ADC转换电路原理

CP3↓ 0 1 1 1 0 1 6.5V CP4↓ 1 0 1 1 0 1 6.5V
VI
+ -
+
F
1
G
01 A QA R J
SK
D/A01R
J
QB B
SK
V 'R
转 01R
换 器
QC C
J
SK
VR' VI时，F 1
VR' VI时，F 0。
DQ
D0
DQ
D1
DQ
D2
1R
DQ
D3
J
QD D
VREF
输出编码
000 001 010 011 100 101 110 111
输 入 输出编码
0≤VI<0.5Vq 0.5Vq≤VI<1.5Vq 1.5Vq≤VI<2.5Vq
2.5Vq≤VI<3.5Vq 3.5Vq≤VI<4.5Vq 4.5Vq≤VI<5.5Vq 5.5Vq≤VI<6.5Vq 6.5Vq≤VI<7.5Vq
40 6 1 0 1 0 0 节1拍脉0 冲0 164
VI VR'
去
0 71 21 3 0 4 1 5 06 70 8 0 9 1 10 0 162
VI VR'
留
8 1 0 1 0 0 0 1 1 163
VI VR'
留
结 果
1
010
0011
163
逐次比较A/D的数码位数越多，转换结果越精确。
4位逐次逼近型A/DC转P 换器原理框图
1 210
1 1024
0.1
%
把输入信号分为1024层，输入信号分层越多，量化误 差越小。
即，数字量位数越多，量化等级越细。
最大量化 误差为Vq
最大量化误差 为±Vq/2
输入
0≤VI<Vq Vq≤VI<2Vq 2Vq≤VI<3Vq 3Vq≤VI<4Vq 4Vq≤VI<5Vq 5Vq≤VI<6Vq 6Vq≤VI<7Vq 7Vq≤VI<8Vq
S(t)：采样脉冲
t
换为一系列等间
0
t
FO (t )
隔的脉冲，脉冲
的幅度取决于输
0
t
入模拟量。
为了能正确用采样输出信号表示输入模拟量，采 样脉冲必须有足够高的频率。
为了保证能从采样信号恢复成原信号，必须满足：
fs 2 fimax fimax：为输入模拟信号fi (t)中的最高频率 在工程设计中通常取： fs＝（3 5）fimax
什么是编码？
把量化的结果用二进制或二－十进制数表示出来，称为 编码。编码输出的最低有效位（LSB)的1所代表的数量大小 就等于Δ。
由于模拟信号在时间、数值大小都是连续的，不一定 被最小量化单位△整除，所以在量化过程中就可能引入量 化误差。
如果数字信号的位数越多，量化的误差就越小。
例如10位A/D最小量化单位：
VI
+ -
+
F
1
G
电路组成：
CP0
⒈D/A转换器
CP1
★组较数器根值 与据不采Q同样D~的保Q参持A不考电同电压的CCC压VPPP输I423V进入‘R行，数比并码较送产。入生比一
A QA R J SK
D/A R
J
⒉比较器 VR' VI时，F 0 F J
QB B
SK
VR' VI 时，F 1 F K V 'R 转 R
控制逻辑
同时依次确定各位数码是1还是0。
说明寄存器输出的数码大了，
工作过程： 转换开始前，先将逐位寄存器清 零，开始转换后，控制逻辑将寄存
应将最高位1改为0（去码），同时 设次高位为1。
如果：VR' VI
器最高位置1，使其输出为100┅000，
这个数码被D/A转换器转换成相应的
模拟电压VˊR,送至比较器与输入VI进 行比较。
S K ↓↓↓↓↓↑
01234
CP 时序分配器
CP4↑ 将1101送寄存器锁存、输出
VR'
VREF 2n
(8QD
4QC
2QB
1QA )
4V
基准电压V´R
1、分辨率
2、转换速度
例如：A/D转换器的输出为 12位二进制数，最大输入模拟 信号为10V,则其分辨率为：
转换速度是指完成一次 转换所需的时间，转换时间 是从接到转换启动信号开始， 到输出端获得稳定的数字信 号所经过的时间。
000 001 010 011 100 101 110 111
逐次逼近式A/D转换器是直接 式ADC中最常见的一种，其结构 如框图所示。
比较原理：
模拟输入VI
D/A转换器 VR'
数码输出
电压比较器
将要转换的模拟电压VI与一系 列的基准电压V'R比较。
比较原则：
比较是从高位到低位逐位进行，
逐位逼近寄存器
入四D触发器锁存及输出。
比较的结果要存入触发器
工作过程：
CPபைடு நூலகம்
假设D/A转换器基 CP0
准电压VREF=8V。 输入电压VI=6.55V
CP1
CP2 CP3
在CP0↓作用下： CP4
时序 J K QD QC QB QA V'R
CP0↓
1 0 0 0 4V
CP1↓ 1 0 1 1 0 0 6V
CP2↓ 1 0 1 1 1 0 7V
20
程通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。
1、采样与保持
间 的 时 散 即输连拟时量上模间）将入续量间。采的拟上的时为变，断样连量断模间时化输续是续转续拟上间的出模将变换（量连上模为拟时化为离。续 变化的模拟量转
fi (t)： 模拟输入
Fi (t )
0 S(t )
模拟开关
fo (t)： 样值脉冲输出
在采样脉冲持续期 t w内：场效应 管开关接通，输入模拟信号电压向电容 VI
C充电。
S(t)
假定，充电时常数τ＝RC《t w ， VO (t) 电容C上的电压在 t w 期间随输入信号 变化而变化，输出随Vi 的变化而变化。0
+ + VO
C
TW TS
t
采样脉冲间歇期（ t s 期间)：
场效应开关断开，MOS管截止电阻非常高，电容C上的 电压无放电通路，C上的电压保持到下一个采样脉冲到来。
留
200 2
128
160
VI3
1192
1
1706
00
168 164
00
163
0
192
1 1060 1 0 0162 0 0 0 160
VI VR' VI VR'
去 留
120 4 1 0 1 1 0 0 0 0 176
VI VR'
去
80 5 1 0 1 0 1 0 0 0 168
VI VR'
去
分辨率＝ 1 212
10V
10V 4096
2.44mV
◆双积分A/D最慢，几百mS
◆逐次逼近较快，几十μS
◆并联A/D最快，几十nS
3、相对精度
表示A/D转换器实际输出数字量和理想输出数字量 之间的差别，一般用最低有效位的倍数表示。
例如：10位二进制数输出的A/D转换器AD571,在室 温（＋25℃）和基准电压(V+=+5V,V-=-15V)的条件下，转 换误差≤±1/2LSB。当使用环境发生变化时，转换误差也 将发生变化，实际使用中应加以注意。
当下一个采样脉冲到来，场效应开关又接通，VO又随 Vi 变化而变化。这个样值脉冲是输入模拟量的阶梯波。
在采样脉冲tw期间，VO=VI，在两次采样的间隔时间 （Ts-tw)时间内，VO保持不变。 （Ts-tw)这段时间供量 化和编码。
什么是量化？
在A/D转换过程中，要用数字量来表示断续变化的模拟 量时，必须将采样－保持电压归化为某个最小单位的整数倍， 这个过程称为量化过程。所取得的最小单位叫做量化单位， 用Δ表示。
比较结果：如果：VR' VI
说明寄存器输出的数码还不够大， 需将最高位设置的1保留（加码）， 同时再设次高位为1。
例：一个待转换的模拟电压VI=163mV,逐位逼近寄存 器的数字量为八位，整个比较过程如下：
步
寄存器设定码
骤 128 64 32 16 8 4 2
1
十进 制数
比较判别
结 果
m1V 1 0 0 0 0 0 0 0 128 VI VR'
⒊时序分配器
换 器
QC C
J
★产生比较用的节拍脉冲，通常由环形
SK
DQ
D0
DQ
D1
DQ
D2
计数器构成。
⒋JK触发器 ★在节拍脉冲CP0~CP4的↓作用下， 记忆每次比较的结果，同时给D/A转换 器提供输入二进制代码。
R
J
QD D
VREF
SK
DQ
D3
01234
CP 时序分配器
⒌寄存器 ★在CP4↑作用下，将JK触 发器记忆的比较结果并行送
ADC转换电路的原理
医疗器械系 刘虔铖
1
概述
自然界所存在的物理量大多数是模拟量，如温度、湿度、 压力、流量、速度、时间等。数字系统不能直接处理模拟量， 所以要把模拟量先转换为数字量（A/D)，然后送入数字系统 中去处理。
放大
A/D
微处理器
显示
工
ROM
业
4KX8
电
炉
可控硅
D/A
键盘
A/D 转换器是将模拟信号转换为数字信号，转换过