第6章 模数转换器

数据采集与处理技术第6章模/数转换器第6章模/数转换器A/D转换器的分类A/D转换器的主要技术指标A/D转换器的工作原理A/D转换器的选择和使用模数转换器概念模数转换器是一种器件，它把采集到的采样模拟信号经量化和编码后，转换成数字信号并输出。简称A/D转换器或ADC模数转换器通常需要一个参考模拟量作为转换的标准，模数转换器的输出数字量表示模拟输入量相对于参考信号的大小参考信号通常是可转换的最大信号的大小模数转换器概念模数转换的过程一般包括量化和编码两个阶段量化是将模拟信号量程分成若干离散量级，并确定输入模拟信号的量级编码是对每一量级分配唯一对应的数字码，并确定输入模拟信号的代码最小量化单位受参考标准和模数转换器的位数影响，它们之间的关系可表达为：模数转换器概念现在的集成模数转换器通常已经集成了从采样、保持到量化、编码的全部过程模数转换器的选用则具体取决于输入信号的大小，输出信号的形式，控制性质、转换速度、分辨率和转换精度等多个技术指标6.1A/D转换器的分类从转换原理来看，A/D转换器可以分为直接比较型和间接比较型两种基本类型直接比较型是直接将输入电压与参考电压进行比较，将输入电压转换为数值量，它用数模网络建立起的一套基准电压，从高位起进行逐位与被测电压进行比较，直到二者达到或接近平衡间接比较型不直接将电压转换为数字，而是先将电压转换为某个中间物理量，再将中间物理量转换为数字量直接比较型模数转换器直接比较型模数转换器包括以下多种类型连续转换型逐次逼近型斜波电压比较型直接比较型模数转换器通常转换速度较快，但是由于是瞬时比较，抗干扰能力差间接比较型模数转换器间接比较型模数转换器常见以下类型电压－时间型电压－频率型通常间接比较型模数转换器为平均值响应，抗干扰能力较强，但转换速度较慢6.2A/D转换器的主要技术指标分辨率分辨率是指A/D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量分辨率取决于A/D转换器的位数和满量程电压，一般情况下，常用A/D转换器的位数n来间接代表分辨率6.2A/D转换器的主要技术指标位数级数相对分辨率分辨率82560.391%39.1mV1010240.0977%9.77mV1240960.0244%2.44mV14163840.0061%0.61mV16655360.0015%0.15mVA/D转换器分辨率与位数之间的关系（满量程电压为10V）6.2A/D转换器的主要技术指标量程量程是指A/D转换器所能转换模拟信号的电压范围精度绝对精度：对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差相对精度：绝对精度与满量程电压值之比的百分数6.2A/D转换器的主要技术指标转换时间转换时间是指按照规定的精度将模拟信号转换为数字信号并输出所需要的时间。一般用微秒（μs）或毫秒（ms）表示。通常转换时间是根据模拟输入电压值来规定的，但对某些转换器来说，其转换的时间与模拟输入电压大小无关，只取决于转换器的位数，因此转换时间是恒定的，而对另一些转换器来说，其转换时间则与待转换信号的值有关通常情况下，A/D转换器有用于指示转换结束的信号6.2A/D转换器的主要技术指标转换速率转换速率是指能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数对于瞬时值响应的A/D转换器来说，所需的转换速率取决于所要求的转换精度和被转换信号的频率对于平均值响应的转换器，被转换的采样模拟量是直流（或缓慢变化）电压，而干扰则是交变的，因此转换一次的时间越长，其抑制干扰的能力就越强。平均值响应的转换器是在牺牲转换时间的情况下提高转换精度的6.2A/D转换器的主要技术指标偏移误差偏移误差是指能使最低有效位成“1”状态时的实际输入电压与理论输入电压之差。这一差值电压称作偏移电压，一般以满量程电压值的百分数表示由于偏移电压的存在，A/D转换器的传输特性曲线在横轴方向有一个相应的位移，而误差特性则有一个纵向位移偏移误差示意偏移实际曲线Ui输出数码001010011100101110111偏移误差Ui误差图6.2偏移误差(a)(b)理想曲线6.2A/D转换器的主要技术指标增益误差增益误差是指满量程输出数码时，实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。它使传输特性曲线绕坐标原点偏离理想特性曲线一定的角度，一般用满量程电压的百分数表示K=1K<1K>1图6.3增益误差Ui输出数码001010011100101110111FSR增益误差6.2A/D转换器的主要技术指标线性误差线性误差是指在没有增益误差和偏移误差的条件下，实际传输特性曲线与理想特性曲线之差实际曲线理想曲线Ui001010011100101110111输出数码图6.4线性误差线性误差6.2A/D转换器的主要技术指标输出电平输出电平通常采用TTL电平，但也有其他的电平型式工作温度能保证额定的精度指标的温度范围对基准电源的要求基准电源的精度将对整个系统的精度产生影响，在选用时应考虑是否要外加精密参考电源6.3逐次逼近式A/D转换器模拟输入Ui+

-A去码/留码逻辑环形计数器数据寄存器时序与逻辑控制D／A转换器数字量输出锁存器基准电源UREFUf=UREF

(a12-1

+

a22-2

+

…

+

an2-n)并行数字量输出图6.5逐次逼近式A／D转换器结构SAR比较器逐次逼近比较过程tU123456781.02410.24Ui5.127.688.968.328.08.168.248.288.30V时钟脉冲12345678图6.6逐次逼近比较过程表6.28位逐次逼近A／D转换过程

次数

SAR中的数码D/Ａ产生的

(V)

去／留码判断

本次操作后SAR

中的数码

12345678

1000000011000000111000001101000011001000110011001100111011001111

5.127.688.968.328.08.168.248.28

，留1，留1，留0，留0，留1，留1，留1，留1

10000000110000001100000011000000110010001100110011001110110011116.4双斜积分式A/D转换器控制电路控制门时钟脉冲计数器K1K2K3K4RK1K2K3K4K5CR2R3R1K5+UREFUi-UREF转换控制信号并行数字输出复零图6-7双斜积分式A/D转换器结构图积分器比较器6.4双斜积分式A/D转换器双斜积分式A/D转换器是一种间接比较型A/D转换器，属于电压－时间型A/D转换器主要由积分器、电压比较器、计数器、时钟发生器和控制逻辑等部分组成工作过程分为三个阶段预备阶段采样阶段编码阶段6.4双斜积分式A/D转换器积分器输入积分器输出计数器UiUREFUOXt1t2t’2N1N2N’2图6-8积分器输出波形6.4双斜积分式A/D转换器双斜式转换本质上是积分过程，因此是平均值转换，所以对叠加在信号上的随机和周期性噪声干扰有较好的抑制能力双斜式积分转换速度较慢，一般不高于20次/秒对采样模拟信号而言，双斜积分转换器式断续工作的6.6A/D转换器的选择和使用A/D转换器位数的确定A/D转换器位数的确定应该从数据采集系统的静态精度和动态平滑性两方面考虑从静态精度方面来看量化误差是模拟信号数字化时产生误差的主要部分，而量化误差的大小与A/D转换器的位数相关量化误差与测量误差之间的关系也影响到A/D转换器位数的选择A/D转换器位数与误差的关系图6.22位数与误差的关系位数误差8910111213量化误差与测量误差关系图6.23ξ与的关系eqeMeqeMξ0.10.30.50.70.91.01.11.21.31.4A/D转换器的位数选择A/D转换器的精度应与测量装置的精度相匹配要求量化误差在总误差中所占的比重要小，使它不显著地扩大测量误差必须根据目前测量装置的精度水平，对A/D转换器的位数提出恰当的要求。A/D转换器位数的选择从动态平滑性方面来看量化单位大小及被测信号的变化频率对动态平滑性有较大的影响量化单位太小容易产生高频噪声信号通常满足静态精度要求的位数也能满足动态平滑性要求对动态平滑性要求较高的系统，可能需要进行平滑处理A/D转换器转换速率的选择A/D转换器从启动到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的转换时间转换时间的倒数就是每秒能够完成的转换次数，称为转换速率确定A/D转换器的转换速率时，应该考虑系统的采样速率采样/保持器是否需要原则上，采集直流和变化非常缓慢的模拟信号时，可不用采样/保持器，对于其他模拟信号都要加采样/保持器现在常用的A/D转换器内部通常都集成了采样/保持器工作电压和基准电压不同的A/D转换器可能需要不同的工作电压，可以根据需要选择工作电源，也可以根据工作电源来选择适宜的A/D转换器基准电压是提供给A/D转换器转换时的参考电压，这是保证转换精度的基本条件。在要求较高精度时，基准电压可能需要单独用高精度稳定电源供给其他影响A/D转换器选择的因素输入电压范围输出电平形式输出编码格式输出接口形式输入通道数和封装被测信号特性6.7A/D转换器与微机接口A/D转换器与微机的接口主要解决两个问题A/D转换器的