AD转换电路

A/D 转换电路
导读:
A/D 转换器（ADC ）是将模拟信号转换成数字信号的电路。

本章将介绍A/D 转换的基本概念和原理电路，重点介绍集成芯片中的常用转换方法：逐次逼近型和V —T 双积分型转换电路，常用集成ADC 芯片，并给出典型应用实例。

0.1 A/D 转换的基本概念
A/D 转换过程包括取样、保持、量化和编码4个步骤，一般，前2个步骤在取样-保持电路中1次性完成，后2个步骤在A/D 转换电路中1次性完成。

1．取样和取样定理
我们知道，要确定（表示）1条曲线，理论上应当用无穷多个点，但有时却并非如此。

比如1条直线，取2个点即可。

对于曲线，只是多取几个点而已。

将连续变化的模拟信号用多个时间点上的信号值来表示称为取样，取样点上的信号值称为样点值，样点值的全体称为原信号的取样信号。

1个取样信号示例如图1.1.1-1(b)所示。

取样时间可以是等间隔的，也可以自适应非等时间间隔取样。

问题是：对于频率为f 的信号，应当取多少个点，或者更准确地说应当用多高的频率进行取样？取样定理将回答这个问题：
只要取样频率f S 大于等于模拟信号中的最高频率f max 的2倍，利用理想滤波器即可无失真地将取样信号恢复为原来的模拟信号。

这就是说，对于1个正弦信号，每个周期只要取2个样点值即可，条件是必须用理想滤波器复原信号。

这就是著名的山农（Shannon ）取样定理，用公式表示即为
max S 2f f ≥
（12.1-1）
在工程上，一般取max S )5~4(f f ≥。

2．取样-保持
取样后的样点值必须保存下来，并在取样脉冲结束之后到下1个取样脉冲到来之前保
第12章A/D转换电路249
持不变，以便ADC电路在此期间内将该样点值转换成数字量，这就是所谓取样-保持。

常用的取样-保持电路芯片有LF198等，其保持原理主要是依赖于电容器C上的电压不能突变而实现保持功能的。

3．量化与编码
注意，取样保持后的样点值仍是连续的模拟信号，为了用数字量表示，必须将其化成某个最小数量单位△的整数倍。

比如取样保持后的电压值为10V，如果以“1V”为最小数量单位△，转换成的数字就是10；如果以“1mV”为单位，转换成的数字就是10000；这个化模拟量为数字量的过程称为量化。

有只舍不入式量化和有舍有入式量化2种。

转换之后的数字可以用10进制表示（如上述的“10”），也可以用2进制数表示（如“1010”），或用BCD码表示（如“0001 0000”）等，这就是所谓编码。

一般多用2进制码。

0.2 基本ADC电路
模-数转换方法有直接ADC和间接ADC两种。

直接ADC中有并行比较法、反馈计数法和逐次逼近法等；间接ADC中有V—F（电压→频率）转换法和V—T（电压→时间）转换法等多种。

下面重点介绍集成芯片中用得最多的逐次逼近型和双积分型A/D转换器电路。

2.1 逐次逼近型ADC
逐次逼近型ADC的工作原理很象人们量体重的过程：假如你的体重不超过200公斤，你会先加1个100公斤的秤砣试试看，如果发现100公斤的秤砣太大（比如实际体重是70公斤），就将此砣去掉；换1个50公斤的秤砣再试，发现50公斤的秤砣又偏小，故将其保留；然后再加1个25公斤的秤砣，发现体重不足75公斤，再将此25公斤的秤砣去掉，换1个更小一点的秤砣……如此进行，逐次逼近，直到满足要求为止。

图12.2.1-1就是按照上述构思而成的4位逐次逼近型ADC的原理电路图，由比较器、D/A转换器、寄存器、控制逻辑电路和时钟脉冲发生器5部分组成。

其工作过程大致如下：
①当启动信号（即“START”信号，图中未示出）的正边沿到达后，电路被初始化为以下状态：寄存器TR3～TR0清零为d3d2d1d0=0000，从而DAC的模拟输出v O=0V；FF1～FF6组成的环形计数器的状态为Q1Q2Q3Q4Q5Q6=100000，门H3～H0被Q6=0封锁，数字输出D3D2D1D0=0000。

②START信号过后，即其下降边到达时，信号v C=1，A/D转换开始。

第1个CP脉冲到达时，如果输入的取样保持信号v I≠0V，则v I>v O=0V，v B=0，与门G3～G0被封锁，TR3的R=0、S=Q1=1，而TR2～TR0的S=0、R=1（注意，Q1=1经或门M2～M0使TR2～TR0的R=1），所以TR3～TR0被置为d3d2d1d0=1000，此数码经D/A转换变为满量程电压的一半左右（这相当于上述加100公斤的秤砣！）；与此同时，环形移位寄存器状态下移1位变
250 第四部分数-模和模-数转换电路
为Q1Q2Q3Q4Q5Q6=010000。

③第2个CP脉冲到达时，若v I<v O，则v B=1，门G3～G0被打开，Q2=1经门G3使TR3的R=1，其S=Q1=0，所以TR3将被复位，即d3=0（这相当于去掉100公斤的秤砣！）；与此同时TR2被置1，TR1、TR0被置0，即d3d2d1d0=0100（注意，如果第2个CP脉冲到达时v I>v O，则v B=0，G3～G0被封锁，TR3的S=R=0，将保留原状态d3=1不变，而d2d1d0=100）。

环形移位寄存器再次下移1位，变为Q1Q2Q3Q4Q5Q6=001000。

④类似地，第3个CP脉冲到达后，d1d0=10，Q1Q2Q3Q4Q5Q6=000100；第4个CP脉冲到达后，d0=1，Q1Q2Q3Q4Q5Q6=000010。

⑤第5个CP脉冲用于输出数字码：第5个CP脉冲到达后，Q1Q2Q3Q4Q5Q6=000001，Q6=1使门H3～H0开启，数字d4d3d2d1经门H3～H0送D3D2D1D0端输出。

⑥第6个CP脉冲用于电路初始化，电路将返回①所述的初始状态。

1个样点值转换
第12章 A/D 转换电路 251
双积分型ADC 是1种V —T 型A/D 转换器，原理电路如图12.2.2-1(a)所示，由积分器、比较器、计数器和部分控制电路组成。

工作过程如下： （1）平时（即A/D 转换之前），转换控制信号v C =0，计数器和触发器FFc 被清零，门G1、G2输出低电平，开关S 0闭合使电容C 完全放电，S 1掷下方，比较器输出v B =0，门G3关闭。

（2）v C =1时，开关S 0断开，开关S 1掷上方接输入信号V I ，积分器开始对V I 积分，输出电压为
⎰
-=-=t
t RC
V dt V RC v 0I I O 1
（12.2.2-1） 显然v O 是1条负向积分直线，如图12.2.2-1(b)中t =0～T 1段实线所示。

与此同时，比较器输出v B =1（因v O <0），门G3开启，计数器开始计数。

（3）当积分到t =T 1=2n T cp 时（其中T cp 是时钟CP 的周期），n 位计数器计满2n 复0，FFc 置1，门G2输出高电平，开关S 1掷下方接基准电压（－V REF ），积分器开始对（－V REF ）进行积分。

设t =T 1时，v O 下降到v O =V O1，由式（12.2.2-1）
1I O1T
V
V -=
（12.2.2-2）
252 第四部分 数-模和模-数转换电路
图12.2.2-1 双积分型A/D 转换器的工作原理
(a)原理电路
(b)输出电压波形
因为（－V REF ）为负值，所以从V 01开始向相反方向积分，即
)()(11REF O11REF O1O T t RC
V V dt V RC V v t
T -+=--
=⎰
（12.2.2-3） v O 波形如图12.2.2-1(b)中t =T 1～（T 1+T 2）段实线所示（图中下方虚线是最大输入电压时的积分线）。

（4）当t =T 1+T 2时，v O 上升到v O =0V ，v B =0，门G3被关闭，计数器停止计数，此时计数器中保存下来的数字就是时间T 2。

由图可知，输入信号V I 越大，|V O1|越大，T 2就越大。

将式（12.2.2-2）、t =T 1+T 2和v O =0V 代入式（12.2.2-3）中，得
02REF 1O =+-=T RC
V
T RC V v I
从而有
1REF
I
2T V V T =
（12.2.2-4）
显然，计数器中的数字d n-1d n-2…d 1d 0与输入信号V I 成正比。

[例12.2.2-1] 设10位双积分型A/D 转换器的基准电压V REF =8V ，时钟频率f cp =1MHz ，请问输入电压V I =2V 时A/D 转换器输出的数字D （10）是多少？ 解：
因为时间T 2等于计数器中的数字乘以时钟周期T cp ，所以数字D （10）
CP
2
)10(T T D =
考虑到式（12.2.2-4）和T 1=2n T cp
)(2REF
I REF I 1)10(V V
V V T T D n CP ==
（12.2.2-5）
代入V I =2V 、V REF =8V 和n=10，得
256)8
2
(2)(
210REF I )10(===V V D n 如果用2进制显示，则为010*******。

双积分型A/D 转换器的最大优点是工作稳定，抗干扰能力强。

并且由式（12.2.2-5）可以看出，双积分型A/D 转换器的数字输出与积分电阻R 、积分电容C 、时钟频率f cp 无关。

双积分型A/D 转换器的最大缺点是速度较慢，所以主要用于数字电压表等低速测试系统中。

第12章 A/D 转换电路 253
双积分型A/D 转换器的转换精度主要取决于位数、运算放大器和比较器的灵敏度和零点漂移等因素的影响。

0.3 常用ADC 芯片及其典型应用举例
目前，常见的A/D 转换器的有效位数有4、6、8、10、12、14、16位以及BCD 码输
出的213
位、214位和2
1
5位等多种；转换速度有低速（≤1s ）、中速（≤1ms ）、高速（≤1μs ）和超高速（≤1ns ）等；就芯片组成而言，有些芯片不但包括ADC 基本电路，还包括多路转换开关、时钟电路、基准电压源或2→10转换器等，功能更加齐全。

表12.3-1中给出了部分ADC 芯片的一些特征参数，从中可了解当前ADC 芯片的状况，并可供使用参考。

表12.3-1 常见ADC 芯片
下面给出几个典型应用实例，从中你不但可以了解到一些芯片的封装信息和引脚功能，而且可以看到，不同芯片有不同的输出方式，从而电路连接不同。

254 第四部分数-模和模-数转换电路
[例12.3-1] 画出ADC0809与单片机87C51的接口线路，实现8路A/D转换。

解：
ADC0809是8路8位ADC芯片，片内有8路模拟开关、地址锁存与译码、256电阻梯形网络、电子开关树、逐次逼近寄存器、比较器和3态输出锁存器等，特别适合与微机接口。

87C51是8位CMOS单片微机芯片，有1个双工口P0口和2个半双工口P1口、P2口，其中P0.0～P0.7（P0口的8个引脚号）主要用作数据和地址总线口。

87C51的引脚及其同ADC0809的接口线路如图12.3-1所示。

8路模拟信号由ADC0809的IN0～IN7端输入，87C51的ALE端输出的脉冲信号送ADC0809的10脚作为ADC的时钟信号（若时钟频率偏高，其间可加分频器）。

在A/D转换时，87C51的P2.7（也可用其它引脚）发出片选信号，并由引脚37、38、39发出通道选择信号，分别送ADC0809的通道地址输入端A、B、C，选择要进行A/D变换的模拟通道，然后发出WR信号，经或非门送ADC0809的START和ALE端，A/D转换即被启动；A/D 转换完成之后，从EOC端返回87C51一个转换结束信号，单片机随即用RD信号将A/D 转换的数字输出从D0～D7端经P0口数据总线读入自己的存储器中。

A/D转换过程全部结
256 第四部分 数-模和模-数转换电路
图12.3-3 用CC7106或7107组成3位半直流数字电压表
CC7106或7107的封装及各引脚的名称、功能、主要电阻电容参数及其作用都已标在图中，不再赘述。

模拟输入信号经1M Ω限流保护电阻从CC7106或7107的IN +和IN-端输
入，在芯片内转换为2
1
3
位BCD 码并经4→7显示译码/锁存后输出，其中段号仍用a 、b 、c 、d 、e 、f 、g ，其下脚标U 、T 、H 和K 分别表示个位（Unit ）、十位（Ten ）、百位（Hundred ）和千位。

这些引脚可直接接LCD 或LED 数码管，不需要其它芯片或太多外接元件。

R 1、C 1是RC 振荡器的阻容振荡元件，对于图中参数R 1=100K Ω，C 1=100PF ，主振频率为f cp =0.45/R 1C 1=45kHz.。

在模拟信号输入端，一般还有1个量程切换开关（没有示出），图中的小数点切换开关与此量程开关同步切换。

图中右侧虚线部分是使用CC7107时的电源线路。

0.4 ADC 的主要性能参数及芯片选用
ADC 的性能参数主要有转换精度和转换速度等。

转换精度常用分辨率和转换误差来表示。

（1）分辨率
分辨率是A/D 转换器能够分辨最小信号的能力，一般用输出的2进制位数来表示。

如ADC0809的分辨率为8位，表明它能分辨满量程输入的1/28。

（2）转换误差
转换误差是转换结果相对于理论值的误差，常用LSB 的倍数表示，如AD571的转换
误差≤
2
1
LSB 等。

（3）转换速度
转换速度是完成1次A/D 转换所需的时间，故又称为转换时间。

它是A/D 转换启动时刻起到输出端输出稳定的数字信号止所经历的时间。

选用ADC 芯片的主要依据是上述参数，此外还要注意其它一些特性，如输入通道数（即A/D 转换路数）、输出方式，其中包括输出编码方式（如2进制码、BCD 码、7段显示译码）、输出逻辑电平（CMOS 、LSTTL ）与微机接口能力等。