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1、ADAD 转换器及其应用转换器及其应用一一 A/DA/D 转换器的根本原理转换器的根本原理定义：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/DA/D 转换器转换器或或 ADCADC。A/D 转换器转化模拟量的四个步骤：采样、保持、量化、编码采样、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。1 1 取样定理取样定理将一个时间上连续变化的模拟量
2、转换成时间上离散的模拟量称为采样。取样定理：设取样脉冲 s(t)的频率为fS，输入模拟信号*(t)的最高频率分量的频率为fma*，必须满足fs 2fma*y(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 2.53fma* 。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时间。s(t)有效期间，开关管 VT 导通，uI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 2 量化和编码
3、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。将采样保持电路的输出电压归化为量化单位的整数倍的过程叫做量化。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， 量化过程中不可防止会产生误差，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。划分量化电平的两种方法a量化误差大； b量化误差小3 3 采样采样- -保持电路保持电路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uoui。t1时刻采样阶段完毕，S断开，电路处于保持阶段。假设A2 的输入阻抗为无穷大，S为理想开关
4、，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。二二 ADAD 转换器的几个重要参数转换器的几个重要参数1 1 分辩率分辩率(Resolution)(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。2 2 转换
5、速率转换速率(Conversion(Conversion Rate)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，逐次比拟型 AD 是微秒级属中速 AD，全并行/串并行型 AD 可到达纳秒级。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承受的。 常用单位是 ksps 和 Msps， 表示每秒采样千/百万次 kilo / MillionSamples per Second 。3 3 量化误
6、差量化误差(Quantizing Error)(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 4 偏移误差偏移误差(Offset(Offset Error)Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。5 5 满刻度误差满刻度误差(Full Scale Error)(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
7、6 线性度线性度(Linearity)(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。三三 ADAD 转换器的几种类型转换器的几种类型1 1 逐次逼近型逐次逼近型 A/DA/D 转换器转换器按照天平称重的思路，逐次比拟型 A/D 转换器，就是将输入模拟信号与不同的参考电压做屡次比拟， 使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量
8、的对应值。1.1 根本工作原理转换开场前先将所有存放器清零。开场转换以后，时钟脉冲首先将存放器最高位置成 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，送到比拟器中与ui进展比拟。假设uiuo，说明数字过大了，故将最高位的 1 去除；假设uiuo，说明数字还不够大，应将这一位保存。然后，再按同样的方式将次高位置成 1，并且经过比拟以后确定这个 1 是否应该保存。这样逐位比拟下去，一直到最低位为止。比拟完毕后，存放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 转换器转换开场前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP到来后，Q1
9、=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在比拟器中比拟， 当假设uiuo 时， 比拟器输出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 翻开，假设原来uc=1，则 FFA 被置 0，假设原来uc=0，则 FFA的 1 状态保存。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 翻开，并根
10、据比拟器的输出决定 FFB的 1 状态是否应该保存。第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门 G3 翻开，根据比拟器的输出决定 FFC的 1 状态是否应该保存。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 2 双积分型双积分型 A/DA/D 转换器转换器1.1 电路组成它由积分器由集成运放 A 组成 、过零比拟器C 、时钟脉冲控制门G和定时器/计数器FF0FFn等几局部组成。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S
11、2使断开。2第一次积分阶段在转换过程开场时t=0 ，开关S1与vI接通，正的输入电压vI加到积分器的输入端。积分器从 0V 开场对vI积分：由于vO0V，比拟器输出vC=0，时钟脉冲控制门 G 被关闭，计数停顿。在此阶段完毕时vO的表达式可写为设T2=t2t1，于是有设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为 ，则T2=TC可见，T2与 VI成正比，T2就是双积分 A/D 转换过程的中间变量。上式说明，在计数器中所计得的数 =Qn-1Q1Q0 ，与在取样时间 T1输入电压的平均值 VI成正比。只要 VIVREF，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 VREF=2nV，
12、则 =VI，计数器所计的数在数值上就等于被测电压。在第二次积分阶段完毕后，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，等待下一次转换开场。3 3 并联比拟型并联比拟型 A/DA/D 转换器转换器它由电压比拟器、存放器和代码转换器三局部组成。用电阻链把参考电压VREF分压，得到从量化单位 =113VREF到VREF之间 7 个比拟电平，15152VREF。然后，把这7 个比拟电平分别接到 7 个比拟器C1C7的输15入端作为比拟基准。 同时将将输入的模拟电压同时加到每个比拟器的另一个输入端上，与这 7 个比拟基准进展比拟。0uiVREF/15 时，7 个比拟器输出全
13、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 个比拟器中只有 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/15 ui5VREF/15 时，比拟器 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。5VREF/15ui7VREF/15 时，比拟器 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
14、后输出的二进制代码为d2d1d0=011。依此类推，可以列出ui为不同等级时存放器的状态及相应的输出二进制数。四四 几款常用的几款常用的 ADCADC 介绍介绍1 1ADC0809ADC0809ADC0809 8 通道 8 位 a/d 转换器,ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。它是逐次逼近式A/D 转换器，可以和单片机直接接口。 ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进展转
15、换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。2 2AD574AD574AD574 是美国 AD 公司生产的 12 位高速逐次逼近型模数变换器。片自备时钟基准源， 变换时间快(25 s)，数字量输出具有三态缓冲器，可直接与微机的总线接 El，又可直接采用双极性模拟 信号输入，有着广泛的应用场合，供电电源为1 5 V，逻辑电源为+5 V。同类产品AD6503Ma*im 的 MA*13 系列和 MA*10 系列的 ADCMa*im 推出了 MA*1300-MA*1303 及 MA*1032-MA*1035 系列 16 位/14 位
16、ADC。该系列器件是首款具有12V 输入围的 ADC。用户可以通过软件将设备的每个输入信道远程配置为特定的电压围。 每个输入信道可配置为七种不同的单端输入围或三种不同的差分输入围。该系列的 AD 转换器均采用标准 I2C 通信。4TLC5510TLC5510 是美国公司生产的新型模数转换器件 (ADC)，它是一种采用CMOS 工艺制造的位高阻抗并行 A/D 芯片，能提供的最小采样率为 20MSPS。由于 TLC5510 采用了半闪速构造及 CMOS 工艺，因而大大减少了器件中比拟器的数量，而且在高速转换的同时能够保持较低的功耗。在推荐工作条件下，TLC5510 的功耗仅为 130。由于TLC5
17、510 不仅具有高速的 A/D 转换功能，而且还带有部采样保持电路，从而大大简化了外围电路的设计；同时，由于其部带有了标准分压电阻，因而可以从+5V 的电源获得 2V满刻度的基准电压。TLC5510 可应用于数字 TV、医学图像、视频会议、高速数据转换以及 QAM 解调器等方面。5 单片机部集成的现在市场上有很多单片机部已经集成了相当规模的 AD 转换器， 转换位数一般都是 8 位、10 位和 12 位，对于精度要求不是很高的场合，这些 ADC 都能满足大家的需求， 给硬件电路的精简化提供便利， 同时在软件方面配置也比拟方便。五五 A/DA/D 转换器应用转换器应用1 数字式电压表2 框图：采集放大A/D处理显示单片机
