数模转换器基本原理

优点：技术成熟，精度较高、速度较快。 不足：对Vi中入端需用S/H电路（ADC转 换期间Vi要恒定）。
100kHz 时钟
START BUSY
D7 D6 D5
开始转换 数据准备好，停止转换,SAR清零 1 0 1
D4
0
D3
1
D2
1
D1
1
D0
0
DAC Vout
10
9
8
7
6
5
5.0000
4
3
2
1 0 0.00
START
VREF＋
+5V
OE
VREF-
INT1
EOC
§8.4.3 ADC的应用
一、ADC的选择
1、根据分辨率确定ADC位数n
设ADC电压输入范围为FSR，位数为n，
要求分辨率为M。则
n
log2
FSR M
1
3.32
lg
FSR M
1
标称位数 8、10、12、14等
例：某ADC的FSR=10V，系统要求分辨 率M=2mV。试确定其位数。
量化误差：有限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。
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：
输输输输输输
7.5000 6.8750
6.2500
6.5625 6.71875 6.796875 6.8359375 6.796875
SAR ADC 转换的时序波形 （Vin=6.8V→8位二进制数）
转换时间 = 90us
Tclk=10μs Tcon=90μs
三、双积分式（双斜式）ADC
Vi<0
放电开关
数据线 为三态
数据线 非三态
§8.4.4 ADC的应用电路
温度
V0
压力
V1
位移
V2
速度
V3
液位
V4
功率
V5
湿度
V6
太阳辐射 V7
Vin
输入模 拟电压
模拟多路 开关 AM3705
输入 Vout
ABC 8选1
一、数据采集系统
采样保持
增益可编程
Vin
电路
Vin 测量放大器
LF198C Vout
T C
保持电容
§8.3.4 典型ADC介绍（ADC0809）
单极性0~5 V
IN0
IN1
输
输
输
8位
输IN6
模拟 开关
IN7
ADDA ADDB ADDC
ALE
地址锁存 与译码
START
CLK
定时和控制
-
+
比较器
逐次逼近寄存器
dip28封装
开关树型DAC
决定转换时间
EOC OE
三态输出 寄存器
Q7
Q6 Q5 Q4
输 输
量化点误差为0 Vi=1/8V
1/8<Vi<2/8(V)
最大 1/8－1/16; 1/8－3/16
1/8－2/8
误差
±LSB/2
－1LSB
§8.3.2 ADC的基本原理
一、并行（闪速） ADC
Vi VR
R
R
2n
R
(2n－1)个
输输输
_
编
_
码
电
路
_
输输输输
Dn-1
锁 存 器
D0
可有输2n7种.2.2输 比较结果
4V≤Vin＜5V
0000111
100
4V
5V≤Vin＜6V
0000011
101
5V
6V≤Vin＜7V
0000001
110
6V
7V≤V优in＜点8V：转换0快000（000仅一个时1钟11 周期）。7V
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
Vf Vi
输 b输 输 输 输 输 输 输
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 值 LSB LSB 2 数字值 LSB ~ 数字值 1 LSB
舍入量化
截断量化
量化值 量化区间中点 量化区间末端
输出00 1H
量化点误差为0 Vi=1/8V
1/16<Vi<3/16(V)
tw
τC<<tw，故Vs的变 化与Vi同步。
0
Vs
V+ VRP
LF198
VB 2
1
4
0
Vi 3 S(t) 8
-
A
+1
L
30k
S
-
A
+2
5 Vo
Vo
Vo
300
LF198
7
6
C
0
取样时间
t1
Hale Waihona Puke Baidu
tw
t
( c) 输 输 输 输
t
( d) 输 输 输 输
t2
t3
t4
t5
t
保持时间 ( e) 输 输 输 输 输 输
注意：实际应用中，在ADC完成转换后 到数据被读出之前，不允许有新的转换。
转换速率：单位时间（每秒）内ADC重
复转换的次数。
与硬件连接、
转换速率
1
编程方法等
转换时间 数据输出时间 有关。
三、ADC的接口特性
ADC与外部电路连接时的特性，包括: 输入特性：电压(电流)范围、输入极性(单、 双极性)、模拟信号最高有效频率等。 输出特性：编码方式(自然或偏移二进制 码等)、输出方式(串、并行；三态、缓冲、锁 存输出)以及电平类型(TTL、CMOS等)。 控制特性：启动转换、转换完成；片选信 号(CS)、数据读(RD)等控制信号端。
模拟输入 （0－8V）
A/D转换器
GND
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
§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。
输出
1.5LSB 输出
111 110
1 LSB
A
111 110
A -LSB
101
2
101
100
100
011
011
010
010
001
Vin 001
Vin
000 0 1234567 1
000 0 1234567 1
8 8 8 8 8 8 8 FSR
LSB/2 输 a输 输 输 输 输 输 输
8888888 FSR
输
输
ADC输
输
输
输
输即n位数字量
3位并行比较型ADC的转换真值表
Vin
I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0
Y2 Y1 Y0
量化值
0≤Vin＜1V
1111111
000
0V
1V≤Vin＜2V
0111111
001
1V
2V≤Vin＜3V
0011111
010
2V
3V≤Vin＜4V
0001111
011
3V
LHG0008G41
Vout
增益
触发
选择
CS1 RD1 WR1 INTR
Q3 输
Q2 输
Q1
Q0
+5V单电源；15 mW功耗
V REF＋
VREF-
误差±1LSB
CLK：要求频率10~1280kHz，典型值640kHz。
清零
START/ALE
启动
www.hzdi yan.com www.sys mk120.com www.qcxgqt.com www.tcsac.com
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 Vi 值保持不变。这个过程 需有相应电路实现。 S(t)
-
A
Vo
+
VT
C (a) 取样保持电路
Vi ( b) 输 输 输 输 输 输
-
A
Vo
Vi
+
VT
0
t1
t2
t3
t4
t5 t
C (a) 取样保持电路
Ts
S(t)
S(t)
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、超高速)数字音频、视频信号变换、气象 数据分析处理。
输出信号的编码方式；与其他逻辑电平 的匹配情况；控制信号是否合乎要求等。另 外， 转换时间要与应用系统匹配。
二、ADC的调整
使用ADC通常要调整
Vin +8V
其失调和增益误差。方 -8V
法：硬件、软件消除。
4选1
多路
AD1674
D
开关
(含S/H)
12位逐次逼近型ADC A0 A1 (Vin=-10V~+10V)
11
输输输输输输
x
10
DNL=x－1LSB
01
00
输入电压
Fs
11 输 输 输 输 输 输
10 输输输输输输
01 输输输输输输
00 Fs
11 理想转换曲线
10
输输输
DNL=-1LSB
01
实际转换曲线
00
输入电压 Fs
⑻信噪比（SNR）：ADC输出端信号与 噪声之比，用dB表示。对于正弦波输入信号， 信噪比的理论值满足6dB规则：
采样是否丢失某些信息？
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(－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。
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。
分辨率=FSR/2n；直接表示→n；
n越大分辨
相对分辨率
分辨率 FSR 100 0 0
1 2n
100 0 0
率越高
例：FSR=10V的12位ADC，其分辨率表
示：分辨率2.44mV、0.0244%、12位。
输出数字
输 输 输 输 输 =b- a b
a 输输输输输
11
10 理想
01
实际
00 输 输 输 输 输 输入电压
①
Vi不同积分 输出不同
溢出值恒定 t1恒定
反向充电电压恒定
②
③
电路
VR恒定 斜率恒定
结果
2、双积分式ADC转换结果
采样结束：
1 Vo ( t1 ) C
t1 0
Vi dt R
Vi RC
t1
编码结束：
Vo t1 t2
Vo t1
1 C
t1 t2 t1
VR dt R
Vi RC
t1
VR RC
Next
DAC
D0
比较器
Dn-1
_ Vp
比较
逐次逼近 寄存器
SAR
时钟
输出 寄存器
VR D0
Dn-1
开始前清零!
即完成一次转换需n+1个时钟周期。
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。
VR>0
控制K1置位
原理 波形 结果
1、双积分式ADC工作原理
过程 K1 K2
电 容
积分输出 比较器
计数器
开始 地 通
放 电
Vo =0
采样 Vi<0
1
断
充 电
线性增加 Vo>0
向下 反转
开始计数 直到溢出
反 线性下降 低电平 重新计数
编码 VR>0
2
断
向 充
电
Vo≤0
向上 停止计数 反转 输出结果
n 3.32 lg FSR 1 3.32 lg 10000 1 12.3
M
2
可选
>13位
2、根据采集速度确定ADC的转换速度
设系统转换速率为f；硬件延迟时间ty； ADC转换时间为tcon。则：T≤1/f 。
T = ty + tcon
tcon
1 f
ty
3、ADC其它方面的选择需注意事项
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，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：将量化结补码编码。
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化误差(ε)。
SNR=(6.02n＋1.76)dB
式中：n为ADC的位数，即ADC的位数 每增加一位，SNR值增加约6dB。
利用ADC实际信噪比，可求其有效位数
(ENOB)：
ENOB SNR 1.76 6.02
其它参数（总谐波失真、互调失真等）自学。
二、ADC的转换时间和转换速率
转换时间：从启动ADC转换开始到正确 输出数字信号的一段时间间隔。
基准
标准转换 值
实测值
将两组数据代入 方程y=max+b可求出
8V -8V
有了myyhla、b及实xxhl测输出m（ax实（，际实用失际y=调增m）益ax+）。b和即b可
得到消除了增益和失调误差标准输出。
三、高分辨率ADC与微处理器的接口
当ADC位数大于CPU数据宽度的接口方 法（通常ADC提供两次读出数据控制）。
ADDA／ ADDB/ADDC
EOC
OE Q0~Q7
转换进行中
≥200ns ≤2us+8T
ADC0809工作时序图
转换结束
数据有效
ADC0809与8031的接口电路
8
P0.0～7
输
ALE
输
8031
WR
+
P2.0
RD
+
3 ADDA/ADDB/ADDC
8
D0～D7
CLK
8
IN0～IN7
ADC0809
ALE
t2
0
令计数脉冲周期为TC， 则t1=N1TC；t2=N2TC。
N2
Vi VR
N1
Vi VR
N1
优点：N2∝Vi，抗干扰性和精度较好。 不足：转换速度慢，≤20次/s。
§8.3.3 ADC的主要参数
一、转换精度
⑴分辨率：能分辨的最小输入变化量。可 用分辨率、相对分辨率或以数字位数表示。
设ADC位数范围FSR。
ADC输入是模为输入电压(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：
Dout Ain VREF 2n
即ADC是将输入信号Ain与其所能分辨的 最小电压增相比较，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
＋VCC
VREF