数模与模数转换器2

1、1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器4 双积分式双积分式A/D转换器转换器 5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 9.2 A/D 转换器转换器A/D转换器概述转换器概述ADCDnD0输出数字量输出数字量I 输入模拟电压输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1. A/D功能功能: A/D转换器要将时间上连续，幅值也连续的模拟量转换为转换器要将时间上连续，幅值也连续的模拟量转换为时间上离散时间上离散，幅值也离散的数字信号，它一般要包括

2、幅值也离散的数字信号，它一般要包括取样取样， 保持，量化及编码保持，量化及编码4个过程个过程。2. A/D转换器分类转换器分类 并联比较型并联比较型 特点特点: 转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns 1 s, 但电路复杂。但电路复杂。 逐次逼近型逐次逼近型 特点特点: 转换速度适中转换速度适中,转换时间转换时间 为几为几 s 100 s, 转换精度高，转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。 双积分型双积分型 特点特点: 转换速度慢转换速度慢,转换时间转换时间 几百几百 s 几几ms,但抗干扰能力但抗干扰能力最强。最强。

3、 v/V 4 3 2 1 0 C B A 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t/ms 00000100 00000011 00000010 取样取样时间上离散的信号时间上离散的信号保持、量化保持、量化量值上也离散的信号量值上也离散的信号编码编码模拟信号模拟信号时间上和量值上都连续时间上和量值上都连续数字信号数字信号时间上和量值上都离散时间上和量值上都离散9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 A/D转换器一般要包括转换器一般要包括取样取样， 保持，量化及编码保持，量化及编码4个过程个过程。9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 1.

4、取样与保持取样与保持 O(t) I(t) T G S(t) 采样是将随时间连续变化的模采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量拟量转换为在时间离散的模拟量。 采样信号采样信号S(t)的频率愈高，所采的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定率由采样定理确定。 采样定理：设采样信号采样定理：设采样信号S(t)的频的频率为率为fs，输入模拟信号，输入模拟信号 I(t)的最的最高频率分量的频率为高频率分量的频率为fimax，则则 fs 2fimaxS(t)=1:开关闭合开关闭合S(t)

5、=0:开关断开开关断开 0 S(t) t 0 I (t) t 0 t O (t) 采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。取样与保持过程通过采样与保持电的模拟信号保持一段时间。取样与保持过程通过采样与保持电路同时完成。路同时完成。 t t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 电路：电路：AV1 AV2= 1 ，A1 的的Ri 高，高，A2 的的Ri 高，高，A2 的的Ro低低采样采样 I

6、 A1 A2 S CH 开开关关驱驱动动电电路路 采采样样保保持持控控制制电电路路 O 不能放电不能放电保持保持1. 取样与保持取样与保持 （1）电路及工作原理）电路及工作原理2. 量化与编码量化与编码数字信号在数值上是离散的。采样数字信号在数值上是离散的。采样保持电路的输出电压还需保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的能是某个最小数量单位的整数倍。量化过程中所取最小数量单整数倍。量化过程中所取最小数量单位称为量化单位位称为量化单位,用用 表示。它是数字信号最低位为表示。它是数字信

7、号最低位为1时所对应的时所对应的模拟量用模拟量用 表示，即表示，即1LSB。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。转换器输出的数字量。 9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程量化量化编码编码任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在量化过程中由于所采样电压不一定能被倍。在量化过程中由于所采样电压不一定能被 整除，所以量整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差

8、，用化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用 表示。表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越转换器的位数越 多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。 两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。式。 量化误差量化误差：保持后量化前的电压与量化后的电压差：保持后量化前的电压与量化后的电压差量化方式量化方式2. 量化与编码量化与编码（2 2）两种量化方式）两种量化方式V87LSB1max 01V86V85V84V83V82

9、V811111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号输入信号编码编码量化后量化后电压电压a 只舍不入量化方式只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最大量化误差为：最小量化单位最小量化单位1/8V=1LSB= 1/8 V例：将例：将01V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码b 四舍五入量化方式四舍五入量化

10、方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v输入信号输入信号编码编码模拟模拟电平电平最大量化误差为：最大量化误差为：最小量化单位：最小量化单位：V1513V1511V159V157V155V153V1512LSBmax =1LSB= 2/15 V2LSBmax 1/15V 9.2.2 并

11、行比较型并行比较型A/D转换器转换器 R I VREF VREF 13 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 15 VREF 1 15 R R R/2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 1D C1 Q I1 1D C1 Q I2 1D C1 Q I3 1D C1 Q I4 1D C1 Q I5 1D C1 Q I6 1D C1 Q I7 D0 D1 D2 优优先先编编码码器器 (LSB(M SB)0 电压比较器电压比较器输入模输入模拟电压拟电压精密电精密电阻网络阻网络精密参精密

12、参考电压考电压D触发器触发器VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出输出数字数字量量1、电路组成、电路组成 R I VR E F VR E F 1 3 1 5 R C P VR E F 1 1 1 5 R R R VR E F 3 1 5 VR E F 1 1 5 R R R /2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C0 1 C0 2 C0 3 C0 4 C0 5 C0 6 C0 7 1 D C 1 Q I1 1 D C 1 Q I2 1 D C 1 Q I3 1 D C 1 Q

13、I4 1 D C 1 Q I5 1 D C 1 Q I6 1 D C 1 Q I7 D0 D1 D2 优优先先编编码码器器 (L S B(M S B )0 2 2、工作原理、工作原理VI=8VREF/151111000编码器编码器:输入低电输入低电平有效；平有效；I I7 7的优先级最高的优先级最高00111VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15vivOvREF1111000 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1

14、 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根据各比较器的参考电压值，可

15、以确定输入模拟电压值根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D D触发器触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。 3、电路特点：、电路特点：在并行在并行A/D转换器中，输入电压转换器中，输入电压 I同时加到所有比较器的输同时加到所有比较器的输入端，从入端，从 I加入到三位数字量稳定输出所经历的时间为比较加入到三位数字量稳定输出所经历的时间为比较器、器、D触发器和编码器延迟时间之和。如不考虑各器件的延触发器和编码器延迟时间之和。如不考虑各器件的延迟，可认为

16、三位数字量是与迟，可认为三位数字量是与 I输入时刻同时获得的。所以它输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。的转换时间最短。 缺点是电路复杂，如三位缺点是电路复杂，如三位ADC需需7个比较器、个比较器、7个触发器、个触发器、8个电阻。位数越多，电路越复杂。个电阻。位数越多，电路越复杂。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。行转换的方法。 单片集成并行比较型单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如转换器的产品很多，如AD公司的公司的AD9012 (TTL工艺工艺8位位)、AD9002 (ECL工艺，工艺，8位位

17、)、AD9020 (TTL工艺，工艺，10位位)等。等。 所加砝码所加砝码重量重量 结果结果 9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 。第一次第一次8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，8克砝码保留克砝码保留8 克克第二次第二次再加再加4克克砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx ， 2克砝码撤除克砝码撤除12 克克第四次第四次再加再加1克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ， 1克砝码保留克砝码保留13 克克1. 转换原理转换原理 所用砝码重量：所用砝码重量：8克、克、4克、克、2克

18、和克和1克。克。设待秤重量设待秤重量Wx = 13克。克。称重过程称重过程 9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器 I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1. 转换原理转换原理 1 0 0 0 1 0 0 0 5V I 5V 1第一个第一个CP： A=6.84VVREF=10V I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器

19、移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1. 1. 转换原理转换原理 0 1 0 0 1 1 0 0 7.5V10 I 009.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器1、电路组成、电路组成9.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FFn-1 1 Q1 Qn-1 Qn FF1 1 FF0 1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0

20、 & 数字量输出数字量输出 C A B G G n 级计数器级计数器 定定时时信信号号 (MSB) (LSB) Tc 0 00 00 00 00 0Cr信号将计数器清零；开关信号将计数器清零；开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，闭合，待积分电容放电完毕后，断开断开S2 使电容的初始电压为使电容的初始电压为0。2、工作原理、工作原理1）准备阶段：）准备阶段： + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FFn-1 1 Q1 Qn-1 Qn FF1 1 FF0 1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr D

21、n-1 D1 D0 & C A B G G 定定时时信信号号 (MSB) (LSB) Tc tdt0IO1 1 1经过经过2n个个CP0 00 00 01 10 01 10 01 11 11 10 00 00 011TVI 0 00 00 00 01 10 01 10 01 11 11 10 00 01 10 00 00 01 10 01 10 01 11 11 11 11 11 10 00 00 01 10 01 10 01 11 11 10 01 10 01 10 00 01 10 01 10 01 11 11 10 00 00 0，(2) 第一次积分：第一次积分：t = t0时，

22、开关时，开关S1与与A端相接，积分器开始对端相接，积分器开始对 I积分。积分。经经2n个个CP后后,开关切换到开关切换到B， ，=VP。第一积分时间为第一积分时间为2nTC + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FFn-1 1 Q1 Qn-1 Qn FF1 1 FF0 1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & C A B G G 定定时时信信号号 (MSB) (LSB) Tc VREF加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当加到积分器的输入端，积分器反方向进行

23、第二次积分；当t=t2时积分时积分器输出电压器输出电压 O0，比较器输出，比较器输出 C=0，时钟脉冲控制门，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停被关闭，计数停止。止。1 11 10 00 01 10 01 10 0 21)(1)(REFp2OttVVt 21O2pREF1( )()0tttVV0 0(2) (2) 第二次积分：第二次积分： S1 Qn 0 0 O 0 C 0 C 0 T1 T2 t1 t2 + I VREF T1 T2 P t t t t t T1=2nTC1112nCPTTVVV OI01tdt 21O2pREF1( )()0tttVVdtnREF2CI2VTTVnC2IREF2

24、 TTVV T2= Tc n2IcREF2TVTVT2=t1 t2 在计数器所计的数在计数器所计的数 =Qn-1Q1Q0， 就是就是A/D转换器得到的结果。转换器得到的结果。9.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器nC2IREF2 TTVV优点：优点：1.由于转换结果与时间常数由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线无关，从而消除了积分非线 性带来的误差。性带来的误差。2.由于双积分由于双积分A/D转换器在转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，时间内采的是输入电压的平均值， 因此具有很强的抗工频干扰的能力。因此具有很强的抗工频干扰的能力。 T1=2nTC3. 只要求时钟源在

25、一个转换周期时间内保持稳定即可。只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。n2IcREF2TVTV1.转换精度转换精度 9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 单片集成单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的描述的。 分辨率分辨率: 说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制制(或十进制或十进制)数的位数表示。数的位数表示。 转换误差：转换误差： 表示表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。量之

26、间的差别。 9.2.5 9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2.转换时间转换时间 指指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。到稳定的数字信号所经过的时间。 A/D转换器的转换时间转换器的转换时间与转换电路的类型有关与转换电路的类型有关并行比较并行比较A/D转换器的转换速度最高转换器的转换速度最高 ,逐次比较型逐次比较型A/D转换器次之转换器次之 ,间接间接A/D转换器转换器(如双积分如双积分A/D)的速度最慢。的速度最慢。 并行比较并行比较A/D转换器转换器(8位）位） 逐次比较型逐次比较型A/

27、D转换器转换器 间接间接A/D转换器转换器1050 s50ns10ms1000ms9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标例例10.2.1 某信号采集系统要求用一片某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在转换集成芯片在1秒钟内秒钟内对对16个热电偶的输出电压分时进行个热电偶的输出电压分时进行A/D转换。已知热电偶输出电转换。已知热电偶输出电压范围为压范围为00.025V(对应于对应于0450温度范围温度范围)，需要分辨的温度为，需要分辨的温度为0.1，试问应选择多少位的，试问应选择多少位的A/D转换器，其转换时间为多少？转换器，其转换时间为多少？解：解： 0.114504

28、500由题意可知分辨率为由题意可知分辨率为121121409512位位A/D转换器的分辨率为转换器的分辨率为 故必须选用故必须选用13位的位的A/D转换器。转换器。 系统的采样速率为每秒系统的采样速率为每秒16次，采样时间为次，采样时间为62.5ms。对于这样慢速的采样任何一个对于这样慢速的采样任何一个A/D转换器都可达到。转换器都可达到。 10.2. 6 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用 1. ADC0804 引脚及使用说明引脚及使用说明 ADC0804是用是用CMOS集成工艺制集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。分成的逐次比较型模数转换芯片。分辨率辨率8位，转换时间位，转换时间

29、100 s，输入电，输入电压范围为压范围为05V，增加某些外部电路，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为后，输入模拟电压可为5V。 以以ADC0804介绍集成介绍集成A/D转换器转换器及其应用。及其应用。 该芯片内有输出数据锁存器，当该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在可以直接连接在CPU 数据总线上，数据总线上，无需附加逻辑接口电路。无需附加逻辑接口电路。 1 2 3 4 5 6 7 8 13 14 15 16 17 18 19 20 9 10 11 12 WR CLKIN VIN+ VIN AGND VREF/2 DGND

30、D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CLKR VCC CS RD INTR 10.2. 6 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用 引脚功能说明：引脚功能说明： VIN+、VIN-：ADC0804的两模的两模拟信号输入端，用以接收单极性、拟信号输入端，用以接收单极性、双极性和差动输入信号。双极性和差动输入信号。 1 2 3 4 5 6 7 8 13 14 15 16 17 18 19 20 9 10 11 12 WR CLKIN VIN+ VIN AGND VREF/2 DGND D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CLKR VCC CS RD INTR D7D0：

31、A/D转换器数据输出端，转换器数据输出端，该输出端具有三态特性，能与微该输出端具有三态特性，能与微机总线相接。机总线相接。 AGND：模拟信号地：模拟信号地。DGND：数字信号地：数字信号地。 CLKIN：外电路提供时钟脉冲输入：外电路提供时钟脉冲输入端。端。 CLKR：内部时钟发生器外接电阻端与：内部时钟发生器外接电阻端与CLKIN端配合可由端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为芯片自身产生时钟脉冲，其频率为1/1.1RC。 10.2. 6 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用 引脚功能说明：引脚功能说明： CS: 片选信号输入端，低电平有片选信号输入端，低电平有效，一旦有效表明效，

32、一旦有效表明A/D转换器被选中转换器被选中可启动工作。可启动工作。 1 2 3 4 5 6 7 8 13 14 15 16 17 18 19 20 9 10 11 12 WR CLKIN VIN+ VIN AGND VREF/2 DGND D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CLKR VCC CS RD INTR WR: 写信号输入，接受微机系统写信号输入，接受微机系统或其它数字系统控制芯片的启动输或其它数字系统控制芯片的启动输入端，低电平有效，当入端，低电平有效，当CS、WR同同时为低电平时，启动转换。时为低电平时，启动转换。 RD：读信号输入，低电平有效，：读信号输入，低电平有效，当、同时为低电平时，可读取转换当、同时为低电平时，可读取转换输出数据。输出数据。 I