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1、1,A/D转换器,济南大学 机械工程学院,徐记玲,2014.10.11,2014220353,2,前言,为了将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，A / D 转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现。,3,目录,A/D转换器的种类和选择方法,A/D转换的4个步骤,A/D转换器的主要技术指标,常用的A/D转换器,集成A/D转换器及应用,4,1、ADC的分辨率是指使输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。常用二进制的位数表示。例如12位ADC的分辨率就是1
2、2位，或者说分辨率为满刻度FS的1/ 。一个10V满刻度的12位ADC能分辨输入电压变化最小值是10V1/ =2.4mV。 2、转换时间和转换速率是指完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。,一、A/D转换器的主要技术指标分辨率,5,一、A/D转换器的主要技术指标量化误差,3、ADC把模拟量变为数字量，用数字量近似表示模拟量，这个过程称为量化。量化误差是ADC的有限位数对模拟量进行量化而引起的误差。实际上，要准确表示模拟量，ADC的位数需很大甚至无穷大。一个分辨率有限的ADC的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的ADC转换特性曲线（直线）之间的最大偏差即是量化误差。通常是1个或半个
3、最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。,6,5、满刻度误差又称为增益误差。ADC的满刻度误差是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。,一、A/D转换器的主要技术指标偏移误差,4、偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以有时又称为零值误差。假定ADC没有非线性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定是直线，这条直线与横轴相交点所对应的输入电压值就是偏移误差。,7,一、A/D转换器的主要技术指标线性度,6、线性度有时又称为非线性度，它是指转换器实际的转换特性与理想直线的最大偏差。不包括以上三种误差。,8、温度系数是指温度每变化1oC所引起的数字量的相
4、对变化。,7、转换精度定义为一个实际ADC与一个理想ADC在量化值上的差值。可用绝对误差或相对误差表示。,8,二、 A/D转换器的种类,9,2.1 A/D转换器的种类,A/D转换器按照工作原理的不同可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。 直接A/D转换器是将输入模拟电压直接转换成数字量，间接A/D转换器是先将输入模拟电压转换成中间量，如时间或频率，然后将这些中间量转换成数字量。常用的直接A/D转换器有并联比较型A/D转换器和逐次比较型A/D转换器。常用的间接A/D转换器有中间量为时间的双积分型A/D转换器，中间量为频率的电压频率转换型A/D转换器。,10,二、A/D转换器的选择,1、A/D
5、转换器位数的确定 系统总精度涉及的环节较多：传感器变换精度、信号预处理电路精度和A/D转换器及输出电路、控制机构精度，还包括软件控制算法。 A/D转换器的位数至少要比系统总精度要求的最低分辨率高1位，位数应与其他环节所能达到的精度相适应。只要不低于它们就行，太高无意义，且价高。 8位以下：低分辨率； 912位：中分辨率； 13位以上：高分辨率。,11,二、A/D转换器的选择,2、A/D转换器转换速率的确定 从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的时间，这就是A/D转换器的转换时间。 双积分ADC的转换时间在几十毫秒至几百毫秒之间； 逐次比较型ADC的转换时间大都在1050s之间； 并
6、行比较型ADC的转换时间可达10ns。,12,二、A/D转换器的选择,3、是否加采样保持器 直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器。其他情况都要加采样保持器。,4、工作电压和基准电压 选择使用单一+5V工作电压的芯片，与单片机系统共用一个电源就比较方便。在要求较高精度时，基准电压要单独用高精度稳压电源供给。,13,二、A/D转换器的选择,5、其他 速度应根据输入信号的最高频率来确定，保证转换器的转换速率要高于系统要求的采样频率。 通道有的单芯片内部含有多个AD/DA模块，可同时实现多路信号的转换；常见的多路AD器件只有一个公共的AD模块，由一个多路转换开关实现分时转换。 模拟信号类型通常AD
7、器件的模拟输入信号都是电压信号。,14,三. A/D转换的一般步骤,A/D转换步骤为：采样、保持、量化和编码。,采样定理：,式中fS为采样频率，fimax为输入信号vI的最高频率分量的频率。,15,3.1 采样与保持,采样前的模拟信号,采样后的模拟信号,采样前的信号是连续变化的。,3.1 采样与保持,显然，采样电路应该是一个开关，只要定时地使开关通断，就可以得到采样后的信号。,采样后的信号是一系列脉冲，为信号数字化做好准备。,采样电路,16,3.1 采样与保持,采样就是把时间也连续、幅值也连续的模拟信号的“样品”取出来，为其进行数字化做好准备。所以连续的模拟信号经采样后变为幅值不一的脉冲量，成
8、为对时间离散的模拟量。,采样前的模拟信号,采样后的模拟信号,3.1 采样与保持,高电平，开关接通。,低电平，开关断开。,S(t),17,3.11 采样过程,取样前的模拟信号,取样后的模拟信号,低电平期间，开关断开。,S(t),开关在控制脉冲S(t)的不断作用下动作，就可以得出一系列的取样脉冲。,3.11 采样过程,很显然，控制脉冲越密(即S(t)频率fs越高)，采样后的信号vo(t)的“相貌”就和原来的模拟信号vI(t)越相像，这是我们所希望的，但脉冲过密会使量化为数字信号时所需要的位数增加，所以合理地选择采样频率fs是很重要的。一般满足采样定理：,fs2fimax,18,3.12 采样-保持
9、电路,1.电容CH的作用是起积累电荷达到保持效果。,2.取样与保持电路的一些特点：,A1的输出电阻要小、A2的输入电阻要大；,A1的电压放大倍数AV1与A2的电压放大倍数AV2关系为AV1 AV2 =1；,A2的输入电阻要大，当开关S断开时，CH上的电荷没有放电回路，CH上的电压基本保持不变，起到保持作用。,取样保持电路有vO=vI，使输出的被取样的模拟电压与输入电压相应的幅值基本相同。,A1的输出电阻要小，当开关接通时，A1对C充电或放电的速率较快，使C上的电压变化与输入电压vI的变化基本同步，起到取样作用。,3.12 采样-保持电路,采样保持后的模拟电路,采样与保持电路,19,3.2 量化
10、编码,如同用天平称物体质量，一般把上述采样保持后的值以某个“最小数量单位”的整数倍来表示，这一过程称为量化。规定的最小数量单位称为量化单位或量化间隔，用“” 表示。 量化的方法一般有两种：四舍五入法和舍去小数法。 （1）四舍五入法：把/2的电压作为“0”处理，把/2而3/2的电压作为“1”处理； （2）舍去小数法：把的电压作为“0”处理，把而2的电压作为“1”处理。,采用不同量化方式其结果存在差异，而且上述量化结果与采样值之间存在误差，这种误差称为量化误差。 把上述量化结果用代码表示，称为编码。,20,3.2 量化编码,21,转换速度最高的是：并联比较型ADC； 转换速度最低的是：双积分型AD
11、C； 转换精度最高的是：双积分型ADC； 转换精度最低的是：并联比较型ADC； 转换速度和转换精度均较高的是：逐次比较型ADC,四、常用A/D转换器的性能比较,22,4.11 并行比较型ADC电路,23,提示： 优先编码器为输入高电平有效。,4.12 并行比较型ADC工作原理,24,4.13 并行比较型ADC其他,1、特点（1）速度快（2）分辨率不高。,2、提高分辨率的措施 原理：第一次ADC为粗转换，第二次ADC为细转换。Vi放大32倍后再转换，输出二进制数的位权是第一次转换对应位权的1/32。,25,4.21 逐次比较型A/D转换器,计数式A/D转换器,26,4.22 逐次比较型A/D转换
12、器转换原理,1、电路结构：,VREF=-10V, VI=6.84V,1 0 0 0,1 0 0 0,I 5V,1,I=6.84V,VREF=10V,27,2、第一个CP：,4.22 逐次比较型A/D转换器转换原理,28,3、第二个CP：,4.22 逐次比较型A/D转换器转换原理,29,4、第三个CP：,4.22 逐次比较型A/D转换器转换原理,30,4.23 逐次比较型A/D转换器工作波形,最高位为1的转换电压为VD727 VREF/ 28 5V，其余各位为1的转换电压逐位按1/2衰减。,31,4.31 4位逐次比较型A/D转换器实际电路举例,32,4.32 工作原理分析,启动：启动正脉冲到达
13、后，Q3Q0置0，Q5置1，G2开门。,转换过程概要：,注：表中D4D1表示FF4FF1D端的数据，即比较器的各次输 出值。表中的D4D1即A/D转换器输出数据D3D0 。,33,4.33 同步取数,T=(n+2)tCP， tCP为时钟周期。,第6个CP到达，数据同步输出。,取数电路方案,转换时间,34,4.41 双积分型A/D转换器-原理电路,组成：积分器、过零比较器（C）、计数器、逻辑控制电路。,35,第一次积分：积分器对VI （0）积分，C充电， Vo 0 ， Vc =“1” ， G开门，CP有效，计数器开始计数，持续到tT12nTc, 进位信号使Qn翻转，S1切换到VREF。,预备：计
14、数器清零，C放电，S1接VI,第二次积分：积分器对VREF （0）积分， C反向充电，此时仍然有 Vo 0 ， Vc =“1” ， G开门，CP有效，计数器重新开始计数，持续到Vo0， Vc =“0”, G关门，CP无效，计数器停止计数。第二次积分时间T2将与VI成正比。,4.42 工作原理定性分析,36,方法一：积分面积定则。,1、T2的确定：,令Vo0，则有,T1VI T2 VREF ，故,方法二：积分器一般分析方法。,t T1时有,4.43 工作原理定性分析,2、T2期间的计数脉冲个数,37,（3）转换速度较慢（转换周期几几十mS）。,（2）性能稳定，两次积分可以自动抵消电路误差。,（1
15、） 抗交流干扰能力强。T1一般取工业电网周期的整数倍。,转换周期,4.44 优缺点,38,主要性能为： 分辨率为位； 精度：ADC0809小于1LSB（ADC0808小于1/2LSB）； 单+5V供电，模拟输入电压范围为05V； 具有锁存控制的路输入模拟开关； 可锁存三态输出，输出与TTL电平兼容； 功耗为15mW； 不必进行零点和满度调整； 转换速度取决于芯片外接的时钟频率。时钟频率范围：101280KHz。典型值为时钟频率640KHz，转换时间约为100s。,五、ADC0809芯片及其与单片机的接口,39,5.11 ADC0809原理框图和引脚排列图,原理框图,引脚排列图,40,5.12
16、ADC0809典型应用基本电路,41,5.13 A/D转换器的应用注意点,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,42,(2) 零点和满刻度调节,(3) 参考电压的调节,(4) 接地,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地分别相连，然后将模拟地与数字地仅在一点上相连接。,5.13 A/D转换器的应用注意点,43,5.14 ADC0809的典型应用,44,5.15 举例说明,某8位A/D转换器的输入模拟电压满量程为5V，当输入电压为1.96
