另外一个老师的课件4篇2章2adc

1、4.2.2 模/数转换器（A/D）(Analog to Digital Converter) 连续变化的模拟量（信号）如何变换成数字量（数字信号）输出呢？A/D转换的基本思路： 对连续变化的模拟量在一系列取定的时间瞬间进行取样，然后把该取样值用二进制数表示出来。一、A/D转换的基本原理 由于将采样后的值再用二进制数表示出来需要一定的时间，因此，采样后的模拟量还需要经保持、量化和编码等过程。1.采样定理和采样/保持电路 右边的电路就是在一系列选定的时间瞬间对输入模拟信号进行采样的电路。 图中S是理想的模拟开关，CH是保持电容，开关S由采样脉冲信号vs控制。 当vs低电平时，电容器上采样的电压保持

2、。进而可画出采样后vI(t) 的波形。 当vs高电平时，开关S闭合，vI(t) 对保持电容CH充电（采样）；采样器保持波形图 为了能使采样后的信号不失真地再现采样前的原输入信号，由此，对采样的信号频率 就有一定的要求。由采样定理得：Sfmax2iSff 式中 为输入模拟信号 频谱中的最高频率成分。在实际的A/D转换中，允许存在一定的误差下，采样脉冲频率 常按下式选取： maxif)(tvISfiSff)35 . 2( 图示电路是一个实际的采样保持电路，由两级运算放大器和电子开关组成，两只运放都接成电压跟随器形式。电路可以做到快速取样，A1运放输入为高阻，输出为低阻，对输入vI(t) 起隔离作用

3、。 对保持电容CH实现快速充电，时间常数远小于TC（采样时间）。A2跟随器输入电阻很高，使得当S断开后，保持电容CH的保持性能好。保持电容，要求选用高质量的电容器，漏电很小。（如聚苯乙希电容等）2.量化和编码 将取样后的值用一个最小单位的整数倍来表示。由于一个值不一定正好能分割成最小单位的整数倍，因此，必须对取样值进行取整归并，这种取整归并的方法和过程称量化（数值量化或数值分层）。取整归并（即量化）的方法有两种：舍尾取整法：KSvSKI ) 1(SKvI) 1(*取量化值 舍去不足一个量化单位的尾部，取其整数。当S表示为量化单位时，即有：如当S=1V时，;38 . 3*VvVvII时量化值.5

4、1 . 5*VvVvII时量化值舍尾取整量化特性可见，这种量化方法的最大量化误差为：StvtvII1)()(*max量化单位的计算：nimVS2n是ADC的位数舍尾取整量化误差采保后的最大值电压imV舍尾取整转移特性四舍五入量化法：大于S/2量化单位的尾部归整，舍去小于S/2量化单位的尾部。如当S=1V时，;46 . 3*VvVvII时量化值.54 . 5*VvVvII时量化值四舍五入量化转移特性可见，这种量化方法时的最大量化误差为：StvtvII21)()(*max量化单位的计算：1222121nimnimVVS四舍五入量化误差转换种类DA/双积分式ADC速度较慢，精度高，抗干扰性好；并行比

5、较型ADC速度最快；反馈计数式ADC速度慢；逐次逼近型ADC速度快；直接A/D转换器V/F式ADC调制式ADC，用在航天；二、逐次逼近型A/D转换器三位的逐次逼近型A/D转换器电路有： 模拟比较器C，三位D/A转换器，三位逐次逼近寄存器，五位节拍脉冲发生器，输出与门电路等。 电路中设置偏移S/2量化单位是为减小量化误差之用。转换原理：开始转换前，Q2Q1Q0=000（清零）S/H是采样保持器节拍脉冲发生器置成QAQBQCQDQE=00001，则输出为d2d1d0=000，D/A输出为0，加入输入模拟电压4.65V后，因为 FIvv 1Cv（高电平）第一个CPQAQBQCQDQE=10000Q2

6、Q1Q0=100d2d1d0=000Q2Q1Q0=100经D/A后，得：VSSvF5 . 3214设S=1V所以，1CvQ2Q1Q0=100不够大，高位Q2=1保留；第二个CPQAQBQCQDQE=01000Q2Q1Q0=110d2d1d0=000Q2Q1Q0=110经D/A后，得：VSSSvF5 . 52124所以，0Cv说明数据110太大，Q1=1应舍去；第三个CPQAQBQCQDQE =00100Q2Q1Q0=101d2d1d0=000Q2Q1Q0=101经D/A后，得：VSSvF5 . 4215所以，1Cv第四个CPQAQBQCQDQE=00010Q2Q1Q0=101d2d1d0=00

7、0Q2Q1Q0=101，即Q0=1仍保留。第五个CPQAQBQCQDQE=00001，Q2Q1Q0=101状态保持不变，由于QE=1，输出与门被选通，所以输出数字量为：d2d1d0=1013位A/D转换器的整个工作过程CP脉冲顺序寄存器状态Q2Q1Q0Q端状态留舍11001Q2=1留21100Q1=1舍31011Q0=1留41011Q2Q1Q0=10151011 读出d2d1d0=1012/SvvoFS=1V关系与FIvvCvSSS5 . 32/4FIvv SSS5 . 52/6FIvv SSS5 . 42/5FIvv S5 . 4FIvv S5 . 4FIvv 三位逐次逼近型A/D转换器的电

8、压逼近波形图逐次逼近型A/D转换器的特点： 转换速度较快，对n位A/D转换器，转换一次的时间为：T=（n+2）TCP；可以直接与8位微机连接 转换精度，主要决定于其中的D/A转换器的位数、线性度、电子开关压降、参考电压稳定度，以及模拟电压比较器的灵敏度等。由于集成电路制造工艺的不断完善，A/D转换器的精度已可达0.005%。三、双积分式A/D转换器 这是一种间接A/D转换器。它首先把输入的模拟信号转换成中间变量时间T，然后再将时间T转换成数字量输出。 由于双积分A/D转换器在工作过程中，分两次积分，产生两条积分斜率，所以，也有叫双斜率A/D转换器。双积分式A/D转换器原理框图 电路由积分器A、

9、过零比较器C和n位二进制加法计数器等电路组成。转换原理如下： 转换开始前，进行初始化处理：计数器和触发器清零，S1接通A，S2闭合，积分电容C充分放电，v01=0,C0为0，与门G封锁。dn-1dn-2d1d0=0000输出数字量A/D转换开始：S2打开，积分器开始负方向积分， v010，CO=1，CP脉冲加入，计数器进行二进制加法计数。v01的积分电压为：tRCvdtvRCtvItI0011)(在计数器尚未计到dn-1dn-2d1d0=1111之前，过程继读。当计满1111并返回000 0后，附加触发器FFn由0变1，开关S1接通负参考电压-VREF。积分器向正方向进行第二次积分， v01电

10、压向正方向上升。只要v01电压尚未达到0V，比较器输出C0=1，则计数器就进行第二次加法计数，当积分器正方向积分至0V时，C0=0，CP脉冲被封锁，计数器停止计数，则此时计数器所累计的数据就为输入模拟量所对应的数字量了。积分器二次积分波形图。下面定量分析：第一次积分（t0t1)nCPIItITRCvTRCvdtvRCtv21)(101011第二次积分（t1t2)21)(1)()(101201ttREFdtVRCtvtv当t=t2时，积分器输出电压为0，则：0)(1)()(2110120121TRCVTRCvdtVRCtvtvREFIttREF因此有：21TRCVTRCvREFICPnREFIR

11、EFITVvTVvT212输出数字量：nREFICPVvTTD22双积分式A/D转换器的特点：由于采用了积分器，抗干扰能力强； 两次积分用同一个积分器，使输出结果与积分参数无关（见表达式），精度高； 当选取积分时间为工频周期的整数倍时，理论上可完全消除工频干扰，因为这时对工频干扰的平均积分为0。 主要应用在精度高，而速度相对较慢的数字测试设备和仪表中；四、V/F变换型A/D转换器基本思路：先将输入的模拟电压信号变换成与之成正比的脉冲信号，然后，在定时时间控制下，对该脉冲信号进行计数，得到相应的数字量输出。电路组成分析：A1是模拟反相器，A2是模拟积分器，C1、C2组成模拟电压比较器，其它都是熟

12、悉的数字电路。电路工作原理：器A2开始正方向积分， 电位逐渐上升，当上升至 时， 变成低电平0， 仍为高电平1启动转换 ，CS=1，开关S2断开。积分0v10RVv 1Cv2cv开始转换前，CS低电平，S2闭合，S1接通- ,基本触发器置 =0， =1。QQav触发器置1)0, 1(QQ控制逻辑电路将开关S1接通 ；接着积分器A2负方向积分 开始下降，当 av0v下降至 时，两个比较器输出 =1， =0，20RVv1Cv2cv触发器重新置0) 1, 0(QQ，电子开关又接通到 的波形，而且 将正比于 。av，积分器又正向积分，如此周而复始，不断地进行，在触发器的 和 端将得到随 而变化QQav

13、avQft0t0t0t0t0t01RV2RV1cv2cvQCSCPST1t2tov 由波形图可得，在定时时间TS内，计数器对CP（ ）进行计数，则n位二进制计数器累计的结果就代表了输入模拟量的大小了。Qf由波形图可知，积分器正向积分时的变化幅度为 ： 21RRVV时间为T1，积分时间常数为RC，所以有：t0t0t0t0t0t01RV2RV1cv2cvQCSCPST1t2t1T2T102111TRCvdtvRCVVataRRRCvVVTaRR211t0t0t0t0t0t01RV2RV1cv2cvQCSCPST1t2t1T2T 而反向积分和正向积分时幅值相同，故有：T1=T2，RCvVVTTaRR

14、21212)(221RRaQVVRCvf 在定时TS内，对上述频率计数，则其结果正比于 。av)(221RRaSSQVVRCvTTfDt0t0t0t0t0t01RV2RV1cv2cvQCSCPST1t2t1T2T由于电路采用了积分器，同时，转换后得到的是调制后的脉冲波形，因此，具有抑制交流噪声和抗干扰能力强的特点。这种A/D转换器特别适用于遥控和遥测系统。五、三位并行比较型A/D转换器转换原理用表说明输入模拟电压寄存器状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1输出数字量0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 10 0 0 0 0 1 1 0 1 00 0 0 0 1

15、1 1 0 1 10 0 0 1 1 1 1 1 0 00 0 1 1 1 1 1 1 0 10 1 1 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 1 1 1Iv2d1d0dREFV)1510(REFV)153151(REFV)155153(REFV)157155(REFV)159157(REFV)1511159(REFV)15131511(REFV)15151513(42Qd 2461QQQd12345670QQQQQQQd三位输出函数式六、计数式A/D转换器七、A/D转换器的主要技术指标与应用要点1.A/D转换器的主要技术指标 分辨率 能区分相邻两个数字量大小的最小输入模拟电压

16、增量。所以，对一个n位的A/D转换器，其分辨率为输入满度电压与2n的比值。如一个12位的满刻度输入10V的A/D转换器，其分辩率=10/2122.44mV。 精度误差 输出数字量对应的实际模拟电压与理想电压值之差，其最大值定义为精度误差。可见，精度误差越小，A/D转换的精度越高。有时，也有把精度误差当作精度的。精度误差包括： 量化误差 偏移误差 增益误差 非线性误差 转换时间完成一次A/D转换所需的时间2.A/D转换器应用要点 A/D转换器的位数选择 A/D转换器的位数与设计系统的测控范围以及精度要求有关。 它涉及传感器精度，放大器精度，A/D本身精度，输出电路和伺服机构的精度，软件算法的精度

17、等，应根据综合精度在各个环节上进行分配。一般来说，A/D转换器的位数至少要比总精度要求的最低分辩率高一位。 A/D转换器的转换速度选择（转换时间） 根据采集对象的变化率及转换精度要求，确定A/D转换速度，以保证对系统的实时性要求。并行比较型ADC逐次逼近型ADC 转换时间仅为20100nS，用于数字通讯、实时光谱分析、实时瞬态记录、视频数字转换系统等。 转换时间在1S100S，用于工业上的多通道测控系统和声频数字转换系统、实时光谱分析、实时瞬态记录、视频数字转换系统等。双积分式A/D转换器 转换时间在1mS100mS，适合温度、压力、流量等慢变化的检测和控制系统，用于一般的仪器和仪表中。 工作

18、电压和参考电压选择 工作电压有15V、+12+15V、+5V等，最好选择能与数字系统共用的一个电源较方便。 参考电压（基准电压）VREF的稳定性对A/D的转换精度关系大，应选用高精度、高稳定性的基准电压。 A/D转换器量程选择常见A/D转换器的量程有： 0+5V，0+10V 单极性输入-5+5V，-10+10V 双极性输入应根据系统的极性要求决定八、集成A/D转换器实例ADC0809芯片介绍8位，逐次逼近型，8路模拟量输入，具有与微机兼容的控制逻辑，28引脚，CMOS工艺，15mW功耗，输入模拟电压05V，转换时间为100S，精度LSB。ADC0809内部框图 模拟量输入通道选择 由三位地址代码控