数电-08-2模~数转换器

9.2模/数转换器概述：1、A/D转换：将随时间连续变化的模拟量转换为与之相应的数字量。取样后要保持一段时间，在此时间内，将取样的电压量化为数字量——变为时间、幅值的离散量；∵模拟量是时间、幅值均连续；而数字量则时间、幅值均离散，∴实现A/D转换，首先必须在一系列选定的瞬间，对输入的模拟信号取样——变为时间的离散量；然后，按一定的编码方式给出结果。※1即实现A/D转换，一般要经过4个过程：取样、保持、量化、编码。实际电路中，取样和保持、量化和编码往往同时进行。2、A/D转换器的分类：（1）直接A/D转换器：将输入的模拟电压直接（不需要中间变量）转换为数字量。①并行比较型:由电压比较器、触发器、寄存器构成，可以不附加取样-保持电路。特点：转换速度快，但随着输出代码数位的增加，电路规模急剧膨胀。※2②反馈比较型：由D/A转换器、电压比较器、寄存器等构成，取一个数字量加到D/A转换器上，得到一个对应的模拟输出电压，将其与待转换的模拟电压相比较，若两者不等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，此时所取的数字量即为转换结果。其思路是:常用典型电路为逐次逼近型A/D转换器：特点：转换速度较慢，但数位较多时，电路规模比并行比较型小得多，且转换精度高。

——是目前集成A/D转换器中应用最多的一种。※3（2）间接A/D转换器：①电压-频率变换型（V-F变换型）首先将输入模拟电压转换为与之成正比的频率信号，然后在固定的时间间隔内，对频率信号计数，计数结果就是正比于输入模拟电压的数字量。②电压-时间变换型（V-T变换型）首先将输入模拟电压转换为与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果就是正比于输入模拟电压的数字量。典型电路有双积分A/D转换器。转换速度慢，但工作性能比较稳定，特别是双积分A/D转换器抗干扰能力强，对元器件的要求较低，所以在数字仪表中应用非常广泛。间接A/D转换器的特点：※41、取样与保持取样电路：SvIvOS(t)TSt0vIt0S(t)t0vOTC：取样时间；此时，开关闭合，vO=vITS：取样周期fS：1/TS取样频率TS-TC：开关断开，vO=0TCfS≥2fmax●取样保持9.2.1A/D转换的一般工作过程取样信号S（t）频率越高，所得信号经低通滤波器后，越能真实地复现输入信号。合理的取样频率由取样定理决定。fmax为输入模拟电压最高频率分量的频率。取样信号取样定理※5取样－保持电路P446图9.2.2（a）电路结构（b）典型接法集成取样－保持电路LF198外接的保持电容CH的取值必须兼顾输出电压下降率和获取时间两方面的要求。实际电路※6受控模拟开关控制单元A1、A2电压跟随器保护二极管(1)vL=1→S闭合→vO=vO´=vI→电容CH充电至vI——取样阶段(2)vL=0→S断开→电容CH上电压无放电回路

→vO维持原来的值不变——保持阶段?∵运算放大器输入电阻极高！※72.量化与编码数字信号在数值上是离散的。任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。采样–保持电路的输出电压需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，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。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。量化编码※8量化：将样值化成最小量化单位的整数倍的过程。量化误差:由于模拟电压是连续的，所以取样电压不一定能被△整除，因此，量化过程不可避免地会引入误差，称为量化误差。量化单位Δ——量化的最小单位：即：D＝00…1时所代表的数值(VLSB)。量化误差属于原理误差，无法消除。但位数越多，误差越小。只舍不入量化方式四舍五入的量化方式。量化方式：※9111110101100011010001000编码010Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v输入信号量化后电压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。最大量化误差为：最小量化单位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：将0~1V电压转换为3位二进制代码(1)只舍不入（舍尾求整法）※10将不足半个量化单位部分舍弃，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：最小量化单位：111110101100011010001000编码6Δ=12/15v5Δ=10/15v010Δ=0v7Δ=14/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v输入信号模拟电平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：将0~1V电压转换为3位二进制代码(2)有舍有入（四舍五入法）※119.2.2并行A/D转换器图9.2.4三位并行A/D转换器(1)分压器：由8个精密电阻组成，将参考电压分成7级，分别为(2)电压比较器：C1~C7若后者大于前者，电压比较器输出为1；否则输出为0。各级参考电压接于反相输入端；输入模拟电压接于同相输入端。1、三位并行A/D转换器的组成※12图9.2.4三位并行A/D转换器7个正边沿D触发器构成；输入为各电压比较器的输出。(4)编码器：8/3线优先编码器：输入低电平有效；优先级别：I7→I1；三位反码输出。(3)寄存器：※132、工作原理图9.2.4三位并行A/D转换器VI=8VREF/1511110009VREF/157VREF/155VREF/15001设输入电压VI=8VREF/15对I3=0编码→011的反码→100※14

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI13VR/15

011111111013VREF/15

vIVREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vIVREF/15

0000000000

表9.2.13位并行A/D转换器输入与输出关系对照表※15+－C7C11DQ7+－C6C11DQ6+－C5C11DQ5+－C4C11DQ4+－C3C11DQ3+－C2C11DQ2+－C1C11DQ1线优先编码器8/3•••••••••••••••••••RRRRRRRR/2VREFvI115VREFVREF1315315VREFVREF1115CPD1D0D2C01C02C03C04C05C06C07I1I2I3I4I5I6I78/3线优先编码器：输入高电平有效；优先级别：I7→I1；三位原码输出。VREF915VREF715VREF515VI=8VREF/151111000仍设输入电压VI=8VREF/15对I4=1编码→100001看另外一张图：※163、电路特点：在并行A/D转换器中，输入电压vI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vI输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。（几十纳秒）

缺点：电路复杂，如三位ADC需7个比较器、7个触发器、8个电阻。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，可以采取分级并行转换的方法。单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如AD公司的AD9012(TTL工艺8位)、AD9002(ECL工艺，8位)、AD9020(TTL工艺，10位)等。※17若天平有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝码总重<待测重量Wx，故保留砝码总重仍<待测重量Wx，故保留砝码总重>待测重量Wx，故撤除砝码总重＝待测重量Wx，故保留暂时结果8克12克12克13克结论9.2.3逐次比较型A/D1.工作原理:类似用天平秤重。※181)寄存器清零2)启动负脉冲CP1移位寄存器最高位置1，其它位置0。经数码寄存器将100…0D/A转换器输出vo=VREF/2。，9.2.51．组成框图：

2．工作过程：※设A=6.84VVREF=-10V=5V100………0100………0000………0193)vo与vI比较，若vI≥VREF/2电压比较器输出1若vI<VREF/2电压比较器输出0存于寄存器的Dn-1位9.2.5※A=6.84V11VREF=-10V=5V＞5V1204)CP2移位寄存器次高位置1，其它低位置0，经数码寄存器将*100…0D/A转换器输出vo=(3/4)VREF，vo=(1/4)VREF，9.2.5※010………0=7.5V110………0A=6.84VVREF=-10V121vo与vI比较，5)再将决定寄存器次高位Dn-2，9.2.5※＜7.5VA=6.84VVREF=-10V=7.5V010………依次类推得到输出数字量。22图9.2.68位逐次比较型A/D转换器波形图设vI=6.84V，VREF=-10V由此可见，经8个时钟周期，得到A/D转换的结果：D7~D0为10101111该数字量对应的模拟电压为6.835937相对误差仅为0.06%9.2.6※即完成一次转换需要的时间：t=n•TCPTCP：时钟脉冲周期逐次逼近A/D转换器的特点：转换精度高，转换速度较慢。23对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，把输入电压的平均值转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，则，计数结果即为相应的数字信号。9.2.4双积分型A/D转换器属于间接型A/D(V-T型)基本原理:ppt25~31电路组成和工作原理P453~456※241．电路组成：Qn=0，S1接A端1，S1接B端积分器（A）过零比较器（c）时钟控制门（G）n位二进制计数器（FF0~FFn-1）定时器FFn※9.2.8受控开关25（1）准备阶段:控制电路提供清零信号，计数器清零，S2闭合，电容C放电至0，S2再开启。（2）第一阶段：定时积分（对VI积分）：t=0

时刻，Qn=0→S1接通A端，积分器从0开始负向积分，－过零比较器输出高电平与门开启计数器从0开始计数；

※9.2.82．工作过程：以vI为正直流电压为例26第一次积分结束时，积分器的输出电压第一次积分时间为t=T1=2nTc经2n个时钟脉冲后，计数器FF0~FFn-1清零→定时器输出Qn=1→开关S1接通B端。——第一阶段结束。※9.2.827即有：vo（t2）=－t=t1

时，S1接通B端，积分器对-VREF从VP开始正向积分，同时，计数器又从0开始计数（因为仍有vo＜0→vc=1），当t=t2

时vo≥0→vc=0→时钟控制门G关闭→计数器停止计数。（3）第二阶段：定压积分（对-VREF积分）：※9.2.828——与输入模拟量成正比T2=Tc设此期间计数器累计的时钟脉冲数为即则第二次积分时间为中间变量T2=t2–

t1※9.2.829（4）休止阶段：第二次积分结束，控制电路又使开关S2闭合，电容C放电，积分器回0，电路再次进入准备阶段，等待下一次转换。3、工作波形：※9.2.9304、说明：1）若取VREF=2n伏，则4）上述电路仅为基本电路，没有包括控制电路等。即计数器所计的数在数值上等于被转换的模拟电压。※2）VREF与VI极性必须相反；3）VI＜VREF电路才能正常工作，否则计数器将溢出。312）由于两次相反的积分采用同一积分器，所以元件参数变化对转换精度的影响可以忽略。5、双积分A/D转换器的特点：1）有很强的抗工频干扰的能力，尤其对周期等于T1或几分之一T1的对称干扰，理论上有无穷大的抑制能力。3）缺点：转换速度较慢（几十~几百毫秒）。——在数字仪表中有非常广泛的应用※321、分辨率：以输出二进制代码的位数表示。