第二十五講模數(shù)轉(zhuǎn)換器

第二十五講模數(shù)轉(zhuǎn)換器第1頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月一、A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理 1、模擬信號和數(shù)字信號 2、模數(shù)轉(zhuǎn)換概述 3、基本原理二、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器三、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)主要內(nèi)容結(jié)束放映第2頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月模擬信號：在時間上和數(shù)值上連續(xù)的信號。數(shù)字信號：在時間上和數(shù)值上不連續(xù)的（即離散的）信號。uu模擬信號波形數(shù)字信號波形tt一、A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理1、模擬信號和數(shù)字信號A/D變換第3頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月模數(shù)轉(zhuǎn)換：模數(shù)轉(zhuǎn)換則是將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換功能的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。2、模數(shù)轉(zhuǎn)換概述典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖第4頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月模擬電子開關(guān)S在采樣脈沖CLKS的控制下重復(fù)接通、斷開的過程。S接通時，ui(t)對C充電，為采樣過程；S斷開時，C上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進(jìn)制數(shù)輸出。3、A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

顯然，模數(shù)轉(zhuǎn)換一般要分采樣、保持、量化和編碼四個步驟進(jìn)行。第5頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月s(t)t

采樣是對模擬信號進(jìn)行周期性地抽取樣值的過程，就是把隨時間連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)換成在時間上斷續(xù)、在幅度上等于采樣時間內(nèi)模擬信號大小的一串脈沖。1)采樣、保持utts(t)ttstws(t)t采樣電路示意圖采樣信號采樣

脈沖輸入模擬信號采樣保持信號采樣脈沖的頻率fs(1/Ts)越高，采樣越密，采樣值就越多，其取樣信號vs的包絡(luò)線就越接近于輸入模擬信號的波形。

采樣定理：為了能不失真地恢復(fù)原模擬信號，采樣頻率應(yīng)不小于輸人模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍，即fs≥2fimax。第6頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月2）采樣-保持電路：由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在每次采樣結(jié)束后，應(yīng)保持采樣電壓值在一段時間內(nèi)不變，直到下一次采樣開始。這就要在采樣后加上保持電路，實際采樣-保持是做成一個電路。量化、編碼電路也要由取樣脈沖S(t)控制，使它分別在

t1-t5時刻開始對Vo轉(zhuǎn)換，也就是在保持時間內(nèi)(Ts-tw)內(nèi)完成量化和編碼。第7頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)過采樣和保持而抽取的電壓值仍然屬模擬量的范疇，由于任何一個數(shù)字量的大小只能是某個最小數(shù)量單位(1LSB)的整數(shù)倍，因此用數(shù)字量表示取樣電壓值時，先要把其采樣電壓化為最小單位的整數(shù)倍。3）量化和編碼量化：所取得的最小單位，用△表示，△＝1LSB。量化單位把量化后的電壓值再轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的代碼，如二進(jìn)制、十進(jìn)制碼等的過程。編碼：量化編碼第8頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)采用直接舍去小數(shù)點的方法，最大的量化誤差是△。量化誤差：實際輸入電壓值與量化值之間的偏差(a)(b)(b)采用直接四舍五入的方法，最大的量化誤差是△/2。第9頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月電路組成二、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

DAC：數(shù)模轉(zhuǎn)換器，作用是按照不同的輸入數(shù)碼產(chǎn)生一組相應(yīng)的比較電壓UR:電壓比較器：將輸入的電壓信號UI與UR進(jìn)行比較，當(dāng)UI≥UR時，輸出C0＝1(C0’=0)；當(dāng)UI<UR時，輸出C0＝0(C0’=1)；C0和C0’分別連接各個邊沿JK觸發(fā)器的J、K端。4位脈沖發(fā)生器：用它來產(chǎn)生4各的負(fù)向節(jié)拍脈沖CLK0-CLK3’；用這4個節(jié)拍脈沖來控制其他電路完成逐次比較。該發(fā)生器通常由4位環(huán)形計數(shù)器構(gòu)成。JK觸發(fā)器：作用是在4個的負(fù)向節(jié)拍脈沖CP0-CP3’=0的推動下，記憶每次比較的結(jié)果，并向DAC提供輸入數(shù)碼。3D存儲器：作用是在節(jié)拍脈沖的觸發(fā)下，記憶最后的比較結(jié)果，并行輸出二進(jìn)制代碼。d2d0d1第10頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月工作原理DAC輸出的比較電壓d2d0d1第11頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月逐次逼近型ADC第12頁，課件共14頁，創(chuàng)作于2023年2月相對精度是指A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍數(shù)來表示。如相對精度不大于(1/2)LSB，就說明實際輸出數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量的最大誤差不超過(1/2)LSB。三、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1、分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為0～5V，輸出8位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－8＝20mV；而輸出12位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－12≈1.22mV。2、相對精度第13頁，課件