模数转换器全解

该误差主要 是失调电压及温 漂造成的。
一般来说， 在一定温度下， 偏移电压是可以 通过外电路予以 抵消。
6.2 A／D转换器的主要技术指标
但当温度变化时，偏移电压又将出现。
6. 增益误差
增益误差— 满量程输出数码时，实际 模拟输入电压与理想模拟 输入电压之差。
该误差使传输特性曲线绕坐标原点偏 离理想特性曲线一定的角度，如图6.3所示。
6.2 A／D转换器的主要技术指标
绝对误差一般在 1 LSB 范围内。
2
相对精度 相对精度— 绝对精度与满量程电压值
之比的百分数。
相 对 精 度 绝 对 精 度 100% FSR
6.2 A／D转换器的主要技术指标
精度和分辨率是两个不同的概念： ① 精度是指转换后所得结果相对于实 际值的准确度； ② 分辨率是指转换器所能分辨的模拟 信号的最小变化值。
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第6章 模／数转换器
6.2 A／D转换器的主要技术指标
1. 分辨率 分辨率— A／D转换器所能分辨模拟输
入信号的最小变化量。
设A／D转换器的位数为n，满量程电 压为FSR，则分辨率定义为：
6.2 A／D转换器的主要技术指标
分辨 F 2率 nSR (61)
量化单位就是A／D转换器的分辨率。 相对分辨率定义为
6.2 A／D转换器的主要技术指标
输 出 数
码 K>1
111
110
增益误差
K=1
当K=1时，没有增益 误差，Ui = FSR，输 出为111。
101
100
011
K<1
010
001
U
FSR
i
图6.3 增益误差
当K>1时，传输特性 的台阶变窄，在模拟 输入信号达到满量程 值之前，数码输出就 已为全“1”状态。
2. 量程
量程— A／D转换器能转换模拟信号的 电压范围。
例如：0～5V，-5V～+5V，0～10V， -10V～+10V。
6.2 A／D转换器的主要技术指标
3. 精度
绝对精度
绝对精度— 对应于输出数码的实际模拟 输入电压与理想模拟输入电 压之差。
存在问题：在A／D转换时，量化带内的 任意模拟输入电压都能产生 同一输出数码。
级数
256 1024 4096 16384 65536
相对分辨率 （1LSB）
0.391% 0.0977% 0.0244% 0.0061% 0.0015%
分辨率（1LSB）
39.1mV 9.77mV 2.44mV 0.61mV 0.15mV
6.2 A／D转换器的主要技术指标 A／D转换器分辨率的高低取决于位数的多少。 因此，目前一般用位数n来间接表示分辨率。
6.2 A／D转换器的主要技术指标
5. 偏移误差
偏移误差— 使最低有效位成“ 1 ”状时， 实际输入电压与理论输入电 压之差。
如图6.2所示。
6.2 A／D转换器的主要技术指标
输
出
数
码
111 110
101
100
011
010
001
偏移误差
误 差
理想曲线 实际曲线
Ui
(a)
偏移
Ui
(b)
图6.2 偏移误差
当K<1时，传输特性台阶变宽，模拟输入信号 已超满量程时，数码输出还未达到全 “1”状态。
6.2 A／D转换器的主要技术指标
4. 转换时间和转换速率
转换时间tCONV
转换时间— 按照规定的精度将模拟信号 转换为数字信号并输出所需 要的时间。
转换速率 转换速率— 每秒钟转换的次数。
6.2 A／D转换器的主要技术指标 下面讨论转换时间与转换精度、信号频率的关系。
瞬时值响应的A／D转换器
转换时间取决于所要求的转换精度和 被转换信号的频率。
按工作 原理分
6.1 A/D转换器的分类
直接比较型— 模拟信号直接参考电 压比较，得到数字量。
有逐次比较、连续比较··· 优点：瞬时比较，转换速度快。 缺点：抗干扰能力差。
间接比较— 模拟信号与参考电压先 转换为中间物理量，再 进行比较。
有双斜式、积分式、脉冲调宽··· 优点：平均值比较，抗干扰能力强。 缺点：转换速度慢。
第6章 模／数转换器
6.1 A／D转换器的分类 6.2 A／D转换器的主要技术指标 6.3 逐次逼近式A／D转换器 6.5 单片集成A／D转换器 6.6 如何选择和使用A／D转换器 6.7 A／D转换器与微机的接口
第6章 模／数转换器
6.1 A／D转换器的分类
按速度分：高、中、低 按精度分：高、中、低 分类 按位数分：8、10、12、14、16 按工作原理分
相对 分 分 1 辨 % 0 辨 1 0 率 1率 % 0( 0 6 2 ) FSR2 n
6.2 A／D转换器的主要技术指标
由式（6-1）和式（6-2），可得出A／D转 换器分辨率与位数之间的关系
表6.1 A／D转换器分辨率与位数之间的关系(满量程电压为10V)
位数
8 10 12 14 16
以图6.1所示的正弦信号为例，讨论它们之 间的关系。
6.2 A／D转换器的主要技术指标
U(t)
U(t)=
Um 2
sinωt
Um
△U
2
t0
t1
t
tCONV
图6.1 转换时间对信号转换的影响
间由为于设tCO在NVt，0d时U 转d刻t(换t开)终始了转21的U 换时m ，刻转c为o换st1一，t次与所tC需ON的V对时应
信号电压增量(误差)为fU△mUc。os2ft
6.2 A／D转换器的主要技术指标
在过零点上有最大值
∵过零时，t n|cost|1
∴
U t
f
Um
6.2 A／D转换器的主要技术指标
故在过零点处，转换时间所造成的 最大电压误差为
U fU m t fU m tCO ( 6 N 3 )V
由此可知：
① 当精度一定时，信号频率↑，tCONV↓； ② 当信号频率一定， tCONV ↓，△U↓。
6.2 A／D转换器的主要技术指标
平均值响应的转换器
由于被转换的模拟量为直流电压，而 干扰是交变的，因此转换时间 tCONV 越长， 其抑制干扰的能力就越强。
换言之：平均值响应的转换器是在牺性转 换时间的情况下提高转换精度的。
6.2 A／D转换器的主要技术指标
约定：上述定义的模拟输入电压则限定为 量化带中点对应的模拟输入电压值。
例如：一个12位A／D转换器，理论模拟 输入电压为5V时，对应的输出数 码为1。 实际模拟输
入电压在4.997V～4.999V范围内 的都产生这一输出数码，则
绝对 1 （ 4 .9 精 9 4 .9 7 ) 度 9 5 9 0 .0( V 0 ) 2 ( m ) 2