數(shù)字電路數(shù)電部分PPT課件

1、2. A/D轉(zhuǎn)換器分類 并聯(lián)比較型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間 10ns 1s, 但電路復(fù)雜。 逐次逼近型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時(shí)間 為幾s 100 s, 轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡。 雙積分型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間 幾百s 幾ms,但抗干擾能力最強(qiáng)。第1頁(yè)/共37頁(yè)取樣時(shí)間上離散的信號(hào)保持、量化量值上也離散的信號(hào)編碼模擬信號(hào)時(shí)間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號(hào)時(shí)間上和量值上都離散9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程 A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣， 保持，量化及編碼4個(gè)過(guò)程。第2頁(yè)/共37頁(yè)1. 取樣與保持 采樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模

2、擬量。 采樣信號(hào)S(t)的頻率愈高，所采得信號(hào)經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。合理的采樣頻率由采樣定理確定。 采樣定理：設(shè)采樣信號(hào)S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號(hào)I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則 fs 2fimaxS(t)=1:開關(guān)閉合S(t)=0:開關(guān)斷開 O(t) I(t) TG S(t) 0 0 0 O (t) S(t) I (t) t t t TS 第3頁(yè)/共37頁(yè) I t O t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 (b) 波形圖 采得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號(hào)保持一

3、段時(shí)間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理 I A1 A2 S CH 開關(guān)驅(qū)開關(guān)驅(qū) 動(dòng)電路動(dòng)電路 采樣采樣保持保持 控制電路控制電路 O 第4頁(yè)/共37頁(yè)2. 量化與編碼數(shù)字信號(hào)在數(shù)值上是離散的。采樣保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化后的數(shù)值最后還需通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。 量化3.編碼第5頁(yè)/共37頁(yè)在量化過(guò)程中由于所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無(wú)法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越 多，各

4、離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。 兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。 4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式第6頁(yè)/共37頁(yè)LSB1max V8701V86V85V84V83V82V811111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v輸入信號(hào)編碼量化后電壓a ) 只舍不入量化方式:量化中把不足一個(gè)量化單位的部分舍棄；對(duì)于等于或大于一個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位1/8V=1LSB= 1/8 V例：將01V電壓轉(zhuǎn)換

5、為3位二進(jìn)制代碼第7頁(yè)/共37頁(yè)b )四舍五入量化方式:量化過(guò)程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v輸入信號(hào)編碼模擬電平V1513V1511V159V157V155V153V1512LSBmax =1LSB= 2/15 V2LSBmax 1/15V例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼第8頁(yè)/共37頁(yè)9.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器 R I VRE

6、F VREF 13 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 15 VREF 1 15 R R R/2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 1D C1 Q I1 1D C1 Q I2 1D C1 Q I3 1D C1 Q I4 1D C1 Q I5 1D C1 Q I6 1D C1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)先編碼器優(yōu)先編碼器 (LSB(MSB)0 電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)精密參考電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VR

7、EF/1513VREF/15輸出數(shù)字量1、電路組成第9頁(yè)/共37頁(yè) R I VR E F R C P R R R R R R /2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C0 1 C0 2 C0 3 C0 4 C0 5 C0 6 C0 7 1 D C 1 Q I1 1 D C 1 Q I2 1 D C 1 Q I3 1D C 1 Q I4 1D C 1 Q I5 1D C 1 Q I6 1D C 1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)優(yōu)先先編編碼碼器器 (L S B )D0 (M S B)0 VI=8VREF/151111000001第10頁(yè)/共37頁(yè) vI CO1

8、 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/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/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15

9、 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。 第11頁(yè)/共37頁(yè)3、電路特點(diǎn)：在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時(shí)加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與I輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。 缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三位ADC需7個(gè)比較器、7個(gè)觸發(fā)器、8個(gè)電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級(jí)并行轉(zhuǎn)換的方法。 單片集成并行比較

10、型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的AD9012 (TTL工藝8位)、AD9002 (ECL工藝，8位)、AD9020 (TTL工藝，10位)等。 第12頁(yè)/共37頁(yè)所加砝碼重量 結(jié)果 9.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用天平稱物重非常相似 。第一次8 克砝碼總重 待測(cè)重量Wx ，8克砝碼保留8 克第二次再加4克砝碼總重仍 待測(cè)重量Wx ， 2克砝碼撤除12 克第四次再加1克砝碼總重 待測(cè)重量Wx ， 1克砝碼保留13 克1. 轉(zhuǎn)換原理 所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設(shè)待秤重量Wx = 13克。第13頁(yè)/共37頁(yè)1. 轉(zhuǎn)換原理 I 啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)脈沖 CP 時(shí)鐘時(shí)鐘

11、電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數(shù)字?jǐn)?shù)字 量輸出量輸出 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1 0 0 0 1 0 0 0 5VI 5V 1I=6.84VVREF= -10V第一個(gè)CP：第14頁(yè)/共37頁(yè)1. 轉(zhuǎn)換原理 第二個(gè)CP： I 啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)脈沖 CP 時(shí)鐘時(shí)鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數(shù)字?jǐn)?shù)字 量輸出量輸出 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1

12、0 1 0 0 1 1 0 0 7.5V10I 7.5V I=6.84VVREF=-10V第15頁(yè)/共37頁(yè)1. 轉(zhuǎn)換原理 第三個(gè)CP： I 啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)脈沖 CP 時(shí)鐘時(shí)鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數(shù)字?jǐn)?shù)字 量輸出量輸出 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 0 1 0 1 0 1 0 6.25VI 6.25V 101A=6.84VVREF=-10V第16頁(yè)/共37頁(yè) 7.50000 6.2500 6.8750 6.5625 6.71875 6.796875 6.8

13、35937 0.00 5.0000 10 s CP 啟啟 動(dòng)動(dòng) 脈脈 沖沖 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 O V 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換 時(shí)時(shí) 間間 = 80 s t / s 10000000A=6.84VVREF=10V1010111111000000101000001011000010101000101011001010111010101111第17頁(yè)/共37頁(yè)第18頁(yè)/共37頁(yè)小結(jié)：1、 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；2、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間與其位數(shù)n和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越高，

14、轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短； 第19頁(yè)/共37頁(yè)9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器1、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想 對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓時(shí)間數(shù)字式積分器 。第20頁(yè)/共37頁(yè) + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & 數(shù)字量輸數(shù)字量輸C A B

15、G G n 級(jí)計(jì)數(shù)器級(jí)計(jì)數(shù)器 定定時(shí)時(shí)信信號(hào)號(hào) (MSB) (LSB) Tc 1、電路組成第21頁(yè)/共37頁(yè) + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & 數(shù)字量輸數(shù)字量輸C A B G G n 級(jí)計(jì)數(shù)器級(jí)計(jì)數(shù)器 定定時(shí)時(shí)信信號(hào)號(hào) (MSB) (LSB) Tc 00000Cr信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零；開關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開S2 使電容的初始電壓為0。2、工作原理準(zhǔn)備階段：第22頁(yè)/共37頁(yè) t

16、dt0IO1 經(jīng)過(guò)2n個(gè)CP11TVI (2) 第一次積分：t = t0時(shí)，開關(guān)S1與A端相接，積分器開始對(duì)I積分。經(jīng)2n個(gè)CP后,開關(guān)切換到B，=VP。第一積分時(shí)間為2nTC + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-D1 D0 & C A B G G n 級(jí)計(jì)數(shù)器級(jí)計(jì)數(shù)器 定定時(shí)時(shí)信信號(hào)號(hào) 第23頁(yè)/共37頁(yè)VREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進(jìn)行第二次積分；當(dāng)t=t2時(shí)積分器輸出電壓O0，比較器輸出C=0，時(shí)

17、鐘脈沖控制門G被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。(3) 第二次積分： + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-D1 D0 & C A B G G n 級(jí)計(jì)數(shù)器級(jí)計(jì)數(shù)器 定定時(shí)時(shí)信信號(hào)號(hào) 第24頁(yè)/共37頁(yè) S1 Qn 0 0 O 0 C 0 C 0 T1 T2 t1 t2 + I VREF T1 T2 P t t t t t T1=2nTC1112nCPTTVVV OI01tdt 21O2pREF1( )()0tttVVdtnREF

18、2CI2VTTVnC2IREF2 TTVV T2=Tc n2IcREF2TVTVT2=t1 t2 在計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)=Qn-1Q1Q0，就是A/D轉(zhuǎn)換器得到的結(jié)果。第25頁(yè)/共37頁(yè)9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器nC2IREF2 TTVV優(yōu)點(diǎn)：1.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)RC無(wú)關(guān)，從而消除了積分非線 性帶來(lái)的誤差。2.由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在T1時(shí)間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值， 因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力。 T1=2nTC3. 只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。n2IcREF2TVTV第26頁(yè)/共37頁(yè)1.轉(zhuǎn)換精度 9.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述的。 分辨率: 說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。通常以輸出二進(jìn)制(或十進(jìn)