AD轉(zhuǎn)換器原理分析

9.2.6集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用9.2A/D

轉(zhuǎn)換器9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程9.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器9.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器9.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器9.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)概述ADCDn~D0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。1.A/D功能:9.2A/D

轉(zhuǎn)換器2.A/D轉(zhuǎn)換器分類(lèi)①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。②逐次逼近型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時(shí)間為幾s~100s,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。③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)。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9.2.1A/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。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

≥2fimax S(t)=1:開(kāi)關(guān)閉合S(t)=0:開(kāi)關(guān)斷開(kāi)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)保持一段時(shí)間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理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(chēng)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011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v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＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼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：011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v輸入信號(hào)編碼模擬電平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼9.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器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/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量1、電路組成VI=8VREF/151111000001

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI

9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI

11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI

7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI

13VR/15

011111111013VREF/15

vI

VREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vI

VREF/15

0000000000

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。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。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(chēng)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

，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>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。1.轉(zhuǎn)換原理

100…0100…0I

≥5V

1A=6.84VVREF=10V第一個(gè)CP：1.轉(zhuǎn)換原理

第二個(gè)CP：010…0110…010I

<7.5VI=6.84VVREF=10V1.轉(zhuǎn)換原理第三個(gè)CP：001…0101…0I

≥6.25V101A=6.84VVREF=10V10000000A=6.84VVREF=10V1010111111000000101000001011000010101000101011001010111010101111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，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短；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(chēng)為電壓－時(shí)間－數(shù)字式積分器。1、電路組成00000Cr信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零；開(kāi)關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開(kāi)S2使電容的初始電壓為0。2、工作原理①準(zhǔn)備階段：經(jīng)過(guò)2n個(gè)CP(2)第一次積分：t=t0時(shí)，開(kāi)關(guān)S1與A端相接，積分器開(kāi)始對(duì)I積分。經(jīng)2n個(gè)CP后,開(kāi)關(guān)切換到B，，=VP。第一積分時(shí)間為2nTCVREF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O≥0，比較器輸出C=0，時(shí)鐘脈沖控制門(mén)G被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。(3)第二次積分：T1=2nTC

T2=Tc

T2=t1

t2

在計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)=Qn-1…Q1Q0，就是A/D轉(zhuǎn)換器得到的結(jié)果。9.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器優(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。1.轉(zhuǎn)換精度9.2.5A/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)制)數(shù)的位數(shù)表示。轉(zhuǎn)換誤差：

表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。2.轉(zhuǎn)換時(shí)間

指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換電路的類(lèi)型有關(guān)并行比較A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高,逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之,間接A/D轉(zhuǎn)換器(如雙積分A/D)的速度最慢。

并行比較A/D轉(zhuǎn)換器(8位）

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

間接A/D轉(zhuǎn)換器10~50s<50ns10ms~1000ms

使用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)轉(zhuǎn)換過(guò)程