數(shù)模轉(zhuǎn)換器基本原理

1、本次本次課內(nèi)容課內(nèi)容1、ADC的轉(zhuǎn)換原理；的轉(zhuǎn)換原理；2、ADC的主要參數(shù)。的主要參數(shù)。3、模數(shù)典型芯片介紹；、模數(shù)典型芯片介紹；4、ADC的基本應用方法。的基本應用方法。模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其應用模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其應用8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）ADC作用：作用：將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。主要應用主要應用：( (低速低速) )數(shù)字萬用表，電子秤數(shù)字萬用表，電子秤等；等；( (中速中速) )工業(yè)控制，實驗設(shè)備等；工業(yè)控制，實驗設(shè)備等；( (高速高速) )數(shù)字通信、數(shù)字通信、超高速超高速) )數(shù)字音頻、視頻信號變換、數(shù)字音頻、視頻信號變換、氣象數(shù)據(jù)分析處理。氣象數(shù)據(jù)分析處理。A

2、DC輸入是模輸入是模為輸入電壓為輸入電壓( (電流電流) )與基準與基準電壓電壓( (電流電流) )相比所占的比例。相比所占的比例。ADC輸出與輸入關(guān)系可表示如下：輸出與輸入關(guān)系可表示如下：nREFinout2VAD即即ADC是將輸入信號是將輸入信號Ain與其所能分辨與其所能分辨的最小電壓增相比較，得到與輸入模擬量對的最小電壓增相比較，得到與輸入模擬量對應的倍數(shù)（應的倍數(shù)（取整取整）。）。 3位位ADC示意圖示意圖 輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量對應一個對應一個模擬區(qū)間模擬區(qū)間8.3.1 ADC的基本原理的基本原理一、采樣和采樣定理一、采樣和采樣定理ADC周期性地將輸入模擬值轉(zhuǎn)換成與其大周期性地將輸入模

3、擬值轉(zhuǎn)換成與其大小對應的數(shù)字量，該過程稱為小對應的數(shù)字量，該過程稱為采樣采樣。采樣是否丟失某些信息？采樣是否丟失某些信息？ 時域采樣定理：時域采樣定理：一個頻帶有限的信號一個頻帶有限的信號f(t)，如果其頻譜在區(qū)間如果其頻譜在區(qū)間( (以外為零，則它可以唯以外為零，則它可以唯一的由其在均勻間隔一的由其在均勻間隔Ts( (Ts1/2fm) )上的樣點值上的樣點值f(nTs)確定。確定。即只要即只要采樣脈沖頻率采樣脈沖頻率fs大于或等于大于或等于輸入信號輸入信號中最高頻率中最高頻率fm的兩倍（的兩倍（fs 2fm），則采樣后的），則采樣后的輸出信號就能夠不失真地恢復出模擬信號。輸出信號就能夠不失真

4、地恢復出模擬信號。二、采樣二、采樣/保持電路保持電路模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換需要一定時間，在此換需要一定時間，在此期間要求采樣所得的樣期間要求采樣所得的樣值保持不變。這個過程值保持不變。這個過程需有相應電路實現(xiàn)。需有相應電路實現(xiàn)。Ctw，故，故Vs的變的變化與化與Vi同步。同步。VsLF198 三、量化和編碼三、量化和編碼模擬信號經(jīng)模擬信號經(jīng)S/H得到的得到的取樣值取樣值仍屬模擬范仍屬模擬范疇，疇，需經(jīng)量化需經(jīng)量化（將取樣值表示為最小數(shù)量單位將取樣值表示為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍的整數(shù)倍）處理，時間上和數(shù)值上都為離散的）處理，時間上和數(shù)值上都為離散的數(shù)字信號。數(shù)字信號。最小數(shù)量單位稱量化

5、單位最小數(shù)量單位稱量化單位( (1=1LSB) )。編碼：編碼：將將量化結(jié)量化結(jié)補碼編碼。補碼編碼。因取樣值為輸入信號某些時刻的瞬時值，因取樣值為輸入信號某些時刻的瞬時值，它們不可能都正好是化誤差它們不可能都正好是化誤差( () )。量化誤差：量化誤差：有限生的輸出數(shù)據(jù)的等效模擬有限生的輸出數(shù)據(jù)的等效模擬值與實際輸入模擬量之間的差值。值與實際輸入模擬量之間的差值。 量化誤差的量化誤差的大小大小與量化方式、量化單位、與量化方式、量化單位、ADC編碼位數(shù)、基準電壓大小有關(guān)。編碼位數(shù)、基準電壓大小有關(guān)。常用的量化方式：常用的量化方式：舍入量化舍入量化和和截斷量化截斷量化兩種方式兩種方式。例如：例如：

6、FSR=1V的的3位位ADC，其分辨率為，其分辨率為1/8V（1LSB）。分別采用舍入量化和截斷量）。分別采用舍入量化和截斷量化兩種方式，化兩種方式，情況如下情況如下：LSB/21.5LSB2LSBLSB 數(shù)數(shù)字字值值對對應應的的輸輸入入范范圍圍LSB1LSB數(shù)字值數(shù)字值數(shù)字值數(shù)字值對對應應的的輸輸入入范范圍圍舍入量化舍入量化截斷量化截斷量化量化值量化值量化區(qū)間中點量化區(qū)間中點量化區(qū)間末端量化區(qū)間末端輸出輸出001H量化點誤差為量化點誤差為0 Vi=1/8V量化點誤差為量化點誤差為0Vi=1/8V1/16Vi3/16(V)1/8Vi2/8(V)最大最大誤差誤差1/81/16; 1/83/16L

7、SB/21/82/81LSB(2n1)個個2n一一、并行（、并行（閃速閃速） ADC可有可有2n種種比較結(jié)果比較結(jié)果即即n位位數(shù)字量數(shù)字量8.3.2 ADC的基本原理的基本原理VinI6 I5 I4 I3 I2 I1 I0Y2 Y1 Y0量化值量化值0Vin1V11111110000V1VVin2V01111110011V2VVin3V00111110102V3VVin4V00011110113V4VVin5V00001111004V5VVin6V00000111015V6VVin7V00000011106V7VVin8V00000001117V3位并行比較型位并行比較型ADC的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換真值

8、表真值表優(yōu)點：優(yōu)點：轉(zhuǎn)換快（僅一個時鐘周期）。轉(zhuǎn)換快（僅一個時鐘周期）。不足：不足：n較大時，比較器、分壓電阻數(shù)較大時，比較器、分壓電阻數(shù)量太大，難以保證其準確性及一致性。量太大，難以保證其準確性及一致性。NextNext二、逐次逼近式二、逐次逼近式ADC開始前清零開始前清零!比較器比較器即完成一次轉(zhuǎn)換需即完成一次轉(zhuǎn)換需n+1個時鐘周期。個時鐘周期。首先首先，置置DN-1“1”，若，若VP =“H”，則保，則保留留DN-1=“1”；否則，；否則，DN-1=“0”。然后，然后，置置DN-2“1”，若，若VP =“H”，則保，則保留留DN-2=“1”；否則，；否則，DN-2=“0”。 D0位確定，

9、轉(zhuǎn)換結(jié)束。位確定，轉(zhuǎn)換結(jié)束。 優(yōu)點：優(yōu)點：技術(shù)成熟，精度較高、速度較快。技術(shù)成熟，精度較高、速度較快。 不足：不足：對對Vi中入端需用中入端需用S/H電路（電路（ADC轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換期間換期間Vi要恒定要恒定）。）。SAR ADC 轉(zhuǎn)換的時序波形轉(zhuǎn)換的時序波形（Vin=6.8V8位二進制數(shù)）位二進制數(shù)）Tclk=10sTcon=90s三、雙積分式（三、雙積分式（雙斜式雙斜式）ADCVi0放電開關(guān)放電開關(guān)控制控制K1置位置位原理原理波形波形結(jié)果結(jié)果過程過程 K1K2電電容容積分輸出積分輸出 比較器比較器計數(shù)器計數(shù)器開始開始 地地 通通放放電電Vo =0采樣采樣Vi0向下向下反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)開始計數(shù)開始計數(shù)直到溢

10、出直到溢出編碼編碼VR02斷斷反反向向充充電電線性下降線性下降 低電平低電平重新計數(shù)重新計數(shù)Vo0向上向上反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)停止計數(shù)停止計數(shù)輸出結(jié)果輸出結(jié)果1、雙積分式、雙積分式ADC工作原工作原理理電路電路結(jié)果結(jié)果溢出值恒定溢出值恒定t1恒定恒定反向充電電壓恒定反向充電電壓恒定Vi不同積分不同積分輸出不同輸出不同VR恒定恒定斜率恒定斜率恒定1it0i1otRCVdtRVC1)t(V1采樣結(jié)束采樣結(jié)束：編碼結(jié)束：編碼結(jié)束： 0tRCVtRCVdtRVC1tVttV2R1itttR1o21o2112、雙積分式、雙積分式ADC轉(zhuǎn)換結(jié)轉(zhuǎn)換結(jié)果果1Ri1Ri2NVVNVVN令計數(shù)脈沖周期為令計數(shù)脈沖周期為TC，

11、則則t1=N1TC；t2=N2TC。優(yōu)點：優(yōu)點：N2Vi，抗干擾性和精度較好?？垢蓴_性和精度較好。不足：不足：轉(zhuǎn)換速度慢，轉(zhuǎn)換速度慢，20次次/s。分辨率分辨率：能分辨的最小輸入變化量能分辨的最小輸入變化量?？伞？捎梅直媛?、相對分辨率或以數(shù)字位數(shù)表示。用分辨率、相對分辨率或以數(shù)字位數(shù)表示。8.3.3 ADC的主要參數(shù)的主要參數(shù)一一、轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度00n0010021100FSR分分辨辨率率相相對對分分辨辨率率設(shè)設(shè)ADC位數(shù)范圍位數(shù)范圍FSR。分辨率分辨率=FSR/2n；直接表示；直接表示n；例：例：FSR=10V的的12位位ADC，其分辨率表，其分辨率表示：分辨率示：分辨率2.44mV、0.

12、0244%、12位。位。n越大分越大分辨率越高辨率越高信噪比（信噪比（SNR）：ADC輸出端信號與輸出端信號與噪聲之比，用噪聲之比，用dB表示。對于正弦波輸入信號，表示。對于正弦波輸入信號，信噪比的理論值滿足信噪比的理論值滿足6dB規(guī)則：規(guī)則： SNR=( (6.02n1.76) )dB 式中：式中：n為為ADC的位數(shù)，即的位數(shù)，即ADC的位數(shù)的位數(shù)每增加一位，每增加一位，SNR值增加約值增加約6dB。 利用利用ADC實際信噪比，可求其有效位數(shù)實際信噪比，可求其有效位數(shù)( (ENOB) )：02. 676. 1SNRENOB其它參數(shù)（總諧波失真、互調(diào)失真等）自學。其它參數(shù)（總諧波失真、互調(diào)失真

13、等）自學。轉(zhuǎn)換時間：轉(zhuǎn)換時間：從啟動從啟動ADC轉(zhuǎn)換開始到正確轉(zhuǎn)換開始到正確輸出數(shù)字信號的一段時間間隔。輸出數(shù)字信號的一段時間間隔。 注意：注意：實際應用中，在實際應用中，在ADC完成轉(zhuǎn)換后完成轉(zhuǎn)換后到數(shù)據(jù)被讀出之前，不允許有新的轉(zhuǎn)換。到數(shù)據(jù)被讀出之前，不允許有新的轉(zhuǎn)換。二、二、ADC的轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換速率的轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率：轉(zhuǎn)換速率：單位時間（每秒）內(nèi)單位時間（每秒）內(nèi)ADC重重復轉(zhuǎn)換的次數(shù)。復轉(zhuǎn)換的次數(shù)。數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)輸輸出出時時間間轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換時時間間轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換速速率率1與硬件連接、與硬件連接、編程方法等編程方法等有關(guān)。有關(guān)。三、三、ADC的接口特性的接口特性ADC與外部電路連接時的特性，包

14、括與外部電路連接時的特性，包括:輸入特性：輸入特性：電壓電壓( (電流電流) )范圍、輸入極性范圍、輸入極性( (單、雙極性單、雙極性) )、模擬信號最高有效頻率等。、模擬信號最高有效頻率等。輸出特性：輸出特性：編碼方式編碼方式( (自然或偏移二進制自然或偏移二進制碼等碼等) )、輸出方式、輸出方式( (串、并行；三態(tài)、緩沖、鎖串、并行；三態(tài)、緩沖、鎖存輸出存輸出) )以及電平類型以及電平類型( (TTL、CMOS等等) )。控制特性：控制特性：啟動轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換完成；片選信啟動轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換完成；片選信號號( (CS) )、數(shù)據(jù)讀、數(shù)據(jù)讀( (RD) )等控制信號等控制信號端。端。 8.3.4 典型

15、典型ADC介紹（介紹（ADC0809）dip28封裝封裝誤差誤差1LSB決定轉(zhuǎn)換時間決定轉(zhuǎn)換時間+5V單電源；單電源；15 mW功耗功耗單極性單極性05 VADC0809工作時序圖工作時序圖清零清零啟動啟動CLK：要求頻率：要求頻率101280kHz，典型值，典型值640kHz。轉(zhuǎn)換進行中轉(zhuǎn)換進行中轉(zhuǎn)換結(jié)束轉(zhuǎn)換結(jié)束 ADC0809與與8031的接口電路的接口電路1、根據(jù)分辨率確定、根據(jù)分辨率確定ADC位數(shù)位數(shù)n設(shè)設(shè)ADC電壓輸入范圍為電壓輸入范圍為FSR，位數(shù)為，位數(shù)為n，要求分辨率為要求分辨率為M。則。則1MFSRlg32. 31MFSRlogn2標稱位數(shù)標稱位數(shù)8、10、12、14等等例：

16、例：某某ADC的的FSR=10V，系統(tǒng)要求分辨，系統(tǒng)要求分辨率率M=2mV。試確定其位數(shù)。試確定其位數(shù)。3 .121210000lg32. 31MFSRlg32. 3n可選可選13位位一、一、ADC的選擇的選擇8.4.3 ADC的應用的應用2、根據(jù)采集速度確定、根據(jù)采集速度確定ADC的轉(zhuǎn)換速度的轉(zhuǎn)換速度設(shè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換速率為設(shè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換速率為f；硬件延遲時間；硬件延遲時間ty；ADC轉(zhuǎn)換時間為轉(zhuǎn)換時間為tcon。則：。則：T1/f 。ycontf1tT = ty + tcon 3、ADC其它方面的選擇需注意事項其它方面的選擇需注意事項輸出信號的編碼方式；與其他邏輯電平輸出信號的編碼方式；與其他邏輯電平

17、的匹配情況；控制信號是否合乎要求等。另的匹配情況；控制信號是否合乎要求等。另外，外， 轉(zhuǎn)換時間要與應用系統(tǒng)匹配。轉(zhuǎn)換時間要與應用系統(tǒng)匹配。二、二、ADC的調(diào)整的調(diào)整使用使用ADC通常要調(diào)整通常要調(diào)整其失調(diào)和增益誤差。方其失調(diào)和增益誤差。方法：硬件、軟件消除。法：硬件、軟件消除。 基準基準標準轉(zhuǎn)換值標準轉(zhuǎn)換值實測值實測值8Vyhxh-8Vylxl將兩組數(shù)據(jù)代入將兩組數(shù)據(jù)代入方程方程y=max+b可求出可求出ma（實際增益）實際增益）和和b（實際失調(diào)）（實際失調(diào)） 。有了有了ma、b及實測輸出及實測輸出x，用，用y=max+b即可即可得到消除了增益和失調(diào)誤差標準輸出。得到消除了增益和失調(diào)誤差標準輸

18、出。 三、三、高分辨率高分辨率ADC與微處理器的接口與微處理器的接口 當當ADC位數(shù)位數(shù)大于大于CPU數(shù)據(jù)寬度的接口方數(shù)據(jù)寬度的接口方法（法（通常通常ADC提供兩次讀出數(shù)據(jù)控制提供兩次讀出數(shù)據(jù)控制）。）。數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線為三態(tài)為三態(tài) 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線非三態(tài)非三態(tài) 8.4.4 ADC的應用電路的應用電路一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將被采樣的模擬信將被采樣的模擬信號變化范圍變換為接近號變化范圍變換為接近ADC輸入模擬信號的滿輸入模擬信號的滿量程范圍。量程范圍。目的：目的：為了為了減小減小ADC的量化誤差的量化誤差。二、二、ADC的滿量程轉(zhuǎn)換的滿量程轉(zhuǎn)換 例如例如：被采樣信號被采樣信號Vi=0mV11m

19、V；單極；單極性性ADC采用截斷量化，采用截斷量化，F(xiàn)SR=10V，輸出位數(shù)，輸出位數(shù)12位位。量化區(qū)間大小：量化區(qū)間大?。?.44mVPGA取值取值1100D=Vi /(分辨率分辨率)11/2.44=4.511100/2.44=450.8截斷量化后截斷量化后D=4=004HD=450=1C2H相應無誤差相應無誤差模擬量模擬量42.44mV=9.76mV4502.44mV/100=10.98mV相對誤差相對誤差11.3%0.18%05V如：單極性如：單極性ADC采樣雙極性輸入電壓。采樣雙極性輸入電壓。 三、三、ADC的功能擴展的功能擴展Vi=-5V對應對應Dn-1D0為全為全0。Vi=+5V對應對應 Dn-1D0為全為全1。雙極性電壓雙極性電壓單極性電壓單極性電壓四、常用數(shù)據(jù)處理技術(shù)四、常用數(shù)據(jù)處理技術(shù)為消除采樣數(shù)據(jù)中干擾，可用硬件方法，為消除采樣數(shù)據(jù)中干擾，可用硬件方法，也可用軟件對采樣數(shù)據(jù)進行處理，使采樣數(shù)據(jù)也可用軟件對采樣數(shù)據(jù)進行處