数模转换器基本原理及常见结构

数模转换器基本原理及常见结构第一页，共三十八页，2022年，8月28日§8.3模数转换器（ADC）

ADC作用：将模拟量转换为数字量。

主要应用：(低速)数字万用表，电子秤等；(中速)工业控制，实验设备等；(高速)数字通信、导弹测远等；(超高速)数字音频、视频信号变换、气象数据分析处理。ADC输入是模拟量，输出是数字量；ADC输出的数字量可视为输入电压(电流)与基准电压(电流)相比所占的比例。第二页，共三十八页，2022年，8月28日ADC输出与输入关系可表示如下：即ADC是将输入信号Ain与其所能分辨的最小电压增量VREF/2n相比较，得到与输入模拟量对应的倍数（取整）。3位ADC示意图输出数字量对应一个模拟区间第三页，共三十八页，2022年，8月28日§8.3.1ADC的基本原理一、采样和采样定理ADC周期性地将输入模拟值转换成与其大小对应的数字量，该过程称为采样。采样是否会造成丢失某些信息？

时域采样定理：一个频带有限的信号f(t)，如果其频谱在区间(－ωm,ωm)以外为零，则它可以唯一的由其在均匀间隔Ts(Ts<1/2fm)上的样点值f(nTs)确定。第四页，共三十八页，2022年，8月28日即只要采样脉冲频率fs大于或等于输入信号中最高频率fm的两倍（fs≥2fm），则采样后的输出信号就能够不失真地恢复出模拟信号。二、采样/保持电路模拟量到数字量转换需要一定时间，在此期间要求采样所得的样值保持不变。这个过程需有相应电路实现。第五页，共三十八页，2022年，8月28日τC<<tw，故Vs的变化与Vi同步。VsLF198第六页，共三十八页，2022年，8月28日三、量化和编码模拟信号经S/H得到的取样值仍属模拟范畴，需经量化（将取样值表示为最小数量单位的整数倍）处理，才能转换为时间上和数值上都为离散的数字信号。最小数量单位称量化单位(1△=1LSB)。

编码：将量化结果用数字代码表示出来。常见有自然二进制编码、二进制补码编码。第七页，共三十八页，2022年，8月28日因取样值为输入信号某些时刻的瞬时值，它们不可能都正好是量化单位的整数倍，即在量化时不可避免地会引入量化误差(ε)。

量化误差：有限位ADC产生的输出数据的等效模拟值与实际输入模拟量之间的差值。

量化误差的大小与量化方式、量化单位、ADC编码位数、基准电压大小有关。

常用的量化方式：舍入量化和截断量化两种方式。第八页，共三十八页，2022年，8月28日例如：FSR=1V的3位ADC，其分辨率为1/8V（1LSB）。分别采用舍入量化和截断量化两种方式，情况如下：LSB/21.5LSB第九页，共三十八页，2022年，8月28日舍入量化截断量化量化值量化区间中点量化区间末端输出001H量化点误差为0Vi=1/8V量化点误差为0Vi=1/8V1/16<Vi<3/16(V)1/8<Vi<2/8(V)最大误差1/8－1/16;

1/8－3/16±LSB/21/8－2/8－1LSB第十页，共三十八页，2022年，8月28日(2n－1)个2n一、并行（闪速）ADC可有2n种比较结果即n位数字量§8.3.2ADC的基本原理第十一页，共三十八页，2022年，8月28日VinI6I5I4I3I2I1I0Y2Y1Y0量化值0≤Vin＜1V11111110000V1V≤Vin＜2V01111110011V2V≤Vin＜3V00111110102V3V≤Vin＜4V00011110113V4V≤Vin＜5V00001111004V5V≤Vin＜6V00000111015V6V≤Vin＜7V00000011106V7V≤Vin＜8V00000001117V3位并行比较型ADC的转换真值表优点：转换快（仅一个时钟周期）。

不足：n较大时，比较器、分压电阻数量太大，难以保证其准确性及一致性。第十二页，共三十八页，2022年，8月28日Next二、逐次逼近式ADC开始前清零!比较器即完成一次转换需n+1个时钟周期。第十三页，共三十八页，2022年，8月28日

首先，置DN-1＝“1”，若VP=“H”，则保留DN-1=“1”；否则，DN-1=“0”。

然后，置DN-2＝“1”，若VP=“H”，则保留DN-2=“1”；否则，DN-2=“0”。

……D0位确定，转换结束。

优点：技术成熟，精度较高、速度较快。

不足：对Vi中噪声敏感，输入端需用S/H电路（ADC转换期间Vi要恒定）。第十四页，共三十八页，2022年，8月28日SARADC转换的时序波形（Vin=6.8V→8位二进制数）Tclk=10μsTcon=90μs第十五页，共三十八页，2022年，8月28日三、双积分式（双斜式）ADCVi<0VR>0放电开关控制K1置位原理波形结果第十六页，共三十八页，2022年，8月28日过程K1K2电容积分输出比较器计数器开始地通放电Vo=0采样Vi<01断充电线性增加Vo>0向下反转开始计数直到溢出编码VR>02断反向充电线性下降低电平重新计数Vo≤0向上反转停止计数输出结果1、双积分式ADC工作原理第十七页，共三十八页，2022年，8月28日电路①③②结果溢出值恒定t1恒定反向充电电压恒定Vi不同积分输出不同VR恒定斜率恒定第十八页，共三十八页，2022年，8月28日采样结束：编码结束：2、双积分式ADC转换结果令计数脉冲周期为TC，则t1=N1TC；t2=N2TC。

优点：N2∝Vi，抗干扰性和精度较好。

不足：转换速度慢，≤20次/s。第十九页，共三十八页，2022年，8月28日

⑴分辨率：能分辨的最小输入变化量。可用分辨率、相对分辨率或以数字位数表示。§8.3.3ADC的主要参数一、转换精度

设ADC位数为n，满量程范围FSR。分辨率=FSR/2n；直接表示→n；例：FSR=10V的12位ADC，其分辨率表示：分辨率2.44mV、0.0244%、12位。n越大分辨率越高第二十页，共三十八页，2022年，8月28日第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日

⑻信噪比（SNR）：ADC输出端信号与噪声之比，用dB表示。对于正弦波输入信号，信噪比的理论值满足6dB规则：

SNR=(6.02n＋1.76)dB

式中：n为ADC的位数，即ADC的位数每增加一位，SNR值增加约6dB。

利用ADC实际信噪比，可求其有效位数(ENOB)：其它参数（总谐波失真、互调失真等）自学。第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日

转换时间：从启动ADC转换开始到正确输出数字信号的一段时间间隔。

注意：实际应用中，在ADC完成转换后到数据被读出之前，不允许有新的转换。二、ADC的转换时间和转换速率转换速率：单位时间（每秒）内ADC重复转换的次数。与硬件连接、编程方法等有关。第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日三、ADC的接口特性ADC与外部电路连接时的特性，包括:

输入特性：电压(电流)范围、输入极性(单、双极性)、模拟信号最高有效频率等。

输出特性：编码方式(自然或偏移二进制码等)、输出方式(串、并行；三态、缓冲、锁存输出)以及电平类型(TTL、CMOS等)。

控制特性：启动转换、转换完成；片选信号(CS)、数据读(RD)等控制信号端。第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日§8.3.4典型ADC介绍（ADC0809）dip28封装误差±1LSB决定转换时间+5V单电源；15mW功耗单极性0~5V第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日ADC0809工作时序图清零启动CLK：要求频率10~1280kHz，典型值640kHz。转换进行中转换结束第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日ADC0809与8031的接口电路第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日1、根据分辨率确定ADC位数n设ADC电压输入范围为FSR，位数为n，要求分辨率为M。则标称位数8、10、12、14等例：某ADC的FSR=10V，系统要求分辨率M=2mV。试确定其位数。可选>13位一、ADC的选择§8.4.3ADC的应用第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日2、根据采集速度确定ADC的转换速度设系统转换速率为f；硬件延迟时间ty；ADC转换时间为tcon。则：T≤1/f。T

=ty

+tcon

3、ADC其它方面的选择需注意事项输出信号的编码方式；与其他逻辑电平的匹配情况；控制信号是否合乎要求等。另外，转换时间要与应用系统匹配。第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日二、ADC的调整

使用ADC通常要调整其失调和增益误差。方法：硬件、软件消除。基准标准转换值实测值8Vyhxh-8Vylxl将两组数据代入方程y=max+b可求出ma（实际增益）和b（实际失调）。

有了ma、b及实测输出x，用y=max+b即可得到消除了增益和失调误差标准输出。第三十页，共三十八页，2022年，8月28日三、高分辨率ADC与微处理器的接口当ADC位数大于CPU数据宽度的接口方法（通常ADC提供两次读出数据控制）。数据线为三态

数据线非三态

第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日§8.4.4ADC的应用电路一、数据采集系统第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日

将被采样的模拟信号变化范围变换为接近ADC输入模拟信号的满量程范围。目的：为了减小ADC的量化误差。二、ADC的满量程转换第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日

例如：被采样信号Vi=0mV～11mV；单极性ADC采用截断量化，FSR=10V，输出位数12位。量化区间大小：2.44mVPGA取值1100D=Vi/(分辨率)11/2.44=4.511×100/2.44=450.8截断量化后D=4=004HD=450=1C2H相应无误差模拟量4×2.44mV=9.76mV450×2.44mV/100=10.98mV相对误差－11.3%－0.18%第三十四页，共三十八页，2022年，8月28日0~5V如：单极性ADC采样双极性输入电压。

三、ADC的功能扩展Vi=-5V对应Dn-1~D0为全0。Vi=+5V对应Dn-1~D0为全1。双极性电压单极性电压第三十五页，共三十八页，2022年，8月28日四、常用数据处理技术为消除采样数据中干扰，可用硬件方法，也可用软件对采样数据进行处理，使采样数据尽可能接近其真实值，以提高精度。1、消除系统零点漂移与增益漂移如：通过两组数据求y=max+b中ma、b。

2、采样数据的标度变换

非电物理量→电量→数字量→有意义数字量（标度变换：线性、非线性参数变换）。3、采样数据的数字滤波（减少干扰比重）第三十六页，共三十八页，2022年，8月28日1、驱动问题：通常，在DAC之后或ADC之前需加放大电路，对模拟信号加以放大。2、合理使用S/H：