AD转换器原理(逐次比较式、双积分式)
A_D转换器
A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。
模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。
但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。
A/D转换器的工作原理：（1）逐次逼近法（2）双积分法（3）电压频率转化法逐次逼近法逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。
采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图所示。
逐次逼近式AD转换器原理图基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。
逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为 Vo，与送入比较器的待转换的模拟量Vi进行比较，若Vo<Vi，该位1被保留，否则被清除。
然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的 Vo再与Vi比较，若Vo<Vi，该位1被保留，否则被清除。
重复此过程，直至逼近寄存器最低位。
转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。
逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。
双积分法采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。
如下图所示。
基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时双积分式AD转换器原理图[1]间间隔转换成数字量，属于间接转换。
双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Vi，Vi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间T的正向积分，时间T到后，开关再接通与Vi 极性相反的基准电压VREF，将VREF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。
Vi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。
AD转换器原理(逐次比较式、双积分式)
T1 T2 Ui Ur
（2.3）
2.3式所明：T2与输入电压的平均值 U i 成正比 设时钟周期为T0，计数器容量为N1，则T1=N1To、T2=N2To，2.3式可改写为
N1 N2 Ui Ur
（2.4）
2.4式所明：N2与输入电压的平均值 U i 成正比（ N2 ∝ U i ）
N2 ∝ Ui关系的演示
阶段T1结束，积分器输出
1 U 01 RC
t2
t1
U i dt
T1 Ui RC
（2.1）
3．定值积分阶段T2：在 t2 时刻令S1断开的同时，使与Ui极性相反的基准电 压接入积分器。本例设Ui为正值，则令S3闭合，于是积分器开始对基准电压UR 定值积分，积分器输出从U01值向零电平斜变，同时，计数器也重新从零计数， 当积分输出达到零电平时刻（即t3），比较器翻转，此时控制电路令计数器关门， 计数器保留的计数值为N2。定值积分阶段T2结束时，积分器输出电平为零， 则有
2．定时积分阶段----第一次积分，S1接通 特点：定时积分T1固定， UO1∝(正比于) Ui 双积分式A／D转换器原理概述
3．定值积分阶段----第二次积分，S3/S4接通 特点：定值积分（反向），N2∝UO1∝Ui
（假定输入电压增加为2Ui）
①
积分器输出电压还是负向 积分，积分时间Ｔ１不变， 但是，斜率将增加一倍。
在Ｔ２期间，积分器反向 积分的斜率不变（因ＵＲ不 变），但是，返回到零点的 时间Ｔ２将增加一倍。 由于Ｔ２增加一倍，因而 在Ｔ２期间的计数值Ｎ２也 将增加一倍。 N2T0
②
③
1．预备阶段Leabharlann ---复零，S4接通双积分式A／D转换器原理概述
AD转换
模拟电压输入 1LSB
模拟电压输入 1/2LSB
5
3、偏移误差
偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的 值，所以有时又称为零值误差。假定ADC没有非线 性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定 是直线，这条直线与横轴相交点所对应的输入电压 值就是偏移误差。
积分器输出
VIN
时钟
T1 T T2
t
3
三、A/D转换器的主要技术指标 1、分辨率 ADC的分辨率是指使输出数字量变化一个 相邻数码所需输入模拟电压的变化量。常用 二进制的位数表示。例如12位ADC的分辨率 就是12位，或者说分辨率为满刻度FS的 1/2 1 2 。一个10V满刻度的12位ADC能分辨输 入电压变化最小值是10V×1/ 2 1 2 =2.4mV。
ADC_CONTR寄存器
ADC_RES、 ADC_RESL寄存器
ADC中断控制寄存器
ADC典型应用电路
电压基准源
ADC实现按键输入功能
10VIN 20VIN AG
CE STS
-5V～+5V -10V～+10V
23
采用双极性输入方式，可对±5V或±10V的模拟信号
进行转换。当AD574A与80C31单片机配置时，由于 AD574A输出12位数据，所以当单片机读取转换结果 时，应分两次进行：当Ａ0=0时，读取高8位；当Ａ 0=1时，读取低4位。
需三组电源：＋5V、VCC（＋12V～＋15V）、
VEE（－12V～－15V）。由于转换精度高，所 提供电源必须有良好的稳定性，并进行充分滤波， 以防止高频噪声的干扰。 低功耗：典型功耗为390mW。
02-7.3 模数转换器-逐次逼近型和双积分型
U o /V
800mV 673mV
100mV80mV
8mV 4mV
200mV
40mV20mV10mV
2mV1mV
400mV
00 1 1 0 0111 0011
t ui /V
7-4 逐次逼近型A/D转换器
一、工作原理
转换控制信号uL为高电平时开始转换，此时送出一个800mV的电压砝 码 与 输 入 电 压 比 较 ， 由 于 ui＜800mV，将 800mV的 电 压 砝 码 去 掉 ， 加 400mV 的 电 压 砝 码 ， ui ＞ 400mV，于 是 保 留 400mV的 电 压 砝 码 。 再 加 200mV的砝码，ui＞400mV+200mV，200mV的电压砝码保留，如此一直 进行下去，可获得一组二进制码
0110 0111 0011 按照BCD8421码划分，相当673mV。
U o /V
800mV 673mV
100mV80mV
8mV 4mV
200mV
40mV20mV10mV
2mV1mV
400mV
00 1 1 0 0111 0011
t ui /V
2
ui
-
U A +
DAC
-+
C UB
QA
QB
1 S C 11 R
1S C1 1R
FA
FB
QC
1 S C1 1 R
FC
G1 &
1
G4 G2
&
1
G5
G3
&
d 2 ( MSB)
&
电气检测技术(新9)AD转换原理
25
1) ai为输入数字量，接CPU的DBUS。可选用 不同的代码，常用的DAC采用二进制码。
2)触发器构成的缓冲寄存器(锁存器)，锁存 CPU送来的数据。得到和暂存对应的输出电压。
压分辨率为5V/255≈20mV；10位DAC的分辨率为 5V/1023≈5mV。 位数越多，分辩率越高，转换的精度也越高。
2
测量系统用ADC的主要类型：
1、适用于数字仪器、仪表的ADC； 这类产品多半设计成BCD码输出，转换速度 一般较低(每秒转换十几次)。
2、适用测量系统作模／数接口部件的ADC。 这类产品的转换速度较高，多半以二进制代码 (含双极性代码)输出，常设计成带有三态 输出锁存器，能方便实现与微处理器直接接口。
18
3、应用
产品种类多，转换能力有很大的差异； 有8Bit、10Bit、12Bit、14Bit、16Bit等。 在这些不同转换能力的ADC中，又包括有并行输 出的ADC，以及输出为串行的ADC。 常见的8Bit的有NS公司的ADC0801、DC0802、 ADC0803、ADC0804系列及ADC0808、 ADC0809系列 10Bit有AD公司的AD574，MAXIM公司 MAX1425、MAX1426 12Bit有AD公司的AD7888，MAXIM公司 MAX170、MAX172
有些DAC芯片内无缓冲寄存器，此时须外接， 如74LS273、373等锁存器。
26
3) 模拟开关按输入的数字量接通或断开解码 网相应支路的电流或电压；对它的要求比接通或 断开开关量的电子开关更高。希望动作快；接通 电阻很小，断开电阻很大，且稳定性好。在DAC 中有电压型开关和恒流型电流开关之分。
A-D转换器的原理和三种类型介绍
A/D 转换器的原理和三种类型介绍
在仪器仪表系统中，常常需要将检测到的连续变化的模拟量如：温度、压力、流量、速度、光强等转变成离散的数字量，才能输入到计算机中进行处理。
这些模拟量经过传感器转变成电信号（一般为电压信号），经过放大器放大后，就需要经过一定的处理变成数字量。
实现模拟量到数字量转变的设备通常称为模数转换器（ADC），简称A/D。
随着集成电路的飞速发展，A/D 转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。
为满足各种不同的检测及控制需要而设计的结构不同、性能各异的A/D 转换器应运而生。
下面讲讲A/D 转换器的基本原理和分类。
根据A/D 转换器的原理可将A/D 转换器分成两大类。
一类是直接型A/D
转换器，将输入的电压信号直接转换成数字代码，不经过中间任何变量；另一类是间接型A/D 转换器，将输入的电压转变成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等），然后再将这个中间量变成数字代码输出。
尽管A/D 转换器的种类很多，但目前广泛应用的主要有三种类型：逐次。
常用的几种类型的ADC基本原理及特点
常用的几种类型的ADC基本原理及特点AD转换器的分类下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。
双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。
它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。
1）积分型（如TLC7135）积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。
其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。
初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。
2）逐次比较型（如TLC0831）逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。
其电路规模属于中等。
其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。
3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。
由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。
串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Half flash(半快速)型。
还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。
逐次比较型ad转换器原理(一)
逐次比较型ad转换器原理(一)逐次比较型AD转换器解析什么是逐次比较型AD转换器？•逐次比较型AD转换器（Successive Approximation ADC）是一种常见的模数转换器，用于将模拟信号转换为数字信号。
•逐次比较型AD转换器逐位地逼近模拟输入信号，并将其转换为对应的二进制数值。
原理1.初始化：设置AD转换器的比特数（分辨率）及参考电压。
2.设置比特值：对于N位ADC，从最高有效位（MSB）开始，将比特值设为最大值（例如对于8位ADC，将比特值设为。
3.开始转换：给定模拟输入信号，将比特值加载到DAC（数字模拟转换器）上。
4.比较：将DAC输出与模拟输入信号进行比较。
5.判断：如果DAC输出大于模拟输入信号，则将比特值的最高位设为0，否则设为1。
6.下一比特：将比特值右移一位，重复步骤4-6直到所有比特位都被处理。
7.完成转换：当所有比特位都被处理完后，AD转换器输出数字信号，即模拟信号的数字表示。
优点•高精度：逐次比较型AD转换器的分辨率通常较高，可以实现精确的模拟信号转换。
•相对简单：相较于其他类型的AD转换器，逐次比较型ADC的电路结构较为简单，容易实现和调整。
缺点•转换速度较慢：由于逐位逼近的方式，逐次比较型ADC的转换速度较慢，适用于低频信号转换，不适用于高速数据采集。
•对输入信号要求高：由于逐次比较的特性，输入信号的变化速率应较低，否则可能导致转换不准确。
应用领域•逐次比较型AD转换器常用于测量和控制系统中，例如温度传感器、压力传感器等模拟信号的转换。
•由于其较高的分辨率，逐次比较型AD转换器也常用于音频和视频设备中，以实现高质量的信号转换和编码。
逐次比较型AD转换器通过逐步逼近将模拟信号转换为数字信号。
虽然转换速度较慢，但在一些对精度要求较高、信号变化不频繁的应用中，逐次比较型AD转换器仍然是一种有效的选择。
原理的深入解析初始化在初始化阶段，首先设置AD转换器的比特数（分辨率），决定了转换结果的精度。
双斜积分式ad转换器工作原理
双斜积分式ad转换器工作原理
双斜积分式AD转换器是一种模拟信号转换为数字信号的电路。
AD转换器是指将模拟信号转换为数字信号的一种电路。
双斜积分式AD转换器利用滑动窗口积分的原理，对模拟信号进
行逐段积分，将每段积分的结果存储在一个逐次递增的计数器中，然
后对这些计数器的值进行比较，从而得到数字信号。
其基本原理是：将待转换信号与一系列定量参考信号（即参考电
压Vref）进行比较，以确定信号的量化值。
具体工作过程如下：
1. 采样：将模拟信号按照一定的时间间隔进行采样。
2. 去除直流分量：通过一个带通滤波器，将采样信号中的直流
分量滤除，得到一个交流信号。
3. 双积分运算：将交流信号在两个积分器中进行积分运算，得
到两个逐渐增加的电压信号。
4. 参考电压的加减：将两个积分器的电压信号与参考电压进行
比较，得到比较信号。
5. 数字信号输出：根据比较信号的大小，可以得到模拟信号的
数字信号输出。
总的来说，双斜积分式AD转换器通过积分和比较运算，将模拟
信号转换为数字信号。
这种AD转换器具有简单、快速、精度高等优点，被广泛应用于电子测量、传感器信号处理、音频信号处理等领域。
ADC选型经典指南
一ADC的定义模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，(简称a/d转换器或adc,analog to digital converter)通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。
通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。
由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。
故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。
而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
二 ADC的基本原理在A/D转换中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散量，所以进行转换时只能按一定的时间间隔对输入的模拟信号进行采样，然后再把采样值转换为输出的数字量。
通常A/D转换需要经过采样、保持量化、编码四个步骤。
也可将采样、保持合为一步，量化、编码合为一步，共两大步来完成。
(1)采样和保持：采样，就是对连续变化的模拟信号进行定时测量，抽取其样值。
采样结束后，再将此取样信号保持一段时间，使A/D转换器有充分的时间进行A/D转换。
采样－保持电路就是完成该任务的。
其中，采样脉冲的频率越高，采样越密，采样值就越多，其采样－保持电路的输出信号就越接近于输入信号的波形。
因此，对采样频率就有一定的要求，必须满足采样定理即：fs≥2fImax其中fImax 是输入模拟信号频谱中的最高频率（2）量化和编码：所谓量化，就是把采样电压转换为以某个最小单位电压△ 的整数倍的过程。
分成的等级称为量化级 ,A 称为量化单位。
所谓编码 , 就是用二进制代码来表示量化后的量化电平。
采样后得到的采样值不可能刚好是某个量化基准值 , 总会有一定的误差 , 这个误差称为量化误差。
显然 , 量化级越细 , 量化误差就越小 , 但是 , 所用的二进制代码的位数就越多 , 电路也将越复杂。
量化方法除了上面所述方法外 , 还有舍尾取整法 , 这里不再赘述。
采样的话时间非常短,起动AD转换后，就把模拟值读进去了。
A-D转换器原理
A/D转换器原理
A/D 转换器原理
A/D 转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。
模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。
但在A/D 转换前，输入到A/D 转换器的输入信号必须经各种
传感器把各种物理量转换成电压信号。
A/D 转换后，输出的数字信号可以有8 位、10 位、12 位和16 位等。
A/D 转换器的工作原理主要介绍以下三种方法：逐次逼近法双积分法电压频率转换法
(1). 逐次逼近法逐次逼近式A/D 是比较常见的一种A/D 转换电路，转换的时间为微秒级。
采用逐次逼近法的A/D 转换器是由一个比较器、D/A 转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图4.21 所示。
基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。
逐次逼近法
图4.21 逐次逼近式A/D 转换器原理框图逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A 转换器，经D/A 转换后生成的模拟量送入比较器，称为Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖi 进行比较，若Ｖo 转换器，输出的Ｖo 再与Ｖi 比较，若Ｖo(2)双积分法采用双积分法的A/D 转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。
如图4.22 所示。
基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。
双积分法。
ADCDAC的种类
6）线性度(LLeabharlann nearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。
其他指标还有：绝对精度(Absolute Accuracy) ，相对精度(Relative Accuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（Total Harmonic Distotortion缩写THD）和积分非线性。
3）量化误差 (Quantizing Error) 由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。
4）偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。
5）电容阵列逐次比较型
电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。
6）压频变换型（如AD650）
压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。
AD转换器原理分析
•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，
9.2.3 逐次比较型A/D转换器
1. 转换原理
逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 ，
所用砝码重量：8克、4克、2克和1克， 设待秤重量Wx = 13克，
D4
000 100 0 0
D3
000 011 1 1
D2
D1
OD 0 V
000 001 1 1 000 000 1 1 000 000 0 1
9
8
7 .5 0 0 0 0
7
6 .2 5 0 0 6 .8 7 5 0 6 .5 6 2 5 6 .7 1 8 7 5
6 .8 3 5 9 3 7
6
5
5 .0 0 0 0
15 5V
3Δ=6/15 v
15 3
V
2Δ=4/15v
15 1V 15
1Δ=2/15 v 0Δ=0 v
0
编码
111 110 101 100 011 010 001 000
最小量化单位： Δ=1LSB= 2/15 V 最大量化误差为：
max＝L1S/1B52V m a xLS B2
9.2.2 并行比较型A/D转换器
+I A S1
R
–
–VREF
S
+
B
1
O
– +C
C
定 时 信 0号 Q
n
F
1
Fn 1J
0Qn
C ＜ -1
1K R
FF
1
n-1 1J C＜ 1K R
2.3 逐次逼近式AD与双积分AD解析
（010…0）小，即必在001…1——000…0之间，此时 反馈比较， 次高位应为0； 确定1/4搜索范围 若U ≥U ，说明模拟量输入电压比寄存器输出的数码
IN F
（010…0）大，即必在011…1 ——010…0之间，此时
次高位应为1 ；
解：U OUT U REF 解：U OUT U REF
D 1 1 1 1 1 1 10 ( 1 1 0 0 ) 10 ( 0 0) 7.25V 2n 2 22 23 24 2 4 D 1 1 1 1 1 1 1 10 ( 1 1 1 0 ) 10 ( 0) 8.75V 2n 2 22 23 24 2 4 8
《计算机控制系统》 第二章 过程通道
D／A转换器工作原理
对 n 位D/A转换器而言，当输 入数字量为 D=Dn-1…D1D0 时， 其输出电压为
U OUT
沈阳工程学院动力系 崔长春
U REF D n 1 1 0 ( D 2 D 2 D 2 ) U n -1 1 0 REF n 2n 2
《计算机控制系统》 第二章 过程通道
沈阳工程学院动力系 崔长春
自编2-2：四位D/A转换器，基准电压为10V，当输入数 字量D为1001时，其输出的模拟量为多少？ （作业）
解：U OUT U REF
D 2n
1 1 1 1 10 (1 0 2 0 3 1 4 ) 2 2 2 2 1 1 10 ( 0 0 ) 2 16 5.625V
沈阳工程学院动力系 崔长春
1、S/H的作用 在采样时刻，采集过程变量； 保持A/D的输入值在转换时间内不变；
双积分式ADC的原理及如何设计
双积分式ADC的原理及如何设计
引言
A／D转换电路是数据采集系统中的重要部分，也是计算机应用系统中一种重要的功能接口。
目前市场上有两种常用的A／D转换芯片，一类是逐次逼近式的，如AD1*，其特点是转换速度较高，功率较低。
另一类是双积分式的，如ICL7135，其特点是转换精度高、抗干扰能力强。
但高位数的A／D转换器价格相对较高。
本文介绍的一种基于单片机的高精度、双积分型A／D转换电路，具有电路体积小、成本低、性价比高、结构简单、调试容易和工作可靠等特点，有很好的实际应用价值。
1 双积分式ADC基本原理
双积分式ADC的基本电路如图1所示，运放A 1、R、C用来组成积分器，运放A2作为比较器。
电路先对未知的模拟输入电压U1进行固定时间T1的积分，然后转为对标准电压U0进行反向积分，直到积分输出返回起始值，反向积分时间为T0。
如图2所示，输入电压U1越大，则反向积分时间越长。
整个采样期间，积分电容C上的充电电荷等于放电电荷，因而有由于U0及T1均为常数，因而反向积分时间T0与输入模拟电压U1成正比，此期问单片机的内部计数器计数值与信号电压的大小成正比，此计数值就是U1所对应的数字量。
2 实用双积分A／D转换电路
1)硬件电路图
如图3所示，运放A1、R、C构成积分电路，C常取0．22μF的聚丙烯电容，R常取500k Ω左右，A2是电压跟随器，为电路提供稳定的比较电压，运放A3作为电压比较器，保证A／D转换电平迅速翻转，CD4051是多路选择开关，单片机P1．0、P1．1、P1．2作为输出端口，控制其地址选择端A、B、C选择不同的通道输入到积分器A1，U为将要。
一、AD转换的过程
A/D转换器的基本原理
vO/V 1 7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8 0 未量化 已量化
t
经量化后的信号幅值均为的整数倍，在量化过程中会产生误 差，称为量化误差。最大量化误差=1/8V。
7.3.1
A/D转换器的基本原理
方式二：四舍五入量化方式（舍入量化方式）
取两个离散电平中的相近值作为量化电平。 如果 0V≤vI＜1/16V 则量化为0=0V；
3.125V 3.4375V
比较结果 vI＞vO vI＜vO vI＞vO vI ＞ vO
处 理 （d3）1保留
（d2）1不保留
（d1）1保留 （d0）1保留
1010
1011
7.3.3 逐次逼近型A / D转换器
4位的逐次逼近A/D转换器的原理图
vI C vO＇
1 2 -
+
DAC
H3 &
- +
由R-2R网络型DAC、比较器、SAR三部分组成。
7.3.3 逐次逼近型A / D转换器
2.工作原理
vO DAC VREF=-5V D3 D2 D1 D0 vI + C 逐次逼近 寄存器（SAR） CP
vO/V 4.6875
4.3750 4.0625 3.7500 3.4375 3.1250 2.8125 2.5000 2.1875 1.8750 1.5625 1.2500 0.9375 0.6250 0.3125 0.0000
FF4 1D C1
Q4
FF5 1D C1
Q5
CP
7.3.3 逐次逼近型A / D转换器
例： 逐次逼近型A／D 转换器如图所示。当vI＝1.5V时，问： （1）输出的二进制数D3D2D1D0＝？ （2）转换误差为多少？ （3）如何提高转换精度？
ADC原理
常见A/D 转换器
-
1、并联比较型A/D转换器 并联比较型A/D转换器的电路如图。它由电 阻分压器、电压比较器及编码电路组成，输 出的各位数码是一次形成的，它是转换速度 最快的一种A/D转换器。
-
模拟输入 R
uI 7 8 UREF
R 6 8 UREF
R
5 8
UREF
R
4 8
UREF
R
3 8
UREF
fs≥2fImax 其中fImax 是输入模拟信号频谱中的最高频率
-
-
（2）量化和编码
如果要把变化范围在 O~7V 间的模拟电压转换为 3 位二 进制代码的数字信号 , 由于 3 位二进制代码只有 23 即 8 个数值 , 因此必须将模拟电压按变化范围分成 8 个等 级。每个等级规定一 个基准值 , 例如 O~0.5V 为一个等 级 , 基准值为 OV, 二进制代码为 000，6.5~7V 也是一 个等 级 , 基准值为 7V, 二进制代码为 111, 其他各等 级分别为该级的中间值为基准值。凡属于某一等级范围内 的模拟电压值 , 都取整用该级的基准值表示 。例如 3.3V, 它在2.5~3.5V 之间 , 就用该级的基准值 3V 来表 示 , 代码是 011 。显然 , 相邻两级间的差值就是△ =1V, 而各级基准值是△ 的整数倍。模拟信号经过以上处 理 , 就转换成以△为单位的数字量了 。 上述过程可用 上页图形表示。
7个量化电平分别加在7个电压比较器的反相输入端， 模拟输入电压uI加在比较器的同相输入端。当uI大于 或等于量化电平时，比较器输出为1，否则输出为0， 电压比较器用来完成对采样电压的量化。
-
比较器输出
编码器输出
输入模拟电压uI Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 D2 D1 D0
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U 01
1 =− RC
∫
t2
t1
U i dt = −
T1 Ui RC
（2.1） ）
3．定值积分阶段T2：在 t2 时刻令 1断开的同时，使与 i极性相反的基准电 ．定值积分阶段 时刻令S 断开的同时，使与U 压接入积分器。本例设U 为正值，则令S 闭合，于是积分器开始对基准电压U 压接入积分器。本例设 i为正值，则令 3闭合，于是积分器开始对基准电压 R 定值积分，积分器输出从U 值向零电平斜变，同时，计数器也重新从零计数， 定值积分，积分器输出从 01值向零电平斜变，同时，计数器也重新从零计数， 当积分输出达到零电平时刻（ ），比较器翻转 此时控制电路令计数器关门， 比较器翻转， 当积分输出达到零电平时刻（即t3），比较器翻转，此时控制电路令计数器关门， 计数器保留的计数值为N 定值积分阶段T 结束时，积分器输出电平为零， 计数器保留的计数值为 2。定值积分阶段 2结束时，积分器输出电平为零， 则有 则有
0 = U 01
1 − RC
∫
t3
t2
( −U r ) dt
2.2） ）
数学推导
1 t2 T U 01 = − U i dt = − 1 U i RC ∫t 1 RC
t1
t2
t3
（2.1） ） （2.2） ）
U01
1 t3 0 = U 01 − ∫t2 (−U r )dt RC
式代入2.2式得 将2.1式代入 式得 式代入
T1 T2 Ui = Ur RC RC
T2 =
T1 U i U r
（2.3） ）
2.3式所明：T2与输入电压的平均值 U i 成正比 式所明： 式所明 设时钟周期为T 计数器容量为N 设时钟周期为 0，计数器容量为 1，则T1=N1To、T2=N2To，2.3式可改写为 式可改写为
N2 = N1 Ui Ur
（2.4） ）
成正比（ 2.4式所明：N2与输入电压的平均值 U i 成正比（ N2 ∝ U i ） 式所明： 式所明
N2 ∝ Ui关系的演示
（假定输入电压增加为2Ui） 假定输入电压增加为
① 积分器输出电压还是负向 积分，积分时间Ｔ 不变， 积分，积分时间Ｔ１不变， 但是，斜率将增加一倍。 但是，斜率将增加一倍。 期间， ② 在Ｔ２期间，积分器反向 积分的斜率不变（ 积分的斜率不变（因ＵＲ不 ），但是 但是， 变），但是，返回到零点的 时间Ｔ 将增加一倍。 时间Ｔ２将增加一倍。 由于Ｔ 增加一倍， ③ 由于Ｔ２增加一倍，因而 在Ｔ２期间的计数值Ｎ２也 期间的计数值Ｎ 将增加一倍。 将增加一倍。 N2T0
积分式A/D转换器是一种间接式 转换器是一种间接式A/D转换器，其工作原理是： 转换器， 积分式 转换器是一种间接式 转换器 其工作原理是： 先用积分器把输入模拟电压转换成中间量（时间T 或频率f）， 先用积分器把输入模拟电压转换成中间量（时间 或频率 ）， 然后再把中间量转换成数字。 然后再把中间量转换成数字。 积分式A/D转换器又可进一步分为许多类型，本节仅讨论其 转换器又可进一步分为许多类型， 积分式 转换器又可进一步分为许多类型 中最基本的双积分式A/D转换器及接口技术。 转换器及接口技术。 中最基本的双积分式 转换器及接口技术
双积分式A／ 转换器原理概述 双积分式 ／D转换器原理概述
1． 预备阶段： 逻辑控制电路发出复位指令，计数器清零，同时使 闭合，积 ． 预备阶段： 逻辑控制电路发出复位指令，计数器清零，同时使S4闭合 闭合， 分器输入/输出都为零 积分式A／D转换器与计算机接口 输出都为零。 分器输入 2.1.3 。 输出都为零 积分式A 2． 定时积分阶段 1： ． 定时积分阶段T ： 时刻， 在t1时刻，逻辑控制电路发出启动指令，使S4断，S1 时刻 逻辑控制电路发出启动指令， 断 一、 于是积分器开始对输入电压 i积分，同时打开计数门计数。当计数器计满 双积分式 ／ 转换器原理概述 闭合， 双积分式A／D转换器原理概述 闭合，于是积分器开始对输入电压U 积分，同时打开计数门计数。 N1时(t2时刻 ，计数器的溢出脉冲使逻辑控制电路发出控制信号使 1断开。 时刻)， 时 时刻 计数器的溢出脉冲使逻辑控制电路发出控制信号使S 断开。 阶段T 结束，积分器输出 阶段 1结束，积分器输出
双积分式A／ 转换器原理概述 双积分式 ／D转换器原理概述
双积分式A／ 转换器又称双斜式 转换器又称双斜式A/D转换器，其转换过程 转换器， 双积分式 ／D转换器又称双斜式 转换器 在逻辑控制电路的控制下按以下三个阶段进行。 在逻辑控制电路的控制下按以下三个阶段进行。 1．预备阶段 ． 2．定时积分阶段T1 ．定时积分阶段 3．定值积分阶段T2 ．定值积分阶段
逐次比较式A 逐次比较式A／D转换器原理
它由N位寄存由 位寄存器、N位D／A转换器、比较器、逻辑控制电路、 位寄存器 五部分组成， 输出缓冲器 五部分组成， 逐次比较式A／ 转 逐次比较式 ／D转 换器大都做成单片集成 电路形式， 电路形式，使用时只需 发出A／ 转换启动信 发出 ／D转换启动信 然后在EOC端查知 号，然后在 端查知 A／D转换过程结束后， 转换过程结束后， ／ 转换过程结束后 取出数据即可（实际A 取出数据即可（实际 ／D转换过程已不是非 转换过程已不是非 常重要）。 常重要）。
1．预备阶段----复零，S4接通 ．预备阶段 复零， 接通 复零 2．定时积分阶段----第一次积分，S1接通 ．定时积分阶段 第一次积分 第一次积分， 接通 特点：定时积分T 固定， 正比于) 特点：定时积分 1固定， UO1∝(正比于 Ui 正比于 双积分式A／D转换器原理概述 双积分式 ／ 转换器原理概述 3．定值积分阶段----第二次积分，S3/S4接通 ．定值积分阶段 第二次积分 第二次积分， 接通 特点：定值积分（反向）， ），N 特点：定值积分（反向）， 2∝UO1∝Ui