数字电子技术 第六版 课件 8ch3 AD转换器

第8章数模和模数转换器8.3

A/D转换器8.3.1A/D转换器的一般过程8.3.2并联比较型A/D转换器8.3.3双积分型A/D转换器8.3.4A/D转换器的主要参数8.3.5集成A/D转换器应用举例8.3.1A/D转换的一般过程一、取样-保持电路

为了能较好地恢复原来的模拟信号，根据取样定理，要求取样脉冲uS的频率fs

必须大于等于输入模拟信号uI频谱中最高频率fI(max)

的2倍，即

fs

≥2fI(max)

当取样脉冲uS

为高电平时，NMOS管导通，输入电压uI经其对C

迅速充电，使电容C上的电压uC

跟随输入电压uI

变化，在tW

期间uC

=uI。

当取样脉冲uS

为低电平时，NMOS管截止，电容C上的电压uC

在TS

-

tW

期间保持不变，直到下一个取样脉冲到来。这期间，输出电压uO

始终跟随电容C

上的电压uC

变化。C

要将取样-保持电路输出的样值电压变换成与其成正比的数字量，还必须对样值电压进行量化，通常用数字信号最低位1对应的模拟电压作为量化单位，用Δ表示。将样值电压变为量化单位整数倍的过程称为量化。

在量化时，样值电压一般不能被Δ

整除，非整数部分的余数被舍去，必然会产生误差，这个误差称为量化误差。

A/D转换器的位数越多，量化单位越小，则量化误差也越小。

二、量化与编码6.3.2并联比较型A/D转换器0000000000uI电阻构成分压器

当0V≤uI＜(1/15)VREF

时，D2D1D0=000。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器代码转码器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF工作原理代码转换器0000001001uI当(1/15)VREF≤

uI＜(3/15)VREF

时，D2D1D0=001。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器代码转换器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2

并联比较型A/D转换器工作原理代码转换器0000011010uI当(3/15)VREF≤

uI＜(5/15)VREF

时，D2D1D0=010。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器代码转换器代码转换器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2

并联比较型A/D转换器工作原理VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器代码转换器代码转换器0000111011uI当(5/15)VREF≤

uI＜(7/15)VREF

时，D2D1D0=011。VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF

6.3.2并联比较型A/D转换器工作原理0001111100uI当(7/15)VREF≤

uI＜(9/15)VREF

时，D2D1D0=100。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器代码转换器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2并联比较型A/D转换器代码转换器工作原理00111111uI当(9/15)VREF≤

uI＜(11/15)VREF

时，D2D1D0=101。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD10D00

(LSB)比较器寄存器代码转换器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2

并联比较型A/D转换器工作原理代码转换器0111111110uI当(11/15)VREF≤

uI＜(13/15)VREF

时，D2D1D0=110。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器代码转换器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2并联比较型A/D转换器工作原理代码转换器1111111111uI当(13/15)VREF≤

uI＜1VREF

时，D2D1D0=111。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器寄存器代码转换器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF6.3.2

并联比较型A/D转换器工作原理代码转换器

当输入电压uI在0V~VREF间变化时，寄存器状态和输出数字量的对应关系如下表所示。输入模拟电压uI寄存器状态代码输出Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D2D1D00<uI≤(1/15)VREF0000000000(1/15)VREF<uI≤(3/15)VREF0000001001(3/15)VREF<uI≤(5/15)VREF0000011010(5/15)VREF<uI≤(7/15)VREF0000111011(7/15)VREF<uI≤(9/15)VREF0001111100(9/15)VREF<uI≤(11/15)VREF0011111101(11/15)VREF<uI≤(13/15)VREF0111111110(13/15)VREF<uI≤

VREF1111111111电路点评：并联比较型A/D转换器的优点是只需比较一次就可获得输出的数字量，所以转换速度非常高。缺点是为了实现高速度转换时，需要大量的电压比较器和触发器以及复杂的代码转换器（编码器），这导致电路很复杂，成本高。因此，并联比较型A/D转换器多用在要求转换速度高的场合。8.3.3双积分型A/D转换器

双积分型A/D转换器是一种间接型A/D转换器，其基本原理：将输入模拟电压转换成与之成正比的时间间隔，在此时间内用计数器对恒定频率的时钟脉冲计数，计数结束时的计数值正比于输入的模拟电压，从而实现模数转换。检零比较器积分器定时触发器G2&时钟控制门QuOuCFFnRD基准电压计数器RS2usCPRC11J1KDn-1

(MSB)D1D0(LSB)n

位二进制计数器RCP…G1&-VREFS1C∞∞uI

一、电路组成8.3.3双积分型A/D转换器

基准电压VREF必须与输入模拟电压uI极性相反，且前者绝对值大于后者绝对值。...1.转换准备

转换控制信号uS=0，G2输出高电平1，使开关S1闭合，电容C放完电荷，计数器清零；定时触发器FFn复位,

Qn=0，使开关S2接输入模拟电压uI。8.3.3双积分型A/D转换器二、工作原理-VREF积分器检零比较器uO<0,uC=1uO>0,uC=0定时触发器2.第一次积分（取样阶段）

在时间t=0

时，转换控制信号uS由0

变为

1，G2输出0，开关S1断开，开关S2接入模拟电压uI。uI经电阻R对电容C进行充电，积分器开始对uI进行积分；积分器的输出电压

uO(t)为uO(t)=

-VREF8.3.3双积分型A/D转换器二、工作原理iR积分器

检零比较器uo<0,uC=1uo>0,uC=0定时触发器+-2.第一次积分（取样阶段）

由于积分器uO<0，过零比较器输出uC=1，这时时钟控制门G1打开，计数器开始对周期为TC的时钟脉冲CP

进行计数，经时间T1=2nTC后，计数器计满2n个CP脉冲，各计数触发器自动返回0状态，同时给定时触发器FFn

送出一个进位信号，FFn

置1，Qn＝1,使开关S2接-VREF。8.3.3双积分型A/D转换器二、工作原理-VREFiR积分器检零比较器uo<0,uc=1uo>0,uc=0定时触发器积分器检零比较器+-2.第一次积分（取样阶段）

第一次积分结束后，对应时间为t=t1=

T1，这时积分器输出电压uO(t1)为

uO(t1)=﹣

uI=﹣

uI

T1RC2nTCRC8.3.3双积分型A/D转换器二、工作原理-VREFiR定时触发器3.第二次积分（比较阶段）

在时间t=t1(=T1)时，第一次积分结束，开关S2接–VREF，电容C开始经R放电，积分器对-VREF进行反向积分（第二次积分）。8.3.3双积分型A/D转换器二、作原理-VREFiR积分器检零比较器uO<0,uC=1uO>0,uC=0定时触发器+-3.第二次积分（比较阶段）

由于积分器uO<0，检零比较器输出uC=1，计数器从0开始第二次计数。当积分器输出电压uO(t)上升到uO(t)=0时，由于

uC=0，G1关闭，计数器停止计数。8.3.3双积分型A/D转换器二、工作原理-VREFiR积分器检零比较器uO<0,uC=1uO>0,uC=0定时触发器+-3.第二次积分（比较阶段）

第二次积分的时间T2=t2–t1。这时输出电压uO(t2)为

uO(t2)=uO(t1)+(-VREF)dt=0∫

-1RCt1t2

得由此可知，第二次积分的时间间隔T2与输入模拟电压uI是成正比的。T2=uI

2nTCVREF8.3.3双积分型A/D转换器二、工作原理-VREFiR定时触发器+-uI3.第二次积分（比较阶段）

如在T2时间内，计数器计的脉冲个数为N，由于T2=NTC，则因此，计数器计了N个CP脉冲后所处的状态表示了输入uI的数字量，从而实现了模拟量到数字量的转换。计数器的位数就是A/D转换器输出数字量的位数。2nVREFN=uI8.3.3双积分型A/D转换器二、工作原理需两次积分，故转换速度慢，但成本低、精度高、抗干扰能力强，常用于低速场合。-VREFiR定时触发器+-电路点评：双积分型A/D转换器在第一次积分时间T1内，对输入模拟电压进行积分时，存在于输入信号中的干扰已被积分器滤除掉，因此双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力、工作稳定。同时，在前后两次积分过程中，采用了具有相同时间常数RC

的同一个积分器，因此，R、C参数的变化对转换精度的影响可以忽略不计，所以转换精度高，电路也比较简单。它的主要缺点是完成一次转换需要进行两次积分，因此转换速度较低。但由于优点十分突出，因此，获得了广泛的应用。8.3.4A/D转换器的主要参数

一、分辨率指A/D转换器输出数字量的最低位（LSB）变化一个数码时，对应输入模拟电压的变化量。

例如最大输出电压为5V的10位A/D转换器的分辨率为5V/210=4.88mV分辨率也可用A/D转换器的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小，分辨能力也越高。指A/D转换器实际输出的数字量与理论输出数字量之间的差值。

二