数字化测量仪 第三章

1、第三章 A/D转换器3.1 概述n定义：将模拟量转换为一定码制的数字量称为A/D转换器 nA/D转换器的分类n直接比较型 ： 将输入的模拟电压直接与作为标准的参考电压相比较，从而得到按数字编码的数字值。 这种类型中包括逐次逼近比较型、斜波(或锯齿波)电压比较型等。 特点：抗干扰能力差，但转换速度较快。 n间接比较型 ： 输入模拟电压不是直接与标准的参考电压相比较，而是将二者都变换为中间物理量再进行比较，然后将比较后得到的表征比较结果的时间(T)或频率(F)进行数字编码。 它又分为双积分式、VF转换型等。 特点：抗干扰能力强，但转换速度较慢。n复合型 3.1 概述nA/D转换器的主要技术特性 分

2、为两部分：静态特性参数和动态特性参数。n静态特性参数：指在同样输入信号条件下，实际转换器的输出信号与理想数学模型输出信号之差的大小。 绝对准确度和绝对误差（转换精度）：实际AD转换器输出与理想AD转换器输出的差值。 数字误差（量化误差）：由有限数字对模拟数值进行离散取值而引起的误差。 模拟误差 ： 偏移误差 (0输入时的输出数码) 增益误差 非线性误差 3.1 概述Ui数码输出Xp0理想特性实际特性实际特性正偏移误差负偏移误差Ui数码输出Xp0理想特性实际特性实际特性正偏移误差负偏移误差UimaxXDmaxUi数码输出Xp0理想特性实际特性Uii处的非线性误差Uii3.1 概述n动态特性参数：

3、动态特性参数是指当转换电路的输入信号为时间函数时所表现的特性，这时必须将这些动态特性参数与静态误差一起处理，才能反映出整个转换过程的误差。 总的动态误差：定义为实际AD转换器和理想模型两者都接上同样的交变信号和同一基准电压时两者输出数码值的差异，这时假定模型不受频率的限制。 转换时间：是指完成一次转换所需要的时间，它是从对输入信号的采样瞬时开始，直到获得有效的数字代码为止的时间。 转换频率：定义为单位时间内完成转换的次数，以Hz为单位。 3.1 概述 孔径时间：在转换过程中，信号在瞬时的值经t之后才被转换器读出，t这段时间称为孔径时间，它对转换器的动态精确度有很大的影响。 阶跃响应时间：是指A

4、D转换器的数码输出信号跟踪上跃变的输入模拟信号所需的时间。 恢复时间：是指输入模拟信号从某一规定的超量程值回到转换器要求的正常范围之后，转换器恢复正常工作状态所需要的时间。 3.1 概述n其他电气特性参数 输入电阻 ： 为了提高转换的精确度，高性能的AD转换器应有高的输入电阻。 若AD转换器已选定，为一定值，为了保证测量误差，就限定了被测信号源内阻值的最大值。在AD转换器之前设有缓冲放大器或前置放大器时，由于放大器的输出电阻低，这时可降低对转换器输入电阻的要求。 输入偏置电流： 理想的AD转换器应是一个无源器件，输入回路没有电流。但实际上，当输入端接地后，在输入回路仍有电流流动，其方向可流入或

5、流出，称为输入偏置电流。 分辨率： 在n位AD转换器中，额定分辨率就是最低位值的0.5。但是，在较宽的工作温度范围内，一个“十二位”转换器的有效分辨率可能只有“十位”。一般地说，漂移、干扰、噪声、部件的“死区”等等，都经常是限制分辨率的因素。 iR3.1 概述 共模范围 是指能保持规定的共模抑制能力的输入电压范围，此电压范围由共模电压和差分电压之和来决定。 共模抑制比 表征一个器件对同时加到两个输入端上的共模电压在输出端引起的变化量的抑制能力，称为共模抑制能力。 3.2 直接比较型A/D转换器n直接比较型AD转换n模拟信号输入后直接与参考电压相比较而得到数字输出的转换，称直接比较型AD转换。n

6、直接比较型AD转换的设计思想来源于电位差计，如图所示。n分类 反馈比较式A/D转换器 斜波比较式A/D转换器-+A检零器xURUURE3.2 直接比较型A/D转换器n反馈比较式A/D转换器 反馈比较式AD转换器的原理性框图如右图所示。反馈比较式A/D转换器中，DA转换器的输出电压Uf，相当于参与比较的基准。比较器是一个差值检出器，用以鉴别比较的结果是否相等，前者主要地决定了转换系统的精确度，而后者主要对系统的分辨率有影响。 -+比较器数字逻辑电路时钟脉冲.LSBMSBLSBMSBUiUfDACRU 原理框图3.2 直接比较型A/D转换器 分类 正向计数式 跟踪比较式 逐位逼近式 它们的工作原理

7、基本相同，但采用了不同的数字逻辑控制电路以满足所需的技术指标。3.2 直接比较型A/D转换器 正向计数式AD转换器 -+比较器计数器LSBMSBUiUfDACRU.LSBMSB时钟脉冲CPQR启动脉冲EOCCPRD启动脉冲UfEOC 原理框图 波形图比较器计数器3.2 直接比较型A/D转换器n这种转换器的特点： 转换时间不是恒定的，与输入电压成正比，最长的转换时间对应于满刻度输入电压，亦即输入了个时钟脉冲，因此 ： fcp为时钟脉冲的频率。假若DA转换器为10位，时钟脉冲频率为1MHz，则TxMax=1024ms。因此，转换速度较低，约100Hz。 由于二进制输出数码所反映的是比较器达到平衡时

8、输入信号的瞬时值，若信号上叠加有干扰，将直接引起转换的误差，因此，抗干扰能力差。 max2nxcpTf3.2 直接比较型A/D转换器 随动跟踪式AD转换器 -+比较器可逆计数器时钟脉冲.LSBMSBLSBMSBUiDACRUrefRrefR2RU-+比较器可逆计数器时钟脉冲.LSBMSBLSBMSBUiDACRUrefRRi单极性双极性I0Iref/2(0 ,Ir)(-Ir/2 ,Ir/2)IxIx +Iref/2=I0I0IR3.2 直接比较型A/D转换器n一个使用的随动跟踪式A/D转换器4位可逆计数器I03.2 直接比较型A/D转换器n逐位逼近型AD转换器 它完成一次转换只需 (n+1)

9、个时钟脉冲 (n为转换器的位数)，因此，其转换时间决定于位数，而与输入信号的大小无关。 除了并行比较型和串并行比较型的高速AD转换器外，这种转换器的速度是最高的，按当前能大批量生产的工艺水平来看，转换速度可达每位小于100 ns，即使通用型的也可达每位1 us。 3.2 直接比较型A/D转换器n逐位逼近型AD转换器的转换原理 7S6S0SA10kUi+-20K基准源ER10K20K20K20K10KRfREIR2I2I4I82I+-DQ7Q6Q0SAR时钟脉冲.EOCSTARTCLKDnD0D1比较器逐位逼近寄存器D/A转换器3.2 直接比较型A/D转换器n转换方法称为“称量法”，中值逼近法

10、n转换过程 欠补偿,过补偿 57.56.256.8757.1887.0316.9536.9146.914101110003.2 直接比较型A/D转换器 SAR各位的输出数码状态(Q7、Q6Q0)表征被转换电压的数字等效值:76502371111()2222ifUIQIQIQIQ R 在图示电路中，T形网络电阻R=10 k，Rf=R，ER=10V，因而:76502371111()2222RifEUQQQQRR8812iRiiQE3.2 直接比较型A/D转换器n逐位逼近寄存器SAR 2502(8位)，2503(8位)，2504(12位) S下跳转换开始 cp起作用CP上跳Q7变高，CC变高（转换进

11、行中）CP2D比较结果送Q7，同时Q6置高电平Cp3-D比较结果送Q6，同时Q5置高 CP9-D比较结果送Q0，CC置低（转换结束）3.2 直接比较型A/D转换器n实用的SA AD转换器3.2 直接比较型A/D转换器n若SA AD转换器的输出要与微型计算机相连，就需设置输出数据缓冲电路 25LS374 8D锁存器3.2 直接比较型A/D转换器n具有串行输出 SA AD转换器 2502具有串行输出能力2503没有有串行输出能力25LS374 8D锁存器3.2 直接比较型A/D转换器n集成单片ADC：5G0801(ADC0801)是基于逐位逼近比较型的八位AD转换器，转换时间小于100 us，采用

12、5V单电源供电，内附时钟发生器，模拟输入采用差分方式，抗共模干扰能力强，能方便地与计算机连接、连线简单、通用性强。 工作原理 采用CMOS大规模集成工艺 比较器采用电荷重分配原理（消除零点漂移） 采用模拟开关树结构和自稳零比较的特殊电路，以实现逐位逼近的AD转换。 3.2 直接比较型A/D转换器ACLKCLKCLKBCLKA开关树网络电阻-+SAR控制逻辑8位移位寄存器+GQACLKCLKBCPDQDDCPCLKA复位GCLKACPDSQ+INT三态输出锁存器DB7DB0输出允许门闩CSRDCSWRCLKRCLKIUD.GUA.GUCC+Ui-UiRU213.2 直接比较型A/D转换器n实际应

13、用CSRDWRINTCLKIUi(+)Ui(-)UAGUR/2UDGUx5G1403UccUcc=5VCLKRVccDB0DB3DB4DB5DB6DB7DB2DB1R基准电源转换结果置入三态缓冲器CS/RD接地表“选中”接地ADC08013.2 直接比较型A/D转换器n实际应用 Ui(+)Ui(-)UAGUR/2UxUcc=5VVcc2.5VR1R2R1=R2-5V+5VUi(+)Ui(-)UAGUR/2UxUcc=5VVcc2.5VR1R2R1=R3=2R2-10V+10VR3PP212212RRRURRRUUccxP22ccxUU当Ux为（5，5）VUp为（0，5）数码为（00001111

14、）Up？3.2 直接比较型A/D转换器n与微型计算机的连接 P0.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1D0D7D6D5D4D3D2D1CLKRRDINT1WRINTRDWRP2.7ADC08018031+CLKIUi(+)Ui(-)UR/2Ucc/2振荡电路f1/(1.1RC)3.2 直接比较型A/D转换器n十二位集成SA AD转换器AD572 电阻网络SAR比较器基准电压3.2 直接比较型A/D转换器n斜波比较式A/D转换器n这种AD转换器也是将被测输入电压直接与作为基准的电压进行比较，因而也属直接比较型，不同处为基准电压不是逐个加上去的砝码电压，而是从某一值向另一值自

15、动地、线性地变化的，亦即参与比较的基准电压波形是一个线性斜波。 3.2 直接比较型A/D转换器n斜坡电压比较型A/D转换器原理UxUR斜变电压启动脉冲停止脉冲计数门计数脉冲波形图复零启动脉冲打开计数门计数，并产生斜变电压Ux与UR斜变电压相等时比较器翻转，产生停止脉冲计数器停止小结直接比较型AD转换器n特点：瞬时比较，速度快，抗干扰能力差n分类 1）反馈比较式 正向计数式 随动跟踪式 逐位逼近式 2）斜波比较式.,10,0 .10EA/DSA,512. 4R的波形示意图多少？，并画出输出时试求转换后的数码是若转换器上，加到如图的输入电压kRRvvUfi习题：解：3.3 间接比较型A/D转换器n

16、间接比较型A/D转换器n定义：将被测电压UX和基准电压UR都变换为另一物理量，然后再进行比较，并将比较结果转换为数字值，就构成了间接比较型AD转换器。n形式：常见的VT和VF转换方法，由于它们在转换过程中都使用了积分器，因此，这些转换方式称为积分型AD转换器。n分类 双斜积分型A/D转换器 双重双斜积分式 多斜率积分式 脉冲宽度调制式 电压频率（VF）型3.3 间接比较型A/D转换器n双斜积分型AD转换器 比较器计数门时钟脉冲控制电路显示器计数器复零溢出sRxURURUC积分器原理框图3.3 间接比较型A/D转换器n转换原理 采样阶段 ：定时积分阶段 比较阶段 ：定值积分阶段N1N2T1T2U

17、xURdtURCUtxCO101令：1011tXXdtUTUxCOURCTU1 在T2比较阶段的时间内，积分器最终的输出电压为零，即： 在T 1采样阶段时间内，积分器输出电压为： Uco3.3 间接比较型A/D转换器 在T2比较阶段的时间内，积分器最终的输出电压为零，即：0121dtURCUttRCO因此RxURCTURCT21RxUTTU12或xRUUTT12 式中 T1、UR均为常数。即比较阶段的时间T2正比于被测信号电压Ux的平均值，从而完成了VT的变换。用脉冲计数法可得到精确的时间间隔T2，即： XRXRUUNUUTNT1122XRUUNN12故3.3 间接比较型A/D转换器n电路特性

18、 在转换过程中对Ux和UR的两次积分使用了同一个积分器，又使用同一频率的脉冲去测定T1和T2，因此，只要时钟周期和积分元件R和c在每一次测量时间内保持高度稳定，它们对测量误差的影响很小。从公式T2=T1Ux/UR或N2=N1Ux/UR可以看出，最终输出与R、C、等参数无关，从而大大降低了对R、C及时钟振荡器等元器件的要求，为获得高精度转换创造了条件。所以在低、中档的双斜AD转换器中，可以采用简单的阻容振荡器代替晶体振荡器，由此引入的误差很小。 双斜转换的本质是平均值转换，因此对叠加在信号上的交流干扰有良好的抑制能力，即有高的串模干扰抑制比。一般而言，工频是最主要的串模干扰成分，如果选取定时积分时间T1为工频电压周期的整数倍。例如20ms、40ms、60ms等，则对称的50Hz工频干扰可完全消除，在理论上具有无穷大的抗工频干扰能力。3.3 间接比较型A/D转换器 若以另外一个被测量电压 代替基准电压 ，则可能将 和 的比值以数字形式输出，实现两电压间的除法运算。 积分器的动态放大倍数为