数模转换器基本原理及常见结构

Ts - tw
三、量化和编码
模拟信号经S/H得到的取样值仍属模拟范畴，需经量化 （将取样值表示为最小数量单位的整数倍）处理，才能转换为 时间上和数值上都为离散的数字信号。
最小数量单位称量化单位(1△=1LSB)。 编码：将量化结果用数字代码表示出来。常见有自然二进 制编码、二进制补码编码。
因取样值为输入信号某些时刻的瞬时值，它们不可能都正 好是量化单位的整数倍，即在量化时不可避免地会引入量化误 差(ε)。
3位ADC 示意图
输出数字量对应一个 模拟区间
＋VCC
VREF
模拟输入 （0－8V）
A/D转换器
GND
输出
0V<000<1V 1V<001<2V 2V<010<3V 3V<011<4V 4V<100<5V 5V<101<6V 6V<110<7V 7V<111<8V
§8.3.1 ADC的基本原理
一、采样和采样定理
τC<<tw，故Vs的变化与Vi 同步。
0
Vs
( c) 输 输 输 输
t
Vi 3 S(t) 8
V+ VRP
LF198
VB 2
1
源自文库
4
0
-
A
+1
30k
S Vo
-
A
+2
5 Vo
Vo
300
L
0
LF198
取样时间
t1
7
6
C
tw
t
( d) 输 输 输 输
t2
t3
t4
t5
t
保持时间
( e) 输 输 输 输 输 输
即n位数字量
3位并行比较型ADC的转换真值表
Vin
0≤Vin＜1V 1V≤Vin＜2V 2V≤Vin＜3V 3V≤Vin＜4V 4V≤Vin＜5V 5V≤Vin＜6V 6V≤Vin＜7V 7V≤Vin＜8V
I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0
1111111 0111111 0011111 0001111 0000111 0000011 0000001 0000000
模数转换器及其应用
本次课内容 1、ADC的转换原理； 2、ADC的主要参数。 3、模数典型芯片介绍； 4、ADC的基本应用方法。
§8.3 模数转换器（ADC）
ADC作用：将模拟量转换为数字量。 主要应用：(低速)数字万用表，电子秤等；(中速)工业 控制，实验设备等；(高速)数字通信、导弹测远等；(超高速) 数字音频、视频信号变换、气象数据分析处理。
1/8－1/16; 1/8－3/16
±LSB/2
截断量化
量化区间末端
量化点误差为0 Vi=1/8V
1/8<Vi<2/8(V)
1/8－2/8 －1LSB
Vi VR
R
R
2n
R
§8.3.2 ADC的基本原理
一、并行（闪速） ADC
(2n－1)个
输输输

_
编

_
码
电
路

_
输输输输
Dn-1
锁 存 器
D0
可有输2n7种.2.2输 输 输 ADC输 输 输 输 输 比较结果
ADC周期性地将输入模拟值转换成与其大小对应的数字量， 该过程称为采样。
采样是否会造成丢失某些信息？
时域采样定理：一个频带有限的信号f(t)，如果其频谱在区 间(－ωm,ωm)以外为零，则它可以唯一的由其在均匀间隔 Ts(Ts<1/2fm)上的样点值f(nTs)确定。
即只要采样脉冲频率fs大于或等于输入信号中最高频率fm的 两倍（fs ≥2fm），则采样后的输出信号就能够不失真地恢复出 模拟信号。
优点：技术成熟，精度较高、速度较快。 不足：对Vi中噪声敏感，输入端需用S/H电路（ADC转换 期间Vi要恒定）。
100kHz 时钟
START BUSY
D7 D6 D5
D4 D3 D2 D1 D0
DAC Vout
10
9
8
7
6
5
5.0000
4
3
2
1 0 0.00
开始转换 数据准备好，停止转换,SAR清零 1 0 1 0 1 1 1 0 输输输输输输
ADC输入是模拟量，输出是数字量； ADC输出的数字量可视为输入电压(电流)与基准电压 (电流)相比所占的比例。
ADC输出与输入关系可表示如下：
Dout Ain VREF 2 n
即ADC是将输入信号Ain与其所能分辨的最小电压增量 VREF/2n相比较，得到与输入模拟量对应的倍数（取整）。
Dn-1
逐次逼近 寄存器
SAR
时钟
输出 寄存器
VR D0
Dn-1
开始前清零!
即完成一次转换需n+1个时钟周期。
首先，置DN-1＝“1”，若VP =“H”，则保留DN-1=“1”；否
则，DN-1=“0”。
然后，置DN-2＝“1”，若VP =“H”，则保留DN-2=“1”；否
则，DN-2=“0”。 …… D0位确定，转换结束。
量化误差：有限位ADC产生的输出数据的等效模拟值与 实际输入模拟量之间的差值。
量化误差的大小与量化方式、量化单位、ADC编码位数、 基准电压大小有关。
常用的量化方式：舍入量化和截断量化两种方式。
例如：FSR=1V的3位ADC，其分辨率为1/8V（1LSB）。 分别采用舍入量化和截断量化两种方式，情况如下：
输 b输 输 输 输 输 输 输
输 7.2.3 3输 ADC输 输 输 输 输 输
对应的输入范围
对应的输入范围
数 字 值 LSB LSB 2
数 字 值 LSB ~ 数 字 值 1 LSB
量化值
输出001H
最大 误差
舍入量化
量化区间中点
量化点误差为0 Vi=1/8V
1/16<Vi<3/16(V)
1.5LSB
输出
输出
111 110
1 LSB
A
111 110
A -LSB
101
2
101
100 011 010
100 011 010
001 000
0
Vin 12 345 67 1
001 000
0
Vin 12 345 67 1
88 888 88
LSB/2
输 a输 输 输 输 输 输 输
FSR
88 888 88 FSR
Y2 Y1 Y0
000 001 010 011 100 101 110 111
优点：转换快（仅一个时钟周期）。
量化值
0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V
不足：n较大时，比较器、分压电阻数量太大，难以保 证其准确性及一致性。
二、逐次逼近式ADC
Vf Vi
Next
比较器
_
Vp
比较
DAC
D0
二、采样/保持电路
模拟量到数字量转换需要一 定时间，在此期间要求采样所得 的样值保持不变。这个过程需有 Vi 相应电路实现。
S(t)
-
A
Vo
+
VT
C (a) 取样保持电路
Vi S(t)
-
A
Vo
+
VT
C (a) 取样保持电路
Vi
( b) 输 输 输 输 输 输
0
t1
t2
t3
t4
t5 t
Ts
S(t)
tw