数字电路数电部分AD

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1、9.2.6 集成 A/D转换器及其应用9.2 A/D 转换器9.2.1 A/D转换的一般工作过程9.2.2 并行比较型 A/D转换器9.2.3 逐次比较型 A/D转换器9.2.4 双积分式 A/D转换器9.2.5 A/D转换器的主要技术指标概述ADC DnD0输出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 :9.2 A/D 转换器2. A/D转换器分类 并联比较型特点 : 转换速度快 ,转换时间 10ns 1s, 但 电路复杂。 逐次逼近型特点 : 转换速度适中 ,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 。 双

2、积分型 特点 : 转换速度慢 ,转换时间 几百 s 几 ms,但抗干扰能力最强。取样时间上离散的信号保持、量化量值上也离散的信号编码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9.2.1 A/D转换的一般工作过程A/D转换器一般要包括 取样， 保持，量化及编码 4个过程 。1. 取样与保持 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 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 。 采样定理：设采样信号 S(t)的频率为 fs， 输入模拟信号 I(t)的最高频率分量的频率为 fimax，则 fs 2fima

3、x S(t)=1:开关闭合S(t)=0:开关断开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。采样 保持取样与保持 电路及工作原理2. 量化与编码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。 量化3.编码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

4、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。 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。 4.量化误差：量化前的电压与量化后的电压差5.量化方式011111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号 编码量化后电压a ) 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。最大量化误差为：最小量化单位 1/8V=1LSB= 1/8 V例：将 01V电压转换为 3位

5、二进制代码b )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。最大量化误差为：最小量化单位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v输入信号 编码模拟电平=1LSB= 2/15 V 1/15V例：将 01V电压转换为 3位二进制代码9.2.2 并行比较型 A/D转换器电压比较器输入模拟电压精密电阻网络精密参考电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VRE

6、F/1513VREF/15输出数字量1、 电路组成VI=8VREF/151111000001 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D07VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 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/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/1

7、5 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 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。 3、 电路特点：在并行 A/D转换器中，输入电压 I同时加到所有比较器的输入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与 I输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。 缺点是电路复杂，如三位 ADC需 7个比较器、 7个触发器、8个电阻。位数

8、越多，电路越复杂。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。 单片集成并行比较型 A/D转换器的产品很多，如 AD公司的AD9012 (TTL工艺 8位 )、 AD9002 (ECL工艺， 8位 )、 AD9020 (TTL工艺， 10位 )等。 所加砝码重量结果 9.2.3 逐次比较型 A/D转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 。第一次 8 克 砝码总重 待测重量 Wx ， 2克砝码撤除 12 克第四次 再加 1克 砝码总重 待测重量 Wx ， 1克砝码保留 13 克1. 转换原理 所用砝码重量： 8克、 4克、 2克和 1克。设待秤重量 Wx = 13克。

9、1. 转换原理 1 0 0 0 1 0 0 0 I 5V 1I=6.84VVREF= -10V第一个 CP：1. 转换原理 第二个 CP：0 1 0 0 1 1 0 0 10I 7.5V I=6.84VVREF=-10V1. 转换原理 第三个 CP：0 0 1 0 1 0 1 0 I 6.25V 101A=6.84VVREF=-10V10000000A=6.84VVREF=10V1010111111000000101000001011000010101000101011001010111010101111小结：1、 逐次比较型 A/D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；2、逐次比较型 A/

10、D转换器完成一次转换所需时间与其位数 n和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短 ； 9.2.4 双积分式 A/D转换器1、 双积分式 A/D转换器的基本指导思想对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。双积分式 A/D转换器也称为电压时间数字式积分器 。1、电路组成00 0 0 0Cr信号将计数器清零；开关 S2闭合，待积分电容放电完毕后，断开 S2 使电容的初始电压为 0。2、工作原理 准备阶段：经过 2n个 CP(2) 第一次积分：t = t0时，开关 S1与

11、 A端相接，积分器开始对 I积分。经 2n个 CP后 ,开关切换到 B， ， =VP。 第一积分时间为 2nTCVREF加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当t=t2时积分器输出电压 O0， 比较器输出 C=0， 时钟脉冲控制门 G被关闭，计数停止。(3) 第二次积分：T1=2nTCT2=Tc T2=t1 t2 在计数器所计的数 =Qn-1 Q1Q0， 就是 A/D转换器得到的结果。9.2.4 双积分式 A/D转换器优点：1.由于转换结果与时间常数 RC无关，从而消除了积分非线 性带来的误差。2.由于双积分 A/D转换器在 T1时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰

12、的能力。 T1=2nTC3. 只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。1.转换精度 9.2.5 A/D转换器的主要技术指标单片集成 A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。 分辨率 :说明 A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制 (或十进制 )数的位数表示。 转换误差：表示 A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。 2.转换时间 指 A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。 A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关并行比较 A/D转换器的转换速度最高 ,逐次比较型 A/D转换器次之 ,间接 A/D转换器 (

13、如双积分 A/D)的速度最慢。并行比较 A/D转换器 (8位）逐次比较型 A/D转换器间接 A/D转换器1050s50ns10ms1000ms9.2.6 集成 A/D转换器及其应用 使用 A/D转换器时应注意以下几点： (1) 转换过程各信号的时序配合(2) 零点和满刻度调节 (3) 参考电压的调节 (4) 接地 模拟电路电源 模拟电路 A/D转换器 数字电路电源 数字电路 A A/D、 D/A及采样保持芯片上都提供了独立的模拟地 (AGND)和数字地 (DGND)的引脚。模数、数模转换电路中要特别注意到地线的正确连接，否则干扰很严重，以致影响转换结果的准确性。 在线路设计中，必须将所有器件的模拟地和数字