数模转换器基本原理及常见结构-PPT课件

V i
( b) 输 输 输 输 输 输
Vi VT S(t) C
A +
Vo
0
t1
t2 Ts tw
t3
t4
t5
t
(a) 取样保持电路
S(t)
τC<<tw，故Vs的变 化与Vi同步。
RP
VB 2
0
t
( c) 输 输 输 输
Vs
V+
1
V4
LF198
0
( d) 输 输 输 输
t
30k
Vi S(t)
3
A +
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)。 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。
A
-LSB
Vin
输 a输 输 输 输 输 输 输
FSR
1 8
2 8
3 8
4 8
5 8
6 8
7 8
1
输 b输 输 输 输 输 输 输
FSR
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 LSB 值 LSB 2 数字值 LSB ~ 数字值 1 LS
Vi VR
( 2 n－ 1 ) 个
输输输 输输输输
R R

_ _
编 码 电 路 锁 存 器
Dn-1

2n
R

_
D0
7.2.2 可有输 2n 种 输 输 输 ADC输 输 输 输 输 即n位数字量 比较结果
3位并行比较型ADC的转换真值表
Vin
0≤Vin＜1V
I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0


舍入量化 量化值 量化区间中点 量化点误差为0 Vi=1/8V 1/16<Vi<3/16(V)
1/8－1/16; 1/8－3/16
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
输出00 1H 最大 误差
±LSB/2
－1LSB
§8.3.2 ADC的基本原理 一、并行（闪速） ADC
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：
输出
1.5LSB
A
1 LSB 2
输出
111 110 101 100 011 010 001 000 0
Vin
LSB/2
1 8
2 8
3 8
4 8
5 8
6 8
7 8
1
111 110 101 100 011 010 001 000 0
L
S
1
Vo
A +
300
Vo
5
2Hale Waihona Puke Baidu
Vo
8
LF198 7 6
C
0
取样时间
t1
t2
保持时间
t3
t4
t5
t
tw
( e) 输 输 输 输 输 输
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。
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。
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）。
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。 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 需有相应电路实现。
A +
C
Vi VT S(t)
Vo
(a) 取样保持电路
1V
2V 3V 4V 5V 6V 7V
优点：转换快（仅一个时钟周期）。 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
DAC
VR D0
输出 寄存器
比较器
Vf
比较
D0
Dn-1
Dn-1
寄存器
_
Vi
Next
V p 逐次逼近
SAR
时钟
开始前清零!
即完成一次转换需n+1个时钟周期。
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。
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：
D A V2
n out inREF

＋VCC

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）。 3位ADC 示意图
输出数字量对 应一个 模拟区间
模拟输入 （0－8V）
VREF 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
A/D转换器
GND
§8.3.1 ADC的基本原理
一、采样和采样定理 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。
100kHz 时钟 START BUSY 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
1111111
Y2 Y1 Y0
000
量化值
0V
1V≤Vin＜2V
2V≤Vin＜3V 3V≤Vin＜4V 4V≤Vin＜5V 5V≤Vin＜6V 6V≤Vin＜7V 7V≤Vin＜8V
0111111
0011111 0001111 0000111 0000011 0000001 0000000
001
010 011 100 101 110 111