AD转换器及其应用

1、AD 转换器及其应用一 A/D 转换器的基本原理定义：能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称 A/D 转换器 或 ADC 。A/D 转换器转化模拟量的四个步骤： 采样、保持、量化、编码 。模拟电子开关 S在采样脉冲 CPS的控制下重复接通、 断开的过程。 S接通时， ui(t)对 C充电，为采样过程； S断开时， C 上的电压保持不变，为保持过程。在 保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组 n 位的二进制数输 出。1 取样定理 将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。取样定理：设取样脉冲 s(t)的频率为 fS，输入模拟信号 x(t) 的最高频率分

2、量的 频率为 fmax，必须满足fs f 2maxy(t)才可以正确的反映输入信号 (从而能不失真地恢复原模拟信号 )。通常取 fs ( 2.5 3) fmax 。由于 A/D 转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段s(t)有效期间，开关管 VT 导通， uI向C 充电， u0 (=uc)跟随 uI 的变化而变化；s(t)无效期间，开关管 VT 截止，u0 (=uc)保持不变，直到下次采样。 (由于集 成运放 A 具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容 C 上所存电荷不易泄放。 ) 2 量化和编码数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位 。 将采样保持电路的输出电压归化为量

3、化单位 的整数倍的过程叫做量化。 用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。一个 n位二进制数只能表示 2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差， 这种误差称为量化误差。量化级分得越多( n 越大)，量化误差越小。划分量化电平的两种方法a)量化误差大；(b)量化误差小3 采样 -保持电路t0时刻 S闭合， CH 被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益 都为 1，因此这一阶段 uo跟随 ui 变化，即 uoui。t1时刻采样阶段结束， S断开， 电路处于保持阶段。 若 A2的输入阻抗为无穷大， S为理想开关， 则 CH没有放电 回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证

4、电路输出端的电压uo 维持不变。二 AD 转换器的几个重要参数1 分辩率 (Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量， 定义为满 刻度与 2n 的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。A/D 转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转 换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为 05V，输出 8 位二进制数可以 分辨的最小模拟电压为 5V2 8 20mV；而输出 12 位二进制数可以分辨的最小 模拟电压为 5V2 12 1.22mV。2 转换速率 (Conversion Rate) 是指完成一次从模拟转换到数字的 AD 转换所需 的时间的

5、倒数。积分型 AD 的转换时间是毫秒级属低速 AD ，逐次比较型 AD 是 微秒级属中速 AD ，全并行 /串并行型 AD 可达到纳秒级。 采样时间则是另外一个 概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率 (Sample Rate) 必须小于或等于转换速率。 因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率 也是可以接受的。常用单位是 ksps和 Msps，表示每秒采样千 /百万次( kilo / Million Samples per Secon)d。3 量化误差 (Quantizing Error) 由于 AD 的有限分辩率而引起的误差，即有限分 辩率 AD 的阶梯状转移特性

6、曲线与无限分辩率 AD(理想 AD )的转移特性曲线 (直线)之间的最大偏差。 通常是 1 个或半个最小数字量的模拟变化量， 表示为 1LSB、1/2LSB。4 偏移误差 (Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值， 可外接电位器 调至最小。5 满刻度误差 (Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值 之差。6 线性度 (Linearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以 上三种误差。其他指标还有： 绝对精度 (Absolute Accuracy) ，相对精度 (Relative Accuracy)， 微分非线性，单调

7、性和无错码，总谐波失真( Total Harmonic Distotortion 缩写 THD)和积分非线性。三 AD 转换器的几种类型1 逐次逼近型 A/D 转换器按照天平称重的思路，逐次比较型 A/D 转换器，就是将输入模拟信号与不同 的参考电压做多次比较， 使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对 应值。1.1 基本工作原理转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最 高位置成 1，使输出数字为 1000。这个数码被 D/A 转换器转换成相应的模拟 电压 uo，送到比较器中与 ui 进行比较。若 ui uo，说明数字过大了，故将最高 位的 1 清除；若 ui

8、uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样 的方式将次高位置成 1，并且经过比较以后确定这个 1 是否应该保留。这样逐位 比较下去，一直到最低位为止。 比较完毕后， 寄存器中的状态就是所要求的数字 量输出。1.2 3 位逐次逼近型 A/D 转换器转换开始前，先使 Q1=Q2=Q3=Q4=0， Q5=1，第一个 CP 到来后， Q1=1， Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是 FFA被置 1，FFB和 FFC被置 0。这时加到 D/A 转换器输 入端的代码为 100，并在 D/A 转换器的输出端得到相应的模拟电压输出 uo。uo 和 ui 在比较器中比较，当若 uiuo 时，比较器输出

9、uc=1；当 uiuo 时， uc=0。第二个 CP 到来后，环形计数器右移一位，变成 Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这 时门 G1 打开，若原来 uc=1，则 FFA 被置 0，若原来 uc=0，则 FFA 的 1 状态保 留。与此同时， Q2 的高电平将 FFB 置 1。第三个 CP 到来后，环形计数器又右移一位，一方面将 FFC 置 1，同时将门 G2打开，并根据比较器的输出决定 FFB的 1状态是否应该保留。第四个 CP 到来后，环形计数器 Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门 G3 打开，根据 比较器的输出决定 FFC的 1 状态是否应该保留。第五个 CP 到来后，环形计

10、数器 Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC 的 状态作为转换结果，通过门 G6、G7、G8 送出。2 双积分型 A/D 转换器1.1 电路组成它由积分器（由集成运放 A 组成）、过零比较器（ C）、时钟脉冲控制门（ G） 和定时器 /计数器（ FF0FFn）等几部分组成。1.2 工作原理（1）准备阶段 首先控制电路使计数器清零， 同时使开关 S2 闭合，待积分电容放电完毕， 再 S2使断开。（2）第一次积分阶段在转换过程开始时 （t=0），开关 S1与 vI 接通，正的输入电压 vI加到积分器的 输入端。积分器从 0V 开始对 vI 积分：vO1 0t vI dt由于

11、vO0V ，比较器输出 vC=0，时钟脉冲控制门 G 被关闭，计数停止。在此阶段 结束时 vO 的表达式可写为1vO(t2) VPt12( VREF )dt 0设 T2=t2 t1，于是有VRETF2 2nTC VI设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为 ，则T2=TC2VnTCVI V R E F可见， T2 与 V I成正比， T2 就是双积分 A/D 转换过程的中间变量。T22n VITC VREF上式表明，在计数器中所计得的数 (=Qn-1Q1Q0)，与在取样时间 T1 内输 入电压的平均值 VI 成正比。只要 VIVREF，转换器就能将输入电压转换为数字量， 并能从计数器读取转换结果

12、。如果取 VREF=2nV ，则 =VI，计数器所计的数在数 值上就等于被测电压。在第二次积分阶段结束后，控制电路又使开关 S2闭合，电容 C 放电，积分器 回零。 待下3 并联比较型 A/D 转换器它由电压比较器、寄存器和代码转换器三部分组成。用电阻链把参考电压 VREF分压，得到从 1 VREF到13 VREF之间 7个比较电平， 15 REF 15 REF量化单位 =2 VREF 。然后，把这 7个比较电平分别接到 7个比较器 C1 C7的输15入端作为比较基准。 同时将将输入的模拟电压同时加到每个比较器的另一个输入 端上，与这 7 个比较基准进行比较。0uiVREF/15 时，7 个比

13、较器输出全为 0，CP到来后， 7 个触发器都置 0。 经编码器编码后输出的二进制代码为 d2d1d0000。VREF/15 ui3VREF/15 时，7 个比较器中只有 C1 输出为 1，CP 到来后，只有 触发器 FF1 置 1，其余触发器仍为 0。经编码器编码后输出的二进制代码为 d2d1d0=001。3VREF/15 ui5VREF/15时，比较器 C1、C2输出为 1，CP 到来后，触发器 FF1、 FF2置 1。经编码器编码后输出的二进制代码为 d2d1d0010。5VREF/15 ui7VREF/15时，比较器 C1、 C2、 C3输出为 1，CP到来后，触 发器 FF1、 FF

14、2、 FF3 置 1。经编码器编码后输出的二进制代码为 d2d1d0=011。依此类推，可以列出 ui 为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数。输入模拟电压vI寄存器状态（代码转换器输入）数字量输出（代码转换器输出）Q7 Q6Q5Q4 Q3Q2 Q1D2D1D01( 0 1 )VREF15000000000013( 15 15)VREF0000001001( 1AD574 AD574 是美国 AD 公司生产的 12 位高速逐次逼近型模数变换器。片内自 备时钟基准源， 变换时间快 （25 s），数字量输出具有三态缓冲器，可直接与微机5 155)VREF0000011010( 5 7 )VR

15、EF15 15) REF00001110117 9 V( )VREF15 1500011111009 11( 195 1115)VREF0011111101( 1115 13 )VREF15 15011111111013( 15 1 )VREF1111111111四 几款常用的 ADC 介绍1 ADC0809ADC0809 8 通道 8位a/d转换器,ADC0809 是带有 8位 A/D 转换器、 8路多 路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。它是逐次逼近式 A/D 转换 器，可以和单片机直接接口。 ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与 译码器、一个 A/D 转

16、换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模 拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器 用于锁存 A/D 转换完的数字量， 当 OE 端为高电平时， 才可以从三态输出锁存器 取走转换完的数据。的总线接 El，又可直接采用双极性模拟 信号输入，有着广泛的应用场合，供电 电源为1 5 V，逻辑电源为 +5 V。同类产品 AD6503 Maxim 的 MAX13 系列和 MAX10 系列的 ADCMaxim 推出了 MAX1300-MAX1303 及 MAX1032-MAX1035 系列 16 位/14 位 ADC 。该系列器件是首款具有 12V 输入

17、范围的 ADC 。用户可以通过软件将 设备的每个输入信道远程配置为特定的电压范围。 每个输入信道可配置为七种不 同的单端输入范围或三种不同的差分输入范围。 该系列的 AD 转换器均采用标准 I2C 通信。4 TLC5510TLC5510 是美国公司生产的新型模数转换器件 (ADC) ，它是一种采用 CMOS 工艺制造的位高阻抗并行 A/D 芯片，能提供的最小采样率为 20MSPS。 由于 TLC5510 采用了半闪速结构及 CMOS 工艺，因而大大减少了器件中比较器 的数量，而且在高速转换的同时能够保持较低的功耗。在推荐工作条件下， TLC5510 的功耗仅为 130。由于 TLC5510 不仅具 有高速的 A/D 转换功能，而且还带有内部采样保持电路，从而大大简化了外围 电路的设计；同时，由于其内部带有了