数模转换器基本原理及常见结构

1、模数转换器及其应用本次课内容1、ADC的转换原理;2、ADC的主要参数。3、模数典型芯片介绍;ADC的基本应用方法。8.3模数转换器（ADC）ADC作用：将模拟量转换为数字量。主要应用：（低速）数字万用表，电子秤等；（中速）工业控制，实验设备等；（高速） 数字通信、导弹测远等；（超高速）数字音频、 视频信号变换、气象数据分析处理。ADC输入是模拟量，输出是数字量；ADC输出的数字量可视为输入电压（电 流）与基准电压（电流）相比所占的比例。A8IIl hLA L0H A9A9I0IA$ OAS00l AfrAfrII0A O A OXOAZ AZIOOAI AI000A0QN)t(A8-0)YW

2、WO334 +oave。（潇淮）算劉够取理薯紳鞋vif# 尊帀賂忆严吆薯歇刃年屮建聚导零4铲B虽劉八律躲誓0a v曲/rv=fnoa出第血邃沃 F 与甲oav一、采样和采样定理ADC周期性地将输入模拟值转换成与其大 小对应的数字量，该过程称为采样。采样是否会造成丢失某些信息？ 时域采样定理：一个频带有限的信号他）,如果其频谱在区间（-com,（f）n）以外为零，则它 可以唯一的由其在均匀间隔7； （Ts2fm),则采样后的输出信号就能够不失真地恢复出模拟信号。二、采样/保持电路值保持不变。这个过程需有相应电路实现。模拟量到数字量转 换需要一定时间，在此 期间要求采样所得的样-KV I X .V

3、T Is（t）I取样保持电路Tctw,故匕的变 化与匕同步。RFVBo j LF198.K_|JLF198 :I n 3000._|JLF198 :0S(t)o保持吋I川 (e)取样保持信号0取样时间卜Vi (b)输入模拟信号4t、(c)耳”、J/丄诞脉冲/-V D0三、量化和编码模拟信号经S/H得到的取样值仍属模拟范 畴，需经量化(将取样值表示为最小数量单位 的整数倍)处理，才能转换为时间上和数值上 都为离散的数字信号。最小数量单位称量化单位(1 =1LSB)。编码：将量化结果用数字代码表示出来。 常见有自然二进制编码、二进制补码编码。因取样值为输入信号某些时刻的瞬时值， 它们不可能都正好是

4、量化单位的整数倍，即在 量化时不可避免地会引入量化误差（）。量化误差：有限位ADC产生的输出数据的 等效模拟值与实际输入模拟量之间的差值。量化误差的大小与量化方式、量化单位、 ADC编码位数、基准电压大小有关。常用的量化方式：舍入量化和截断量化 两种方式。例如：FSR=1V的3位ADC，其分辨率为 1/8V (ILSB) o分别采用舍入量化和截断量 化两种方式，：in110101100Oil0100010000输出1.5LSB输出111110101100Oil0100010000f2345678 8 8 8 8 8 8fs RLSB/2 (a)舍入量化方式图7.2.3 3位ADC量化特性曲线I

5、2 3 4 5 6 7_ 1 ；8 8 8 8 8 8 8 FSR (b)截断量化方式对应的输入范E对应的输入范E数字值x LSB LSB)2 数字值x LSB(数字值+ 7)x LSB量化值 量化区间中点 量化区间末端输出001H量化点误差为0匕l/16Vi3/16(y)量化点误差为0匕l/8Vi2/8(V)最大误差1/8-1/16; 1/8 -3/16LSB/21/8 -2/8-1LSB 8.3.2 4DC的基本原理1一、并行（闪速）ADC 8.3.2 4DC的基本原理1 8.3.2 4DC的基本原理1（2 一7）个比较器 可有2种 比较结果编 码 电 路并行ADC的原理住O转换启动锁存器

6、D。3位并行比较型ADC的转换丫2 Yo量化值VinlV1111111000ovivvin 2V0111111001IV2VVin 3V00111110102V3VVin 4V0001111oil3V4VVin 5V00001111004V5VVin 6V00000111015V6VVin 7V00000011106V7VVin - 八 - 八 - 二0 八68啣65625j_671871p96875J6 83593R56 7968JSSAR ADC揶落專爭耶$ (Mnb8VJ8wnffi査洋)粧磬显_回H90US三、双积分式（双斜式）ADCX/1、双积分式ADC工作原理K】k2电容积分输出比

7、较器计数器开始地通放电Vo=0采样Vi0向下 反转开始计数 直到溢出编码 Vr02断反向 充电线性下降低电平重新计数Vo k11微分非线性X厂1000输入电压增益误差=b-aDNL=x -1LSB00输入电压增益误差=b-a0100输入电压1110010011100100实际转换曲线：7凰（5）积分非线性4一理想转换曲线Fs理想转换曲线111111-：7）丢码DNL=1LSB11111实际转换曲线11输入电压Fs（8MT噪比（SNR） : ADC输出端信号与 噪声之比，用dB表示。对于正弦波输入信号, 信噪比的理论值满足6dB规则：SNR= (6.02+ 1.76)個式中：n为ADC的位数，即

8、ADC的位数 每增加一位，SNR值增加约6dB。利用ADC实际信噪比，可求其有效位数(ENOB):ENOB =SNR-1.766M2其它参数（总谐波失真、互调失真等）自学。二、ADC的转换时间和转换速率转换时间：从启动ADC转换开始到正确输出数字信号的一段时间间隔。注意：实际应用中，在ADC完成转换后 到数据被读出之前，不允许有新的转换。转换速率=转换时间+数据输出时间与硬件连接、编程方法等着关。转换速率：单位时间（每秒）内ADCt 复转换的次数。三、ADC的接口特性ADC与外部电路连接时的特性，包括:输入特性：电压（电流）范围、输入极性（单、双极性）、模拟信号最高有效频率等。输出特性：编码方

9、式（自然或偏移二进制 码等）、输出方式（串、并行；三态、缓冲、锁 存输出）以及电平类型（TTL、CMOS等）。控制特性：启动转换、转换完成；片选信 号（CS）、数据读（RD）等控制信号端。 8.3.4 典型ADC介绍(ADC0809)单极性05 VNON1:N6N7 II模拟输入IADDA ADDB- ADDCALE例：某ADC的FSR=10V,系统要求分辨 率M=2加匕 试确定其位数。(10000n 3.32 lg+l = 3.32lgk M丿+7 =12.3 丿可选23位姙罟+ = 3.32仪2、根据采集速度确定ADC的转换速度 设系统转换速率为/*;硬件延迟时间孑;4DC转换时间为心“。

10、贝U： Tl/f.3、ADC其它方面的选择需注意事项输出信号的编码方式；与其他逻辑电平 的匹配情况；控制信号是否合乎要求等。另 外，转换时间要与应用系统匹配。使用ADC通常要调整其失调和增益误差。方基准标准转换值实测值8Vxh-8Vyi法：硬件、软件消除。将两组数据代入 方iy=max+b可求出 ma （实际增益）和方 （实际失调）。有了加a、方及实测输出兀，用y=max+b即可得到消除了增益和失调误差标准输出。/三、三、当4DC位数大于CPU数据宽度的接口方 法（通常ADC提供两次读出数据控制）。 8.4.4 ADC的应用电路到共彳也设务量程范围目的：为了O将被采样的模拟信 号变化范围变换为

11、接近 ADC输入模拟信号的满:被采样信号VOmVllmV-单极性ADC采用截断量化，FSR=10V,输出位数72位。量化区间大小：2.44mVPGA取值1100D=%/（分辨率）11/2.444,511XI00/2.44=450.8截断量化后D=4=004HD=45O=1C2H相应无误差 模拟量4 X2.44m V=9.7 6mV450 X2.44mV/100=10.98mV相对误差-11.3%-0.18%如:单极性ADC采样双极性输入电压o匕=5V对应厂、匕=+5V对应1几广几为全八1四、常用数据处理技术J为消除采样数据中干扰，可用硬件方法， 也可用软件对采样数据进行处理，使采样数据 尽可能接近其真实值，以提高精度。ill1、消除系统零点漂移与增益漂移如：通过两组数据求方中、b。2、采样数据的标度变换非电物理量一 电量一 数字量一 有意义数字 量（标度变换：线性、非线性参数变换）。3、采样数据的数字滤波（减少干扰比重）、DAC和ADC在工程应用中需要注意的问题1、驱动问题：通常，在D4C之后或ADC之前需加放 大电路，对接拟信