AD转换-原理与应用课件

A/D转换原理与应用引言随着电子产业数字化程度的不断发展，逐渐形成了以数字系统为主体的格局。A/D转换器作为模拟和数字电路的接口，正受到日益广泛的关注。随着数字技术的飞速发展，人们对A/D转换器的要求也越来越高，新型的模拟/数字转换技术不断涌现。A/D转换原理与应用A/D转换器的发展历史A/D转换技术的发展现状A/D转换器原理A/D转换在单片机实验系统中的应用A/D转换技术的发展趋势A/D转换器的发展历史计算机、数字通讯等数字系统是处理数字信号的电路系统。然而，在实际应用中，遇到的大都是连续变化的模拟量，因此，需要一种接口电路将模拟信号转换为数字信号。A/D转换器正是基于这种要求应运而生的。A/D转换器的发展历史1970年代初，由于MOS工艺的精度还不够高，所以模拟部分一般采用双极工艺，而数字部分则采用MOS工艺，而且模拟部分和数字部分还不能做在同一个芯片上。因此，A/D转换器只能采用多芯片方式实现，成本很高。1975年，一个采用NMOS工艺的10位逐次逼近型A/D转换器成为最早出现的单片A/D转换器。A/D转换器的发展历史1976年，出现了分辨率为11位的单片CMOS积分型A/D转换器。此时的单片集成A/D转换器中，数字部分占主体，模拟部分只起次要作用；而且，此时的MOS工艺相对于双极工艺还存在许多不足。1980年代，出现了采用BiCMOS工艺制作的单片集成A/D转换器，但是工艺复杂，成本高。随着CMOS工艺的不断发展，采用CMOS工艺制作单片A/D转换器已成为主流。这种A/D转换器的成本低、功耗小。A/D转换原理与应用A/D转换器的发展历史A/D转换技术的发展现状A/D转换器原理A/D转换在单片机实验系统中的应用A/D转换技术的发展趋势A/D转换技术的发展现状通常，A/D转换器具有四个功能：采样、保持、量化、编码。采样：按相等的时间间隔从模拟信号上截取一系列离散电压瞬时值。保持：由于后续的量化过程需要一定的时间τ，对于随时间变化的模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间τ内保持不变，这样才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持。正是有了采样保持，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函数。A/D转换技术的发展现状如何实现这四个功能，决定了A/D转换器的电路结构和工作性能。A/D转换器的类型很多，下面介绍几种目前常用的模拟/数字转换技术。积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。A/D转换原理与应用A/D转换器的发展历史A/D转换技术的发展现状A/D转换器原理A/D转换在单片机实验系统中的应用A/D转换技术的发展趋势A/D转换器原理将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。分类积分型逐次比较型并行比较型/串并行比较型A/D转换器原理将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。分类Σ-Δ型电容阵列逐次比较型压频变换型A/D转换器原理主要介绍以下两种方法：逐次逼近法双积分法逐次逼近法DAC控制逻辑SAR缓冲器+-VRViCLK输出数据逐次逼近式A/D转换器原理框图逐次逼近式A/D转换器基本组成控制逻辑(SAR)：移位寄存器、数据寄存器、时序电路及去留码逻辑电路；DAC:产生电子砝码；比较器：对输入电压与电子砝码进行比较，并由控制逻辑决定该砝码的去留。逐次逼近法DAC控制逻辑SAR缓冲器+-VRViCLK输出数据逐次逼近式A/D转换器原理框图

设转换器的位数n=4，则相应的电子砝码分别为2.5V、1.25V、0.625V、0.3125V。VR=5V，Vi=3V,则转换过程及结果如表逐次逼近法ADC0809是逐次逼近型8位A/D转换器，片内有八路模拟开关，可对八路模拟电压量实现分时转换。典型转换速度100μs。片内带有三态输出缓冲器，可直接与单片机的数据总线相连接。逐次逼近法CLK：时钟信号，典型值为500～640KHZ

VREF+、VREF-：基准电压输入，

ALE：地址锁存允许，其上升缘锁存ADDC～ADDA的地址信号

START：A/D转换启动信号，上升缘启动A/D转换。

EOC：转换完成信号，启动转换后，EOC输出低电平，转换完成后输出高电平。该信号可用作向单片机提出中断申请，或者作为查询信号。ALEADDAADDBADDCSTARTEOC~D0D7OECLKVREF+VREF-VCCIN0IN7GNDADC0809ADC0809的引脚见图，其信号意义如下：逐次逼近法ADC0809内部编程结构框图STARTEOCCLKOED7D0ADDCADDBADDAALEIN0IN7比较器8路模拟开关逐次逼近寄存器SAR树状开关电阻网络三态输出锁存器时序与控制地址锁存及译码D/A模拟输入通道8选1逐次逼近法ADC0809工作时序1、选择通道，即通道号送入A、B、C2、在ALE、START输入正脉冲，锁存通道并启动转换3、转换开始后，EOC变低；过大约64个CLK，转换结束，EOC变高4、转换结束后，在OE输入高电平就打开输出缓冲器，可以读取转换结果双积分法积分式A/D转换器是一种间接式A/D转换器，其工作原理是：先用积分器把输入模拟电压转换成中间量（时间T或频率f），然后再把中间量转换成数字。积分式A/D转换器又可进一步分为许多类型，本次仅讨论其中最基本的双积分式A/D转换器技术。双积分法

3．定值积分阶段T2：在t2时刻令S1断开的同时，使与Ui极性相反的基准电压接入积分器。本例设Ui为正值，则令S3闭合，于是积分器开始对基准电压UR定值积分，积分器输出从U01值向零电平斜变，同时，计数器也重新从零计数，当积分输出达到零电平时刻（即t3），比较器翻转，此时控制电路令计数器关门，计数器保留的计数值为N2。定值积分阶段T2结束时，积分器输出电平为零，则有A/D转换主要技术指标精度：量化间隔(分辨率)=Vmax/电平数(即满量程值)例：某8位ADC的满量程电压为5V，则其分辨率为

5V/256=19.6mV量化误差:用数字（离散）量表示连续量时，由于数字量字长有限而无法精确地表示连续量所造成的误差。(字长越长，精度越高)A/D转换主要技术指标例：满量程电压=10V，A/D变换器位数=10位，则转换时间:

转换一次需要的时间。精度越高（字长越长），转换速度越慢。绝对量化误差

≈10/211=4.88mV相对量化误差≈1/211*100%=0.049%绝对量化误差=量化间隔/2=(满量程电压/2n)/2相对量化误差=((1/2)(1/量化电平数目))100%输入动态范围:

允许转换的电压的范围。如0～5V、0～10V等。A/D转换原理与应用A/D转换器的发展历史A/D转换技术的发展现状A/D转换器原理A/D转换在单片机实验系统中的应用A/D转换技术的发展趋势A/D转换在单片机实验系统中的应用HowA/D转换在单片机实验系统中的应用开始A/D转换A/D转换串行数据是否满8位A/D转换在单片机实验系统中的应用换算成电压值数码管中显示再循环一次各环节急急急急急急急急急急急急急急急急急急A/D转换原理与应用A/D转换器的发展历史A/D转换技术的发展现状A/D转换器原理A/D转换在单片机实验系统中的应用A/D转换技术的发展趋势A/D转换技术的发展趋势高转换速度:现代数字系统的数据处理速度越来越快，要求获取数据的速度也要不断提高。比如，在软件无线电系统中，A/D转换器的位置是非常关键的，它要求A/D转换器的最大输入信号频率在1GHz和5GHz之间，以目前的技术水平，还很难实现。因此，向超高速A/D转换器方向发展的趋势是清晰可见的。

A/D转换技术的发展趋势高精度：现代数字系统的分辨率在不断提高，比如，高级仪表的最小可测值在不断地减小，因此，A/D转换器的分辨率也必须随之提高;在专业音频处理系统中，为了能获得更加逼真的声音效果，需要高精度的A/D转换器。目前，最高精度可达24位的A/D转换器也不能满足要求。现在，人们正致力于研制更高精度的A/D转换器。

2003200420052006A/D转换技术的发展趋势低功耗：片上系统(SOC