数模转换器基本原理及常见结构.ppt

本次课内容 1、ADC的转换原理； 2、ADC的主要参数。 3、模数典型芯片介绍； 4、ADC的基本应用方法。 模数转换器及其应用 8.3 模数转换器（ADC） ADC作用：将模拟量转换为数字量。 主要应用：(低速)数字万用表，电子秤 等；(中速)工业控制，实验设备等；(高速) 数字通信、导弹测远等；(超高速)数字音频 、视频信号变换、气象数据分析处理。 ADC输入是模拟量，输出是数字量； ADC输出的数字量可视为输入电压(电 流)与基准电压(电流)相比所占的比例。 ADC输出与输入关系可表示如下： 即ADC是将输入信号Ain与其所能分辨的 最小电压增量VREF/2n相比较，得到与输入模 拟量对应的倍数（取整）。 3位ADC 示意图 输出数字量对 应一个 模拟区间 8.3.1 ADC的基本原理 一、采样和采样定理 ADC周期性地将输入模拟值转换成与其大 小对应的数字量，该过程称为采样。 采样是否会造成丢失某些信息？ 时域采样定理：一个频带有限的信号f(t)， 如果其频谱在区间(m,m)以外为零，则它 可以唯一的由其在均匀间隔Ts(Ts0 放电开关 控制K1置位 原理波形结果 过程 K1K2 电容 积分输出 比较器计数器 开始 地 通 放电Vo =0 采样 Vi0 向下 反转 开始计数 直到溢出 编码 VR0 2断 反向 充电 线性下降 低电平重新计数 Vo0 向上 反转 停止计数 输出结果 1、双积分式ADC工作原理 电路 结果 溢出值恒定 t1恒定 反向充电电压恒定 Vi不同积分 输出不同 VR恒定 斜率恒定 采样结束： 编码结束： 2、双积分式ADC转换结果 令计数脉冲周期为TC， 则t1=N1TC；t2=N2TC。 优点：N2Vi，抗干扰性和精度较好。 不足：转换速度慢，20次/s。 分辨率：能分辨的最小输入变化量。可 用分辨率、相对分辨率或以数字位数表示。 8.3.3 ADC的主要参数 一、转换精度 设ADC位数为n，满量程范围FSR。 分辨率=FSR/2n；直接表示n； 例：FSR=10V的12位ADC，其分辨率表 示：分辨率2.44mV、0.0244%、12位。 n越大分辨 率越高 信噪比（SNR）：ADC输出端信号与 噪声之比，用dB表示。对于正弦波输入信号 ，信噪比的理论值满足6dB规则： SNR=(6.02n1.76)dB 式中：n为ADC的位数，即ADC的位数 每增加一位，SNR值增加约6dB。 利用ADC实际信噪比，可求其有效位数 (ENOB)： 其它参数（总谐波失真、互调失真等）自学。 转换时间：从启动ADC转换开始到正确 输出数字信号的一段时间间隔。 注意：实际应用中，在ADC完成转换后 到数据被读出之前，不允许有新的转换。 二、ADC的转换时间和转换速率 转换速率：单位时间（每秒）内ADC重 复转换的次数。 与硬件连接 、编程方法 等有关。 三、ADC的接口特性 ADC与外部电路连接时的特性，包括: 输入特性：电压(电流)范围、输入极性( 单、双极性)、模拟信号最高有效频率等。 输出特性：编码方式(自然或偏移二进制 码等)、输出方式(串、并行；三态、缓冲、锁 存输出)以及电平类型(TTL、CMOS等)。 控制特性：启动转换、转换完成；片选信 号(CS)、数据读(RD)等控制信号端。 8.3.4 典型ADC介绍（ADC0809） dip28封装 误差1LSB 决定转换时间 +5V单电源；15 mW功耗 单极性05 V ADC0809工作时序图 清零启动 CLK：要求频率101280kHz，典型值640kHz。 转换进行中 转换结束 ADC0809与8031的接口电路 1、根据分辨率确定ADC位数n 设ADC电压输入范围为FSR，位数为n， 要求分辨率为M。则 标称位数 8、10、12、14等 例：某ADC的FSR=10V，系统要求分辨 率M=2mV。试确定其位数。 可选 13位 一、ADC的选择 8.4.3 ADC的应用 2、根据采集速度确定ADC的转换速度 设系统转换速率为f；硬件延迟时间ty； ADC转换时间为tcon。则：T1/f 。 T = ty + tcon 3、ADC其它方面的选择需注意事项 输出信号的编码方式；与其他逻辑电平 的匹配情况；控制信号是否合乎要求等。另 外， 转换时间要与应用系统匹配。 二、ADC的调整 使用ADC通常要调整 其失调和增益误差。方 法：硬件、软件消除。 基准标准转换值实测值 8Vyhxh -8Vylxl 将两组数据代入 方程y=max+b可求出 ma（实际增益）和b （实际失调） 。 有了ma、b及实测输出x，用y=max+b即可 得到消除了增益和失调误差标准输出。 三、高分辨率ADC与微处理器的接口 当ADC位数大于CPU数据宽度的接口方 法（通常ADC提供两次读出数据控制）。 数据线 为三态 数据线 非三态 8.4.4 ADC的应用电路 一、数据采集系统 将被采样的模拟信 号变化范围变换为接近 ADC输入模拟信号的满 量程范围。 目的：为了减小 ADC的量化误差。 二、ADC的满量程转换 例如：被采样信号Vi=0mV11mV；单极 性ADC采用截断量化，FSR=10V，输出位数 12位。量化区间大小：2.44mV PGA取值1100 D=Vi /(分辨率)11/2.44=4.511100/2.44=450.8 截断量化后D=4=004HD=450=1C2H 相应无误差 模拟量 42.44mV =9.76mV 4502.44mV/100 =10.98mV 相对误差11.3%0.18% 05V 如：单极性ADC采样双极性输入电压。 三、ADC的功能扩展 Vi=-5V对应 Dn-1D0为全0。 Vi=+5V对应 Dn-1D0为全1。 双极性电压 单极性电压 四、常用数据处理技术 为消除采样数据中干扰，可用硬件方法， 也可用软件对采样数据进行处理，使采样数据 尽可能接近其真实值，以提高精度。 1、消除系统零点漂移与增益漂移 如：通过两组数据求y=max+b中ma、b。 2、采样数据的标度变换 非电物理量电量数字量有意义数字 量（标度变换：线性、非线性参数变换）。 3、采样数据的数字滤波（减少干扰比重） 1、驱动问题： 通常，在DAC之后或ADC之前需加放 大电路，对模拟信号加以放大。 2、合理使用S/H： DAC之后加S/H可消除突跳； ADC之 前加S/H可提高采样频率。 3、在芯片处需将模拟、数字地相接。 DAC和ADC在工程应用中