勘察仪器与原理第三章第五节ok

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1、勘 查 仪 器 原 理,教师： 王旭,Email：hfli,第三章 测量系统基本部件,在电子系统中，经常用到数字量与模拟量的相互转换。如工业生产过程中的湿度、压力、温度、流量；通信过程中的语言、图像、文字等物理量,需要转换为数字量，才能由计算机处理；而计算机处理后的数字量也必须再还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制，如数字音像信号如果不还原成模拟音像信号就不能被人们的视觉和听觉系统接受。因此，数模转换器和模数转换器是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口，是数字电子技术的重要组成部分。,第五节 A/D转换器原理及主要类型介绍,数字电子技术和计算机技术几乎渗透到了各个领域

2、，例如通信、网络、控制系统、检测系统等。但是接口输入信号（如温度、位移）和输出信号（如电压、图象信号）往往是模拟量，因此A/D和D/A必不可少。,A/D转换：将模拟信号转换为数字信号，相应的 电路叫A/D转换器，简称ADC； D/A转换：将数字信号转换为模拟信号，相应的电路叫D/A转换器，简称DAC。,目前,电子系统呈现出日益数字化趋势,数字电路、数字处理无处不在,其主要原因是:与模拟电路相比,数字电路具有噪声灵敏度低、抗干扰能力强、系统稳定度高、适应性广、电路设计及自动测试容易、具有可编程性等特点(模拟电路一旦设计成型,就不易改变参数,不易调整电路),同时,也由于集成电路工艺的进步,使数字电

3、路的性能得以不断提高,数字电路有如此多的优点,并在很多领域正在逐步取代模拟电路,但是,我们生存的环境却离不开对模拟信号的处理。首先,自然界出现的信号几乎都是模拟量,其次,人类感知和保留,信息的方式是模拟方式(至少在目前可知的范围内),为了建立数字处理器与模拟世界的接口,数据的获取与重构电路是必须的,因此,A/D与D/A转换电路非常重要,也是不可替代的。看下图:,外界环境,A/D转换器,数字信号处理器(DSP),D/A转换器,模拟信号,模拟信号,数字信号,数字信号,A/D在前端获得信号并将其数字化；DSP根据所需的控制算法进行数字计算；D/A在后端将相应的数字量 重构为模拟信号,并作用于外界。

4、A/D与D/A应用领域很广,如图像处理、语言处理、仪器仪表、工业控制、通信、雷达等,具体产品也很多,CD唱机、VCD、摄像机、数码相机、数字电视等。 模数转换器的三个基本功能： 采样：将模拟信号在时间上离散化使之成为采样信号； 量化：将采样信号的幅度离散化使之成为数字信号； 编码：将数字信号最终表示成数字系统所能接受的形式。,本节主要内容 3.5.1 A/D转换器(常称ADC)的基本原理 3.5.2 高速ADC 3.5.3 高精度ADC 3.5.4 各种ADC性能比较,3.5.1 A/D转换器的基本原理 什么是A/D转换?简单地说,就是把连续时间信号转换为与其相对应的数字信号的过程。反之称为D

5、/A转换。ADC就是完成这种转换过程的电子元器件。它把采集到的采样模拟信号量化、编码后,转换成数字信号。 由于模拟信号是在时间上、量值上连续的,而数字信号在时间上、量值上都是离散的,所以,进行模数转换时,首先要按一定的时间间隔对模拟信号值取样(取样规则就是第二章讲的采样定理),使它变成时间上离散的信号,然后将采样信号值保持一段时间,在这段时间内对采样值进行量化,使采样值变成离散的量值,然后,再通过,编码器,把量化后的离散量值转换成数字量输出,这样,经过量化、编码后的信号就成了时间和量值都离散的数字信号。显然,模数转换一般要分采样、保持和量化、编码两步进行。 基本流程：模拟信号(A)采样保持量化

6、编码数字信号(D) A/D转换器的工作原理如下图所示:,抗混叠 滤波器,采样-保持,量化,编码,时钟与控制,模 拟 信 号,数 字 信 号,fs(采样频率),采样控制信号,抗混叠滤波器：将输入信号频带以外的信号滤除，限制输入信号的带宽，使后续的采样不致将不希望的噪声或信号成份混叠在有用信号基带中； 采样电路：在采样时钟控制下将输入信号转换为在时间上离散的采样信号（符合采样定理）； 保持电路：在模数变换过程中保持采样值不变；量化电路：将采样值用一系列参考电平值中的一级来近似，这种近似称为量化，采样信号通过量化成为幅度离散的数字信号；,编码电路：在输出端建立一个与量化电平相对应的二进制数字表示的数

7、字量； 时钟与控制电路：提供转换器所需时钟信号，并按转换过程控制各部分电路的动作。 具体电路中量化、编码结合在一起。,量化,编码,由取样保持电路完成,由A/D转换电路完成,A/D转换的基本步骤：,采样（取样）,保持,一、采样、保持电路 1、为什么要采样、保持？ 原因：为避免数据量过大，造成存储和处理的 困难。 A/D转换是需要时间的，不能对所有连续点都转换，只能对采样点；,采样：为了把模拟信号转换成对应的数字信号，必须首先将模拟量每隔一定时间抽取一次样值，使时间上连续变化的模拟量变为一个时间上断续变化的模拟量，这个过程称为采样。也就是将时间和数值都是连续变化的模拟量转化为时间离散、数值连续的模

8、拟量。为保证能从采样信号将原来的被采样信号无失真地恢复，必须满足：,采样信号频率,输入信号最高频率,简单地说采样是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。,采样过程：,采样脉冲,输入模拟信号,采样输出信号,Ui,Uo,采样 开关,S（t),Ui,S（t),Uo,TS,保持：A/D转换并不是瞬间完成的，它要求在转换期间被转换的模拟值保持不变，以保证转换的精度。用下图来说明:,取 样,保 持,若采样直流或变化非常缓慢的模拟信号如温度，可不用保持器,可见，进行A/D转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的v

9、I值。,2、采样保持器基本原理 采样保持原理可用下图来说明:图中S为模拟开关,C为保持电容,运放A接成电压跟随器,也称缓冲放大器。这是最基本的采样保持器。,S,Ui,CH,A,UO,采样、保持电路原理图,VC,工作原理: 当VC为采样电平时,开关S导通,模拟信号Ui通过S向C充电,输出电压Uo跟踪输入模拟信号的变化； 当VC为保持电平时,开关S断开,输出电压Uo保持在模拟开关断开瞬间的输入信号值,运放的作用是把C和负载隔离。,S,VC,输入模拟信号,VC,采样信号,采样脉冲,采样保持 信号,Ui,UO,UO,Ui,所以采样保持器是指在逻辑电平控制下处于“采样”或“ 保持”两种工作状态的电路。在

10、采样状态下电路的输出跟踪输入模拟信号；在保持状态下电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号,直至进入下一次采样状态为止。参看上图, 由于运放的输入阻抗很高,保持阶段在C上的电荷就不会通过负载放掉,实现了保持功能。(电容放电时间常数非常大,因此认为C上电压基本不变),3、采样保持器的基本结构,（1）串联型采样/保持器,优点： 结构简单。 缺点：输出电压的误差（失调误差、共模误差）是两块运放误差的代数和，比较大，因此，此电路精度不高；另外，其跟踪速度也较低。,（ 2 ）反馈型采样保持器,-,+,-,+,S1,S2,VC,Ui,UO,CH,R,r,其特点是将输出端通过电阻反馈到输入端，使

11、N1、N2共同组成一个跟随器。当采样时，开关S1导通， S2断开；当保持时，开关S1断开，S2导通，保持电容两端电压保持在开关S1断开瞬时值上，即输出电压保持在S1断开瞬时值上。 S2为防止N1饱和所设。此器件的转换精度与速度比串联型高。,N1,N2,（ 3）电容校正型采样保持器 下图所示是利用补偿电容改善模拟式闭环采样保持器性能的实际电路原理图。采样期间，控制信号为高电平，使得二极管D1导通、D2截止。D2截止导致电阻R2上无电流，使场效应管S2处于零偏状态而导通。S2导通又使得场效应管S3的栅漏电压等于输出缓冲器N2的输入失调电压(理想情况下等于零)，因此S3也处于零偏状态而导通。S3导通

12、时，电容C1通过电阻R迅速放电，直至C1上电压等于零。D1导通导致电阻R1上有压降，从而使场效应管S1的栅源电压为正而截止。输入缓冲器N1通过S2、S3处于电压跟随状态，输出缓冲器N2则通过S3处于电压跟随状态，从而使整个电路处于对输入信号的采样跟踪状态。,用补偿电容改善采样保持器性能的实际电路原理图,C1,CH,S1,S2,S3,R,控制信号,VC,Ui,UO,R1,R2,N1,N2,UC1,UC2,Ioff2,Ioff3,补偿电容,因为CH漏电流的影响大体上可被C1的漏电流所补偿，使两电容上的电压变化相同，即保持电容放电使电压下降，补偿电容反向充电使输出电压上升，而且下降量等于上升量，使输

13、出电压保持不变，达到提高保持精度的目的。,保持期间，各二极管和场效应管的导通截止状态正好相反。此时，N1通过S1继续处于电压跟随状态，N2则由于C1两端电压不变而保持输出Uo等于CH上所记忆的电压值。事实上CH两端电压在缓慢变化，采用高质量的电容时，主要是由于S2漏电流Ioff2的影响，同时，受S3漏电流Ioff3的影响，C1两端电压也在改变。若S2和S3两管匹配，则因它们的工作状态相同而有Ioff3和Ioff2大小相等、方向相同(即要么都符合图中假设方向，要么都与图中假设方向相反)，则电容漏电时CH两端电压的改变率与C1两端电压的改变率大小相等。,（4）数字式采样保持器 下图所示是数字式采样

14、保持器的框图。保持期间，控制信号为“0”，与门电路输出始终为“0”，可逆计数器的输出不变，经D/A转换后的输出电压Uo也不变。采样期间，控制信号为“1”，若Uo小于输入电压Ui，则比较器输出高电平，有升计数脉冲信号，无降计数脉冲信号，可逆计数器输出增加，反之，可逆计数器输出减小；直到Uo等于Ui，实现了对输入信号的跟踪。,数字式采样保持器的突出优点是可实现任意长的保持周期，没有下垂现象。另外，它没有采样和保持瞬态干扰，可兼有模拟和数字输出等。其缺点是初始探测时间比模拟式采样保持器要长得多。因为时钟周期t 的选择受可逆计数器计数速率的影响，不能太小。对零到满刻度的阶跃输入信号，由于计数器的位数应

15、等于D/A转换器的位数n，故可知道探测时间为(2n - 1)t。所以数字式采样保持器适合跟踪较慢、较小的输入变化。,数字式采样保持器框图,比较器,集成采样保持电路LF198,调零,输入模拟电压,取样控制信号,外接保持电容,在取样阶段，开关S接通，运放AI、A2构成两级电压跟随器,在保持阶段，S断开，电容CH上电荷保持不变，使输出电压 保持不变。,二极管D1、D2和电阻R1构成保护电路。,在取样阶段，S接通，D1、D2截止，保护电路不起作用。,在保持阶段，S断开， 保持不变；但 在变，使 达到正（负）最大值，使开关S承受过高的电压。接上保护电路后可使 基本等于输入电压 。,LF198,4、采样保持器性能参数,理想情况下，采样期间采样保持器的输出电压与输入电压时刻相等，但实际上并非如此，还存在着下列非理想指标。 （1）孔径时间TAP: 采样保持电路中，由于逻辑控制开关有一定的动作时间，保持命令发出后到逻辑输入控制开关完全断开所需要的时间。由于这个时间的存在，采样时间被延迟。此时间影响转换精度。,TAP,TAC,（2）孔径时间不定性TAP： 它是孔径时间的变化范围。 （3）捕捉时间TAC: 当从保持状态发出采样命令后，采样保持器的输出从所保持的值到达当前输入信号的值所需的时间。该时间影响采样频率的提高，对转换精度无影响。 （4）保持电压的下降：