AD转换及其原理ppt课件
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➢ 只要两次积分过程中积分器的时间常数相等路 对RC精度的要求不高。
➢ 电路的结构相对比较简单。 ➢ 双积分型A/D转换器属于低速型AD转换器，一
次转换时间在1~2ms，而逐次比较型A/D转换器 可达到1s。毫秒级的时间对于工业控制是足足 有余的，因此在工业控制中发挥优势。
.
四.集成A/D转换器及应用
• 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，AD574的分辨率为12位等。
2. 量化误差 • 量化误差是由于ADC 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±1/2 LSB之间。
.
二.ADC的主要技术参数
接口。
.
双积分型A/D转换器
双积分型A/D转换器属于间接型A/D转 换器，它是把待转换的输入模拟电压先 转换为一个中间变量，例如时间T；然 后再对中间变量量化编码，得出转换结 果，这种AD转换器多称为电压-时间变 换型（简称VT型）。
.
双积分型A/D转换器
双积分型AD转换器的框图
.
双积分型ADC原理
路使开关S1与UI相接，重复第一步。
T2
T1 VREF
UI
D
N1 VREF
U
源自文库
I
N1
T1 TCP
其中TCP是脉冲时钟信号，D是计数脉冲数
.
双积分AD转换器
计数器中的数值 就是AD转换器转 换后数字量，至 此即完成了VT转 换。
.
双积分型A/D转换器的特点
➢ 因有积分器的存在，积分器的输出只对输入信 号的平均值有所响应，保证了工作性能比较稳 定且抗干扰能力强。
.
双积分型ADC原理
• 第二阶段称为定速率积分过程，将UO1转换为成比 例的时间间隔。采样阶段结束时，一方面因参考
电压-VREF的极性与UI相反，积分器向相反方向积 分。计数器由0开始计数，经过T2时间，积分器输 出电压回升为零，过零比较器输出低电平，关闭 计数门，计数器停止计数，同时通过逻辑控制电
• 常用的A/D转换器芯片有ADC0809、 AD574A。
• 仅介绍ADC0890。CMOS器件，除了有8位 A/D转换器外，还有8路模拟开关以及地址锁 存与译码，有三条地址输入线ADDA、 ADDB、ADDC，可决定选通一路，该芯片 内还有便于与微机数据总线连接的三态输出 锁存器。
.
ADC0809
A/D转换及其原理
.
一.A/D转换的基本概念 二.ADC的主要技术参数 三.A/D转换的一般步骤和基本原理 四.集成A/D转换器及应用
.
概述
• 计算机能够处理的是数字量信息。然而在现实世界中有很 多信息并不都是数字量的，例如声音、电压、电流、流量、 压力、温度、位移和速度等，它们都是连续变化的物理量。 这些连续变化的物理量称为模拟量。
• 转换开始前，先将计数器清零，并接通S0使 电容C完全放电。转换开始，断开S0。整个 转换过程分两阶段进行。
• 第一阶段，令开关S1置于输入信号Ui一侧。 积分器对Ui进行固定时间T1的积分。这一过 程称为转换电路对输入模拟电压的采样过 程。积分结束时积分器的输出电压为：
UO 1C 10 T1(U R 1)dtR TC 1 U 1
• 计算机是处理数字量信息的设备，要处理这些模拟量信息 就必须有一个模拟接口，通过这个模拟接口，将模拟量信 息转换成数字量信息，以供计算机运算和处理。
• 然后，再把计算机处理过的数字量信息转换为模拟量信息， 以实现对被控制量的控制。
AD转换的原因
.
典型计算机自动控制系统
.
一.AD的基本概念
• 模数转换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电量成正比。
.
逐次逼近式A/D转换器工作原理
• 称重过程如下： ① 先在砝码盘上加128g砝码，经天平比较结果，重物195g
＞128g，此砝码保留，即相当于最高位数码D7记为1。 ② 再加64g砝码，经天平比较，重物195g ＞（128＋64）g，
则继续留下64g砝码，即相当于数码D6记为1。 • 接着不断用上述方法，由大到小砝码逐一添加比较，凡砝
A/D转换的一般步骤
采样和保持通常在采样保持电路中完成，量 化和编码通常在A/D转换电路中完成。
.
采样定理：设取样 脉冲s(t)的频率为fS， 输入模拟信号x(t)的最 高频率分量的频率为 fmax，必须满足fs ≥ 2fmax。y(t)才可以正确 的反映输入信号(从而 能不失真地恢复原模 拟信号)。
• 实现模数转换的电路称模数转换器。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。即A/D转换器，或 简称ADC。（Analog - Digital - Converter ）
.
二.ADC的主要技术参数
1. 分辨率
• 对于ADC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ADC的位数。例如具有12位分辨率的 ADC能够分辨出满刻度的1/212（0.0244%）。
.
ADC0809的引脚功能
• IN0～IN7：8路模拟输入。 • START：启动A/D转换信号。 • ALE：地址锁存允许信号。 • EOC：转换结束信号。 • ADDA、ADDB、ADDC：8路模拟通道选择。 • VREF（＋）、VREF（－）：基准电压输入，典型值为VREF
（＋）=＋5V，VREF（－）=0V。 • D0～D7：8位数字数据输出。 • CLOCK：时钟输入。 • VCC 、GND：电源和地。 • OE：输出允许。
量化
数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位△。 将采样－保持电路的输出电压归化为量化单位△的整 数倍的过程叫做量化。
从图中可以看出，量化过 程会产生最大1/2 LSB (即 0.5V ) 的误差，要减少这 种量化误差，可采取位数 更多的A/D转换器。
.
编码
用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫 做编码。 一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量 化过程中不可避免会产生误差，这种误差称 为量化误差。量化级分得越多（n越大），量 化误差越小。 如果有n个量化级，二进制位的位数应为㏒2 n 。如量化级有8个，就需要3位编码。
3. 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。 4. 相对精度 • 它与绝对精度相似，所不同的是把这个偏差表示为满刻度
模拟电压的百分数。 5. 转换时间 • 转换时间是ADC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。 6．量程 • 量程是指能转换的输入电压范围。
.
ADC0809应用
ADC0809与51单片机组. 成的AD转换电路原理 图
.
通常取fs ＝（2.5～3）fmax
A/D转换的一般步骤
由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后， 需要把采样电压保持一段时间。
s(t)有效期间，开关管VT导通，uI向C充电，uO (=uc)跟随uI 的变化而变化；
s(t)无效期间，开关管VT截止，uO (=uc)保持不变，直到下 次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段， 电容C上所存电荷不易泄放。）.
5
0
10 22
2 .5
1
10 1 .2 5
23
0
10 24
0 .6 2 5
1
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0 .3 1 2 5
1
10 2 6 0 .1 5 6 2 5
1
10 27
0 .0 7 8 1 2 5
1
10 28
0 .0 3 9 0 6 2 5
逐次逼近式A/D转换器优点
➢精度高 ➢转换速度快 ➢转换时间固定 ➢简化了与计算机同步，所以常常用作微机
码总重量小于物体重量的砝码保留，否则拿下所添加的砝 码。 • 这样可得保留的砝码为128g＋64g＋2g＋1g＝195g，与重 物重量相等，相当于转换的数码为D7～D0＝11000011。
.
逐次逼近式A/D转换器
逐次逼近型ADC电. 路框图
基准电压UREF
实例
8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，D/A转换器 基准电压 UREF=10V。
.
常用 ADC 的类型
直接型 A/D 转 换 器
间接型
并联比较型 双积分型 逐次渐进型
电压时间变换型积分型(V-T) (双积分型) 电压频率变换型(V-F)
.
逐次逼近式A/D转换器工作特点
•逐次逼近式A/D转换器的工作特点为： ➢二分搜索 ➢反馈比较 ➢逐次逼近
其工作过程与天平称重物重量的过程十分相似。
uI
。
A/D转换的一般步骤
输入模拟量
uI(t)
S
C
uI(t)
采样保持电路
量化 编码 电路
…
输出数字量
Dn-1
D1 D0
采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。 量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的
整数倍表示。 编码：把量化的结果用二进制代. 码表示。
.
三.A/D转换的一般步骤和基本原理
模拟输 入信号
uI
ADC
…
Dn-1 Dn-2
D1 n 位二进制数输出 D0 D = Dn-1 Dn-2 D1 D0
D
uＩ
“[ ]”表示取整。
基本原理
△ 称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，它 是 ADC 的最小分辨电压。
可见，输出数字量
D
正比于输入模拟量 .
CP
0
10000000
5
1
11000000
7.5
2
10100000
6.25
3
10110000
6.875
4
10101000
6.5625
5
10101100 6.71875
6
10101110 6.796875
7
10101111 6.835937
5 相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数
。
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1
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➢ 电路的结构相对比较简单。 ➢ 双积分型A/D转换器属于低速型AD转换器，一
次转换时间在1~2ms，而逐次比较型A/D转换器 可达到1s。毫秒级的时间对于工业控制是足足 有余的，因此在工业控制中发挥优势。
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四.集成A/D转换器及应用
• 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，AD574的分辨率为12位等。
2. 量化误差 • 量化误差是由于ADC 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±1/2 LSB之间。
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二.ADC的主要技术参数
接口。
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双积分型A/D转换器
双积分型A/D转换器属于间接型A/D转 换器，它是把待转换的输入模拟电压先 转换为一个中间变量，例如时间T；然 后再对中间变量量化编码，得出转换结 果，这种AD转换器多称为电压-时间变 换型（简称VT型）。
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双积分型A/D转换器
双积分型AD转换器的框图
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双积分型ADC原理
路使开关S1与UI相接，重复第一步。
T2
T1 VREF
UI
D
N1 VREF
U
源自文库
I
N1
T1 TCP
其中TCP是脉冲时钟信号，D是计数脉冲数
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双积分AD转换器
计数器中的数值 就是AD转换器转 换后数字量，至 此即完成了VT转 换。
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双积分型A/D转换器的特点
➢ 因有积分器的存在，积分器的输出只对输入信 号的平均值有所响应，保证了工作性能比较稳 定且抗干扰能力强。
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双积分型ADC原理
• 第二阶段称为定速率积分过程，将UO1转换为成比 例的时间间隔。采样阶段结束时，一方面因参考
电压-VREF的极性与UI相反，积分器向相反方向积 分。计数器由0开始计数，经过T2时间，积分器输 出电压回升为零，过零比较器输出低电平，关闭 计数门，计数器停止计数，同时通过逻辑控制电
• 常用的A/D转换器芯片有ADC0809、 AD574A。
• 仅介绍ADC0890。CMOS器件，除了有8位 A/D转换器外，还有8路模拟开关以及地址锁 存与译码，有三条地址输入线ADDA、 ADDB、ADDC，可决定选通一路，该芯片 内还有便于与微机数据总线连接的三态输出 锁存器。
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ADC0809
A/D转换及其原理
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一.A/D转换的基本概念 二.ADC的主要技术参数 三.A/D转换的一般步骤和基本原理 四.集成A/D转换器及应用
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概述
• 计算机能够处理的是数字量信息。然而在现实世界中有很 多信息并不都是数字量的，例如声音、电压、电流、流量、 压力、温度、位移和速度等，它们都是连续变化的物理量。 这些连续变化的物理量称为模拟量。
• 转换开始前，先将计数器清零，并接通S0使 电容C完全放电。转换开始，断开S0。整个 转换过程分两阶段进行。
• 第一阶段，令开关S1置于输入信号Ui一侧。 积分器对Ui进行固定时间T1的积分。这一过 程称为转换电路对输入模拟电压的采样过 程。积分结束时积分器的输出电压为：
UO 1C 10 T1(U R 1)dtR TC 1 U 1
• 计算机是处理数字量信息的设备，要处理这些模拟量信息 就必须有一个模拟接口，通过这个模拟接口，将模拟量信 息转换成数字量信息，以供计算机运算和处理。
• 然后，再把计算机处理过的数字量信息转换为模拟量信息， 以实现对被控制量的控制。
AD转换的原因
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典型计算机自动控制系统
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一.AD的基本概念
• 模数转换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电量成正比。
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逐次逼近式A/D转换器工作原理
• 称重过程如下： ① 先在砝码盘上加128g砝码，经天平比较结果，重物195g
＞128g，此砝码保留，即相当于最高位数码D7记为1。 ② 再加64g砝码，经天平比较，重物195g ＞（128＋64）g，
则继续留下64g砝码，即相当于数码D6记为1。 • 接着不断用上述方法，由大到小砝码逐一添加比较，凡砝
A/D转换的一般步骤
采样和保持通常在采样保持电路中完成，量 化和编码通常在A/D转换电路中完成。
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采样定理：设取样 脉冲s(t)的频率为fS， 输入模拟信号x(t)的最 高频率分量的频率为 fmax，必须满足fs ≥ 2fmax。y(t)才可以正确 的反映输入信号(从而 能不失真地恢复原模 拟信号)。
• 实现模数转换的电路称模数转换器。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。即A/D转换器，或 简称ADC。（Analog - Digital - Converter ）
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二.ADC的主要技术参数
1. 分辨率
• 对于ADC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ADC的位数。例如具有12位分辨率的 ADC能够分辨出满刻度的1/212（0.0244%）。
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ADC0809的引脚功能
• IN0～IN7：8路模拟输入。 • START：启动A/D转换信号。 • ALE：地址锁存允许信号。 • EOC：转换结束信号。 • ADDA、ADDB、ADDC：8路模拟通道选择。 • VREF（＋）、VREF（－）：基准电压输入，典型值为VREF
（＋）=＋5V，VREF（－）=0V。 • D0～D7：8位数字数据输出。 • CLOCK：时钟输入。 • VCC 、GND：电源和地。 • OE：输出允许。
量化
数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位△。 将采样－保持电路的输出电压归化为量化单位△的整 数倍的过程叫做量化。
从图中可以看出，量化过 程会产生最大1/2 LSB (即 0.5V ) 的误差，要减少这 种量化误差，可采取位数 更多的A/D转换器。
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编码
用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫 做编码。 一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量 化过程中不可避免会产生误差，这种误差称 为量化误差。量化级分得越多（n越大），量 化误差越小。 如果有n个量化级，二进制位的位数应为㏒2 n 。如量化级有8个，就需要3位编码。
3. 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。 4. 相对精度 • 它与绝对精度相似，所不同的是把这个偏差表示为满刻度
模拟电压的百分数。 5. 转换时间 • 转换时间是ADC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。 6．量程 • 量程是指能转换的输入电压范围。
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ADC0809应用
ADC0809与51单片机组. 成的AD转换电路原理 图
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通常取fs ＝（2.5～3）fmax
A/D转换的一般步骤
由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后， 需要把采样电压保持一段时间。
s(t)有效期间，开关管VT导通，uI向C充电，uO (=uc)跟随uI 的变化而变化；
s(t)无效期间，开关管VT截止，uO (=uc)保持不变，直到下 次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段， 电容C上所存电荷不易泄放。）.
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逐次逼近式A/D转换器优点
➢精度高 ➢转换速度快 ➢转换时间固定 ➢简化了与计算机同步，所以常常用作微机
码总重量小于物体重量的砝码保留，否则拿下所添加的砝 码。 • 这样可得保留的砝码为128g＋64g＋2g＋1g＝195g，与重 物重量相等，相当于转换的数码为D7～D0＝11000011。
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逐次逼近式A/D转换器
逐次逼近型ADC电. 路框图
基准电压UREF
实例
8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，D/A转换器 基准电压 UREF=10V。
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常用 ADC 的类型
直接型 A/D 转 换 器
间接型
并联比较型 双积分型 逐次渐进型
电压时间变换型积分型(V-T) (双积分型) 电压频率变换型(V-F)
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逐次逼近式A/D转换器工作特点
•逐次逼近式A/D转换器的工作特点为： ➢二分搜索 ➢反馈比较 ➢逐次逼近
其工作过程与天平称重物重量的过程十分相似。
uI
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A/D转换的一般步骤
输入模拟量
uI(t)
S
C
uI(t)
采样保持电路
量化 编码 电路
…
输出数字量
Dn-1
D1 D0
采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。 量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的
整数倍表示。 编码：把量化的结果用二进制代. 码表示。
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三.A/D转换的一般步骤和基本原理
模拟输 入信号
uI
ADC
…
Dn-1 Dn-2
D1 n 位二进制数输出 D0 D = Dn-1 Dn-2 D1 D0
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uＩ
“[ ]”表示取整。
基本原理
△ 称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，它 是 ADC 的最小分辨电压。
可见，输出数字量
D
正比于输入模拟量 .
CP
0
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7.5
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10101110 6.796875
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5 相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数
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