8.2 模数转换器

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8.2 A/D转换器 A/D转换器
概 述
1. A/D功能 能将模拟电压成正比地转换成对应的 功能: 功能 数字量。 数字量。
输出数字量 ADC Dn~D0
输入模拟电压
υI
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2. A/D转换器分类 A/D转换器分类
① 并联比较型 特点: 转换速度快,转换时间 特点 转换速度快 转换时间 10ns ~1µs, 但电路复杂。 µ 但电路复杂。 ② 逐次逼近型 特点: 转换速度适中,转换时间 为几µ 转换精度高， 特点 转换速度适中 转换时间 为几µs ~100 µs, 转换精度高，在 转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。 转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。 ③ 双积分型 特点: 转换速度慢,转换时间 几百µ 几 但抗干扰能力最强 但抗干扰能力最强。 特点 转换速度慢 转换时间 几百µs ~几ms,但抗干扰能力最强。
TG
υI(t)
υO(t)
S(t)
υI (t)
S(t)=1:开关闭合 开关闭合 S(t)=0:开关断开 开关断开
0 S(t)
t
υO (t)
0
τ
t TS
0
t
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取样与保持电路及工作原理 取样与保持电路及工作原理
采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续 采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间， 的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样 的量化编码过程提供一个稳定的值， 的模拟信号保持一段时间。 的模拟信号保持一段时间。
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8.2.2 逐次比较型A/D转换器 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： 克 克和1克 所用砝码重量：8克、4克、2克和 克。 克 克和 设待秤重量Wx = 13克。 设待秤重量 克
所加砝 码重量
结果 待测重量W 砝码总重 < 待测重量 x ，8克砝码保留 克砝码保留 待测重量W 砝码总重仍 <待测重量 x ，4克砝码保留 待测重量 克砝码保留 待测重量W 砝码总重 > 待测重量 x ， 2克砝码撤除 克砝码撤除 待测重量W 砝码总重 ＝ 待测重量 x ， 1克砝码保留 克砝码保留 8 克 12 克 12 克 13 克
小 结：
1. 逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换 逐次比较型 转换器输出数字量的位数越多转换 精度越高； 精度越高； 2. 逐次比较型 逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与 转换器完成一次转换所需时间与 其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈少， 其位数 和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率 和时钟脉冲频率有关 越高，转换所需时间越短； 越高，转换所需时间越短；
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4. 量化误差：量化前的电压与量化后的电压差 量化误差： 在量化过程中，由于所采样电压不一定能被∆ 在量化过程中，由于所采样电压不一定能被∆整 所以量化前后一定存在误差， 除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为 量化误差， 表示。 量化误差，用ε表示。 量化误差属原理误差，它是无法消除的。 量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换 转换 器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误 器的位数越多，各离散电平之间的差值越小， 差越小。 差越小。 5. 量化方式 两种近似量化方式： 两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的 量化方式。 量化方式。
υI ≥5V
动 脉 冲
10 0…
0
· · ·
Dn-1 1 Dn-2 D1 D0
数 量输
· · ·
VREF
D/A
器
VREF=10V
υ O′
= 5V
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1. 转换原理 第二个CP： 第二个 ：
υI=6.84V
模拟 υI 量输入 电压 比较器 CP 时钟 移位寄位器
υC
υP
②
τ
=
2n TC
τ
VI
0
t λ
υC
0 T1
T2=λTc λ
t
2n TC T2 = VI VREF T2 2n λ= = VI Tc VREF
T2
在计数器所计的数λ 就是A/D转换器得到的结果。 转换器得到的结果。 在计数器所计的数λ=Qn-1…Q1Q0，λ就是 转换器得到的结果 重庆工学院
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2n TC T2 = VI VREF
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8.2.4 A/D转换器的主要技术指标 A/D转换器的主要技术指标
1.转换精度 1.转换精度 单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差 转换器的转换精度是用分辨率和转换误差 单片集成 来描述的。 来描述的。 •分辨率 分辨率: 分辨率 说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二 转换器对输入信号的分辨能力。 说明 转换器对输入信号的分辨能力 进制(或十进制 数的位数表示。 或十进制)数的位数表示 进制 或十进制 数的位数表示。 •转换误差： 转换误差： 转换误差 表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字 转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字 表示 量之间的差别。 量之间的差别。
CP
C DnD1
VREF加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当 加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分； t=t2时积分器输出电压υO≥0，比较器输出υC=0，时钟脉冲控制 时积分器输出电压υ ，比较器输出υ ， 被关闭， 门G被关闭，计数停止。 被关闭 计数停止。 重庆工学院
Qn
1
FF
1
1J C＜ 1K R D0
G 1J & C ＜ υG 1K R
CP
C DnD1
经过2 经过 n个CP
t = t0时，开关 1与A端相接，积分器开始对υI积分。 开关S 端相接， 端相接 积分器开始对υ 积分。 开关切换到B， 经2n个CP后,开关切换到 ，υ，=VP。第一积分时间为2nTC 后 开关切换到 。
′ υO = −
0
υ S1
0
t1 +υI
t2
t
∫ υ dt τ
0 I
1
t
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VP = −
t
T1
τ
V1 = −
2n TC
τ
V1
T1=2nTC
υO
0 ① T1 T2
–V REF
T2=t1 −t2
t
υO (t2 ) = Vp −
VREFT2
τ∫
1
t2
t1
( − VREF )dt = 0
模拟 υI 量输入 电压 比较器
CP 时钟 移位寄位器 · 0 0 1 …· · 控制逻 辑电路 数据寄存器
0
υI ≥6.25V
启 动 脉 冲
10 1…
0
· · ·
Dn-1 Dn-2 D1 D0
1 0数 1 量输
· · ·
VREF VREF=10V
D/A
器
υ O′ =
6.25V
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8.2.1 A/D
数字 取 样 编 码
A/D
4
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1. 取样与保持 采样是将随时间连续变化的 模拟量转换为在时间离散的模拟 量。 采样信号S(t)的频率愈高， 的频率愈高， 采样信号 的频率愈高 所采得信号经低通滤波器后愈能 真实地复现输入信号。 真实地复现输入信号。合理的采 样频率由采样定理确定。 样频率由采样定理确定。 采样定理：设采样信号 采样定理：设采样信号S(t)的频 的频 率为f 率为 s，输入模拟信号υI(t)的最 的最 高频率分量的频率为f 高频率分量的频率为 imax， 则 fs ≥ 2fimax
0 1 ·… · 0 ·
控制逻 辑电路 数据寄存器
0
υI <7.5V
启 动 脉 冲
11 0…
0
· · ·
Dn-1 Dn-2 D1 D0
1 0 数
量输
· · ·
VREF
D/A
器
VREF=10V
υ O′
= 7.5V
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1. 转换原理 第三个CP： 第三个 ：
υA=6.84V
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8.2 A/D 转换器
8.2.1 A/D转换的一般工作过程 转换的一般工作过程
8.2.2 逐次比较型A/D转换器 逐次比较型A/D转换器 8.2.3 双积分式A/D转换器 双积分式A/D转换器 8.2.4 A/D转换器的主要技术指标 A/D转换器的主要技术指标
8.2.5 集成 集成A/D转换器及其应用 转换器及其应用
CP
C Dn(MSB) D1 数字量输 Tc
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2、工作原理 、
S2 +υI′ –VREF B 定 时 信 0 Q A S1 R
①准备阶段： 准备阶段：
υS
– +
υO
– + C
υC
n 级计数器 F 1J C＜ 1K R 1 0 n Q FF 1J C＜ 1K R 1
0Q
FF 1J C＜ 1K R
1