數(shù)字電子技術：ch010-2AD轉換器

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

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

3、t)=1:開關閉合S(t)=0:開關斷開10.2.1 A/D轉換的一般工作過程采得模擬信號轉換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理10.2.1 A/D轉換的一般工作過程2. 量化與編碼數(shù)字信號在數(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的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數(shù)字量。 量化3.編碼10.2.1 A/D轉換的一般工作過程在量化過程中由于

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，它是無法消除的。A/D轉換器的位數(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轉換的一般工作過程四舍五入法 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輸入信號編碼量化后電壓舍尾取整法: 量化中把不足一個量化單 位的部分舍棄；對于 等于或大于一個 量化單位部分按一個量化

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電壓轉換為3位二進制代碼10.2.1 A/D轉換的一般工作過程b ) 四舍五入法量化方式:量化過程將不足 半 個量化單位部分舍棄，對于等于或大于 半個量化單位部分按一個量化單位處理。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輸入信號編碼模擬電平=1LSB= 2/15 V V例：將01V電壓轉換為3位二進制代碼10.2.1 A/D轉換的一般工作過程10.

6、2.2 并行比較型A/D轉換器電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網(wǎng)絡精密參考電壓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、的關系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲，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轉換器3、電路特點：在并行A/D轉換器中，輸入電壓I同時加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數(shù)字量是與I輸入時刻同時獲得的。所以它的轉換時間最短。 缺點是電路復雜，如三位ADC需7個比較器、7個觸發(fā)器、8個電阻。位數(shù)越多，電路越復雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并行轉換的方法。 單片集成并行比較型A/D轉換器的產(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轉換器所加砝碼重量 結果 10.2.3 逐次比較型A/D轉換器逐次逼近轉換過程與用天平稱物重非常相似 。第一次8 克砝碼總重 待測重量Wx ，8克砝碼保留8 克第二次再加4克砝碼總重仍 待測重量Wx ， 2克砝碼撤除12 克第四次再加1克砝碼總重 待測重量Wx ， 1克砝碼保留13 克1. 轉換原理 所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設待秤重量Wx = 13克。1. 轉換原理 1 0 0 0 1 0 0 0 I 5V 1A=6.84VVREF=10V第一個CP：10.2.3 逐次比較型A/D轉換器1. 轉換原理 第二個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轉換器1. 轉換原理 第三個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轉換器10000000A=6.84VVREF=10V101011111100000010100000101100001010100010101100101011101010111112345678小結：1、 逐次比較型A/D轉換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越 多轉換精度越高；2、逐次比較型A/D轉換器完成一次轉換所需 時間與其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關，位數(shù)愈 少，時鐘頻率越高，轉換所需

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

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級計數(shù)器 定時信號 VREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進行第二次積分；當t=t2時積分器輸出電壓O0，比較器輸出C=0，時鐘脈沖控制門G被關閉，計數(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級計數(shù)器 定時信號 T1=2nTC T2=Tc 在計數(shù)器所計的數(shù)=Qn-1Q1Q0，就是A/D轉換器得到的結果。設：10.2.4 雙積分式A/D轉換器優(yōu)點：1.由于轉換結果與時間常數(shù)RC無關，從而消除了積分非線 性帶來的誤差。2.由于雙積分A/D轉換器在T1時間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值， 因此具有很強的抗工頻干擾的能力。 T1=2nTC3. 只要求時鐘源在一個轉換周期時間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。10.2.5 A/D轉換器的主要技術指標 A/D轉換器的主要技術指標有轉換精度和轉換速度。 分辨率:轉換誤差： 表示A/D轉換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。 說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。理論上講，n位輸出A/D轉換器能區(qū)分 個輸入模擬電壓信號的不同等級，能區(qū)分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的