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1、第6章 模/数转换器,1,本章应掌握的内容,6.1。 AD转换器的分类6.2。 AD转换器的主要技术指标6.3。逐次逼近式AD转换器6.4。双斜积分式AD转换器6.5。单片集成AD转换器6.6。如何选择和使用AD转换器6.7。 AD转换器与微机的接口,2,6.1 AD转换器的分类,第6章 模数转换器,分类,按速度分：,高、中、低,按精度分：,高、中、低,按位数分：,8、10、12、14、16,按工作原理分,3,6.1 A/D转换器的分类,按工作原理分,直接比较型,模拟信号直接参考电压比较，得到数字量。,有逐次比较、连续比较,优点：,瞬时比较，转换速度快。,间接比较,模拟信号与参考电压先转换为中
2、间物理量，再进行比较。,缺点：,抗干扰能力差。,有双斜式、积分式、脉冲调宽,优点：,平均值比较，抗干扰能力强。,缺点：,转换速度慢。,4,第6章 模数转换器,6.2 AD转换器的主要技术指标,1. 分辨率,分辨率,AD转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。,设AD转换器的位数为n，满量程电压为FSR，则分辨率定义为：,5,6.2 AD转换器的主要技术指标,量化单位就是AD转换器的分辨率。,相对分辨率定义为,6,6.2 AD转换器的主要技术指标,表6.1 AD转换器分辨率与位数之间的关系(满量程电压为10V),由式（6-1）和式（6-2），可得出AD转换器分辨率与位数之间的关系,7,6.2 A
3、D转换器的主要技术指标,AD转换器分辨率的高低取决于位数的多少。,因此，目前一般用位数n来间接表示分辨率。,2. 量程,量程,AD转换器能转换模拟信号的电压范围。,例如：05V，-5V+5V，010V， -10V+10V。,8,6.2 AD转换器的主要技术指标,3. 精度,绝对精度,绝对精度,对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。,存在问题：,在AD转换时，量化带内的任意模拟输入电压都能产生同一输出数码。,9,6.2 AD转换器的主要技术指标,约定：,上述定义的模拟输入电压则限定为量化带中点对应的模拟输入电压值。,例如：一个12位AD转换器，理论模拟 输入电压为5V时，对应的
4、输出数 码为100000000000。 实际模拟输 入电压在4.997V4.999V范围内 的都产生这一输出数码，则,10,6.2 AD转换器的主要技术指标,绝对误差一般在,范围内。,相对精度,相对精度,绝对精度与满量程电压值之比的百分数。,11,6.2 AD转换器的主要技术指标,精度和分辨率是两个不同的概念：, 精度是指转换后所得结果相对于实 际值的准确度；, 分辨率是指转换器所能分辨的模拟 信号的最小变化值。,12,6.2 AD转换器的主要技术指标,4. 转换时间和转换速率,转换时间tCONV,转换时间,按照规定的精度将模拟信号转换为数字信号并输出所需要的时间。,转换速率,转换速率,每秒钟
5、转换的次数。,13,6.2 AD转换器的主要技术指标,下面讨论转换时间与转换精度、信号频率的关系。,瞬时值响应的AD转换器,转换时间取决于所要求的转换精度和被转换信号的频率。,以图6.1所示的正弦信号为例，讨论它们之间的关系。,14,6.2 AD转换器的主要技术指标,设在t0时刻开始转换，转换一次所需的时间为tCONV，转换终了的时刻为t1，与tCONV对应信号电压增量(误差)为U。,t,U(t),t0,t1,tCONV,U,图6.1 转换时间对信号转换的影响,由于,15,6.2 AD转换器的主要技术指标,在过零点上有最大值,过零时，,16,6.2 AD转换器的主要技术指标,故在过零点处，转换
6、时间所造成的最大电压误差为,由此可知：, 当精度一定时，信号频率，tCONV；, 当信号频率一定， tCONV ，U。,17,6.2 AD转换器的主要技术指标,平均值响应的转换器,由于被转换的模拟量为直流电压，而干扰是交变的，因此转换时间 tCONV 越长，其抑制干扰的能力就越强。,换言之：平均值响应的转换器是在牺性转 换时间的情况下提高转换精度的。,18,6.2 AD转换器的主要技术指标,5. 偏移误差,偏移误差,使最低有效位成“ 1 ”状时，实际输入电压与理论输入电压之差。,如图6.2所示。,19,偏移,实际曲线,6.2 AD转换器的主要技术指标,该误差主要是失调电压及温漂造成的。,一般来
7、说，在一定温度下，偏移电压是可以通过外电路予以抵消。,Ui,输出数码,001,010,011,100,101,110,111,偏移误差,Ui,误差,图6.2 偏移误差,(a),(b),理想曲线,20,6.2 AD转换器的主要技术指标,但当温度变化时，偏移电压又将出现。,6. 增益误差,增益误差,满量程输出数码时，实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。,该误差使传输特性曲线绕坐标原点偏离理想特性曲线一定的角度，如图6.3所示。,21,K=1,K1,6.2 AD转换器的主要技术指标,当K=1时，没有增益误差，Ui = FSR，输出为111。,当K1时，传输特性的台阶变窄，在模拟输入信号达到满量程
8、值之前，数码输出就已为全“1”状态。,当K Uf，予以保留此位的“1” 。,29,6.3 逐次逼近式AD转换器,第二个时钟脉冲到来时，SAR 置为11000000码，经过DA转换器产生反馈,电压,V，,因Ui Uf ，,故保留此位“1”。,30,6.3 逐次逼近式AD转换器,第三个时钟脉冲到来时，SAR 状态置为,11100000，经DA 转换器产生反馈电,压,V，,因Ui Uf ，,SAR 此位应置“ 0 ”。SAR 状态改为11000000。,第四个时钟脉冲到来时，SAR 状态又置为11010000，.。,31,6.3 逐次逼近式AD转换器,t,U,1,2,3,4,5,6,7,8,1.02
9、4,10.24,Ui,5.12,7.68,8.96,8.32,8.0,8.16,8.24,8.28,8.30V,时钟脉冲,1,2,3,4,5,6,7,8,图6.6 逐次逼近比较过程,脉冲,1,SAR置为,10000000,2,11000000,3,11100000,11000000,4,11010000,11000000,5,11001000,6,11001100,7,11001110,8,11001111,逐次逼近式AD转换的过程可用表6.2说明之。,32,6.3 逐次逼近式AD转换器,表6.2 8位逐次逼近AD转换过程,33,6.3 逐次逼近式AD转换器,由表6.2可见：,经过8 次比较之
10、后，SAR 的数据寄存器中所建立的数码11001111即为转换结果。,数码对应的反馈电压Uf = 8.28 V，它与输入的模拟电压Ui= 8.3 V相差0.02V，不过两者的差值已小于1LSB所对应的量化电压0.04V 。,逐次逼近式AD转换器的转换结果通过数字量输出锁存器并行输出。,34,6.4双斜积分式A/D C,6.4.1 工作原理：间接比较型A/D转换器 双斜积分式A/D转换器是一种间接比较型A/D转换器，其结构图如6.7。它主要由：积分器、电压比较器、计数器、时钟发生器和逻辑控制器等部分组成。利用两次积分将输入的模拟电压转换成脉冲宽度，然后再以数字测时的方法，将此脉冲宽度转换成数码输
11、出。,35,36,6.4.2 工作过程,1.预备阶段：开始工作前K4，K5闭合，电容C放电，积分器输出为零，同时使计数器为零2.采样过程开关K1闭合积分器输出波形当t= t1 时，积分器输出电压为 在t1期间的平均值为 所以,3.编码阶段：当开关K2接通（模拟开关总是接向与UI极性相反的基准电压）， +UREF接入电路，积分器向相反方向积分，即积分器输出由原来的 UOX值向零电平方向斜变，斜率恒定，与此同时，计数器又从零开始计数。当积分器输出电平为零时比较器有信号输出，控制电路收到比较器信号后发出关门信号，积分器停止积分，计数器停止计数，并发出记忆指令，将此阶段计得数字N2记忆下来并输出。这一阶段被积分的电压是固定的基准电压 UREF，所以积分器输出电压的斜率不变，与所计数字N2对应的t2 称为反向积分时间。这个阶段常称为定值积分阶段。定值积分结束时得到数字N2便是转换结果，积分器最终输出为,38,由于UREF为常数，因此 (67)或 (68)式（68）表明，反向积分时间t2与模拟电压的平均值 成正比。,
