AD转换器原理分析

1、9.2.6 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用9.2 A/D 转换器转换器9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程9.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器9.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标概述概述ADCDnD0输出数字量输出数字量I 输入模拟电压输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1. A/D功能功能:9.2 A/D 转换器转换器2. A/D转换器分类转换器分类 并联比较型并联比较型 特点

2、特点: 转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns 1 s, 但电路复杂。但电路复杂。 逐次逼近型逐次逼近型 特点特点: 转换速度适中转换速度适中,转换时间转换时间 为几为几 s 100 s, 转换精度高，在转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。 双积分型双积分型 特点特点: 转换速度慢转换速度慢,转换时间转换时间 几百几百 s 几几ms,但抗干扰能力最强。但抗干扰能力最强。取取样样时间上离散的信号时间上离散的信号保持、量化保持、量化量值上也离散的信号量值上也离散的信号编码编码模拟信号模拟信号时间上和量值上都连续时间上和量值上

3、都连续数字信号数字信号时间上和量值上都离散时间上和量值上都离散9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 A/D转换器一般要包括转换器一般要包括取样，取样， 保持，量化及编码保持，量化及编码4个过程个过程。1. 取样与保持取样与保持 采样是将随时间连续变化的模采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量拟量转换为在时间离散的模拟量。 采样信号采样信号S(t)的频率愈高，所采的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定率由采样定理确定。 采样定理：设采样信号采样定理：设采样信

4、号S(t)的频的频率为率为fs，输入模拟信号，输入模拟信号 I(t)的最的最高频率分量的频率为高频率分量的频率为fimax，则则 fs 2fimaxS(t)=1:开关闭合开关闭合S(t)=0:开关断开开关断开 O(t) I(t) TG S(t) 0 0 0 O (t) S(t) I (t) t t t TS I t O t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 (b) 波形图 采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求

5、将所采样的模拟信号保持一段时间。拟信号保持一段时间。采样采样保持保持取样与保持取样与保持电路及工作原理电路及工作原理 I A1 A2 S CH 开关驱开关驱 动电路动电路 采样采样保持保持 控制电路控制电路 O 2. 量化与编码量化与编码数字信号在数值上是离散的。采样数字信号在数值上是离散的。采样保持电路的输出电压还需保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。能是某个最小数量单位的整数倍。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个

6、代码表示出来。经编码后得到的代码就是经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。转换器输出的数字量。 量化量化3.编码编码在量化过程中由于所采样电压不一定能被在量化过程中由于所采样电压不一定能被 整除，所以量化前整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用 表示。表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越转换器的位数越 多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。 两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方两种近似量化方式

7、：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。式。 4.量化误差：量化前的电压与量化后的电压差量化误差：量化前的电压与量化后的电压差5.量化方式量化方式LSB1max V8701V86V85V84V83V82V811111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号输入信号编码编码量化后量化后电压电压a ) 只舍不入量化方式只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。对于等于或大于一个量化单位部

8、分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最大量化误差为：最小量化单位最小量化单位1/8V=1LSB= 1/8 V例：将例：将01V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码b )四舍五入量化方式四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最大量化误差为：最小量化单位：最小量化单位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4

9、/15v1=2/15 v输入信号输入信号编码编码模拟模拟电平电平V1513V1511V159V157V155V153V1512LSBmax =1LSB= 2/15 V2LSBmax 1/15V例：将例：将01V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码9.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 R I VREF VREF 13 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 15 VREF 1 15 R R R/2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 1D C1 Q I1 1D

10、 C1 Q I2 1D C1 Q I3 1D C1 Q I4 1D C1 Q I5 1D C1 Q I6 1D C1 Q I7 D0 D1 D2 优优先先编编码码器器 (LSB(M SB)0 电压比较器电压比较器输入模拟输入模拟电压电压精密电阻精密电阻网络网络精密参考精密参考电压电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数输出数字量字量1、电路组成、电路组成 R I VR E F R C P R R R R R R /2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C0 1 C0 2 C0

11、 3 C0 4 C0 5 C0 6 C0 7 1 D C 1 Q I1 1 D C 1 Q I2 1 D C 1 Q I3 1D C 1 Q I4 1D C 1 Q I5 1D C 1 Q I6 1D C 1 Q I7 D0 D1 D2 优优先先编编码码器器 (L S B )D0 (M S B)0 VI=8VREF/151111000001 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF

12、/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状

13、态由与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D D触发器存触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。储，经优先编码器编码，得到数字量输出。 3、电路特点：、电路特点：在并行在并行A/D转换器中，输入电压转换器中，输入电压 I同时加到所有比较器的输同时加到所有比较器的输入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与 I输输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。 缺点是电路复杂，如三位缺点是电路复杂，如三位ADC需需7个比较器、个比较器、7个触发器、个触发器、8个电阻。位数越多，电路越复杂。个电阻。

14、位数越多，电路越复杂。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。行转换的方法。 单片集成并行比较型单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如转换器的产品很多，如AD公司的公司的AD9012 (TTL工艺工艺8位位)、AD9002 (ECL工艺，工艺，8位位)、AD9020 (TTL工艺，工艺，10位位)等。等。 所加砝码所加砝码重量重量 结果结果 9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 。第一次第一次8 克克砝码总重砝码总重 待测

15、重量待测重量Wx ，8克砝码保留克砝码保留8 克克第二次第二次再加再加4克克砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx ， 2克砝码撤除克砝码撤除12 克克第四次第四次再加再加1克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ， 1克砝码保留克砝码保留13 克克1. 转换原理转换原理 所用砝码重量：所用砝码重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克。克。设待秤重量设待秤重量Wx = 13克。克。1. 转换原理转换原理 I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/

16、A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1 0 0 0 1 0 0 0 5V I 5V 1 A=6.84VVREF=10V第一个第一个CP：1. 1. 转换原理转换原理 第二个第二个CP： I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 1 0 0 1 1 0 0 7.5V10 I 7.5V I=6.84VVREF=10V1. 转换原理转换原理 第三个第三个CP： I

17、启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 0 1 0 1 0 1 0 6.25V I 6.25V 101 A=6.84VVREF=10V 7.50000 6.2500 6.8750 6.5625 6.71875 6.796875 6.835937 0.00 5.0000 10 s CP 启启 动动 脉脉 冲冲 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 O V 9 8 7 6 5 4 3

18、 2 1 0 转转 换换 时时 间间 = 80 s t / s 10000000 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 111000000101000001011000010101000101011001010111010101111小结：小结：1、 逐次比较型逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；多转换精度越高；2、逐次比较型、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需转换器完成一次转换所需时间与其位数时间与其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短少，时钟频率越高

19、，转换所需时间越短； 9.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器1、双积分式双积分式A/D转换器的基本指导思想转换器的基本指导思想 对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。双积分式得到相应的数字量输出。双积分式A/D转换器也称转换器也称为电压时间数字式积分器为电压时间数字式积分器 。 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1

20、FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & 数数字字量量输输C A B G G n 级级计计数数器器 定定时时信信号号 (MSB) (LSB) Tc 1、电路组成、电路组成 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & 数数字字量量输输C A B G G n 级级计计数数器器

21、定定时时信信号号 (MSB) (LSB) Tc 0 00 00 00 00 0Cr信号将计数器清零；开关信号将计数器清零；开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，闭合，待积分电容放电完毕后，断开断开S2 使电容的初始电压为使电容的初始电压为0。2、工作原理、工作原理准备阶段：准备阶段： tdt0IO1 经过经过2n个个CP11TVI (2) 第一次积分：第一次积分：t = t0时，开关时，开关S1与与A端相接，积分器开始对端相接，积分器开始对 I积分。积分。经经2n个个CP后后,开关切换到开关切换到B， ，=VP。第一积分时间为第一积分时间为2nTC + + + I S1 S2 R FFn S1

22、VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-D1 D0 & C A B G G n 级计数器级计数器 定定时时信信号号 VREF加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当t=t2时积分器输出电压时积分器输出电压 O0，比较器输出，比较器输出 C=0，时钟脉冲控制，时钟脉冲控制门门G被关闭，计数停止。被关闭，计数停止。(3) (3) 第二次积分：第二次积分： + + + I S1 S2 R FFn S1 VRE

23、F O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-D1 D0 & C A B G G n 级计数器级计数器 定定时时信信号号 S1 Qn 0 0 O 0 C 0 C 0 T1 T2 t1 t2 + I VREF T1 T2 P t t t t t T1=2nTC1112nCPTTVVV OI01tdt 21O2pREF1( )()0tttVVdtnREF2CI2VTTVnC2IREF2 TTVV T2= Tc n2IcREF2TVTVT2=t1 t2 在计数器所计的数在计数器所

24、计的数 =Qn-1Q1Q0， 就是就是A/D转换器得到的结果。转换器得到的结果。9.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器nC2IREF2 TTVV优点：优点：1.由于转换结果与时间常数由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线无关，从而消除了积分非线 性带来的误差。性带来的误差。2.由于双积分由于双积分A/D转换器在转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，时间内采的是输入电压的平均值， 因此具有很强的抗工频干扰的能力。因此具有很强的抗工频干扰的能力。 T1=2nTC3. 只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。n2IcREF2

25、TVTV1.转换精度转换精度 9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 单片集成单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。述的。 分辨率分辨率: 说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制制(或十进制或十进制)数的位数表示。数的位数表示。 转换误差：转换误差： 表示表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。量之间的差别。 2.转换时间转换时间 指指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。到稳定的数字信号所经过的时间。 A/D转换器的转换时间转换器的转换时间与转换电