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1、 A D转换及其原理 一 A D转换的基本概念二 ADC的主要技术参数三 A D转换的一般步骤和基本原理四 集成A D转换器及应用 计算机能够处理的是数字量信息 然而在现实世界中有很多信息并不都是数字量的 例如声音 电压 电流 流量 压力 温度 位移和速度等 它们都是连续变化的物理量 这些连续变化的物理量称为模拟量 概述 计算机是处理数字量信息的设备 要处理这些模拟量信息就必须有一个模拟接口 通过这个模拟接口 将模拟量信息转换成数字量信息 以供计算机运算和处理 然后 再把计算机处理过的数字量信息转换为模拟量信息 以实现对被控制量的控制 AD转换的原因 典型计算机自动控制系统 一 AD的基本概念
2、 模数转换将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散 幅值也离散的数字量 使输出的数字量与输入的模拟电量成正比 实现模数转换的电路称模数转换器 通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号 即A D转换器 或简称ADC Analog Digital Converter 二 ADC的主要技术参数 1 分辨率对于ADC来说 分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需要输入模拟电压的变化量 通常定义为满刻度电压与2n的比值 其中n为ADC的位数 例如具有12位分辨率的ADC能够分辨出满刻度的1 212 0 0244 有时分辨率也用A D转换器的位数来表示 如ADC0809的分辨率为8位
3、 AD574的分辨率为12位等 2 量化误差量化误差是由于ADC的有限分辨率引起的误差 这是连续的模拟信号在整数量化后的固有误差 对于四舍五入的量化法 量化误差在 1 2LSB之间 二 ADC的主要技术参数 3 绝对精度绝对精度是指在输出端产生给定的数字代码所表示的实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差 4 相对精度它与绝对精度相似 所不同的是把这个偏差表示为满刻度模拟电压的百分数 5 转换时间转换时间是ADC完成一次转换所需要的时间 即从启动信号开始到转换结束并得到稳定的数字输出量所需要的时间 通常为微秒级 6 量程量程是指能转换的输入电压范围 三 A D转换的一般步骤和基本原理
4、称为ADC的单位量化电压或量化单位 它是ADC的最小分辨电压 可见 输出数字量D正比于输入模拟量uI 表示取整 A D转换的一般步骤 采样 把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号 保持 保持采样信号 使有充分时间转换为数字信号 量化 把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的整数倍表示 编码 把量化的结果用二进制代码表示 A D转换的一般步骤 采样和保持通常在采样保持电路中完成 量化和编码通常在A D转换电路中完成 采样定理 设取样脉冲s t 的频率为fS 输入模拟信号x t 的最高频率分量的频率为fmax 必须满足fs 2fmax y t 才可以正确的反映输入信号 从而能不失真地恢复原模拟信
5、号 通常取fs 2 5 3 fmax 由于A D转换需要一定的时间 在每次采样以后 需要把采样电压保持一段时间 s t 有效期间 开关管VT导通 uI向C充电 uO uc 跟随uI的变化而变化 s t 无效期间 开关管VT截止 uO uc 保持不变 直到下次采样 由于集成运放A具有很高的输入阻抗 在保持阶段 电容C上所存电荷不易泄放 A D转换的一般步骤 量化 数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位 将采样 保持电路的输出电压归化为量化单位 的整数倍的过程叫做量化 从图中可以看出 量化过程会产生最大1 2LSB 即0 5V 的误差 要减少这种量化误差 可采取位数更多的A D转换器 编码 用
6、二进制代码来表示各个量化电平的过程叫做编码 一个n位二进制数只能表示2n个量化电平 量化过程中不可避免会产生误差 这种误差称为量化误差 量化级分得越多 n越大 量化误差越小 如果有n个量化级 二进制位的位数应为 2n 如量化级有8个 就需要3位编码 常用ADC的类型 A D转换器 直接型 间接型 并联比较型 双积分型 电压时间变换型积分型 V T 双积分型 逐次渐进型 电压频率变换型 V F 逐次逼近式A D转换器工作特点 逐次逼近式A D转换器的工作特点为 二分搜索反馈比较逐次逼近 其工作过程与天平称重物重量的过程十分相似 逐次逼近式A D转换器工作原理 称重过程如下 先在砝码盘上加128g
7、砝码 经天平比较结果 重物195g 128g 此砝码保留 即相当于最高位数码D7记为1 再加64g砝码 经天平比较 重物195g 128 64 g 则继续留下64g砝码 即相当于数码D6记为1 接着不断用上述方法 由大到小砝码逐一添加比较 凡砝码总重量小于物体重量的砝码保留 否则拿下所添加的砝码 这样可得保留的砝码为128g 64g 2g 1g 195g 与重物重量相等 相当于转换的数码为D7 D0 11000011 逐次逼近式A D转换器 基准电压UREF 逐次逼近型ADC电路框图 实例 8位A D转换器 输入模拟量uI 6 84V D A转换器基准电压UREF 10V 相对误差仅为0 06
8、 转换精度取决于位数 逐次逼近式A D转换器优点 精度高转换速度快转换时间固定简化了与计算机同步 所以常常用作微机接口 双积分型A D转换器 双积分型A D转换器属于间接型A D转换器 它是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量 例如时间T 然后再对中间变量量化编码 得出转换结果 这种AD转换器多称为电压 时间变换型 简称VT型 双积分型A D转换器 双积分型AD转换器的框图 双积分型ADC原理 转换开始前 先将计数器清零 并接通S0使电容C完全放电 转换开始 断开S0 整个转换过程分两阶段进行 第一阶段 令开关S1置于输入信号Ui一侧 积分器对Ui进行固定时间T1的积分 这一过程称为转换
9、电路对输入模拟电压的采样过程 积分结束时积分器的输出电压为 双积分型ADC原理 第二阶段称为定速率积分过程 将UO1转换为成比例的时间间隔 采样阶段结束时 一方面因参考电压 VREF的极性与UI相反 积分器向相反方向积分 计数器由0开始计数 经过T2时间 积分器输出电压回升为零 过零比较器输出低电平 关闭计数门 计数器停止计数 同时通过逻辑控制电路使开关S1与UI相接 重复第一步 其中TCP是脉冲时钟信号 D是计数脉冲数 双积分AD转换器 计数器中的数值就是AD转换器转换后数字量 至此即完成了VT转换 双积分型A D转换器的特点 因有积分器的存在 积分器的输出只对输入信号的平均值有所响应 保证
10、了工作性能比较稳定且抗干扰能力强 只要两次积分过程中积分器的时间常数相等路对RC精度的要求不高 电路的结构相对比较简单 双积分型A D转换器属于低速型AD转换器 一次转换时间在1 2ms 而逐次比较型A D转换器可达到1 s 毫秒级的时间对于工业控制是足足有余的 因此在工业控制中发挥优势 四 集成A D转换器及应用 常用的A D转换器芯片有ADC0809 AD574A 仅介绍ADC0890 CMOS器件 除了有8位A D转换器外 还有8路模拟开关以及地址锁存与译码 有三条地址输入线ADDA ADDB ADDC 可决定选通一路 该芯片内还有便于与微机数据总线连接的三态输出锁存器 ADC0809 ADC0809的引脚功能 IN0 IN7 8路模拟输入 START 启动A D转换信号 ALE 地址锁存允许信号 EOC 转换结束信号 ADDA ADDB ADDC 8路模拟通道选择 VREF VREF 基准电压输入 典型值为VREF 5V VREF 0V D0 D7 8位数字数据输出 CLOCK 时钟输入 VCC GND 电源和地 OE 输出允许 ADC0809应用 ADC0809与51单片机组成的AD转换电路原理图
