数模转换器基本原理及常见结构

ADC输出与输入关系可表示如下： 输出与输入关系可表示如下： 输出与输入关系可表示如下
Dout = A VREF 2 in
(
n
)
是将输入信号A 即ADC是将输入信号 in与其所能分辨 是将输入信号 的最小电压增量V 相比较， 的最小电压增量 REF/2n相比较，得到与输入 模拟量对应的倍数（取整）。 模拟量对应的倍数（取整）。 3位ADC 位 示意图
1 Vo ( t1 ) = − C
∫
t1 V i
0
Vi dt = − t1 R RC
∫
t1 +t2 V R
t1
Vi VR dt = − t1 − t2 = 0 R RC RC
Vi −Vi 令计数脉冲周期为T 令计数脉冲周期为 C， N2 = N1 = N1 则t1=N1TC；t2=N2TC。 VR VR
τC<<tw，故Vs的变 化与V 同步。 化与 i同步。
LF198
Vs
三、量化和编码 模拟信号经S/H得到的取样值仍属模拟范 得到的取样值仍属模拟范 模拟信号经 得到的取样值 需经量化（ 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 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。 都为离散的数字信号。 最小数量单位称量化单位( △ 最小数量单位称量化单位(1△=1LSB)。 ) 编码： 量化结果用数字代码表示出来。 编码：将量化结果用数字代码表示出来。 出来 常见有自然二进制编码、二进制补码编码。 常见有自然二进制编码、二进制补码编码。
线性下降 低电平 重新计数 Vo≤0 向上 反转 停止计数 输出结果
反向充电电压恒定
② ① ③ 电路
Vi不同积分 输出不同
溢出值恒定 t1恒定
VR恒定 斜率恒定
结果
2、双积分式 、双积分式ADC转换结果 转换结果 采样结束： 采样结束： 编码结束： 编码结束：
1 Vo (t1 + t2 ) =Vo (t1 ) − C
即只要采样脉冲频率 大于或等于输入信号 即只要采样脉冲频率fs大于或等于输入信号 采样脉冲频率 ），则采样后的 中最高频率f 的两倍（ 中最高频率 m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。 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 采样/保持电路 模拟量到数字量转 换需要一定时间， 换需要一定时间，在此 期间要求采样所得的样 值保持不变。 值保持不变。这个过程 需有相应电路实现。 需有相应电路实现。
Y2 Y1 Y0
000 001 010 011 100 101 110 111
量化值
0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V
优点：转换快（仅一个时钟周期）。 优点：转换快（仅一个时钟周期）。 不足： 较大时 比较器、 较大时， 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。 量太大，难以保证其准确性及一致性。
因取样值为输入信号某些时刻的瞬时值， 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， 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( 量化时不可避免地会引入量化误差(ε)。 量化误差：有限位 量化误差：有限位ADC产生的输出数据的 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。 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、 量化误差的大小与量化方式、量化单位、 大小与量化方式 ADC编码位数、基准电压大小有关。 编码位数、 编码位数 基准电压大小有关。 常用的量化方式：舍入量化和 常用的量化方式：舍入量化和截断量化 两种方式。 两种方式。
ENOB= 6.02
其它参数（总谐波失真、互调失真等）自学。 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 的转换时间和转换速率 转换时间：从启动 转换时间：从启动ADC转换开始到正确 转换开始到正确 输出数字信号的一段时间间隔。 输出数字信号的一段时间间隔。 注意：实际应用中， 注意：实际应用中，在ADC完成转换后 完成转换后 到数据被读出之前，不允许有新的转换。 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） 转换速率：单位时间（每秒）内ADC重 重 复转换的次数。 复转换的次数。
……
D0位确定，转换结束。 位确定，转换结束。
优点：技术成熟，精度较高、速度较快。 优点：技术成熟，精度较高、速度较快。 不足： 中噪声敏感，输入端需用S/H 不足：对Vi中噪声敏感，输入端需用 电路（ 转换期间V 电路（ADC转换期间 i要恒定）。 转换期间 要恒定）。
Tclk=10µs
SAR ADC 转换的时序波形 位二进制数） （Vin=6.8V→8位二进制数） 位二进制数
1 8
2 8
3 8
4 8
5 8
6 8
7 8
1
111 110 101 100 011 010 001 000 0
A
-LSB
Vin
LSB/2
7.2.3 3
FSR
1 8
2 8
3 8
4 8
5 8
6 8
7 8
1
FSR
ADC
对应的输入范围
数字值 × LSB ± LSB 2
数字值 × LSB ~ (数字值 + 1)× LSB
优点： 抗干扰性和精度较好。 优点：N2∝Vi，抗干扰性和精度较好。 不足：转换速度慢， 不足：转换速度慢，≤20次/s。 次 。
§8.3.3 ADC的主要参数 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 分辨率：能分辨的最小输入变化量。 用分辨率、相对分辨率或以数字位数表示。 用分辨率、相对分辨率或以数字位数表示。 位数为n，满量程范围FSR。 设ADC位数为 ，满量程范围 位数为 。 分辨率=FSR/2n；直接表示 直接表示→n； 分辨率 ；
±LSB/2
－1LSB
§8.3.2 ADC的基本原理 的基本原理 并行（闪速） 一、并行（闪速） ADC
Vi VR
R
(2n－1)个 个
+
_ _
Dn-1
R
+
2n
R
+
_
D0
可有2 可有 n种 比较结果
即n位数字量 位
3位并行比较型 位并行比较型ADC的转换真值表 的转换真值表 位并行比较型 的转换
Vin
典型ADC介绍（ADC0809） 介绍（ §8.3.4 典型 介绍 ）
单极性0~5 V 单极性 决定转换时间
dip28封装 封装
+5V单电源；15 mW功耗 单电源； 单电源 功耗
输出数字量 对应一个 模拟区间
§8.3.1 ADC的基本原理 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 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。 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？ 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 ， 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， 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T 可以唯一的由其在均匀间隔 s(Ts<1/2fm)上的样 点值f(nTs)确定。 确定。 点值 确定
0≤Vin＜1V 1V≤Vin＜2V 2V≤Vin＜3V 3V≤Vin＜4V 4V≤Vin＜5V 5V≤Vin＜6V 6V≤Vin＜7V 7V≤Vin＜8V
I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0
1111111 0111111 0011111 0001111 0000111 0000011 0000001 0000000
对应的输入范围
舍入量化 量化值 输出00 输出 1H 最大 误差 量化区间中点 量化点误差为0 量化点误差为 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 量化点误差为 Vi=1/8V 1/8<Vi<2/8(V)
1/8－2/8
辨 1 分 率 0 = ×100 0 ×1000 0 相 分 率= 对 辨 FSR 2n
n越大分 越大分 辨率越高
的 位 ， 例：FSR=10V的12位ADC，其分辨率表 分辨率2.44mV、0.0244%、12位。 示：分辨率 、 、 位
⑻信噪比（SNR）：ADC输出端信号与 信噪比（ ） 输出端信号与 噪声之比， 表示。 噪声之比，用dB表示。对于正弦波输入信号， 表示 对于正弦波输入信号， 信噪比的理论值满足6dB规则： 规则： 信噪比的理论值满足 规则 SNR=(6.02n＋1.76)dB ( ＋ ) 式中： 为 的位数， 式中：n为ADC的位数，即ADC的位数 的位数 的位数 每增加一位， 值增加约6dB。 每增加一位，SNR值增加约 值增加约 。 利用ADC实际信噪比，可求其有效位数 实际信噪比， 利用 实际信噪比 (ENOB)： ) SNR−1.76
Tcon=90µs
双积分式（双斜式） 三、双积分式（双斜式）ADC
Vi<0
放电开关
VR>0
控制K 控制 1置位
原理 波形 结果
1、双积分式 、双积分式ADC工作原理 工作原理
过程 K1 K2 电容 积分输出 比较器 开始 地 通 放电 Vo =0 向下 反转 开始计数 直到溢出 线性增加 采样 1 断 充电 Fra Baidu biblioteki<0 Vo>0 编码 反向 2 断 VR>0 充电 计数器
例如： 例如：FSR=1V的3位ADC，其分辨率为 的 位 ， ）。分别采用舍入量化和截断量 1/8V（1LSB）。分别采用舍入量化和截断量 ）。 （ 化两种方式，情况如下： 化两种方式，情况如下：
1.5LSB
111 110 101 100 011 010 001 000 0
A
1 LSB 2
Vin
模数转换器及其应用 本次课内容 1、ADC的转换原理； 、 的转换原理； 的转换原理 2、ADC的主要参数。 的主要参数。 、 的主要参数 3、模数典型芯片介绍； 、模数典型芯片介绍； 4、ADC的基本应用方法。 的基本应用方法。 、 的基本应用方法
模数转换器（ §8.3 模数转换器（ADC） ） ADC作用：将模拟量转换为数字量。 作用：将模拟量转换为数字量。 作用 主要应用： 低速)数字万用表， 主要应用：(低速)数字万用表，电子秤 中速)工业控制，实验设备等； 高速) 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、 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。 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； 输入是模拟量，输出是数字量； 输入是模拟量 ADC输出的数字量可视为输入电压(电 输出的数字量可视为输入电压( 输出的数字量可视为输入电压 与基准电压(电流)相比所占的比例。 流)与基准电压(电流)相比所占的比例。
与硬件连接、 与硬件连接、 1 编程方法等 转 速 = 换 率 转 时 +数 输 时 换 间 据 出 间 有关。 有关。
三、ADC的接口特性 的接口特性 ADC与外部电路连接时的特性，包括: 与外部电路连接时的特性，包括 与外部电路连接时的特性 输入特性：电压(电流)范围、 输入特性：电压(电流)范围、输入极性 双极性) 模拟信号最高有效频率等。 (单、双极性)、模拟信号最高有效频率等。 输出特性：编码方式( 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 码等) 输出方式( 并行；三态、缓冲、 存输出)以及电平类型( 存输出)以及电平类型(TTL、CMOS等)。 、 等 控制特性：启动转换、转换完成； 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。 ) 数据读( )等控制信号端
逐次逼近式ADC 二、逐次逼近式
DAC
VR D0 D0
Dn-1
比较器
Dn-1
Vf
Vp
Vi
Next
SAR
开始前清零! 开始前清零
即完成一次转换需n+1个时钟周期。 个时钟周期。 即完成一次转换需 个时钟周期
首先， 首先，置DN-1＝“1”，若VP =“H”，则保 ， ， 留DN-1=“1”；否则，DN-1=“0”。 ；否则， 。 然后， 然后，置DN-2＝“1”，若VP =“H”，则保 ， ， 留DN-2=“1”；否则，DN-2=“0”。 ；否则， 。