數(shù)模轉(zhuǎn)換器基本原理及常見結(jié)構(gòu)課件

本次課內(nèi)容1、ADC的轉(zhuǎn)換原理；2、ADC的主要參數(shù)。3、模數(shù)典型芯片介紹；4、ADC的基本應(yīng)用方法。模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用§8.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

ADC作用：將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

主要應(yīng)用：(低速)數(shù)字萬用表，電子秤等；(中速)工業(yè)控制，實驗設(shè)備等；(高速)數(shù)字通信、導(dǎo)彈測遠(yuǎn)等；(超高速)數(shù)字音頻、視頻信號變換、氣象數(shù)據(jù)分析處理。ADC輸入是模擬量，輸出是數(shù)字量；ADC輸出的數(shù)字量可視為輸入電壓(電流)與基準(zhǔn)電壓(電流)相比所占的比例。ADC輸出與輸入關(guān)系可表示如下：即ADC是將輸入信號Ain與其所能分辨的最小電壓增量VREF/2n相比較，得到與輸入模擬量對應(yīng)的倍數(shù)（取整）。3位ADC示意圖輸出數(shù)字量對應(yīng)一個模擬區(qū)間即只要采樣脈沖頻率fs大于或等于輸入信號中最高頻率fm的兩倍（fs≥2fm），則采樣后的輸出信號就能夠不失真地恢復(fù)出模擬信號。二、采樣/保持電路模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換需要一定時間，在此期間要求采樣所得的樣值保持不變。這個過程需有相應(yīng)電路實現(xiàn)。τC<<tw，故Vs的變化與Vi同步。VsLF198三、量化和編碼模擬信號經(jīng)S/H得到的取樣值仍屬模擬范疇，需經(jīng)量化（將取樣值表示為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍）處理，才能轉(zhuǎn)換為時間上和數(shù)值上都為離散的數(shù)字信號。最小數(shù)量單位稱量化單位(1△=1LSB)。

編碼：將量化結(jié)果用數(shù)字代碼表示出來。常見有自然二進(jìn)制編碼、二進(jìn)制補碼編碼。例如：FSR=1V的3位ADC，其分辨率為1/8V（1LSB）。分別采用舍入量化和截斷量化兩種方式，情況如下：LSB/21.5LSB舍入量化截斷量化量化值量化區(qū)間中點量化區(qū)間末端輸出001H量化點誤差為0Vi=1/8V量化點誤差為0Vi=1/8V1/16<Vi<3/16(V)1/8<Vi<2/8(V)最大誤差1/8－1/16;

1/8－3/16±LSB/21/8－2/8－1LSB(2n－1)個2n一、并行（閃速）ADC可有2n種比較結(jié)果即n位數(shù)字量§8.3.2ADC的基本原理Next二、逐次逼近式ADC開始前清零!比較器即完成一次轉(zhuǎn)換需n+1個時鐘周期。

首先，置DN-1＝“1”，若VP=“H”，則保留DN-1=“1”；否則，DN-1=“0”。

然后，置DN-2＝“1”，若VP=“H”，則保留DN-2=“1”；否則，DN-2=“0”。

……D0位確定，轉(zhuǎn)換結(jié)束。

優(yōu)點：技術(shù)成熟，精度較高、速度較快。

不足：對Vi中噪聲敏感，輸入端需用S/H電路（ADC轉(zhuǎn)換期間Vi要恒定）。SARADC轉(zhuǎn)換的時序波形（Vin=6.8V→8位二進(jìn)制數(shù)）Tclk=10μsTcon=90μs過程K1K2電容積分輸出比較器計數(shù)器開始地通放電Vo=0采樣Vi<01斷充電線性增加Vo>0向下反轉(zhuǎn)開始計數(shù)直到溢出編碼VR>02斷反向充電線性下降低電平重新計數(shù)Vo≤0向上反轉(zhuǎn)停止計數(shù)輸出結(jié)果1、雙積分式ADC工作原理電路①③②結(jié)果溢出值恒定t1恒定反向充電電壓恒定Vi不同積分輸出不同VR恒定斜率恒定采樣結(jié)束：編碼結(jié)束：2、雙積分式ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果令計數(shù)脈沖周期為TC，則t1=N1TC；t2=N2TC。

優(yōu)點：N2∝Vi，抗干擾性和精度較好。

不足：轉(zhuǎn)換速度慢，≤20次/s。

⑻信噪比（SNR）：ADC輸出端信號與噪聲之比，用dB表示。對于正弦波輸入信號，信噪比的理論值滿足6dB規(guī)則：

SNR=(6.02n＋1.76)dB

式中：n為ADC的位數(shù)，即ADC的位數(shù)每增加一位，SNR值增加約6dB。

利用ADC實際信噪比，可求其有效位數(shù)(ENOB)：其它參數(shù)（總諧波失真、互調(diào)失真等）自學(xué)。

轉(zhuǎn)換時間：從啟動ADC轉(zhuǎn)換開始到正確輸出數(shù)字信號的一段時間間隔。

注意：實際應(yīng)用中，在ADC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。二、ADC的轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率：單位時間（每秒）內(nèi)ADC重復(fù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)。與硬件連接、編程方法等有關(guān)?！?.3.4典型ADC介紹（ADC0809）dip28封裝誤差±1LSB決定轉(zhuǎn)換時間+5V單電源；15mW功耗單極性0~5VADC0809工作時序圖清零啟動CLK：要求頻率10~1280kHz，典型值640kHz。轉(zhuǎn)換進(jìn)行中轉(zhuǎn)換結(jié)束2、根據(jù)采集速度確定ADC的轉(zhuǎn)換速度設(shè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換速率為f；硬件延遲時間ty；ADC轉(zhuǎn)換時間為tcon。則：T≤1/f。T

=ty

+tcon

3、ADC其它方面的選擇需注意事項輸出信號的編碼方式；與其他邏輯電平的匹配情況；控制信號是否合乎要求等。另外，轉(zhuǎn)換時間要與應(yīng)用系統(tǒng)匹配。二、ADC的調(diào)整

使用ADC通常要調(diào)整其失調(diào)和增益誤差。方法：硬件、軟件消除?；鶞?zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換值實測值8Vyhxh-8Vylxl將兩組數(shù)據(jù)代入方程y=max+b可求出ma（實際增益）和b（實際失調(diào)）。

有了ma、b及實測輸出x，用y=max+b即可得到消除了增益和失調(diào)誤差標(biāo)準(zhǔn)輸出。三、高分辨率ADC與微處理器的接口當(dāng)ADC位數(shù)大于CPU數(shù)據(jù)寬度的接口方法（通常ADC提供兩次讀出數(shù)據(jù)控制）。數(shù)據(jù)線為三態(tài)

數(shù)據(jù)線非三態(tài)

§8.4.4ADC的應(yīng)用電路一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

將被采樣的模擬信號變化范圍變換為接近ADC輸入模擬信號的滿量程范圍。目的：為了減小ADC的量化誤差。二、ADC的滿量程轉(zhuǎn)換

例如：被采樣信號Vi=0mV～11mV；單極性ADC采用截斷量化，F(xiàn)SR=10V，輸出位數(shù)12位。量化區(qū)間大?。?.44mVPGA取值1100D=Vi/(分辨率)11/2.44=4.511×100/2.44=450.8截斷量化后D=4=004HD=450=1C2H相應(yīng)無誤差模擬量4×2.44mV=9.76mV450×2.44mV/100=10.98mV相對誤差－11.3%－0.18%0~5V如：單極性ADC采樣雙極性輸入電壓。

三、ADC的功能擴展Vi=-5V對應(yīng)Dn-1~D0為全0。Vi=+5V對應(yīng)Dn-1~D0為全1。雙極性電壓單極性電壓四、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，也可用軟件對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使采樣數(shù)據(jù)盡可能接近其真實值，以提高精度。1、消除系統(tǒng)零點漂移與增益漂移如：通過兩組數(shù)據(jù)求y=max+b中ma、b。

2、采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換

非電物理量→電量→數(shù)字量→有意義數(shù)字量（標(biāo)度變換：線性、非線性參數(shù)變換）。3、采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波（減少干擾比重）1、驅(qū)動問題：通常，在DAC之后或ADC之前需加放大電路，對模擬信號加以放大。2、合理使用S/H：

DAC之后加S/H可消除突跳；ADC之前加S/H可提高采樣頻率。3、在芯片處需將模擬、數(shù)字地相接。DAC和