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 1ADC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 Ts 1 2fm 上的样点值f nTs 确定 即只要采样脉冲频率fs大于或等于输入信号中最高频率fm的两倍 fs 2fm 则采样后的输出信号就能够不失真地恢复出模拟信号 二 采样 保持电路 模拟量到数字量转换需要一定时间 在此期间要求采样所得的样值保持不变 这个过程需有相应电路实现 C tw 故Vs的变化与Vi同步 Vs LF198 三 量化和编码 模拟信号经S H得到的取样值仍属模拟范畴 需经量化 将取样值表示为最小数量单位的整数倍 处理 才能转换为时间上和数值上都为离散的数字信号 最小数量单位称量化单位 1 1LSB 编码 将量化结果用数字代码表示出来 常见有自然二进制编码 二进制补码编码 因取样值为输入信号某些时刻的瞬时值 它们不可能都正好是量化单位的整数倍 即在量化时不可避免地会引入量化误差 量化误差 有限位ADC产生的输出数据的等效模拟值与实际输入模拟量之间的差值 量化误差的大小与量化方式 量化单位 ADC编码位数 基准电压大小有关 常用的量化方式 舍入量化和截断量化两种方式 例如 FSR 1V的3位ADC 其分辨率为1 8V 1LSB 分别采用舍入量化和截断量化两种方式 情况如下 LSB 2 1 5LSB 一 并行 闪速 ADC 可有2n种比较结果 即n位数字量 8 3 2ADC的基本原理 3位并行比较型ADC的转换真值表 优点 转换快 仅一个时钟周期 不足 n较大时 比较器 分压电阻数量太大 难以保证其准确性及一致性 Next 二 逐次逼近式ADC 开始前清零 比较器 即完成一次转换需n 1个时钟周期 首先 置DN 1 1 若VP H 则保留DN 1 1 否则 DN 1 0 然后 置DN 2 1 若VP H 则保留DN 2 1 否则 DN 2 0 D0位确定 转换结束 优点 技术成熟 精度较高 速度较快 不足 对Vi中噪声敏感 输入端需用S H电路 ADC转换期间Vi要恒定 SARADC转换的时序波形 Vin 6 8V 8位二进制数 Tclk 10 s Tcon 90 s 三 双积分式 双斜式 ADC 放电开关 控制K1置位 1 双积分式ADC工作原理 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 N2 Vi 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 3ADC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 02n 1 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 15mW功耗 单极性0 5V ADC0809工作时序图 清零 启动 CLK 要求频率10 1280kHz 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 3ADC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 T 1 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 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 8 4 4ADC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 0mV 11mV 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 0 5V 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 1 D0为全0 Vi 5V对应Dn 1 D0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