另外一个老师的课件4篇2章2adc

1、4.2.2 模/数转换器（A/D）(AnalogtoDigitalConverter)连续变化的模拟量（信号）如何变换成数字量（数字信号）输出呢？一、A/D转换的基本原理A/D转换的基本思路：对连续变化的模拟量在一系列取定的时间瞬间进行取样，然后把该取样值用二进制数表示出来。由于将采样后的值再用二进制数表示出来需要一定的时间，因此， 采样后的模拟量还需要经保持、量化和编码等过程。1.采样定理和采样/保持电路右边的电路就是在一系列选定的时间瞬间对输入模拟信号进行采样的电路。图中S是理想的模拟开关，CH是保持电容，开关S由采样脉冲信号vs。当vs高电，开关S闭合，vI(t)对保持电容CH充电（采样

2、）；当vs低电，电容器上采样的电压保持。进而可画出采样后v (t)的I波形。采样器保持波形图为了能使采样后的信号不失真地再现采样前的原输入信号，由此，对采样的信号频率 f S 就有一定的要求。由采样定理得：³ 2 fi maxfS式中 fi max为输入模拟信号vI (t)频谱中的最高频率成分。在实际的A/D转换中，存在一定的误差下，采样脉冲频率fS常按下式选取：f S= (2.5 3) fi图示电路是一个实际的采样保持电路，由两级运算放大器和电子开关组成，两只运放都接成电压跟随器形式。电路可以做到快速取样，A1运放输入为高阻，输出为低阻，对输入vI(t) 起作用。对保持电容CH实现

3、快速充电，时间常数远小于TC（采样时间）。A2 跟随器输入电阻很高，使得当S断开后，保持电容CH的保持性能好。保持电容，要求选用高质量的电容器，漏电很小。（如聚苯乙希电容等）2.量化和编码将取样后的值用一个最小的整数倍来表示。由于一个值不一定正好能分割成最小的整数倍，因此，必须对取样值进行取整归并，这种取整归并的方法和过程称量化（数值量化或数值分层）。取整归并（即量化） 的方法有两种：舍尾取整法：舍去不足一个量化单位的尾部，取其整数。当S表示为量化即有：时，(K -1)S £ v < KS= (K -1)S取量化值v*II= 3.8V时量化值v* = 3V ;如当S=1V时，v

4、舍尾取整量化特性IIv = 5.1V时量化值v* = 5V.II可见，这种量化方法的最大量化误差为：e= v (t) - v*(t) = ±1SmaxII的计算：S = Vim量化2nn是ADC的位数Vim采保后的最大值电压舍尾取整转移特性舍尾取整量化误差四舍五入量化法：大于S/2量化的尾部归整，舍去小于S/2量化的尾部。如当S=1V时，v = 3.6V时量化值v*= 4V ;= 5V.IIv = 5.4V时量化值v*四舍五入量化转移特性II可见，这种量化方法时的最大量化误差为：1e=-v (t) = ±S*v (t)maxII2量化的计算：Vim2VimS =- 122n

5、 +1- 12n四舍五入量化误差并行比较型ADC速度最快；反馈计数式ADC速度慢； 逐次逼近型ADC速度快；A / D转换种类式ADC速度较慢，精度高，性好；双V/F式ADC调制式ADC，用在航天；直接A/D 转换器二、逐次逼近型A/D转换器三位的逐次逼近型A/D转换器电路有：模拟比较器C，三位D/A转换器，三位逐次逼近寄存器，五位节拍脉冲发生器， 输出与门电路等。S/H是采样保持器电路中设置偏移S/2量化单位是为减小量化误差之用。转换原理：开始转换前，Q2Q1Q0=000（清零）节拍脉冲发生器置成QAQBQCQDQE=00001，则输出为d2d1d0=000，D/A输出为0，加入输v >

6、; v'= 1（高电平）vV入模拟电压4.65后，因为IFC第一个CPQAQBQCQDQE=10000 Q2Q1Q0=100 d2d1d0=000 Q2Q1Q0=100经D/A后，= 4S - 1 S = 3.5V得：vF2所以，vC= 1设S=1VQ2Q1Q0=100不够大，Q2=1保留；第二个CPQAQBQCQDQE=01000 Q2Q1Q0=110 d2d1d0=000Q2Q1Q0=110经D/A后，得：1vF= 4S + 2S - 2 S = 5.5V所以，vC = 0说明数据110太大，Q1=1应舍去；第三个CPQAQBQCQDQE =00100 Q2Q1Q0=101 d2d

7、1d0=000 Q2Q1Q0=101经D/A后，= 5S - 1 S = 4.5V2得：vF= 1所以，vC第四个CPQAQBQCQDQE=00010 Q2Q1Q0=101 d2d1d0=000Q2Q1Q0=101，即Q0=1仍保留。第五个CPQAQBQCQDQE=00001， Q2Q1Q0=101状态保持不变，由于QE=1，输出与门被选通，所以输出数字量为：d2d1d0=1013位A/D转换器的整个工作过程CP脉冲顺序寄存器状态Q2Q1Q0vF = vo - S / 2S=1Vv' 与v 关系IFvCQ端状态留舍11004S - S / 2 = 3.5Sv' > vIF

8、1Q2=1留21106S - S / 2 = 5.5Sv' < vIF0Q1=1舍31015S - S / 2 = 4.5Sv' > vIF1Q0=1留41014.5Sv' > vIF1Q2Q1Q0=10151014.5Sv' > vIF1读出d2d1d0=101三位逐次逼近型A/D转换器的电压逼近波形图逐次逼近型A/D转换器的特点：转换速度较快，对n位A/D转换器，转换一次的时间为：T=（n+2）TCP；可以直接与8位微机连接转换精度，主要决定于其中的D/A转换器的位数、线性度、电子开关压降、参考电压稳定度，以及模拟电压比较器的灵敏度等

9、。由于集成电路制造工艺的不断完善，A/D转换器的精度已可达±0.005%。式A/D转换器三、双这是一种间接A/D转换器。它首先把输入的模拟信号转换成中间变量时间T，然后再将时间T转换成数字量输出。A/D转换器在工作过，产生两条由于双程中，分两次斜率，所以，也有叫双斜率A/D转换器。式A/D转换器原理框图双器A、过零比较器C和n位电路由二进制加法计数器等电路组成。转换原理如下：转换开始前， 进行初始化处理： 计数器和触发器 清零，S1接通A，S2闭合，电容C充分放电，v01=0,C0为0，与门G。输出数字量dn-1dn-2d1d0=0000 A/D转换开始：S2打开，始负方向器开，v0

10、10，CO=1，CP脉冲加入，计数器进行二进制加法计数。v01的电压为：1vItòv(t) = -v dt = -t01IRCRC0在计数器尚未计到dn-1dn-2d1d0=1111之前，过程继读。当计满1111并返回000 0后，附加触发器FFn由0变1，开关S1接通负参考电压-VREF。器向正方向进行， v01电第二次压向正方向上升。只要v01电压尚未达到0V，比较器输出C0=1，则计数器就进行第二次加法计数，当器至0V时，正方向C0=0，CP脉冲被，计数器停止计数，则此时计数器所累计的数据就为输入模拟量所对应的数字量了。器二次积分波形图。下面定量分析：（t0t1)第一次1vIt

11、10òv(t ) = -v dt = -T011I1RCRCvI= -2nTCPRC（t1t2)第二次1t 2òtv(t ) = v(t ) -(-V)dt012011REFRC1当t=t2时，压为0，则：器输出电1t 2òtv(t ) = v(t ) -(-V)dt012011REFRC1vI+ VREF= -T = 0T12RCRC因此有：vI= VREFTT12RCRCvIvIT =× T =× 2n× T21CPVVREFREF输出数字量：T2vID =× 2nTCPVREF式A/D转换器的特点：双由于采用了两次 出

12、结果与器，能力强；器，使输用同一个参数无关（见表达式），精度高；当选取时间为工频周期的整数倍时，理论上可完全消除工频干扰，因为这时对工频干扰的平均为0。主要应用在精度高，而速度相对较慢的数字测试设备和仪表中；四、V/F变换型A/D转换器基本思路：先将输入的模拟电压信号变换成与之成正比的脉冲信号，然后，在定时时间下，对该脉冲信号进行计数，得到相应的数字量输出。电路组成分析：A1是模拟反相器，A2是模拟器，C1、C2组成模拟电压比较器，其它都是熟悉的数字电路。电路工作原理：开始转换前，CS低电平，S2闭合，S1接通-va ,基本触发器置启动转换=1。，CS=1，开关S2断开。器A2开始正方向，v

13、电位逐渐上升，当上升0变成低电平0，vc 2 仍为高电平1³ VR1 时，vC1至v0触发器置1= 0)(逻辑电路将开关S1接通 va；接着器A2负方向积分 v 开始下降，当0下降至v£ -Vvv0R2时，两个比较器输出 C1 =1， c 2=0，= 1) ，电子开关又接通到触发器重新置0 (- va ，正向器又，如此周而复始，不断地进行，在触发器的端将得到随va 而变化fQ将正比于va 。的波形，而且vo0+ VR1tt1t2- VR 2vc1v0tc 20Q0CS0CP0ttTStt由波形图可得，在定时时间TS内，计数器对CP（ fQ ）进行计数，则n位二进制计数器累计

14、的结果就代表了输入模拟量的大小了。+ VR1t- VR 2由波形图可知，器0tt21正向时的变化幅度- VR2vc1为：T1VR10tvc 20Q0CS0CP0时间为T1，时间T2t常数为RC，所以有：1vat10òtV- V= - v dt =TR1R2a1RCRCTSV- VtT1 = R1R2vaRCt+ VR1t而反向和正向积0t1t分时幅值相同，故有：T1=T2，2-VR 2vc1T1V- V0tT1 + T2= 2R1R2vvc 20Q0CS0CP0RCTav2tf= a2RC(VR1 - VR2 )Qt在定时TS内，对上述频率计数，则其结果正比于 va 。TSttTS

15、va+ VR1t- VR 2D = fT =S02RC(V- VQ)tt1R1R22v由于电路采用了器，同时，转换后得到的是调制后的脉冲波形，因此，具有抑制交流噪声和能力强的特点。这种A/D转换器特别适用c1T10tvc 2 0Q0CS0CP0T2ttTStt于和遥测系统。五、三位并行比较型A/D转换器转换原理用表说明输入模拟电压vI寄存器状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1输出数字量d2d1d0(0 1 )V15REF0 0 0 0 0 0 0000( 1 3 )V1515REF0 0 0 0 0 0 1001( 3 5 )V1515REF0 0 0 0 0 1 1010( 5 7 )V1515

16、REF0 0 0 0 1 1 1011( 7 9 )V1515REF0 0 0 1 1 1 1100( 9 11)V1515REF0 0 1 1 1 1 1101(11 13)V1515REF0 1 1 1 1 1 1110(13 15)V1515REF1 1 1 1 1 1 1111三位输出函数式d2 = Q4d1 = Q6 +d0 = Q7 +2+531六、计数式A/D转换器七、A/D转换器的主要技术指标与应用要点1.A/D转换器的主要技术指标分辨率能区分相邻两个数字量大小的最小输入模拟电压增量。所以，对一个n位的A/D转换器，其分辨率为输入满度电压与2n的比值。如一个12 位的满刻度输入

17、10V的A/D转换器， 其分辩率=10/2122.44mV。精度误差输出数字量对应的实际模拟电压与理想电压值之差，其最大值定义 为精度误差。可见，精度误差越小， A/D转换的精度越高。有时，也有把精度误差当作精度的。精度误差包括：量化误差偏移误差增益误差非线性误差转换时间完成一次A/D转换所需的时间2.A/D转换器应用要点 A/D转换器的位数选择A/D转换器的位数与设计系统的测控范围以及精度要求有关。它涉及传感器精度，放大器精度，A/D本身精度，输出电路和伺服机构的精度， 软件算法的精度等，应根据综合精度在各个环节上进行分配。一般来说，A/D转换器的位数至少要比总精度要求的最低分辩率高一位。

18、A/D转换器的转换速度选择（转换时间）根据对象的变化率及转换精度要求，确定A/D转换速度，以保证对系统的实时性要求。并行比较型ADC转换时间仅为20100nS，用于数字通讯、实时光谱分析、实时瞬态数字转换系统等。逐次逼近型ADC、转换时间在1mS100mS，用于工业上的多通道测控系统和声频数字转换系统、实时光谱分析、实时瞬态转换系统等。、数字式A/D转换器双转换时间在1mS100mS，适合温度、流量等慢变化的检测和用于一般的仪器和仪表中。系统，工作电压和参考电压选择工作电压有±15V、+12+15V、+5V等，最好选择能与数字系统共用的一个电源较方便。参考电压（基准电压）VREF的稳定性对A/D的转换精度关系大，应选用高精度、高稳定性的基准电压。 A/D转换器量程选择常见A/D转换器的量程有：0+5V，0+10V-5+5V，-10+10V单极性输入双极性输入应根据系统的极性要求决定八、集成A/D转换器实例ADC0809介绍8位，逐次逼近型，8路模拟量输入，具有与微机兼容的逻辑，28引脚，CMOS工艺，15mW功耗， 输入模拟电压05V， 转换时间为100mS， 精度±LSB。ADC0809内部框