AD转换器介绍和应用

1、AD转换器介绍和应用为了保证能从采样信号恢复成原信号，必须满足：为了保证能从采样信号恢复成原信号，必须满足：max2isff 中的最高频率为输入模拟信号)(maxtffii：在工程设计中通常取：在工程设计中通常取：max53isff）（ 模拟信号经采样后，得到模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲，采样脉冲的宽一系列样值脉冲，采样脉冲的宽度度twtw一般是很短暂的，在下一个一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度不变，以所取得的样值脉冲幅度不变，以便进行转换。因此，在采样电路便进行转换。因此，在采样电路之后须加保持电路。之后须加保持电路

2、。 场效应管为采样开关。场效应管为采样开关。 电容电容C C为保持电容。为保持电容。 运放为跟随器，起缓冲运放为跟随器，起缓冲隔离作用。隔离作用。 为了能正确用采样输出信号表示输入模拟量，采为了能正确用采样输出信号表示输入模拟量，采样脉冲必须有足够高的频率。样脉冲必须有足够高的频率。VO+ +- -+ +VICS(t)VO+ +- -+ +VICS(t)0VO O(t)tTTSW 在采样脉冲持续期在采样脉冲持续期 t w内：场效应内：场效应管开关接通，输入模拟信号电压向电容管开关接通，输入模拟信号电压向电容C充电。充电。 假定，充电时常数假定，充电时常数RCt w ，电，电容容C上的电压在上的

3、电压在 t w 期间随输入信号变期间随输入信号变化而变化，同时运放输出也会随输入模化而变化，同时运放输出也会随输入模拟信号拟信号 Vi i 的变化而变化。的变化而变化。采样脉冲间歇期（采样脉冲间歇期（ t s 期间期间)： 场效应开关断开，由于运放输入阻抗很高，场效应开关断开，由于运放输入阻抗很高，MOS管截止管截止电阻也非常高，电容电阻也非常高，电容C上的电压无放电通路，那么电容上的电压无放电通路，那么电容C 上上的电压就可以保持到下一个采样脉冲到来。的电压就可以保持到下一个采样脉冲到来。 当下一个采样脉冲到来，场效应开关又接通，当下一个采样脉冲到来，场效应开关又接通，VO又随又随 Vi i

4、 变化而变化。在输入一连串采样脉冲序列后，运放输出一连变化而变化。在输入一连串采样脉冲序列后，运放输出一连串样值脉冲。这个样值脉冲是输入模拟量的阶梯波。串样值脉冲。这个样值脉冲是输入模拟量的阶梯波。0VO O(t)tTTSWVO+ +- -+ +VICS(t)什么是量化？什么是量化？2、量化与编码 在采样脉冲在采样脉冲tw期间，期间，VO=VI，在两次采样的间隔时间，在两次采样的间隔时间（Ts-tw)时间内，时间内，VO保持不变。保持不变。 （Ts-tw)这段时间供量这段时间供量化和编码。化和编码。 数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变

5、化也是不连续的。因此，任何一个数字量的大小只能表示某个也是不连续的。因此，任何一个数字量的大小只能表示某个规定的最小数量单位的整数倍。规定的最小数量单位的整数倍。 在在A/D转换过程中，要用数字量来表示断续变化的模拟转换过程中，要用数字量来表示断续变化的模拟量时，必须将采样保持电压归化为某个最小单位的整数倍，量时，必须将采样保持电压归化为某个最小单位的整数倍，这个过程称为量化过程。所取得的最小单位叫做量化单位，这个过程称为量化过程。所取得的最小单位叫做量化单位，用用表示。表示。什么是编码？什么是编码？ 把量化的结果用二进制或二十进制数表示出来，称为把量化的结果用二进制或二十进制数表示出来，称为

6、编码。编码输出的最低有效位（编码。编码输出的最低有效位（LSB) )的的1所代表的数量大小所代表的数量大小就等于就等于。 由于模拟信号在时间、数值大小都是连续的，不一定由于模拟信号在时间、数值大小都是连续的，不一定被最小量化单位被最小量化单位整除，所以在量化过程中就可能引入量整除，所以在量化过程中就可能引入量化误差。化误差。如果数字信号的位数越多，量化的误差就越小。如果数字信号的位数越多，量化的误差就越小。例如例如10位位A/D最小量化单位：最小量化单位：1 . 0102412110% % 把输入信号分为把输入信号分为1024层，输入信号分层越多，量化误层，输入信号分层越多，量化误差越小。差越

7、小。即，数字量位数越多，量化等级越细。即，数字量位数越多，量化等级越细。只舍不入法：只舍不入法： 是将取样保持信号是将取样保持信号VO不足一个量化单位不足一个量化单位Vq的尾数的尾数舍去，取其原整数。舍去，取其原整数。有舍有入法：有舍有入法： 当取样保持信号当取样保持信号VO的尾数的尾数Vq/2Vq/2时，用时，用舍尾取整法舍尾取整法得其量化值。得其量化值。 当取样保持信号当取样保持信号VO的尾数的尾数Vq/2Vq/2时，用时，用舍尾入整舍尾入整法法得其量化值。得其量化值。 例：假设最小量化单位为例：假设最小量化单位为Vq,用两种量化方法求其用两种量化方法求其输入、输出关系。输入、输出关系。0

8、VIVq 输 入输出编码 输 入输出编码 0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 10 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1VqVI2Vq2VqVI3Vq3VqVI4Vq4VqVI5Vq5VqVI6Vq6VqVI7Vq7VqVI8Vq0VI0.5VqVI1.5VqVI2.5VqVI3.5VqVI4.5VqVI5.5VqVI6.5VqVI最大量化最大量化误差为误差为Vq最大量化误差最大量化误差为为Vq/2间接法： 将采样保持的模拟信采样保持的模拟信号先转换为时间号先转换为时间T或频率或频率F,然后再将时间然后再将时间T

9、或频率或频率F转换转换为数字量。通常采用频率恒为数字量。通常采用频率恒定的时钟脉冲通过计数器来定的时钟脉冲通过计数器来实现转换，因此，也称为计实现转换，因此，也称为计数式方法。数式方法。间接法A/D转换器特点： 工作速度比较低，但转工作速度比较低，但转换精度比较高，抗干扰能力换精度比较高，抗干扰能力强，一般在测试仪表中用的强，一般在测试仪表中用的较多。较多。直接法： 主要通过主要通过2n个量化级个量化级电压与输入采样保持模电压与输入采样保持模拟电压进行比较，将比较拟电压进行比较，将比较的结果直接转换为数字量。的结果直接转换为数字量。直接法A/D转换器特点： 工作速度快，调整方工作速度快，调整方

10、便，但转换精度比间接法便，但转换精度比间接法低。低。二、A/D转换电路A/D转换电路一般分为两大类：并行输出代码并行输出代码启动脉冲启动脉冲ABCDE）（基准IV1, 0BAVV在启动脉冲地作用下，线性良好在启动脉冲地作用下，线性良好地锯齿波同时加到两个比较器输入地锯齿波同时加到两个比较器输入端，和输入电压端，和输入电压VI I及及0电位比较。电位比较。比较的结果比较的结果B、C两输出决定门电两输出决定门电路开放还是禁止。路开放还是禁止。门开放：脉冲源地脉冲加到计数器输入端，计数器开始门开放：脉冲源地脉冲加到计数器输入端，计数器开始计数，输出为并行二进制代码。计数，输出为并行二进制代码。门禁止

11、：脉冲源的脉冲不能通门禁止：脉冲源的脉冲不能通过门电路，计数器无计数脉冲而过门电路，计数器无计数脉冲而停止计数。停止计数。VAVI,VC=1计数器在单位时间计数器在单位时间T T内输出的状内输出的状态为记录态为记录M M个计数脉冲的二进制码，个计数脉冲的二进制码，就是输入就是输入V VI I的数字量代码。即把的数字量代码。即把V VI ITDTD一、V-T变换型A/D转换器VI:采样保持信号采样保持信号同项输入大于基准输出为1A启动脉冲启动脉冲BCDE）（基准IV当：当：VA0,V0,VB B=0=0当：当：VA0,V0,VB B=1=1VAVVI I,V,VC C=0=0当：当：VA0,V0

12、,VB B=0=0假设：锯齿波斜率为假设：锯齿波斜率为K=VI I/ tWItKVCPWMTT并行输出代码并行输出代码V VA AVVI I,V,VC C=1=1与门禁止与门禁止V VE E=0=0，计数器不计数。计数器不计数。V VA AVVI I,V,VC C=1=1与门开放与门开放V VE E=CP=CP，计数器计数。计数器计数。当：当：V VA A0,V0,VB B=1=1与门禁止与门禁止V VE E=0=0，计，计数器停止计数。数器停止计数。V VA AVVI I,V,VC C=1=1与门禁止与门禁止V VE E=0=0，计数器不计数。计数器不计数。CPIKTVM 可见：计数脉冲的可

13、见：计数脉冲的数目数目M与输入信号与输入信号VI成正比，计数器成正比，计数器输出的状态为记录输出的状态为记录了了M个计数脉冲的个计数脉冲的二进制码。也是二进制码。也是VI I的数字量代码。的数字量代码。VA0时，时， VC=0封锁与门，封锁与门，CP 不能加给计数器。不能加给计数器。当积分器输出；当积分器输出；VB0时，时，VC=1与门开放，与门开放，CP加到计数器，计数器加到计数器，计数器开始计数。开始计数。 时钟控制与门：时钟控制与门： 计数器和定时器计数器和定时器其中其中FF0FFn-1为为M=2n典型异步加法计典型异步加法计数器。数器。CP接前级输出。接前级输出。FFn为定时触发器。为

14、定时触发器。Q Qn nQ Qn-1n-1Q Q1 1Q Q0 00 00 00 00 00 00 00 01 10 01 11 11 11 10 00 00 01 10 00 01 11 11 11 11 11 1n级计数器级计数器定时定时S接接VI IS接接VREF=-VR工作过程：工作过程： 在清零信号在清零信号/RD的作用下，所有触发器置的作用下，所有触发器置0,Qn=0,开关开关S接输入接输入VI I, ,积分器对输入进行积分。积分器对输入进行积分。n位计数器开始计数，当计数器计到位计数器开始计数，当计数器计到2n+1个脉冲个脉冲Qn由由01、控制开关、控制开关S接接VR，积分器对基

15、准电，积分器对基准电压进行二次积分。计数器又从压进行二次积分。计数器又从0开始计数。开始计数。VASRV0001反相输入大于基准输出为0采样阶段采样阶段以正极性以正极性VI I为例，定量说明双积分为例，定量说明双积分A/D工作过程。工作过程分为两个阶段。工作过程。工作过程分为两个阶段。一、采样阶段：一、采样阶段：在启动脉冲的作用下，全部触发在启动脉冲的作用下，全部触发器置器置0，由于，由于Qn=0, 开关开关S接接VI I，积，积分器对分器对VI I进行积分，积分输出为：进行积分，积分输出为：dtVRCVtIB01由于由于VB0，零值比较器输出，零值比较器输出VC=1,CP通过与门加到计数器，

16、通过与门加到计数器，n位二进制计数器从位二进制计数器从0开始计数，开始计数，一直计到一直计到2n个脉冲后：个脉冲后：CPnTTt21TCP:标准时钟周期标准时钟周期dtvRCtI0112nCPTTn位计数器又全部返回到位计数器又全部返回到0，定时触，定时触发器发器Qn由由01，使开关，使开关S接基准电压接基准电压VREF，VREF=-VR，采样结束。，采样结束。采样结束时的积分电压为：采样结束时的积分电压为：ICPnITIBOBVRCTVRCTdtVRCVV21101ICPnVRCT2采样结束时：积分器输出电压VB和输入模拟电压VI成正比关系。VI-VRtnQtAVtBVCVtDVt0二、比较

17、阶段ICPnVRCT2dtvRCtI01由于采样结束时：由于采样结束时：Qn=1Qn=1，开关，开关S S接接V VR R，积分器对，积分器对-V-VR R进行积分。（积进行积分。（积分器负向积分）积分电压为：分器负向积分）积分电压为：dtVRCVVtTRBOB1112TtRCVVRCTRICPn22TRCVVRCTRICPn当当V VB B积分电压逐步上升至：积分电压逐步上升至：VB0，过零比较器，过零比较器VC=0，与门，与门封锁，计数器停止计数。封锁，计数器停止计数。假设二次积分时，计数器记假设二次积分时，计数器记录了录了M个脉冲：个脉冲：CPMTT 2二次积分结束时，二次积分结束时，V

18、 VB B=0,=0,代入代入二次积分电压表达式：二次积分电压表达式：022TRCVVRCTVRICPnB02CPRICPnMTRCVVRCTIRnVVM2可见M个脉冲和VI成正比，M所对应的二进制码即为数字量输出，这样通过二次积分实现了对输入信号的A/D转换。比较阶段比较阶段采样阶段采样阶段nQAVBVCVDVtttttVI-VR12nCPTT2TP483 (7) 某双积分某双积分A/D转换器中计数器由四片十进制集成计数转换器中计数器由四片十进制集成计数器组成，它的最大计数容量器组成，它的最大计数容量D=(5000)10。计数脉冲的频。计数脉冲的频率率fcp=25KHz，积分器，积分器R=1

19、00K, ,C=1F,输入电压范输入电压范围围VI=05V。试求：。试求：1、第一次积分时间、第一次积分时间T1；2、积分器的最大输出、积分器的最大输出|V|VOMAXOMAX| |；3、当、当VREF=| |10| |V，若计数器的计数值，若计数器的计数值 M=(1740)10时，表示输入电压时，表示输入电压VI为多大？为多大？1、第一次积分时间、第一次积分时间T1；CPnTT21其中其中2n表示计数器计满值的情况，表示计数器计满值的情况，即最大计数容量即最大计数容量D=(5000)10SKHzfTCPCP402511表示表示1个脉冲周期个脉冲周期第一次积分共计了第一次积分共计了2n=500

20、0个计数脉冲个计数脉冲所以：所以：SXXT2 . 010405000612、积分器的最大输出、积分器的最大输出|V|VOMAXOMAX| |； 积分器最大输出电压积分器最大输出电压VBO值时当计数为值时当计数为5000时，时，输入为输入为5V时，积分器的输出值。时，积分器的输出值。BOMAXV| |ICPnVRCT2| |VXXXX105101101002 . 0633、当、当VREF=| |10| |V，若计数器的计数值，若计数器的计数值 M=(1740)10时，表示输入电压时，表示输入电压VI为多大？为多大？IREFnVVM2VXMVVnREFI48. 350001017402ttRVIV

21、CV002 2、计数斜坡式计数斜坡式A/D转换器工作原理：转换器工作原理：1 1、电路组成：、电路组成： 由由n n位二进制计数器、位二进制计数器、D/AD/A转换器和转换器和电压比较器三大部分组成。电压比较器三大部分组成。 D/A转换器接收二进制计数器输转换器接收二进制计数器输出的数字信号，产生斜坡式（阶梯波）出的数字信号，产生斜坡式（阶梯波）的模拟参考电压的模拟参考电压VR，并与输入模拟，并与输入模拟信号信号VI I进行比较进行比较； 当当VRVIN,则比较则比较器输出逻辑器输出逻辑0，寄存器的最，寄存器的最高位由高位由1变为变为0。 如果：如果：VSTVIN,则比较则比较器输出逻辑器输出

22、逻辑1，寄存器的最，寄存器的最高位保持高位保持1，其余较低位仍，其余较低位仍为为0，而以前比较过的高位，而以前比较过的高位保持原来值。再将保持原来值。再将VST和和VIN进行比较。反复重复以上过进行比较。反复重复以上过程，直到最低位比较完为止。程，直到最低位比较完为止。三态输出寄存器三态输出寄存器 转换结束后，逐位近似寄存器的数字转换结束后，逐位近似寄存器的数字送三态输出锁存器锁存，当输出允许信号送三态输出锁存器锁存，当输出允许信号OE有效时，由三态门输出二进制码。有效时，由三态门输出二进制码。引脚功能引脚功能IN0IN7:模拟输入。模拟输入。VR(+)和和VR(-):外输入基准电外输入基准电

23、压的正端和负端，基准电压的压的正端和负端，基准电压的中心点应在中心点应在VCC/2附近，其偏附近，其偏差不应超过差不应超过。比较器比较器逐次近似寄存器逐次近似寄存器树状开关树状开关256R网络网络定时器控制逻辑定时器控制逻辑8 8选选1 1模模拟拟开开关关地址锁存地址锁存译码器译码器三态三态输出输出锁锁存存器器0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7INADDAADDBALEADDC0D1D2D3D4D5D6D7D)(VR)(VRCLKSTARKEOCSTVOEADDCADDC、ADDBADDB、ADDAADDA：模：模拟输入端选通地址输入。拟输入端选通地址输入。ALEALE: :地址锁存允许信号输地址锁存允许信号输入端。高有效。入端。高有效。D7D0:数码输出。数码输出。OEOE: :输出允许信号，高有输出允许信号，高有效。即当效。即当OE=1OE=1时，打开输时，打开输出锁存器的三态门，将数据出锁存器的三态门，将数据送出。送出。CLK:CLK:时钟脉冲输入端。时钟脉冲输入端。一般在此端加一般在此端加500KH500KHZ Z的时钟的时钟信号。信号。STARTST