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1、10.2 A/D 转换器(1)A/D功能: 将模拟电压成正比地转换成数字量A/DUI输入模拟电压 D7D0输出数字量0 5V0000000011111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位A/D功能及分类 并联比较型特点: 转换速度快,转换时间 10ns 1s 逐次逼近型特点: 转换速度中,转换时间 几s 100 s 双积分型 特点: 转换速度慢,转换时间 几百s 几ms根据内部电路不同,分为以下三类:(2)A/D转换器分类10.2.1 A/D转换器的一般工作过程1、A/D转换器的工作原理模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、 断开的过程。S接通时，ui(t)对
2、C充电，为采样过程； S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在 保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路 转换成一组n位的二进制数输出。t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由 于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变 化，即uoui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于 保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关， 则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不 变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。2、采样与保持2、采样与保持3、量化与编码将取样保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化
3、后的数值最后还须通过编码过程用一个代码表示出来，这一过程称为编码。10.2.2 并行比较型A/D转换器0uiVREF/15时，7个比 较器输出全为0，CP到来 后，7个触发器都置0。经 编码器编码后输出的二进 制代码为d2d1d0000。 VREF/15ui3VREF/15时， 7个比较器中只有C1输出 为1，CP到来后，只有触 发器FF1置1，其余触发器 仍为0。经编码器编码后 输出的二进制代码为 d2d1d0=001。3VREF/15ui5VREF/15 时，比较器C1、C2输出 为1，CP到来后，触发 器FF1、FF2置1。经编 码器编码后输出的二进 制代码为d2d1d0010。 5VR
4、EF/15ui7VREF/15 时，比较器C1、 C2、 C3输出为1，CP到来后 ，触发器FF1、 FF2、 FF3置1。经编码器编码 后输出的二进制代码为 d2d1d0=011。 依此类推，可以列出ui 为不同等级时寄存器的 状态及相应的输出二进 制数。其工作原理可用天平秤重作比喻。 若有四个砝码共重15克，每个重量分别 为8、4、2、1克。设待秤重量Wx = 13克 ，可以用下表步骤来秤量：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8 克砝码总重 待测重量Wx ，故撤除砝码总重 待测重量Wx ，故保留暂时结果8 克12 克12 克13 克结 论10.2.3 逐次比较型A/D转换器原
5、理框图10.2.3 逐次比较型A/D转换器 10001000D / Aux(待转换的模拟电压)uouc控制逻辑数码寄存器移位寄存器时钟清 0、置数清 0、置数CP、(移位命令)“1”状态是否保留 控制端原理框图转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲 首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。这个数 码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui 进行比较。若uiuo，说明数字过大了，故将最高位的1清除 ；若ui uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后， 再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这 个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位
6、为止 。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。基 本 原 理3位逐次逼近型A/D转换器转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP到来后， Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，FFB和FFC被置0。这时加 到D/A转换器输入端的代码为100，并在D/A转换器的输出端得到相 应的模拟电压输出uo。uo和ui在比较器中比较，当若uiuo时，比较 器输出uc=1；当uiuo时，uc=0。第二个CP到来后，环形计数器右移一位，变成Q2=1， Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门G1打开，若原来uc=1，则FFA被置0，若原 来uc=0，则FFA的1状态
7、保留。与此同时，Q2的高电平将FFB置1。第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置1 ，同时将门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该 保留。第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门G3 打开，根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。第五个CP到来后，环形计数器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、 FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。工作原理10.2.4 双积分型A/D转换器基本原理对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，
8、再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。（1）分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2820mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。10.2.5 A/D转换器的主要技术指标（2）相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度 转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端
9、得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。 10.2.5 A/D转换器的主要技术指标（4）电源抑制在输入模拟电压不变的前提下，当转换电路的供电电源电压发生变化时，对输出也会产生影响。这种影响可用输出数字量的绝对变化量来表示。 10.2.5 A/D转换器的主要技术指标10.2.6 集成A/D转换器及其应用A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一 组多位的二进制数字输出。不同的A/D转换方式具 有各自的特点。并联比较型A/D转换器转换速度快 ，主要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着 分辨率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双 积分型A/D转换器的性能比较稳定，转换精度高， 具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是 工作速度较低，在对转换精度要求较高，而对转换 速度要求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中 ，得到了广泛的应用逐次逼近型A/D转换器的分辨 率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上 兼顾了以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用 。本节小结 ：End
