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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 9.2 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 A/D转换器概述转换器概述 ADC DnD0 输出数字量输出数字量 I 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。 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。 1. A/D功能功能: 2. A/D转换器分类 并联比较型 特点 转换器分类 并联比较型 特点: 转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns 1 s,
2、但电路复杂。 逐次逼近型 特点 但电路复杂。 逐次逼近型 特点: 转换速度适中转换速度适中,转换时间 为几转换时间 为几s 100 s, 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 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。 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 几百转换时间 几百s 几几ms,但抗干扰能力 最强。 但抗干扰能力 最强。 v/V 4 3 2 1 0 C B A 102030405060708090100 t/ms 00000100 00000011 00000010 9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过
3、程 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 模拟信号 时间上和量值上都连续 模拟信号 时间上和量值上都连续 数字信号 时间上和量值上都离散 数字信号 时间上和量值上都离散 编码编码 量值上也离散的信号量值上也离散的信号 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. 取样与保持取样与保持 O(t) I(t) TG S(t) 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 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。 采样信号采样信号
4、S(t)的频率愈高，所采 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 率由采样定理确定 的频率愈高，所采 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 率由采样定理确定。 S(t)=1:开关闭合开关闭合 S(t)=0:开关断开开关断开 0 S(t) t 0 I t 0 t O (t) 采样定理：设采样信号采样定理：设采样信号S(t)的频 率为 的频 率为fs，输入模拟信号，输入模拟信号 I(t)的最 高频率分量的频率为 的最 高频率分量的频率为fimax， 则则 fs 2fimax 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
5、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 路同时完成。 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 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。 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 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 t t t6t5t4t3t2t1t00 采样采样 I A1A2 S CH 开关驱动 电路 开关驱动 电路 采样保持控制电路采样保持控制电路 O 不能放电
6、不能放电 保持保持 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 能是某个最小数量单位的 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整数倍。量化过程中所取最小数量单 位称为量化单位 整数倍。量化过程中所取最小数量单 位称为量化单位,用表示。它是数字信号最低位为用表示。它是数字信号最低位为1时所对应的 模拟量用 时所对应的 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。 经编
7、码后得到的代码就是 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 编码 量化 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 倍。在量化过程中由于所采样电压不一定能被整除，所以量 化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用表示。 量化误差属原理误差，它是无法消除的。 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，用表示。 量化误
8、差属原理误差，它是无法消除的。A/D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。 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。 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 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。 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。 （2）两种量化方式（2）两种量化方式 V 8 7 LSB1 max = = 0 1 V 8 6 V 8 5 V 8 4 V 8 3 V 8 2 V 8 1 111 0=0 v 7=7/
9、8 v 6=6/8 v 5=5/8 v 4=4/8 v 3=3/8 v 2=2/8 v 1=1/8 v 输入信号编码 量化后 电压 输入信号编码 量化后 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； 对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。 最小量化单位 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。 最小量化单位 =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 110 101 100 最大量化误差为：最大量化误差为： 011 1/8V 010 001 000 b
10、 四舍五入量化方式四舍五入量化方式: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。 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。 0 1 111 110 101 100 011 010 001 000 0=0 v 7=14/15 v 6=12/15 v 5=10/15 v 4=8/15 v 3=6/15 v 2=4/15v 1=2/15 v 输入信号编码 模拟 电平 输入信号编码 模拟 电平 最大量化误差为： 最小量化单位： 最大量化误差为： 最小量化单位： V 15 13 V 15 11 V 15 9 V
11、15 7 V 15 5 V 15 3 V 15 1 2LSB max = = =1LSB= 2/15 V 2LSB max = = 1/15V 9.2.2 并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
12、C1 Q I7 D0 D1 D2 优先编码器优先编码器 (LSB (M SB) 电压比较器电压比较器 精密电 阻网络 精密电 阻网络 精密参 考电压 精密参 考电压 D触发器触发器 VREF/15 3VREF/15 7VREF/15 9VREF/15 11VREF/15 5VREF/15 13VREF/15 输出 数字 量 输出 数字 量 1、电路组成、电路组成 输入模 拟电压 输入模 拟电压 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 + C
13、3 + 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 I4 1 D C 1 Q I5 1 D C 1 Q I6 1 D C 1 Q I7 D0 D1 D2 优先编码器优先编码器 (L S B (M S B ) 2、工作原理2、工作原理 VI=8VREF/15 1 1 1 1 0 0 0 编码器编码器:输入低电 平有效； I7的优先级最高 输入低电 平有效； I7的优先级最高 0 0 1 11VREF/15 9VREF/15 13VREF/
14、15 7VREF/15 3VREF/15 VREF/15 5VREF/15 vi v O vR EF 1 1 1 1 0 0 0 vICO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/150 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/150 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/150 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/150 1 1 1 1 1 1
15、1 1 0 13VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/150 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/150 0 0 0 0 0 0 0 0 0 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D触发器 存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。 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D触发器 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 入端，从 同时加到所有比较器的输 入端，从I加入到三位数字量稳定输出所经历的时间
