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1、AD转换器及其应用一 A/D转换器的基本原理定义：能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器 或 ADC。A/D转换器转化模拟量的四个步骤：采样、保持、量化、编码。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。仪位)DC:龍J人屯巾,Ji i龙栏:-俣:寺电路J采样展宽信号1取样定理将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。取样器皿)7(011取样定理：设取样脉冲s(t)的频率为厶
2、，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刁maxy(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号)。通常取fs = (2.53) 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s(t)有效期间，开关管VT导通，u向C充电，u0 (=uc)跟随uI的变化而变化;s(t)无效期间，开关管VT截止，u0 (=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。) 2量化和编码数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位。将采样一保持电路的输出电压归化为量化单位的整数倍的过程叫
3、做量化。 用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。(8/8)V(7/8)V(6/S)V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)VOV111110101100Oil0100010007A=(7/8)V3A=(3/8)V2A=(2/8)V1A=(1/8)VOA = OV(13/15)V(9/15)V(7/15JV(5/15)V(3/15)V0V111110101100Oil0100010007A=(14/15)V6A=(12/15)V5A=(10/15
4、)V4A=(8/15)V3A=(6/15)V2A=(4/15)V1A=(2/15)VOA=OV(b)(a)划分量化电平的两种方法(a)量化误差大；(b)量化误差小3采样-保持电路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uo = ui.-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。二AD转换器的几个重要参数1分辩率(Resolution)指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满 刻
5、度与2n的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。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5VX2-s =20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小 模拟电压为5VX2-12 al.22mV。2转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需 的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD,逐次比较型AD是 微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个 概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的
6、正确完成，采样速率(Sample Rate) 必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率 也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps,表示每秒采样千/百万次(kilo / Million Samples per Second)。3量化误差(Quantizing Error)由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分 辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD (理想AD)的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为 1LSB、1/2LSB。4偏移误差(Ofset Error)输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器
7、调至最小。5满刻度误差(Full Scale Error)满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值 之差。6线性度(Linearity)实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以 上三种误差。其他指标还有：绝对精度(Absolute Accuracy)，相对精度(Relative Accuracy)， 微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真(Total Harmonic Distotortion缩写 THD)和积分非线性。三AD转换器的几种类型1逐次逼近型A/D转换器按照天平称重的思路，逐次比较型A/D转换器，就是将输入模拟信号与不同 的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐
8、次逼近输入模拟量的对 应值。1.1基本工作原理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uiVuo，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。1.2 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，
9、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uiVuo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
10、保留。第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，n 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。2双积分型A/D转换器1.1电路组成它由积分器（由集成运放A组成）、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G） 和定时器/计数器（FF0FFn ）等几部分组成。1.2工作原理（1）准备阶段首先控制电路使计数器清零，同时使开关S2闭合，待积分电容放电完毕，再 S2使断开。（2）第一次积分阶段在转换过程开始时（t=0），开关S1与接
11、通，正的输入电压加到积分器的 输入端。积分器从0V开始对V积分：1 丿v 二一卩卩dto T Jo I由于vOv0V,过零比较器输出端vC为高电平，时钟控制门G被打开。于是， 计数器在CP作用下从0开始计数。经过2n个时钟脉冲后，触发器FF0Ft- 都翻转到0态，而Qn=1,开关S1由A点转到B点，第一次积分结束。第一次积 分时间为：t=T1=2nTc在第一次积分结束时积分器的输出电压Vp为：T2 nTV =_V =一CVP T 1T 1（3）第二次积分阶段当t=t1时，S1转接到一Vref点，具有与V相反极性的基准电压一Vref加到 积分器的输入端；积分器开始向相反进行第二次积分；当t=t2
12、时，积分器输出电 压vOV，比较器输出vC=0，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停止。在此阶段 结束时vO的表达式可写为VO(t2)= VP：”2(_ Vref1 1)dt = 0设T2=t2t1,于是有V T 2n TREF 2 = VTT 设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为九，则 T尹TT22nTCVVIREF可见，T2与V成正比，T2就是双积分A/D转换过程的中间变量。VIT2 =2 nT _C REF上式表明，在计数器中所计得的数九a=QniQ1Q0），与在取样时间T内输 入电压的平均值V成正比。只要ViVVref，转换器就能将输入电压转换为数字量, 并能从计数器读取转换结果。如果取V
13、REF=2nV，则九=片，计数器所计的数在数 值上就等于被测电压。在第二次积分阶段结束后，控制电路又使开关S2闭合，电容C放电，积分器 回零。电路再次进入准备阶段，等待下一次o1112tAotAotoAotTT2VPT1+ VItiimiO 、VrefT2转换开始。3并联比较型A/D转换器rRH 5比较器C1IB-C1ID1_ITrIDTTjIE60 *ui bFF上上1IT它由电压比较器、寄存器和代码转换器三部分组成。用电阻链把参考电压VREF分压，得到从丄V 到13 V 之间7个比较电平,15 REF 15 REF量化单位A=2v 。然后，把这7个比较电平分别接到7个比较器GC7的输 15
14、 REF丄/入端作为比较基准。同时将将输入的模拟电压同时加到每个比较器的另一个输入 端上，与这7个比较基准进行比较。OSVVref/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d2d1d0=000oVREF/15SuiV3VREF/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=001o3Vre15 SuiV5VREF/15时，比较器C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF FF2置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2dd0=010。5VRE15ui7VREF/15时，比较器C1、C2、C3输出为1，CP到来后，触 发器FF、FF2、FF3置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2ddo=O11。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。输入模拟电压寄存器状态（代码转换器输入）数字量输岀（代码转换器输岀）D2 D1 D01(0 15 )vref (石*)Vref (W)Vref57(石石)Vref (t5)Vref (2 11 )v(1515)VreF(1515)VreF1 )Vref0 0 0 0
