《电子技术基础与技能》 课件 9-2 模数（AD）转换电路

电子技术基础与技能9.2模数（AD）转换电路【实践导入】：A/D转换演示实验9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程【实验电路】图9­-2-1

A/D转换演示实验原理图【实践导入】：A/D转换演示实验9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程【实验步骤】（1）按图9­2-1所示连接好电路；VCC用+5V，函数信号发生器输出1kHz的方波信号输入到CLK端，同时接入到数字存储示波器CH1方便观察；DAT端输出送入到数字存储示波器CH2通道；ANIN端通过RP接入一个0~VCC范围的电压信号作为输入；CS端接入图示开关。（2）调节RP到合适的位置，将CS对应的开关拨到GND端，观察数字存储示波器中波形，待CH2开始变化并经过8个CLK周期后，将CS对应开关拨回到VCC端。观察示波器波形；（3）重新调整RP，重复步骤（2）中的操作，观察示波器波形情况。【实验现象】示波器上显示一串信号，且只有表示地“0”和表示5V的“1”两种取值；调节RP改变ANIN输入信号后，会显示具有相同特质的不同的一串信号。【实验结论】ANIN端每输入一个模拟量电压，通过TLC549电路处理后在DAT端输出了与之对应的数字量，完成一次模拟信号到数字信号的转换。实验中转换后得到的数字量是串行输出，此外还有各类并行输出的ADC。9.2.1A/D转换的基本过程9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程一、A/D转换的基本概念及原理A/D转换是将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字量。使输出的数字量与输入的模拟量成正比。实现这一过程的电路称为ADC。完成一次完整的A/D转换需要经过取样、保持、量化、编码四个过程。取样，是按一定的频率抽取连续变化的模拟量，从而使时间连续变化的信号变成时间离散的信号。其工作过程如图9-2-2所示。9.2.1A/D转换的基本过程9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程图9-2-2ADC取样工作过程示意图9.2.1A/D转换的基本过程9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程一、A/D转换的基本概念及原理A/D转换需要一定的时间来完成，因此，一次取样完成后，要能够把取样后的电压保持住一段时间，直到下一次取样的开始。保持电路的一般形式如图9-2-3所示。S(t)有效期间，开关管VT导通，UI向电容充电，运放构成电压跟随器，Uo跟随Uc的变化而变化，得到取样电压后，VT关闭，Uo保持不变。实际实现时，取样和保持一次完成。取样保持后的输出电压需要归化为某个最小单位电压的整数倍才能进一步编码，这个最小单位电压称为量化单位，而这一过程称为量化，量化后得到相应的数字量，用二进制代码表示出来即完成了编码。在电路实际实现时，量化与编码也是一次完成。9.2.1A/D转换的基本过程9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程一、A/D转换的基本概念及原理图9-2-3A/D转换保持电路9.2.1A/D转换的基本过程9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程二、A/D转换电路A/D转换器的种类很多，主要有并行比较型、逐次逼近型、双积分型、Σ-Δ等。以下介绍双积分型和逐次逼近型。1.双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器采用的是一种间接的转换方法，它首先把输入模拟信号电压转换为与之成正比的中间变量如时间信号，再在这个时间内对固定频率的时钟脉冲进行计数，计数的结果就是与输入模拟信号成正比的数字信号。其原理框图如图9-2-4所示。9.2.1A/D转换的基本过程9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程图9-2-4双积分型A/D转换器原理框图9.2.1A/D转换的基本过程9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程二、A/D转换电路1.双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器由积分器、比较器、控制电路和计数器组成。其工作过程如下：转换之前，逻辑控制电路使电容放电，积分器清零，同时计数器也清零。转换开始后，分两步进行。第一步，电子开关控制UI接入，积分器开始对UI进行定时积分，同时计数器开始对时钟脉冲计数。当计数器计满溢出时，控制电路将电子开关接入参考电压-UREF，第一次积分结束。9.2.1A/D转换的基本过程9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程二、A/D转换电路1.双积分型A/D转换器第二步，电子开关接入-UREF后，积分器开始第二次的反向积分，同时计数器从0开始对时钟脉冲进行计数。当过零比较器检测到积分器输出电压为0时，控制计数器停止计数。同时通过逻辑控制电路使电子开关重新接入UI，重复第一步。这时计数器的计数结果为D。计数器的计数结果与输入电压成正比。从而完成了A/D转换。双积分型A/D转换器的特点是电路结构简单，工作性能稳定，抗干扰能力强，转换精度高，转换速度慢，在低速A/D转换中应用十分广泛。9.2.1A/D转换的基本过程9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程二、A/D转换电路2.逐次逼近型A/D转换器逐次逼近型A/D转换器内部结构如图9-2-5所示。它由控制逻辑电路、数据寄存器、移位寄存器、D/A转换器及电压比较器组成。图9-2-5逐次逼近型A/D转换器原理框图9.2.1A/D转换的基本过程9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程二、A/D转换电路2.逐次逼近型A/D转换器逐次逼近转换过程和用天平称重非常相似。天平称重过程中通过从重至轻的顺序添加砝码并与被称物体进行比较，若物体重，则砝码保留，若物体轻则移去换较轻的砝码重复操作直到用完最小一个砝码为止。将所有留下的砝码重量相加，就可得到此物体的重量。逐次逼近型A/D转换器，就是用不同的参考电压代替砝码，去跟输入模拟信号这一重物做多次比较，从而使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。9.2.1A/D转换的基本过程9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程二、A/D转换电路2.逐次逼近型A/D转换器它的工作过程可以描述如下：启动脉冲启动后，在第一个时钟脉冲作用下，控制电路使最高位置1，其他位置0，其输出经数据寄存器将1000……0，送入D/A转换器。输入电压首先与D/A转换器输出电压（UO）相比较，如UI≥UO，则通过控制电路使高位保留为1，若UI<UO，则控制电路使高位为0，次高位为1，再经D/A转换器转换为相应的电压U_O^'，重复上述步骤，比较次高位是1还是0；最后所有位数比较结束后，转换完成。整个过程中，比较结果从高位到低位存于数据寄存器。9.2.1A/D转换的基本过程9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程二、A/D转换电路2.逐次逼近型A/D转换器可见，完成一次n位的转换过程需n+1个时钟信号周期，再加上A/D转换器复位需1个时钟信号周期，逐次比较型A/D转换器完成一次完整的A/D转换需n+2个时钟信号周期的时间。逐次逼近型A/D转换器的速度较快、分辨率较高、误差较小，同时它还具有转换原理直观、电路简单、价格低廉等优点，多数A/D转换芯片都用这种转换型式。如ADC0809、AD7892等。9.2.1A/D转换的基本过程9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程二、A/D转换器的主要技术指标1.分辨率对于A/D转换器来说，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需要输入模拟电压的变化量。通常定义为满刻度电压与2n的比值，其中n为A/D转换器的位数。有时分辨率也用A/D转换器的位数来表示，如ADC0809的分辨率为8位，AD7892的分辨率为12位。2.量化误差量化误差是由于A/D转换器的有限分辨率引起的误差，这是连续的模拟信号在整数量化后的固有误差。对于四舍五入的量化法，量化误差在±1/2LSB之间。9.2.1A/D转换的基本过程9.2模数（AD）转换电路教学活动1：A/D转换的基本过程二、A/D转换器的主要技术指标3.转换时间转换时间是A/D转换器完成一次转换所需要的时间，即从启动信号开始到转换结束并得到稳定的数字输出量所需要的时间，通常为微秒级。4.绝对精度绝对精度是指在输出端产生给定的数字代码所表示的实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差。5.相对精度相对精度是指实际的转换点偏离理想特性的误差。对于线性A/D转换器，相对精度就是它的非线性。9.2.2集成模数转换器9.2模数（AD）转换电路教学活动2：集成模数转换器目前市面上的集成模数转换器芯片很多，有8位、12位、16位、20位等各种类型；按照内部原理有比较型、逐次逼近型、积分型等类型；按照输出方式有并行输出、串行输出等类型。ANALOGDEVICE公司生产AD7892便是一款广泛使用的12位逐次逼近式高速ADC。1.AD7892的特点AD7892根据输入模拟信号范围的不同可分为AD7892-1，AD7892-2，AD7892-3三种子型号。其中，AD7892-1输入信号范围为±10V或者±5V（可设置），AD7892-2输入信号范围为0～＋2.5V，这两种的采样转换速率均为500kSPS，AD7892-3的输入信号范围为±2.5V，采样转换速率为600kSPS，AD7892-1和AD7892-3的输入信号过压保护电压分别为±17V和±7V。9.2.2集成模数转换器9.2模数（AD）转换电路教学活动2：集成模数转换器图9-2-7AD7892实物图及引脚功能定义ADC实物图与引脚功能9.2.2集成模数转换器9.2模数（AD）转换电路教学活动2：集成模数转换器AD7892的管脚名称及功能说明名称管脚类型功能说明VDD1电源电源：±5V±5%2I低电平时为睡眠状态(功耗5mW)，高电平时正常工作，一般应用时接高电平VIN23I模拟输入2，对AD7892-2和AD7892-3，应悬空或接AGND。对AD7892-1来说，此脚决定输入信号（VIN1）的范围，当VIN2接AGND时，VIN1的范围为±10V，接VIN1时，输入信号范围为±5VVIN14I模拟信号输入脚1，其输入范围同上REFOUT/REFIN5I/O内部ADC基准，2.5V输出，也可通过该脚输入一个A/D转换的外部基准（2.5V），如果用内部基准，此脚悬空，对外作为基准时应对AGND接0.1pF的瓷片电容外部基准(2.5V)，如果用内部基准，此脚悬空，对外作为基准时应对AGNDruv0.1μF的瓷片电容AGND6

模拟地MODE7I低电平时为串行输出，高电平时为并行输出9.2.2集成模数转换器9.2模数（AD）转换电路教学活动2：集成模数转换器AD7892的管脚名称及功能说明DB11-DB08-1315-20O/IA/D转换的12位并行输出，可与TTL电平兼容，为三态输出，DB0为低位，DB11为高位，当串行工作时，15脚(SDATA)为串行数据输出脚，16位的前四位为0，后12位为A/D的结果。16脚(SCLK)为串行输出的时钟输入端17脚(RFS)为测试脚，正常工作时应接低电平DGND14

数字地，与外电路的数字地相连21I22I片选，低有效23O转换结束信号，转换结束时，此脚输出100ns的低电平脉冲24I启动转换输入端，当此脚由低变高时，使采样保持器保持开始转换，应加一个大于25ns的负脉冲来启动转换9.2.2集成模数转换器9.2模数（AD）转换电路教学活动2：集成模数转换器AD7892的内部框图实训：搭接与测试A/D转换电路9.2模数（AD）转换电路教学活动3：搭接与测试A/D转换电路1．搭接A/D转换电路识别ADC0809芯片，并根据课前查阅到的资料整理该芯片的引脚排列及引脚功能，熟悉由其构建的常用应用电路。按照图9-2-10所示电路搭接A/D转换电路；电路中ALE、START接一单脉冲控制，CLK用函数信号发生器输入500kHz的脉冲信号；因ADDA、ADDB、ADDC均接GND，因此模拟电压将从IN0输入，Rp可调节0~5V间的模拟电压；ADC0809芯片的输出端DO0~DO7外部通过三极管控制8个发光二极管，当发光二极管亮时，表明输出为“1”，否则表明输出为“0”。实训：搭接与测试A/D转换电路9.2模数（AD）转换电路教学活动3：搭接与测试A/D转换电路1．搭接A/D转换电路图9-2-10《搭接与测试A/D转换电路》项目电路图实训：搭接与测试A/D转换电路9.2模数（AD）转换电路教学活动3：搭接与测试A/D转换电路2．测试A/D转换电路检查确认电路无误及电源正确后开始测试A/D转换电路。（1）通过控制Rp控制输入电压，用万用表测量IN0端，使其电压为0.5V，按一次单次脉冲。观察LED1～LED8的状态，记录在实验表9-2-3中，同时根据8个LED的状态写出输出数字量DO7~DO0的值填入表中。按照表9-2-3中的输入值，依次重复刚才的操作，将测试结果填入表9-2-3中。实训：搭接与测试A/D转换电路9.2模数（AD）转换电路教学活动3：搭接与测试A/D转换电路2．测试A/D转换电路表9­-2-3

D/A转换电路测试序号UI/VLED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8DO7~DO010灭灭灭灭灭灭灭灭

20.5

31

41.5

52

62.5

73

83.5

94

104.5

实训：搭接与测试A/D转换电路9.2模数（AD