數(shù)字電子技術(shù)（第3版）課件 第32講 7.2 AD轉(zhuǎn)換

第7章數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換7.2.3

ADC的主要技術(shù)參數(shù)7.2.1

A/D轉(zhuǎn)換基本原理7.2.2

A/D轉(zhuǎn)換器工作原理7.2A/D轉(zhuǎn)換

7.2.4

集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用舉例

本章小結(jié)返回結(jié)束放映2/11/20251復(fù)習(xí)為什么要ADC或DAC

？組成D/A轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想？DAC的主要技術(shù)參數(shù)？2/11/202527.2.1A/D轉(zhuǎn)換基本原理

A/D轉(zhuǎn)換目標(biāo)：將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào)。四個(gè)步驟：采樣、保持、量化、編碼。返回7.2A/D轉(zhuǎn)換1.采樣與保持

（1）將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的模擬量稱為采樣。2/11/20253

圖7-7采樣過程示意圖

取樣定理：設(shè)取樣脈沖s(t)的頻率為fS，輸入模擬信號(hào)x(t)的最高頻率分量的頻率為fmax，必須滿足fs≥2fmaxy(t)才可以正確的反映輸入信號(hào)(從而能不失真地恢復(fù)原模擬信號(hào))。通常取fs＝（2.5～3）fmax。

2/11/20254

（2）由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，在每次采樣以后，需要把采樣電壓保持一段時(shí)間。

s(t)有效期間，開關(guān)管VT導(dǎo)通，uI向C充電，uO

(=uc)跟隨uI的變化而變化；

s(t)無效期間，開關(guān)管VT截止，uO

(=uc)保持不變，直到下次采樣。（由于集成運(yùn)放A具有很高的輸入阻抗，在保持階段，電容C上所存電荷不易泄放。）

圖7-8采樣―保持電路及輸出波形2/11/202552.量化和編碼

數(shù)字量最小單位所對(duì)應(yīng)的最小量值叫做量化單位△。

將采樣－保持電路的輸出電壓歸化為量化單位△的整數(shù)倍的過程叫做量化。

用二進(jìn)制代碼來表示各個(gè)量化電平的過程，叫做編碼。一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)只能表示2n個(gè)量化電平，量化過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化級(jí)分得越多（n越大），量化誤差越小。

2/11/20256劃分量化電平的兩種方法（a）量化誤差大；（b）量化誤差小

2/11/202577.2.2A/D轉(zhuǎn)換器工作原理直接A/D轉(zhuǎn)換器：并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器間接A/D轉(zhuǎn)換器：雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器電壓轉(zhuǎn)換型A/D轉(zhuǎn)換器1.逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

天平稱重過程：砝碼（從最重到最輕），依次比較，保留/移去，相加。逐次比較思路：不同的基準(zhǔn)電壓－－砝碼。返回2/11/20258

圖7-9逐次逼近型ADC電路框圖

CPDn-1Dn-2Dn-3…D1D0u0(V)uI>uO？0100…000.5UREF1（Dn-1為1）/0（Dn-1為0）1Dn-110…000.75/0.25UREF1（Dn-2為1）/0（Dn-2為0）2Dn-1Dn-21…00…1（Dn-3為1）/0（Dn-3為0）…………n-1Dn-1Dn-2Dn-3…D11…1（D0為1）/0（D0為0）基準(zhǔn)電壓UREFn位A/D轉(zhuǎn)換器

電路由啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)后:2/11/20259實(shí)例

8位A/D轉(zhuǎn)換器，輸入模擬量uI=6.84V，D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓

UREF=10V。相對(duì)誤差僅為0.06%。轉(zhuǎn)換精度取決于位數(shù)。CPD7D6D5D4D3D2D1D0u0(V)uI>uO010000000511110000007.502101000006.2513101100006.87504101010006.562515101011006.7187516101011106.79687517101011116.83593751uI>uO為1否則為0

2/11/202510

圖7-108位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器波形圖

2/11/2025112.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器基本原理：對(duì)輸入模擬電壓uI和基準(zhǔn)電壓-UREF分別進(jìn)行積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔T2，然后在這個(gè)時(shí)間間隔里對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果N就是正比于輸入模擬信號(hào)的數(shù)字量信號(hào)。（1）電路組成2/11/202512

圖7-11雙積分型ADC電路

①積分器：Qn=0，對(duì)被測(cè)電壓uI進(jìn)行積分；Qn=1，對(duì)基準(zhǔn)電壓-UREF進(jìn)行積分。②檢零比較器C：當(dāng)uO≥0時(shí)，uC＝0；

當(dāng)uO＜0時(shí)，uC＝1。③計(jì)數(shù)器：為n＋1位異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。第一次計(jì)數(shù)，是從0開始直到2n對(duì)CP脈沖計(jì)數(shù)，形成固定時(shí)間T1＝2nTc（Tc為CP脈沖的周期），T1時(shí)間到時(shí)Qn＝1，使S1從A點(diǎn)轉(zhuǎn)接到B點(diǎn)。第二次計(jì)數(shù)，是將時(shí)間間隔T2變成脈沖個(gè)數(shù)N保存下來。④時(shí)鐘脈沖控制門G1：當(dāng)uC=1時(shí)，門G1打開，CP脈沖通過門G1加到計(jì)數(shù)器輸入端。2/11/202513①積分器：Qn=0，對(duì)被測(cè)電壓uI進(jìn)行積分；Qn=1，對(duì)基準(zhǔn)電壓-UREF進(jìn)行積分。②檢零比較器C：當(dāng)uO≥0時(shí)，uC＝0；當(dāng)uO＜0時(shí)，uC＝1。③計(jì)數(shù)器：為n＋1位異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。第一次計(jì)數(shù)，是從0開始直到2n對(duì)CP脈沖計(jì)數(shù)，形成固定時(shí)間T1＝2nTc（Tc為CP脈沖的周期），T1時(shí)間到時(shí)Qn＝1，使S1從A點(diǎn)轉(zhuǎn)接到B點(diǎn)。第二次計(jì)數(shù)，是將時(shí)間間隔T2變成脈沖個(gè)數(shù)N保存下來。④時(shí)鐘脈沖控制門G1：當(dāng)uC=1時(shí)，門G1打開，CP脈沖通過門G1加到計(jì)數(shù)器輸入端。（1）電路組成2/11/202514（2）工作原理圖7-12雙積分型ADC的工作波形

先定時(shí)（T1）對(duì)uI正向積分，得到Up，Up∝uI；再對(duì)－UREF積分，積分器的輸出將從Up線性上升到零。這段積分時(shí)間是T2，T2∝Up∝uI；在T2期間內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖CP計(jì)得的個(gè)數(shù)為N，N∝T2∝Up∝uI

。由于這種轉(zhuǎn)換需要兩次積分才能實(shí)現(xiàn)，因此稱該電路為雙積分型ADC。2/11/202515工作過程：

①準(zhǔn)備階段：轉(zhuǎn)換控制信號(hào)CR＝0，將計(jì)數(shù)器清0，并通過G2接通開關(guān)S2，使電容C放電；同時(shí)，Qn＝0使S1接通A點(diǎn)。2/11/202516

②采樣階段：當(dāng)t＝0時(shí)，CR變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)S2斷開，積分器從0開始對(duì)uI積分，積分器的輸出電壓從0V開始下降，即2/11/202517

與此同時(shí)，由于uO＜0，故uC＝1，G1被打開，CP脈沖通過G1加到FF0上，計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)。直到當(dāng)t＝t1時(shí)，F(xiàn)F0～FFn-1都翻轉(zhuǎn)為0態(tài)，而Qn翻轉(zhuǎn)為1態(tài)，將S1由A點(diǎn)轉(zhuǎn)接到B點(diǎn)，采樣階段到此結(jié)束。若CP脈沖的周期為Tc，則T1＝2nTc。2/11/202518設(shè)UI為輸入電壓在T1時(shí)間間隔內(nèi)的平均值，則第一次積分結(jié)束時(shí)積分器的輸出電壓為2/11/202519

③比較階段：在t=t1時(shí)刻，S1接通B點(diǎn)，-UREF加到積分器的輸入端，積分器開始反向積分，uO開始從Up點(diǎn)以固定的斜率回升，若以t1算作0時(shí)刻，此時(shí)有2/11/202520當(dāng)t＝t2時(shí)，uO正好過零，uC翻轉(zhuǎn)為0，G1關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。在T2期間計(jì)數(shù)器所累計(jì)的CP脈沖的個(gè)數(shù)為N，且有T2＝NTC。2/11/202521若以t1算作0時(shí)刻，當(dāng)t＝T2時(shí)，積分器的輸出uO＝0，此時(shí)則有2/11/202522可見，T2∝UI。由于T1＝2nTc，所以有2/11/202523結(jié)論：可見，N∝UI∝uI，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換，N為轉(zhuǎn)換結(jié)果。第一，如果減小uI（即圖7-12中的uI′），則當(dāng)t＝T1時(shí)，uO＝Up′，顯然Up′＜Up，從而有T2′＜T2；第二，T1的時(shí)間長度與uI的大小無關(guān)，均為2nTc；第三，第二次積分的斜率是固定的，與Up的大小無關(guān)。由于T2＝NTc，所以2/11/202524優(yōu)點(diǎn)1：抗干擾能力強(qiáng)。積分采樣對(duì)交流噪聲有很強(qiáng)的抑制能力；如果選擇采樣時(shí)間T1為20ms的整數(shù)倍時(shí)，則可有效地抑制工頻干擾。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度較慢。完成一次A/D轉(zhuǎn)換至少需要（T1＋T2）時(shí)間，每秒鐘一般只能轉(zhuǎn)換幾次到十幾次。因此它多用于精度要求高、抗干擾能力強(qiáng)而轉(zhuǎn)換速度要求不高的場(chǎng)合。優(yōu)點(diǎn)2：具有良好的穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)高精度。由于在轉(zhuǎn)換過程中通過兩次積分把UI和UREF之比變成了兩次計(jì)數(shù)值之比，故轉(zhuǎn)換結(jié)果和精度與R、C無關(guān)。2/11/2025257.2.3ADC的主要技術(shù)參數(shù)1.分辨率

分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入模擬量的變化量。通常以ADC輸出數(shù)字量的位數(shù)表示分辨率的高低，因?yàn)槲粩?shù)越多，量化單位就越小，對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力也就越高。例如，輸入模擬電壓滿量程為10V，若用8位ADC轉(zhuǎn)換時(shí)，其分辨率為10V/28＝39mV，10位的ADC是9.76mV，而12位的ADC為2.44mV。

返回2/11/2025262.轉(zhuǎn)換誤差

轉(zhuǎn)換誤差表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。通常以輸出誤差的最大值形式給出。轉(zhuǎn)換誤差也叫相對(duì)精度或相對(duì)誤差。轉(zhuǎn)換誤差常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如某ADC的相對(duì)精度為±(1/2)LSB，這說明理論上應(yīng)輸出的數(shù)字量與實(shí)際輸出的數(shù)字量之間的誤差不大于最低位為１的一半。2/11/2025273.轉(zhuǎn)換速度完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間叫做轉(zhuǎn)換時(shí)間，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，則轉(zhuǎn)換速度越快。雙積分ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間在幾十毫秒至幾百毫秒之間；逐次比較型ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間大都在10～50μs之間；并行比較型ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)10ns。

2/11/2025287.2.4集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用舉例

集成A/D轉(zhuǎn)換器規(guī)格品種繁多，常見的有ADC0804、ADC0809、MC14433等。

1.ADC0804A/D轉(zhuǎn)換器

ADC0804是一種逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。返回2/11/202529

（1）ADC0804的主要功能及參數(shù)如下：

①分辨率為8位。

②線性誤差為±1/2LSB。

③三態(tài)鎖存輸出，輸出電平與TTL兼容。

④

+5V單電源供電，模擬電壓輸入范圍0～5V。

⑤功耗小于20mW。

⑥不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整。

⑦轉(zhuǎn)換速度較高，可達(dá)100μS。2/11/202530圖7-13ADC0804引腳圖

UIN+、UIN-：模擬信號(hào)輸入端，可接收單極性、雙極性和差模輸入信號(hào)。

UREF：基準(zhǔn)電壓輸入端。

CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。

CLKR：內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器外接電阻端，與CLK端配合可由芯片產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖。

（2）ADC0804各引腳功能說明如下：

D0～D7：數(shù)據(jù)輸出端，有三態(tài)功能，能與微機(jī)總線相接。。

AGND：模擬信號(hào)地。

DGND：數(shù)字信號(hào)地。2/11/202531

CS：片選信號(hào)輸入端，低電平有效。

RD：讀信號(hào)輸入端，低電平有效。當(dāng)CS和RD均有效時(shí)，可讀取轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)據(jù)。

WR：寫信號(hào)輸入端，低電平有效。當(dāng)CS和WR同時(shí)有效時(shí)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。

INTR：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端，低電平有效。轉(zhuǎn)換開始后，INTR為高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，該信號(hào)變?yōu)榈碗娖健Ｒ虼嗽撔盘?hào)可作為轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)查詢信號(hào)，也可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以通知CPU取走轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。

2/11/202532在工業(yè)測(cè)控及儀器儀表應(yīng)用中，經(jīng)常需要由計(jì)算機(jī)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行分析、判斷、以及加工和處理，從而達(dá)到對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、控制等目的。2.應(yīng)用舉例（組成微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。）

圖7-14ADC0804組成微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2/11/202533當(dāng)需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，微處理器首先選中ADC0804