬信號的頻譜是從直流（DC）到其最大值fm而分布 。,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,采樣信號的頻譜分布,原信號的頻率成分在其采樣頻率fS的整數(shù)倍頻率附近出現(xiàn)，以fS的整數(shù)倍頻率為中心，原信號的頻率成分轉(zhuǎn)成左右對稱的重復(fù)特性。,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,為了將抽樣信號恢復(fù)

2、成原來的模擬信號，可使用低通濾波器來實現(xiàn)。,當(dāng)fS2fm時，這時以fS為中心重復(fù)的fS/2以下成分，會在原模擬信號的頻帶內(nèi)產(chǎn)生重疊。,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,A/D轉(zhuǎn)換中的抗混疊濾波器,如果在原信號成分中含有fS/2以上的高頻噪聲，由抽樣產(chǎn)生的高頻噪聲將與重復(fù)的信號成分重疊。這種噪聲無法用低通濾波器濾除。因此模擬信號在抽樣以前，必須確保沒有fS/2以上的高頻噪聲。,采用僅能通過fS/2以下成分的低通濾波器加以濾除，此濾波器常稱抗混疊濾波器,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,2. 保持,在t0t1階段，電路處于采樣階段。,在t1t2階段，電路處于保持階段。,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器

3、的基本原理,保持電路在高速ADC中的重要作用,在一個不使用采樣/保持器的A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，假設(shè)輸入正弦信號為vI=Asin（2f t），其幅值的變化率為：,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為tC，位數(shù)為n時，滿足以下關(guān)系則不會產(chǎn)生錯誤的轉(zhuǎn)換輸出：,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,則信號的最大頻率應(yīng)滿足,例：一個8位ADC的轉(zhuǎn)換速度為1MSPS，求其能轉(zhuǎn)換輸入信號的最大頻率。,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,2.量化和編碼,量化：將采樣保持后的信號幅值轉(zhuǎn)化成某個最小數(shù)量單位（量化間隔）的整數(shù)倍。,（1）確定量化間隔：,例：如有一模擬信號，幅值范圍為01V，要轉(zhuǎn)化為3位二進(jìn)制代碼，則其量化間隔為1

4、LSB=1/8V 。,得到8個量化電平分別為0V、1/8V7/8V。,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,經(jīng)量化后的信號幅值均為的整數(shù)倍，在量化過程中會產(chǎn)生誤差，稱為量化誤差。最大量化誤差=1/8V。,方式一：只舍不入量化方式（截斷量化方式）,如果0VvI1/8V 則量化為0=0V； 1/8VvI2/8V 則量化為1=1/8V； 7/8VvI1V 則量化為7=7/8V。,（2）將連續(xù)的模擬電壓近似成分散的量化電平,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,經(jīng)量化后的信號幅值均為的整數(shù)倍，在量化過程中會產(chǎn)生誤差，稱為量化誤差。最大量化誤差=1/8V。,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,如果 0VvI

5、1/16V 則量化為0=0V； 1/16VvI3/16V 則量化為1=1/8V； 3/16VvI5/16V 則量化為2=2/8V； 13/16VvI15/16V 則量化為7=7/8V。,取兩個離散電平中的相近值作為量化電平。,方式二：四舍五入量化方式（舍入量化方式）,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,在實際的ADC中，大多采用舍入量化方式。,量化誤差隨著ADC的位數(shù)增加而減小。,量化誤差為1/2=1/16V。,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,幾種典型A/D轉(zhuǎn)換器,并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器（閃爍ADC）,逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,型A/D轉(zhuǎn)換器,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,雙積分型A/

6、D轉(zhuǎn)換器,7.3.2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器,4L 5,量化為4,尺子,物體,同時與各個刻度比較,用電阻分壓的辦法,刻度是什么？,是一系列的標(biāo)準(zhǔn)電壓。,如何實現(xiàn)？,7.3.2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器,用電阻分壓形成7個標(biāo)準(zhǔn)電壓。,7.3.2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器,模擬電壓比較器,被量物體？,模擬輸入電壓vI,如何比較？,7.3.2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器,當(dāng)V+大于V-時，VO輸出高電平；當(dāng)V+小于V-時，VO輸出低電平。,如何同時比較？,每個電壓刻度使用一個比較器。,7/16VvI9/16V,5/16VvI7/16V,7.3.2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器,7.3.2 并行

7、比較型A / D轉(zhuǎn)換器,D2=C3,7.3.2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器,7.3.2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器,需要幾個比較器？,2n-1個比較器。,轉(zhuǎn)換一次需要多少時間？,1個時鐘周期（TCP）,并行ADC是一種極高速的ADC，轉(zhuǎn)換時間小于50ns，因此一般不需要保持電路。,并行ADC由于轉(zhuǎn)換速度高，常用于視頻信號和雷達(dá)信號的處理系統(tǒng)。最近幾年出現(xiàn)的軟件無線電技術(shù)，所用的高速ADC的轉(zhuǎn)換速率已達(dá)到數(shù)百至上千MSPS 。,7.3.2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器,半閃爍A/D轉(zhuǎn)換器,第一步是粗化量化。,第二步是細(xì)化量化。,7.3.2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器,TL0820,7.3.2 并行

8、比較型A / D轉(zhuǎn)換器,1.工作原理,逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平稱重的過程,7.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器,1.電路結(jié)構(gòu),由R-2R網(wǎng)絡(luò)型DAC、比較器、SAR三部分組成。,7.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器,2.工作原理,3.5V,1,2,3,4,1000,1100,1010,1011,2.5V,3.75V,3.125V,3.4375V,vIvO,vIvO,vIvO,vI vO,（d3）1保留,（d2）1不保留,（d1）1保留,（d0）1保留,7.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器,4位的逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖,7.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器,例： 逐次逼

9、近型AD 轉(zhuǎn)換器如圖所示。當(dāng)vI1.5V時，問： （1）輸出的二進(jìn)制數(shù)D3D2D1D0？ （2）轉(zhuǎn)換誤差為多少？ （3）如何提高轉(zhuǎn)換精度？,7.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器,解：,1.量化單位為：,轉(zhuǎn)換結(jié)果D=（0100）2,2.轉(zhuǎn)換誤差為：,1.540.3125=1.51.25=0.25,3.減少誤差的方法（1）增加位數(shù)；,（2）在D/A輸出加一個負(fù)向偏移電壓1/2 。,7.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器,7.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器,量化誤差為1LSB,量化誤差為1/2LSB,轉(zhuǎn)換結(jié)果：(0100)2,轉(zhuǎn)換結(jié)果：(0101)2,7.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器,集

10、成逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換ADC0809,特點(diǎn)： 屬CMOS電路 8路模擬輸入，8 bit 輸出(3S門) 與常用P兼容 采用逐次逼近法，轉(zhuǎn)換時間約100s,7.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器,7.3.3 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,7.3.4 雙積分型A / D轉(zhuǎn)換器,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器屬于間接A/D轉(zhuǎn)換器。將數(shù)字量轉(zhuǎn)換 為模擬量分兩步進(jìn)行。,第一步：將電壓轉(zhuǎn)化為時間T，使T與輸入電壓成正比；,第二步：將時間T轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，使數(shù)字量與T成正比 。,1.基本原理,開關(guān)S1合到vI一側(cè),開關(guān)S1接到VREF一側(cè),T1為常數(shù)，T2與vI成正比,vI=VI1,vI=VI2,時段：固定時間積分,到時結(jié)束

11、,時段：固定斜率積分，過零結(jié)束,第一步：將電壓轉(zhuǎn)化為時間T1，使T1與輸入電壓成正比,7.3.4 雙積分型A / D轉(zhuǎn)換器,第二步：將時間T2轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，使數(shù)字量與T2成正比,7.3.4 雙積分型A / D轉(zhuǎn)換器,雙積分型A / D轉(zhuǎn)換器原理圖,7.3.4 雙積分型A / D轉(zhuǎn)換器,特點(diǎn)： 直接輸出7段譯碼信號 7106驅(qū)動LCD；7107驅(qū)動LED 十進(jìn)制3位半A/D轉(zhuǎn)換器 雙積分型電路，內(nèi)含基準(zhǔn)源,集成逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換ICL7106/7107,7.3.4 雙積分型A / D轉(zhuǎn)換器,7.3.4 雙積分型A / D轉(zhuǎn)換器,7.3.5 -型A / D轉(zhuǎn)換器,1過抽樣技術(shù),臨界抽樣：以臨界頻

12、率進(jìn)行抽樣。一般A/D轉(zhuǎn)換器的抽樣頻率都略高于由采樣定理計算出來的臨界頻率。,過抽樣：抽樣頻率遠(yuǎn)高于臨界頻率。,抽樣定理：為了不失真地恢復(fù)原始信號，采樣頻率至少應(yīng)是原始信號最高有效頻率的兩倍。,臨界抽樣頻率：滿足采樣定理的頻率臨界抽樣頻率。,臨界取樣和過采樣對抗混疊濾波器的要求,過采樣技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一：降低抗混疊濾波器的實現(xiàn)難度。,采用過抽樣技術(shù)，則可用截止特性平緩的低通濾波器，容易實現(xiàn)相位線性好的濾波器。,型ADC采用過采樣技術(shù)。,7.3.5 -型A / D轉(zhuǎn)換器,-型ADC的原理框圖,求和器：將輸入信號vI與反饋信號vf求和，產(chǎn)生誤差信號ve= vIvf。,積分器：積分器對誤差信號ve進(jìn)行積

13、分。,電壓比較器：當(dāng)vg0V時，輸出邏輯1；當(dāng)vg0V時，輸出邏輯0。相當(dāng)于1bit的ADC。,1bit的DAC：當(dāng)輸入為邏輯1時，輸出vf為+VREF；當(dāng)輸入為邏輯0時，輸出vf為0V。,7.3.5 -型A / D轉(zhuǎn)換器,-型ADC的工作原理,vf (n)=c(n)VREF,ve (n)= vI (n)-vf (n-1),vg (n)=vg (n-1)+ve (n),7.3.5 -型A / D轉(zhuǎn)換器,由于-型A/D轉(zhuǎn)換器的核心部分是一個典型的負(fù)反饋系統(tǒng)。根據(jù)反饋理論，閉環(huán)內(nèi)含有積分器，穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為無差系統(tǒng)。系統(tǒng)中的誤差電壓ve（n）長時間取平均，其均值應(yīng)當(dāng)?shù)扔?，由此得到,由于采樣速度極高，輸

14、入電壓vI在m個采樣周期內(nèi)可以看成不變的量，因此,7.3.5 -型A / D轉(zhuǎn)換器,因為ve (n)=vI (n)-vf (n-1),所以,如果取m=2N（N足夠大），則上式可以近似為,7.3.5 -型A / D轉(zhuǎn)換器,模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字量在數(shù)值上等于1位ADC輸出的長度為2N的c(n)序列中1的個數(shù)。,計算D的工作由-型A/D轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字抽取濾波器完成。,7.3.5 -型A / D轉(zhuǎn)換器,當(dāng)vI=VREF/2時，串行數(shù)據(jù)流c(n)中含有相等個數(shù)的0和1；,如果vI=3VREF/4，則串行數(shù)據(jù)流c(n)中每隔一個0含有3個1。,7.3.5 -型A / D轉(zhuǎn)換器,低通數(shù)字濾波器：輸出結(jié)果是m個周期的

15、c(n)序列之和。,如何由c(n)序列計算出模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果？,抽?。簭倪^采樣的數(shù)據(jù)中抽取出滿足臨界采樣頻率的數(shù)據(jù)。只需每隔M個周期抽取一個樣值保留下來，其余的數(shù)據(jù)一律丟掉。,7.3.5 -型A / D轉(zhuǎn)換器,抽取濾波器,特點(diǎn)：先抽取后濾波，其結(jié)果不變，求和運(yùn)算速度可降低M倍，實現(xiàn)容易，實際的-A/D轉(zhuǎn)換器就采用這種結(jié)構(gòu)。,7.3.5 -型A / D轉(zhuǎn)換器,如果采樣速率提高M(jìn)倍，其量化噪聲的功率譜密度就降低M倍。由于-型ADC采樣速率遠(yuǎn)高于臨界頻率，其量化噪聲的功率譜密度就大大降低，處于有用信號頻帶內(nèi)的噪聲總功率很小，從而提高了信噪比。,-A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)：,-轉(zhuǎn)換器中的模擬部分非常簡單，而數(shù)字部分要復(fù)雜得多。由于更