AD轉(zhuǎn)換的過程課件

一、A/D轉(zhuǎn)換的過程

要把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量一般要經(jīng)過四個步驟，分別稱為采樣、保持、量化、編碼。7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理1.采樣連續(xù)時間信號7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理

采樣定理：為了不失真地恢復(fù)原始信號，采樣頻率至少應(yīng)是原始信號最高有效頻率的兩倍，即：fS≥2fm

模擬信號的頻譜分布

模擬信號的頻譜是從直流〔DC〕到其最大值fm而分布。7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理采樣信號的頻譜分布

原信號的頻率成分在其采樣頻率fS的整數(shù)倍頻率附近出現(xiàn)，以fS的整數(shù)倍頻率為中心，原信號的頻率成分轉(zhuǎn)成左右對稱的重復(fù)特性。

7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理

為了將抽樣信號恢復(fù)成原來的模擬信號，可使用低通濾波器來實現(xiàn)。

當(dāng)fS＜2fm時，這時以fS為中心重復(fù)的fS/2以下成分，會在原模擬信號的頻帶內(nèi)產(chǎn)生重疊。7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理A/D轉(zhuǎn)換中的抗混疊濾波器

如果在原信號成分中含有fS/2以上的高頻噪聲，由抽樣產(chǎn)生的高頻噪聲將與重復(fù)的信號成分重疊。這種噪聲無法用低通濾波器濾除。因此模擬信號在抽樣以前，必須確保沒有fS/2以上的高頻噪聲。

采用僅能通過fS/2以下成分的低通濾波器加以濾除，此濾波器常稱抗混疊濾波器

7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理2.保持在t0~t1階段，電路處于采樣階段。在t1~t2階段，電路處于保持階段。7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理保持電路在高速ADC中的重要作用

在一個不使用采樣/保持器的A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，假設(shè)輸入正弦信號為vI=Asin〔2πft〕，其幅值的變化率為：當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為tC，位數(shù)為n時，滿足以下關(guān)系那么不會產(chǎn)生錯誤的轉(zhuǎn)換輸出：7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理那么信號的最大頻率應(yīng)滿足例：一個8位ADC的轉(zhuǎn)換速度為1MSPS，求其能轉(zhuǎn)換輸入信號的最大頻率。7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理2.量化和編碼量化：將采樣—保持后的信號幅值轉(zhuǎn)化成某個最小數(shù)量單位〔量化間隔〕的整數(shù)倍?！?〕確定量化間隔：例：如有一模擬信號，幅值范圍為0~1V，要轉(zhuǎn)化為3位二進制代碼，那么其量化間隔為1LSB=1/8V。得到8個量化電平分別為0V、1/8V…7/8V。

7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理

經(jīng)量化后的信號幅值均為的整數(shù)倍，在量化過程中會產(chǎn)生誤差，稱為量化誤差。最大量化誤差=1/8V。方式一：只舍不入量化方式〔截斷量化方式〕如果0V≤vI＜1/8V那么量化為0=0V；1/8V≤vI＜2/8V那么量化為1=1/8V；……7/8V≤vI＜1V那么量化為7=7/8V。〔2〕將連續(xù)的模擬電壓近似成分散的量化電平7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理

經(jīng)量化后的信號幅值均為的整數(shù)倍，在量化過程中會產(chǎn)生誤差，稱為量化誤差。最大量化誤差=1/8V。7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理如果0V≤vI＜1/16V那么量化為0=0V；1/16V≤vI＜3/16V那么量化為1=1/8V；3/16V≤vI＜5/16V那么量化為2=2/8V；……13/16V≤vI＜15/16V那么量化為7=7/8V。取兩個離散電平中的相近值作為量化電平。方式二：四舍五入量化方式〔舍入量化方式〕7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理在實際的ADC中，大多采用舍入量化方式。量化誤差隨著ADC的位數(shù)增加而減小。量化誤差為1/2=1/16V。7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理幾種典型A/D轉(zhuǎn)換器

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器〔閃爍ADC〕逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器Σ—Δ型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的根本原理雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器123456784＜L＜5量化為4尺子物體同時與各個刻度比較用電阻分壓的方法刻度是什么？是一系列的標準電壓。如何實現(xiàn)？7.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器用電阻分壓形成7個標準電壓。7.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器模擬電壓比較器被量物體？模擬輸入電壓vI如何比較？7.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器

當(dāng)V+大于V-時，VO輸出高電平；當(dāng)V+小于V-時，VO輸出低電平。如何同時比較？每個電壓刻度使用一個比較器。7/16V＜vI≤9/16V5/16V＜vI≤7/16V7.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸入模擬電壓比較器輸出編碼（溫度碼）數(shù)字量輸出（二進制編碼）vI/VC6C5C4C3C2C1C0D2D1D00＜vI≤1/1600000000001/16＜vI≤3/1600000010013/16＜vI≤5/1600000110105/16＜vI≤7/1600001110117/16＜vI≤9/1600011111009/16＜vI≤11/16001111110111/16＜vI≤13/16011111111013/16＜vI≤111111111117.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器D2=C37.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器需要幾個比較器？2n-1個比較器。轉(zhuǎn)換一次需要多少時間？1個時鐘周期〔TCP〕

并行ADC是一種極高速的ADC，轉(zhuǎn)換時間小于50ns，因此一般不需要保持電路。

并行ADC由于轉(zhuǎn)換速度高，常用于視頻信號和雷達信號的處理系統(tǒng)。最近幾年出現(xiàn)的軟件無線電技術(shù)，所用的高速ADC的轉(zhuǎn)換速率已到達數(shù)百至上千MSPS。7.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器半閃爍A/D轉(zhuǎn)換器第一步是粗化量化。第二步是細化量化。

7.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器TL08207.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器1.工作原理逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平稱重的過程

7.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器1.電路結(jié)構(gòu)由R-2R網(wǎng)絡(luò)型DAC、比較器、SAR三局部組成。7.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器2.工作原理3.5V

CPd3d2d1d0vO比較結(jié)果處理123410001100101010112.5V3.75V3.125V3.4375VvI＞vOvI＞vOvI＜vOvI＞vO〔d3〕1保存〔d2〕1不保存〔d1〕1保存〔d0〕1保存10117.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器4位的逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖

7.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器例：逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器如以下圖。當(dāng)vI＝1.5V時，問：〔1〕輸出的二進制數(shù)D3D2D1D0＝？〔2〕轉(zhuǎn)換誤差為多少？〔3〕如何提高轉(zhuǎn)換精度？7.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器解：1.量化單位為：轉(zhuǎn)換結(jié)果D=〔0100〕22.轉(zhuǎn)換誤差為：1.5－4×0.3125=1.5－1.25=0.253.減少誤差的方法〔1〕增加位數(shù)；〔2〕在D/A輸出加一個負向偏移電壓1/2。7.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器量化誤差為1LSB量化誤差為1/2LSB轉(zhuǎn)換結(jié)果：(0100)2轉(zhuǎn)換結(jié)果：(0101)2CPSARvO/VvO＇/V比較結(jié)果處理110002.52.34375vI＜vO＇D3不保留201001.251.09375vI＞vO＇D2保留301101.8751.71875vI＜vO＇D1不保留401011.56251.40625vI＞vO＇D0保留CPSARvO/V比較結(jié)果處理110002.5vI＜vOD3不保留201001.25vI＞vOD2保留301101.875vI＜vOD1不保留401011.5625vI＜vOD0不保留7.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器集成逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換——ADC0809特點：·屬CMOS電路·8路模擬輸入，8bit輸出(3S門)·與常用μP兼容·采用逐次逼近法，轉(zhuǎn)換時間約100μs7.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器屬于間接A/D轉(zhuǎn)換器。將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量分兩步進行。第一步：將電壓轉(zhuǎn)化為時間T，使T與輸入電壓成正比；

第二步：將時間T轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，使數(shù)字量與T成正比。1.根本原理開關(guān)S1合到vI一側(cè)開關(guān)S1接到－VREF一側(cè)∵T1為常數(shù)，∴T2與vI成正比0vOtT1T2vI=VI1vI=VI2T2’時段①：固定時間積分,到時結(jié)束時段②：固定斜率積分，過零結(jié)束第一步：將電壓轉(zhuǎn)化為時間T1，使T1與輸入電壓成正比

7.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器第二步：將時間T2轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，使數(shù)字量與T2成正比

7.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖7.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器特點：·直接輸出7段譯碼信號·7106驅(qū)動LCD；7107驅(qū)動LED·十進制3位半A/D轉(zhuǎn)換器·雙積分型電路，內(nèi)含基準源

集成逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換——ICL7106/71077.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107ICL7107構(gòu)成直流電壓表7.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.5∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器1．過抽樣技術(shù)臨界抽樣：以臨界頻率進行抽樣。一般A/D轉(zhuǎn)換器的抽樣頻率都略高于由采樣定理計算出來的臨界頻率。過抽樣：抽樣頻率遠高于臨界頻率。

抽樣定理：為了不失真地恢復(fù)原始信號，采樣頻率至少應(yīng)是原始信號最高有效頻率的兩倍。臨界抽樣頻率：滿足采樣定理的頻率臨界抽樣頻率。臨界取樣和過采樣對抗混疊濾波器的要求

過采樣技術(shù)的優(yōu)點之一：降低抗混疊濾波器的實現(xiàn)難度。采用過抽樣技術(shù)，那么可用截止特性平緩的低通濾波器，容易實現(xiàn)相位線性好的濾波器。Σ—Δ型ADC采用過采樣技術(shù)。

7.3.5∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器Σ-Δ型ADC的原理框圖

求和器：將輸入信號vI與反響信號vf求和，產(chǎn)生誤差信號ve=vI－vf。積分器：積分器對誤差信號ve進行積分。

電壓比較器：當(dāng)vg＞0V時，輸出邏輯1；當(dāng)vg≤0V時，輸出邏輯0。相當(dāng)于1bit的ADC。

1bit的DAC：當(dāng)輸入為邏輯1時，輸出vf為+VREF；當(dāng)輸入為邏輯0時，輸出vf為0V。7.3.5∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器Σ-Δ型ADC的工作原理

vf(n)=c(n)VREF

ve(n)=vI(n)-vf(n-1)

vg(n)=vg(n-1)+ve(n)

7.3.5∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器由于Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器的核心局部是一個典型的負反響系統(tǒng)。根據(jù)反響理論，閉環(huán)內(nèi)含有積分器，穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為無差系統(tǒng)。系統(tǒng)中的誤差電壓ve〔n〕長時間取平均，其均值應(yīng)當(dāng)?shù)扔?，由此得到

由于采樣速度極高，輸入電壓vI在m個采樣周期內(nèi)可以看成不變的量，因此7.3.5∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器因為ve(n)=vI(n)-vf(n-1)

所以如果取m=2N〔N足夠大〕，那么上式可以近似為7.3.5∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字量在數(shù)值上等于1位ADC輸出的長度為2N的c(n)序列中1的個數(shù)。

計算D的工作由Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字抽取濾波器完成。7.3.5∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器當(dāng)vI=VREF/2時，串行數(shù)據(jù)流c(n)中含有相等個數(shù)的0和1；如果vI=3VREF/4，那么串行數(shù)據(jù)流c(n)中每隔一個0含有3個1。7.3.5∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器

低通數(shù)字濾波器：輸出結(jié)果