模数转换器ppt

1、一、一、A/D转换的过程转换的过程 要把模拟量转化为数字量一般要经过四个步骤，分别要把模拟量转化为数字量一般要经过四个步骤，分别称为称为采样、保持、量化、编码采样、保持、量化、编码。7.3.1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理http:/ t )t0vI (t)连续时间信号连续时间信号7.3.1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理 采样定理：为了不失真地恢复原始信号，采样频率采样定理：为了不失真地恢复原始信号，采样频率至少应是原始信号最高有效频率的两倍，即：至少应是原始信号最高有效频率的两倍，即：fS2fm 模拟信号的频谱分布模拟信

2、号的频谱分布 模拟信号的频谱是从直流（模拟信号的频谱是从直流（DC）到其最大值）到其最大值fm而分布而分布 。7.3.1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理采样信号的频谱分布采样信号的频谱分布 原信号的频率成分在其采样频率原信号的频率成分在其采样频率fS的整数倍频率附的整数倍频率附近出现，以近出现，以fS的整数倍频率为中心，原信号的频率成分的整数倍频率为中心，原信号的频率成分转成左右对称的重复特性。转成左右对称的重复特性。 7.3.1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理 为了将抽样信号恢复成原来的模拟信号，可使用低通为了将抽样信号恢复

3、成原来的模拟信号，可使用低通滤波器来实现。滤波器来实现。 当当fS2fm时，这时以时，这时以fS为中心重复的为中心重复的fS/2以下成分，会以下成分，会在原模拟信号的频带内产生重叠在原模拟信号的频带内产生重叠。 7.3.1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理A/D转换中的转换中的抗混叠滤波器抗混叠滤波器* 如果在原信号成分中含有如果在原信号成分中含有fS/2以上的高频噪声，由抽样以上的高频噪声，由抽样产生的高频噪声将与重复的信号成分重叠。产生的高频噪声将与重复的信号成分重叠。 这种噪声无法用低通滤波器滤除。这种噪声无法用低通滤波器滤除。 因此模拟信号在抽样以前，必

4、须确保没有因此模拟信号在抽样以前，必须确保没有fS/2以上的高以上的高频噪声频噪声。 采用仅能通过采用仅能通过fS/2以下成分的低通滤波器加以滤除，以下成分的低通滤波器加以滤除，此滤波器常称此滤波器常称抗混叠滤波器抗混叠滤波器 7.3.1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理2. 保持保持在在t0t1阶段，电路处于采样阶段。阶段，电路处于采样阶段。在在t1t2阶段，电路处于保持阶段。阶段，电路处于保持阶段。7.3.1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理保持电路保持电路在高速在高速ADC中的重要作用中的重要作用 在一个不使用采样在一个不使

5、用采样/保持器的保持器的A/D转换系统中，假设输入转换系统中，假设输入正弦信号为正弦信号为vI=Asin（2f t），其幅值的变化率为：），其幅值的变化率为：fAtv2ddmaxI 当当A/D转换器的转换时间为转换器的转换时间为tC，位数为，位数为n时，满足以下关时，满足以下关系则不会产生错误的转换输出：系则不会产生错误的转换输出：nCAfAt222127.3.1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理则信号的最大频率应满足则信号的最大频率应满足 Cntf1max21例：例： 一个一个8位位ADC的转换速度为的转换速度为1MSPS，求其能转换输入，求其能转换输入信号的

6、最大频率。信号的最大频率。Hz622102169maxf7.3.1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理2.量化量化和和编码编码量化：量化：将采样将采样保持后的信号幅值转化成某个最小数量单保持后的信号幅值转化成某个最小数量单位（量化间隔）的整数倍。位（量化间隔）的整数倍。（1）确定量化间隔：）确定量化间隔： nV2LSB1FSV分割数模拟输入电压范围例：如有一模拟信号，幅值范围为例：如有一模拟信号，幅值范围为01V，要转化为，要转化为3位二位二进制代码，则其量化间隔为进制代码，则其量化间隔为1LSB=1/8V 。得到得到8个量化电平分别为个量化电平分别为0V、1/8

7、V7/8V。 7.3.1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理 经量化后的信号幅值均为的整数倍，在量化过程中会经量化后的信号幅值均为的整数倍，在量化过程中会产生误差，称为产生误差，称为量化误差量化误差。最大量化误差。最大量化误差 =1/8V。方式一：只舍不入量化方式（截断量化方式）方式一：只舍不入量化方式（截断量化方式）如果如果0VvI1/8V 则量化为则量化为0 =0V； 1/8VvI2/8V 则量化为则量化为1 =1/8V； 7/8VvI1V 则量化为则量化为7 =7/8V。（2）将连续的模拟电压近似成分散的量化电平）将连续的模拟电压近似成分散的量化电平7.3.

8、1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理 经量化后的信号幅值均为的整数倍，在量化过程中会经量化后的信号幅值均为的整数倍，在量化过程中会产生误差，称为产生误差，称为量化误差量化误差。最大量化误差。最大量化误差 =1/8V。7.3.1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理如果如果 0VvI1/16V 则量化为则量化为0 =0V； 1/16VvI3/16V 则量化为则量化为1 =1/8V； 3/16VvI5/16V 则量化为则量化为2 =2/8V； 13/16VvI15/16V 则量化为则量化为7 =7/8V。取两个离散电平中的相近值作为量化电

9、平。取两个离散电平中的相近值作为量化电平。方式二：四舍五入量化方式（舍入量化方式）方式二：四舍五入量化方式（舍入量化方式） 7.3.1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理在实际的在实际的ADC中，大多采用舍入量化方式。中，大多采用舍入量化方式。量化误差随着量化误差随着ADC的位数增加而减小。的位数增加而减小。量化误差为量化误差为1/2 =1/16V7.3.1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理量化噪声与信噪比量化噪声与信噪比* *量化误差和量化误差的概率分布量化误差和量化误差的概率分布 1213)(22/2/32/2/2qqxdxxp

10、xNqqqqq7.3.1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理 假设输入为满量程正弦信号，正弦波的最大值约为假设输入为满量程正弦信号，正弦波的最大值约为2nq/22nq/2，则其信号功率，则其信号功率S S为为 8)2(2sin221220qdtTtqTSnTn量化噪声的信噪比为：量化噪声的信噪比为： dBnNqSSNR76. 102. 6lg10 量化器的位数每增加量化器的位数每增加1位，信噪比可升高约位，信噪比可升高约6dB。例如在。例如在8位时，由量化误差决定的信噪比约为位时，由量化误差决定的信噪比约为49.9dB。7.3.1 A / D7.3.1 A / D

11、转换器的基本原理转换器的基本原理几种典型几种典型A/D转换器转换器 并行比较型并行比较型A/D转换器（闪烁转换器（闪烁ADC） 基于基于DAC的的A/D转换器转换器(计数型、逐次逼近型）计数型、逐次逼近型）双积分型双积分型A/D转换器转换器型型A/D转换器转换器7.3.1 A / D7.3.1 A / D转换器的基本原理转换器的基本原理1.电路结构电路结构由由R-2R网络型网络型DAC、比较器比较器、计数器计数器三部分组成。三部分组成。7.3.2 7.3.2 计数型计数型A / DA / D转换器转换器2.工作原理工作原理RD=1，使计数器清零。，使计数器清零。 X=1，转换开始，计数器从，转

12、换开始，计数器从0000开始计数，电路中的开始计数，电路中的DAC产生一个递增的阶梯电压，当产生一个递增的阶梯电压，当阶梯电压大于输入电压阶梯电压大于输入电压vI时，计数器停止计数，计数值即为时，计数器停止计数，计数值即为A/D转换值。转换值。 最大转换时间为最大转换时间为2n-1个时钟周期。个时钟周期。7.3.2 7.3.2 计数型计数型A / DA / D转换器转换器1.电路结构电路结构由由R-2R网络型网络型DAC、比较器比较器、计数器计数器三部分组成。三部分组成。7.3.2 7.3.2 计数型计数型A / DA / D转换器转换器1.工作原理工作原理逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平

13、称重的过程 7.3.2 7.3.2 逐次逼近型逐次逼近型A / DA / D转换器转换器1.电路结构电路结构由由R-2R网络型网络型DAC、比较器比较器、SAR三部分组成。三部分组成。7.3.2 7.3.2 逐次逼近型逐次逼近型A / DA / D转换器转换器2.工作原理工作原理3.5V CPd3d2d1d0vO比较结果比较结果处处 理理123410001100101010112.5V3.75V3.125V3.4375VvIvOvIvOvIvOvI vO（d3）1保留（d2）1不保留（d1）1保留（d0）1保留10117.3.2 7.3.2 逐次逼近型逐次逼近型A / DA / D转换器转换器

14、4位的逐次逼近位的逐次逼近A/D转换器的原理图转换器的原理图 7.3.2 7.3.2 逐次逼近型逐次逼近型A / DA / D转换器转换器例：例： 逐次逼近型逐次逼近型AD 转换器。当转换器。当vI1.5V时，问：时，问： （1）输出的二进制数）输出的二进制数D3D2D1D0？（2）转换误差为多少？）转换误差为多少？（3）如何提高转换精度？）如何提高转换精度？ 7.3.2 7.3.2 逐次逼近型逐次逼近型A / DA / D转换器转换器解：解：1.量化单位量化单位 为：为：V3125. 016V58 . 43125. 05 . 1D转换结果转换结果D=（0100）22.转换误差为：转换误差为：

15、1.540.3125=1.51.25=0.253.减少误差的方法减少误差的方法（1）增加位数；增加位数；（2）在）在D/A输出加一个负向偏移电压输出加一个负向偏移电压1/2 。7.3.2 7.3.2 逐次逼近型逐次逼近型A / DA / D转换器转换器7.3.2 7.3.2 逐次逼近型逐次逼近型A / DA / D转换器转换器量化误差为量化误差为1LSB量化误差为量化误差为1/2LSB转换结果：转换结果：(0100)2转换结果：转换结果：(0101)2CPSARvO / VvO/V比较结果处 理110002.52.34375vIvOD3不保留201001.251.09375vIvOD2保留30

16、1101.8751.71875vIvOD1不保留401011.56251.40625vIvOD0保留CPSARvO /V比较结果处 理110002.5vIvOD3不保留201001. 25vIvOD2保留301101.875vIvOD1不保留401011.5625vIvOD0不保留7.3.2 7.3.2 逐次逼近型逐次逼近型A / DA / D转换器转换器集成逐次逼近型集成逐次逼近型A/D转换转换ADC0809特点：特点：属属CMOS电路电路8路模拟输入，路模拟输入，8 bit 输出输出(3S门门)与常用微处理器兼容与常用微处理器兼容采用逐次逼近法，转换时间约采用逐次逼近法，转换时间约100s

17、 7.3.2 7.3.2 逐次逼近型逐次逼近型A / DA / D转换器转换器ADC08097.3.2 7.3.2 逐次逼近型逐次逼近型A / DA / D转换器转换器7.3.3 7.3.3 并行比较型并行比较型A / DA / D转换器转换器123456785L 4量化为量化为4尺子尺子物体物体同时与各个刻度比较同时与各个刻度比较用电阻分压的办法用电阻分压的办法刻度是什么？是一系列的标准电压是一系列的标准电压如何实现？7.3.3 7.3.3 并行比较型并行比较型A / DA / D转换器转换器用电阻分压形成7个标准电压。7.3.3 7.3.3 并行比较型并行比较型A / DA / D转换器转

18、换器模拟信号比较器模拟信号比较器被量物体？模拟输入电压模拟输入电压vI如何比较？ 当当V+大于大于V-时，时，VO输输出高电平；当出高电平；当V+小于小于V-时，时，VO输出低电平输出低电平7.3.3 7.3.3 并行比较型并行比较型A / DA / D转换器转换器如何同时比较？每个电压刻度使用一个比较器每个电压刻度使用一个比较器。7/16VvI9/16V5/16VvI7/16V7.3.3 7.3.3 并行比较型并行比较型A / DA / D转换器转换器输入模拟电压输入模拟电压比较器输出比较器输出数字量输出数字量输出vI / VC1C2C3C4C5C6C7D2D1D00vI1/16000000

19、00001/16vI3/1610000000013/16vI5/1611000000105/16vI7/1611100000117/16vI9/1611110001009/16vI11/16111110010111/16vI13/16111111011013/16vI111111111117.3.3 7.3.3 并行比较型并行比较型A / DA / D转换器转换器7.3.3 7.3.3 并行比较型并行比较型A / DA / D转换器转换器需要几个比较器？2n-1个比较器个比较器。转换一次需要多少时间？1个时钟周期（个时钟周期（TCP） 并行并行ADC是一种极高速的是一种极高速的ADC，转换时间

20、小于，转换时间小于50ns，因此一般不需要保持电路。因此一般不需要保持电路。 并行并行ADC由于转换速度高，常用于视频信号和雷达信号由于转换速度高，常用于视频信号和雷达信号的处理系统。最近几年出现的软件无线电技术，所用的高速的处理系统。最近几年出现的软件无线电技术，所用的高速ADC的转换速率已达到数百至上千的转换速率已达到数百至上千MSPS 7.3.3 7.3.3 并行比较型并行比较型A / DA / D转换器转换器半闪烁半闪烁A/D转换器转换器第一步是粗化量化。第一步是粗化量化。 第二步是细化量化第二步是细化量化 7.3.3 7.3.3 并行比较型并行比较型A / DA / D转换器转换器7

21、.3.4 7.3.4 双积分型双积分型A / DA / D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器属于间接转换器属于间接A/D转换器。将数字量转换转换器。将数字量转换为模拟量分两步进行。为模拟量分两步进行。 第一步：将电压转化为时间第一步：将电压转化为时间T，使，使T与输入电压成正比；与输入电压成正比； 第二步：将时间第二步：将时间T转化为数字量，使数字量与转化为数字量，使数字量与T成正比成正比 。1.基本原理基本原理S1vORC+ +-VREFvI- -A开关S1合到vI一侧 I10I1)(1vRCTdtRvCvTO开关S1接到VREF一侧 012REFI10REFI12RCTVvRCTd

22、tRVCvRCTvTOIREF12vVTT T1为常数，T2与vI成正比0vOtT1T2vI=VI1vI=VI2T2时段时段：固定时间积分：固定时间积分,到时结束到时结束时段时段：固定斜率积：固定斜率积分，过零结束分，过零结束第一步：将电压转化为时间第一步：将电压转化为时间T1，使，使T1与输入电压成正比与输入电压成正比 7.3.4 7.3.4 双积分型双积分型A / DA / D转换器转换器REFIC1C2VvTTTTD第二步：将时间第二步：将时间T2转化为数字量，使数字量与转化为数字量，使数字量与T2成正比成正比 &计数器计数器CPT2数字量数字量7.3.4 7.3.4 双积分型双

23、积分型A / DA / D转换器转换器双积分型双积分型A / D转换器原理图转换器原理图S2CP1TC11TC11TC11TC1RRRRd0d2d n-11111&vCn位异步计数器FFC+S1vORC-VREF+vI电压比较器G1G27.3.4 7.3.4 双积分型双积分型A / DA / D转换器转换器特点：特点：直接输出直接输出7段译码信号段译码信号7106驱动驱动LCD；7107驱动驱动LED十进制十进制3位半位半A/D转换器转换器双积分型电路，内含基准源双积分型电路，内含基准源 集成逐次比较型集成逐次比较型A/D转换转换ICL7106/7107 7.3.4 7.3.4 双积分

24、型双积分型A / DA / D转换器转换器ICL7107ICL7107构成直流电压表构成直流电压表7.3.4 7.3.4 双积分型双积分型A / DA / D转换器转换器7.3.5 -7.3.5 -型型A/DA/D转换器转换器1 1过抽样技术过抽样技术临界抽样临界抽样以临界频率进行抽样。一般以临界频率进行抽样。一般A/DA/D转换器的抽转换器的抽样频率都略高于由采样定理计算出来的临界频率。样频率都略高于由采样定理计算出来的临界频率。过抽样过抽样抽样频率远高于临界频率。抽样频率远高于临界频率。 抽样定理：为了不失真地恢复原始信号，采样频率至少抽样定理：为了不失真地恢复原始信号，采样频率至少应是原

25、始信号最高有效频率的两倍。应是原始信号最高有效频率的两倍。临界抽样频率：满足采样定理的频率临界抽样频率。临界抽样频率：满足采样定理的频率临界抽样频率。临界取样和过采样对抗混叠滤波器的要求临界取样和过采样对抗混叠滤波器的要求 过采样技术的优点之一：降低抗混叠滤波器的实现难度。过采样技术的优点之一：降低抗混叠滤波器的实现难度。 采用过抽样技术，则可用截止特性平缓的低通滤波采用过抽样技术，则可用截止特性平缓的低通滤波器，容易实现相位线性好的滤波器。器，容易实现相位线性好的滤波器。 型型ADC采用过采样技术。采用过采样技术。 7.3.5 -7.3.5 -型型A/DA/D转换器转换器-型型ADC的原理框

26、图的原理框图 求和器：将输入信号求和器：将输入信号vI与反馈信号与反馈信号vf求和，产生误差信号求和，产生误差信号ve= vIvf。积分器：积分器对误差信号积分器：积分器对误差信号ve进行积分。进行积分。 电压比较器：当电压比较器：当vg0V时，输出逻辑时，输出逻辑1；当；当vg0V时，时，输出逻辑输出逻辑0。相当于。相当于1bit的的ADC。 1bit的的DAC：当输入为逻辑：当输入为逻辑1时，输出时，输出vf为为+VREF；当输；当输入为逻辑入为逻辑0时，输出时，输出vf为为0V0V。7.3.5 -7.3.5 -型型A/DA/D转换器转换器-型型ADC的的工作原理工作原理 vf (n)=c

27、(n)VREF ve (n)= vI (n)-vf (n-1) vg (n)=vg (n-1)+ve (n) 7.3.5 -7.3.5 -型型A/DA/D转换器转换器 由于由于-型型A/D转换器的核心部分是一个典型的负反馈系统。根转换器的核心部分是一个典型的负反馈系统。根据反馈理论，闭环内含有积分器，稳态时应为无差系统。系统中据反馈理论，闭环内含有积分器，稳态时应为无差系统。系统中的误差电压的误差电压ve（n）长时间取平均，其均值应当等于）长时间取平均，其均值应当等于0，由此得到，由此得到0)(1lim10mnemnvm由于采样速度极高，输入电压由于采样速度极高，输入电压vI在在m个采样周期内

28、可以看成不变个采样周期内可以看成不变的量，因此的量，因此I10II)(1limvmmvnvmmnm7.3.5 -7.3.5 -型型A/DA/D转换器转换器因为因为ve (n)=vI (n)-vf (n-1) 0)(1lim)1()(1lim1lim10fIf10I10emnmmnmmnmnvmvnvnvmnvm）（1010REFfI)(1lim)(1limmnmnmmncmVnvmv所以所以如果取m=2N（N足够大），则上式可以近似为NnNVDncVvN2)(2REF120REFI120)(NnncD7.3.5 -7.3.5 -型型A/DA/D转换器转换器ivD 模数转换数字量在数值上等于模数

29、转换数字量在数值上等于1位位ADC输出的长度为输出的长度为2N的的c(n)序列中序列中1的个数。的个数。 120)(NnncD计算计算D的工作由的工作由-型型A/D转换器中的数字抽取滤波器完成。转换器中的数字抽取滤波器完成。7.3.5 -7.3.5 -型型A/DA/D转换器转换器当vI=VREF/2时，串行数据流c(n)中含有相等个数的0和1；如果vI=3VREF/4，则串行数据流c(n)中每隔一个0含有3个1。 7.3.5 -7.3.5 -型型A/DA/D转换器转换器 低通数字滤波器：输低通数字滤波器：输出结果是出结果是m个周期的个周期的c(n)序序列之和。列之和。如何由如何由c(n)序列计

30、算出模数转换结果？序列计算出模数转换结果？ 抽取：从过采样的数据抽取：从过采样的数据中抽取出满足临界采样频率中抽取出满足临界采样频率的数据。只需每隔的数据。只需每隔M个周期个周期抽取一个样值保留下来，其抽取一个样值保留下来，其余的数据一律丢掉。余的数据一律丢掉。7.3.5 -7.3.5 -型型A/DA/D转换器转换器抽取滤波器抽取滤波器特点：先抽取后滤波，其结果不变，求和运算速度可降低特点：先抽取后滤波，其结果不变，求和运算速度可降低M倍，实现容易，实际的倍，实现容易，实际的-A/DA/D转换器转换器就采用这种结构就采用这种结构。7.3.5 -7.3.5 -型型A/DA/D转换器转换器 如果采样速率提高如果采样速率提高M倍，其量化噪声的功率谱密度就降倍，其量化噪声的功率谱密度就降低低M倍。由于倍。由于-型型ADC采样速率远高于临界频率，采样速率远高于临界频率，其量化其量化噪声的功率谱密度就大大降低，处于有用信号频带内的噪声噪声的功率谱密度就大大降低，处于有用信号频带内的噪声总功率很小，从而提高了信噪比。总功率很小，从而提高了信噪比。-A/D转换器的优点：转换器的优点：- -转换器中的