8-2模数转换电子课件

第八章数模转换和模数转换

8.2模数转换主讲人：黄丽亚A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。1.数模转换的一般过程模拟量输入数字量输出8.3模数转换A/D采样开关

采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号。1.采样和保持采样过程采样脉冲输入模拟信号采样输出信号

将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。

模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度τ一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。

场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。取样保持电路及输出波形①在采样脉冲S(t)到来的时间τ内，VT导通，UI(t)向电容C充电，假定充电时间常数远小于τ，则有：UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采样②采样结束，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变，直到下一个采样脉冲到来为止。－－保持

模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度τ一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。取样保持电路及输出波形2.量化与编码①舍尾方法②四舍五入方法

输入的模拟电压经过采样保持后，得到的是阶梯波。而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n位数字量只能表示2n个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个近似问题。

量化是指将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。取样保持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差ε，即ε=Uo-Uq。111111101101110010111010100110000111011001010100001100100001000015∆15/1614∆14/1613∆13/1612∆12/1611∆11/1610∆10/169∆9/168∆8/167∆7/166∆6/165∆5/164∆4/163∆3/162∆2/161∆1/160∆0四舍五入法舍尾法量化电平编码0V1V(4bit编码)量化电平编码30/3115∆28/3114∆26/3113∆24/3112∆22/3111∆20/3110∆18/319∆16/318∆14/317∆12/316∆10/315∆8/314∆6/313∆4/312∆2/311∆00∆1111111011011100101110101001100001110110010101000011001000010000量化误差=1∆量化单位∆=1/24V量化误差=1/2∆∆=2/（24+1-1）V量化单位1.工作思想：可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重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：砝码重量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8.2.2常见的ADC结构

1)逐次逼近式ADC①转换开始前先将逐次逼近寄存器清“0”；逐次逼近型A/D转换器的工作原理：②开始转换以后，第0个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uREF’，并送到比较器中与uI进行比较。若uI＜uREF，说明数字过大，故将最高位的1清除置零；若uI≥uREF，说明数字还不够大，应将这一位保留。③然后，按同样的方法将次高位置成1，经过比较以后确定这个1是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。例：若UREF＝8V，n＝4。当采样保持电路输出电压uI=4.75V时，试列表说明逐次逼近型ADC电路的A/D转换过程。解：量化单位为转换的结果为：D3D2D1D0＝1001。逐次逼近A/D转换器完成一次转换所需的时间（n+1）TCP。2.并行比较型A/D转换器量化电平依据四舍五入划分为8个电平。量化单位为Δ=(2/15)UREF量化误差为|εmax|=(1/15)UREF电压比较器

U+≥U-时，Ci＝1；

U+＜U-时，Ci＝0。

0V1V14/1512/1510/158/156/154/152/150

并行比较型A/D转换器真值表1输入模拟电压寄存器状态数字量输出（编码器输入）（编码器输出）QQQQQQQ6543210ddd210uI15~()15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(~1033557799111113131UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：uI＝4.2V，UREF＝6V。3.6V～4.4V则数字量输出d2d1d0＝101。0V1V11111010110001101000100014/1512/1510/158/156/154/152/150①优点：转换速度很快，故又称高速A/D转换器。含有寄存器的A/D转换器兼有取样保持功能，所以它可以不用附加取样保持电路。②缺点：电路复杂，对于一个n位二进制输出的并行比较型A/D转换器，需２n-1个电压比较器和2n-1个触发器，编码电路也随n的增大变得相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。因此，这种转换器适用于高速，精度较低的场合。并行比较型A/D转换器的特点：

双积分型ADC的转换原理是先将模拟电压UI转换成与其大小成正比的时间间隔T，再利用基准时钟脉冲通过计数器将T变换成数字量。

3.双积分型A/D转换器

这种A/D转换器具有很多优点。首先，其转换结果与时间常数RC无关，从而消除了由于斜波电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围内变化，而不影响转换结果。其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值T1，而T2正比于输入信号在T1内的平均值，这对于叠加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这种A/D转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要求时钟源在一个转换周期（T1+T2）内保持稳定即可。这种转换器被广泛应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器中。1.分辨率：所能分辨的输入模拟量的最小值。三、A/D转换器的主要技术指标2.转换精度

它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的误差。(1)绝对误差：

与输出数字量对应的理论模拟值与产生该数字量的实际输入模拟值之间的差值

绝对误差与额定最大输入模拟值（FSR）的比值，通常用百分数表示。(2)相对误差：3.转换时间