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ADC的原理 本次课重点 ADC技术指标 数字电子技术 模数转换器 A D 退出 ADC分析 一 A D转换器的基本原理 1 模数转换则是将模拟电量转换为数字量 使输出的数字量与输入的模拟电量成正比 实现这种转换功能的电路称为模数转换器 ADC 2 基本原理 在A D转换中 因为输入的模拟信号在时间上是连续的 而输出的数字信号是离散量 所以进行转换时只能按一定的时间间隔对输入的模拟信号进行采样 然后再把采样值转换为输出的数字量 通常A D转换需要经过采样 保持量化 编码四个步骤 也可将采样 保持合为一步 量化 编码合为一步 共两大步来完成 1 采样和保持 采样 就是对连续变化的模拟信号进行定时测量 抽取其样值 采样结束后 再将此取样信号保持一段时间 使A D转换器有充分的时间进行A D转换 采样 保持电路就是完成该任务的 其中 采样脉冲的频率越高 采样越密 采样值就越多 其采样 保持电路的输出信号就越接近于输入信号的波形 因此 对采样频率就有一定的要求 必须满足采样定理即 fs 2fImax其中fImax是输入模拟信号频谱中的最高频率 2 量化和编码 如果要把变化范围在O 7V间的模拟电压转换为3位二进制代码的数字信号 由于3位二进制代码只有23即8个数值 因此必须将模拟电压按变化范围分成8个等级 每个等级规定一个基准值 例如O 0 5V为一个等级 基准值为OV 二进制代码为000 6 5 7V也是一个等级 基准值为7V 二进制代码为111 其他各等级分别为该级的中间值为基准值 凡属于某一等级范围内的模拟电压值 都取整用该级的基准值表示 例如3 3V 它在2 5 3 5V之间 就用该级的基准值3V来表示 代码是011 显然 相邻两级间的差值就是 1V 而各级基准值是 的整数倍 模拟信号经过以上处理 就转换成以 为单位的数字量了 上述过程可用上页图形表示 所谓量化 就是把采样电压转换为以某个最小单位电压 的整数倍的过程 分成的等级称为量化级 A称为量化单位 所谓编码 就是用二进制代码来表示量化后的量化电平 采样后得到的采样值不可能刚好是某个量化基准值 总会有一定的误差 这个误差称为量化误差 显然 量化级越细 量化误差就越小 但是 所用的二进制代码的位数就越多 电路也将越复杂 量化方法除了上面所述方法外 还有舍尾取整法 这里不再赘述 并联比较型 双积分型 常见A D转换器 逐次比较型 1 并联比较型A D转换器 并联比较型A D转换器的电路如图 它由电阻分压器 电压比较器及编码电路组成 输出的各位数码是一次形成的 它是转换速度最快的一种A D转换器 图中由8个大小相等的电阻串联构成电阻分压器 产生不同数值的参考电压 形成1 8UREF 7 8UREF共7种量化电平 7个量化电平分别加在7个电压比较器的反相输入端 模拟输入电压uI加在比较器的同相输入端 当uI大于或等于量化电平时 比较器输出为1 否则输出为0 电压比较器用来完成对采样电压的量化 比较器的输出送到优先编码器进行编码 得到3位二进制代码D2D1D0 并联比较型A D转换器转换精度主要取决于量化电平的划分 分得越精细 精度越高 这种ADC的最大优点是具有较快的转换速度 但是 所用的比较器和其他硬件较多 输出数字量位数越多 转换电路将越复杂 因此 这种类型的转换器适用于高速度 低精度要求的场合 2 逐次比较型A D转换器 1 逐次比较型A D转换器由控制电路 数码寄存器 D A转换器和电压比较器组成 2 工作过程 首先 控制电路使数码寄存器的输出为100 经过D A转换成相应的电压uo 送到电压比较器于模拟输入电压uI进行比较 若uI uo 则通过控制电路将最高位的1保留 反之 则将最高位置0 接着将次高位置1 再经D A转换为相应的电压uo 重复上一步 根据比较结果决定次高位是1还是0 最后所有位都比较结束后 转换完成 这样数码寄存器中保存的数码就是A D转换后的输出数码 3 双积分型A D转换器 1 基本原理 先把输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号 然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数 时间宽度越宽 计数时间越长 计数值就越大 因此计数值就是正比于输入模拟电压的数字信号 所以 双积分型ADC属于电压时间变换型A D转换器 图是双积分型A D转换器的原理框图 由积分器 比较器 计数器 锁存器 基准电压源 时钟信号源和逻辑控制电路等部分组成 2 工作过程 首先 将计数器清零 电容C放电 积分器的输出uO1为0 假定输入电压uI为正 并持续一小段时间不变 转换过程分两次积分完成 第一次积分 控制电路使模拟开关S接通输入电压uI 电容C开始充电 积分器输出电压uO1自零向负方向线性增加 由于uO1为负 比较器A2输出uO2为正 计数器计数 当计数器计到第2n个时钟脉冲时 计数器计满 复位到初始的0态 同时送出一个进位脉冲C给控制电路 控制开关S合向基准电压 UREF 此时电容充电到uP 积分器对uI的积分过程结束 对 UREF的积分过程开始 第二次积分 S接到 UREF后 电容C被反向充电 积分器的输出uO1开始反向线性减小 由于uO1为负 计数器开始重新从0计数 当uO1减小到0时 比较器A2输出uO2变为负值 封锁脉冲CP 计数结束 同时通过控制电路送出使能信号EN 将计数值送到锁存器锁存 3 特点 两次积分的时间常数相同均为RC 锁存器中二进制数的大小与uP有关 而uP的大小又由输入电压uI决定 计数值正比于输入电压的大小 从而完成模拟量到数字量的转换 双积分型ADC的一个突出优点是工作性能稳定 因为两次积分的时间常数均为RC 所以转换结果不受R C和时钟信号周期的影响 双积分型ADC的另一个突出优点是有较强的抗干扰能力 由于转换器的输入端使用了积分器 在积分时间常数等于交流电网频率的整数倍时 能有效地抑制工频干扰 另外双积分型ADC中不需要使用D A转换器 电路结构比较简单 三 A D转换器的主要技术指标 1 分辨率 2 转换误差 3 转换速度 1 分辨率 ADC的分辨率是指输出数字量变化一个最低有效位所对应的输入模拟电压的变化量 如ADC输入模拟电压范围为0到10V 输出为10位二进制数 则分辨率为 2 转换误差 转换误差通常以相对误差形式给出 它表示实际输出的数字量和理论输出的数字量之间的误差 一般多以最低有效位的倍数给出 如 转换误差 表明实际输出的数字量和理论输出的数字量之间的误差小于最低有效位的一