數(shù)字電子技術(shù)：ch010-2AD轉(zhuǎn)換器

1、10.2.6 集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用10.2 A/D 轉(zhuǎn)換器10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程10.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器10.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器10.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器10.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)概述ADCDnD0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓能將時(shí)間和幅值都連續(xù)的模量轉(zhuǎn)換成時(shí)間，幅值都離散的數(shù)字量。1. A/D轉(zhuǎn)換器功能:10.2 A/D 轉(zhuǎn)換器一般要經(jīng)過(guò)取樣，保持，量化和編碼幾個(gè)過(guò)程。并聯(lián)比較型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間 10ns 1s, 但電路復(fù)雜。逐次逼近型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時(shí)間 為幾s 100 s, 轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件

2、復(fù)雜度之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡。雙積分型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間 幾百s 幾ms,但抗干擾能力最強(qiáng)。10.2 A/D 轉(zhuǎn)換器2 A/D 轉(zhuǎn)換器的分類種類直接A/D 轉(zhuǎn)換器間接A/D 轉(zhuǎn)換器 電壓頻率轉(zhuǎn)換型A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)先轉(zhuǎn)換成中間量（時(shí)間或頻率）將模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量按工作原理分1. 取樣與保持 采樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模擬量。 采樣信號(hào)S(t)的頻率愈高，所采得信號(hào)經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。合理的采樣頻率由采樣定理確定。 采樣定理：設(shè)采樣信號(hào)S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號(hào)I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則 fs 2fimaS(

3、t)=1:開(kāi)關(guān)閉合S(t)=0:開(kāi)關(guān)斷開(kāi)10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程采得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程2. 量化與編碼數(shù)字信號(hào)在數(shù)值上是離散的。采樣保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化后的數(shù)值最后還需通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。 量化3.編碼10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程在量化過(guò)程中由于

4、所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無(wú)法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越 多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。 兩種近似量化方式：4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程四舍五入法 舍尾取整法011111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v輸入信號(hào)編碼量化后電壓舍尾取整法: 量化中把不足一個(gè)量化單 位的部分舍棄；對(duì)于 等于或大于一個(gè) 量化單位部分按一個(gè)量化

5、單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位1/8V=1LSB=1/8 V例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程b ) 四舍五入法量化方式:量化過(guò)程將不足 半 個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于 半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v輸入信號(hào)編碼模擬電平=1LSB= 2/15 V V例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程10.

6、2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)精密參考電壓VREF/153VREF/157VREF/1510VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量1、電路組成VI=8VREF/151111000001VREF/153VREF/157VREF/1510VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/1510.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 10VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 10VREF/15 vI

7、11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)

8、的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。 10.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器3、電路特點(diǎn)：在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時(shí)加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與I輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。 缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三位ADC需7個(gè)比較器、7個(gè)觸發(fā)器、8個(gè)電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級(jí)并行轉(zhuǎn)換的方法。 單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的AD10012 (TTL工藝8位)、AD10002 (ECL工藝，8位)、AD10020 (TTL工藝，10位)等。

9、10.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器所加砝碼重量 結(jié)果 10.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用天平稱物重非常相似 。第一次8 克砝碼總重 待測(cè)重量Wx ，8克砝碼保留8 克第二次再加4克砝碼總重仍 待測(cè)重量Wx ， 2克砝碼撤除12 克第四次再加1克砝碼總重 待測(cè)重量Wx ， 1克砝碼保留13 克1. 轉(zhuǎn)換原理 所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設(shè)待秤重量Wx = 13克。1. 轉(zhuǎn)換原理 1 0 0 0 1 0 0 0 I 5V 1A=6.84VVREF=10V第一個(gè)CP：10.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器1. 轉(zhuǎn)換原理 第二個(gè)CP：0 1 0 0 1 1 0 0 10

10、I 7.5V I=6.84VVREF=10V10.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器1. 轉(zhuǎn)換原理 第三個(gè)CP：0 0 1 0 1 0 1 0 I 6.25V 101A=6.84VVREF=10V10.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器10000000A=6.84VVREF=10V101011111100000010100000101100001010100010101100101011101010111112345678小結(jié)：1、 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越 多轉(zhuǎn)換精度越高；2、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需 時(shí)間與其位數(shù)n和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈 少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需

11、時(shí)間越短； 10.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器10.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器1、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想 對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓時(shí)間數(shù)字式積分器 。1、電路組成00000Cr信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零；開(kāi)關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開(kāi)S2 使電容的初始電壓為0。2、工作原理準(zhǔn)備階段：經(jīng)過(guò)2n個(gè)CP(2) 第一次積分：t = t0時(shí)，開(kāi)關(guān)S1與A端相接，積分器開(kāi)始對(duì)I積分。經(jīng)2n個(gè)CP后,開(kāi)關(guān)切換到B，Vo=VP。第一積分時(shí)

12、間為2nTC + + +uI S1 S2 R FFn uS1 VREF uO uC 1 FFn-1 1 Q1 Qn-1 Qn FF1 1 FF0 1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-D1 D0 & C A B G uG n級(jí)計(jì)數(shù)器 定時(shí)信號(hào) VREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進(jìn)行第二次積分；當(dāng)t=t2時(shí)積分器輸出電壓O0，比較器輸出C=0，時(shí)鐘脈沖控制門(mén)G被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。(3) 第二次積分： + + +uI S1 S2 R FFn uS1 VREF uO uC 1 FFn-1 1 Q1 Qn-1 Qn FF1 1

13、 FF0 1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-D1 D0 & C A B G uG n級(jí)計(jì)數(shù)器 定時(shí)信號(hào) T1=2nTC T2=Tc 在計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)=Qn-1Q1Q0，就是A/D轉(zhuǎn)換器得到的結(jié)果。設(shè)：10.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)：1.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)RC無(wú)關(guān)，從而消除了積分非線 性帶來(lái)的誤差。2.由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在T1時(shí)間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值， 因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力。 T1=2nTC3. 只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。10.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度。 分辨率:轉(zhuǎn)換誤差： 表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。 說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。理論上講，n位輸出A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分 個(gè)輸入模擬電壓信號(hào)的不同等級(jí)，能區(qū)分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的