AD转换器原理分析.ppt

ADAD转换器原理分析转换器原理分析概述概述ADCDn~D0输出数字量输出数字量输入模拟电压输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量1. A/D功能功能:9.2 A/D 转换器转换器2. A/D转换器分类转换器分类①① 并联比较型并联比较型 特点特点: 转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns ~1 s, 但电路复杂但电路复杂②② 逐次逼近型逐次逼近型 特点特点: 转换速度适中转换速度适中,转换时间转换时间 为几为几 s ~100  s, 转换精度高，在转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡③③ 双积分型双积分型 特点特点: 转换速度慢转换速度慢,转换时间转换时间 几百几百 s ~几几ms,但抗干扰能力最强但抗干扰能力最强取取样样时间上离散的信号时间上离散的信号保持、量化保持、量化量值上也离散的信号量值上也离散的信号编编码码模拟信号模拟信号时间上和量值上都连续时间上和量值上都连续数字信号数字信号时间上和量值上都离散时间上和量值上都离散9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 A/D转换器一般要包括转换器一般要包括取样，取样， 保持，量化及编码保持，量化及编码4个过程个过程。

1. 取样与保持取样与保持 采样是将随时间连续变化的模采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量拟量转换为在时间离散的模拟量 采样信号采样信号S(t)的频率愈高，所采的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号合理的采样频地复现输入信号合理的采样频率由采样定理确定率由采样定理确定 采样定理：设采样信号采样定理：设采样信号S(t)的频的频率为率为fs，输入模拟信号，输入模拟信号 I(t)的最的最高频率分量的频率为高频率分量的频率为fimax，，则则 fs ≥ 2fimaxS(t)=1:开关闭合开关闭合S(t)=0:开关断开开关断开采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间拟信号保持一段时间采样采样保持保持取样与保持取样与保持电路及工作原理电路及工作原理2. 量化与编码量化与编码•数字信号在数值上是离散的。

采样数字信号在数值上是离散的采样–保持电路的输出电压还需按保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍是某个最小数量单位的整数倍•量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来经编码后得到的代码就是经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量转换器输出的数字量 量化量化3.编码编码在量化过程中由于所采样电压不一定能被在量化过程中由于所采样电压不一定能被 整除，所以量化前整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用 表示量化误差属原理误差，它是无法消除的量化误差属原理误差，它是无法消除的A/D转换器的位数越转换器的位数越 多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小 •两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式 4.量化误差：量化前的电压与量化后的电压差量化误差：量化前的电压与量化后的电压差5.量化方式量化方式011111101011000110100010000Δ=0 v7Δ=7/8 v6Δ=6/8 v5Δ=5/8 v4Δ=4/8 v3Δ=3/8 v2Δ=2/8 v1Δ=1/8 v输入信号输入信号编码编码量化后量化后电压电压a ) 只舍不入量化方式只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。

对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理最大量化误差为：最大量化误差为：最小量化单位最小量化单位＝＝1/8VΔ=1LSB= 1/8 V例：将例：将0~1V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码b )四舍五入量化方式四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理最大量化误差为：最大量化误差为：最小量化单位：最小量化单位：011111101011000110100010000Δ=0 v7Δ=14/15 v6Δ=12/15 v5Δ=10/15 v4Δ=8/15 v3Δ=6/15 v2Δ=4/15v1Δ=2/15 v输入信号输入信号编码编码模拟模拟电平电平Δ=1LSB= 2/15 V＝＝1/15V例：将例：将0~1V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码9.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器电压比较器电压比较器输入模拟输入模拟电压电压精密电阻精密电阻网络网络精密参考精密参考电压电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数输出数字量字量1、电路组成、电路组成VI=8VREF/151111000001 vI CO1 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 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0  vI   VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。

比较器的输出状态由各比较器输出状态的关系比较器的输出状态由D D触发器存储，触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出经优先编码器编码，得到数字量输出 3、电路特点：、电路特点：•在并行在并行A/D转换器中，输入电压转换器中，输入电压 I同时加到所有比较器的输同时加到所有比较器的输入端如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与入端如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与 I输输入时刻同时获得的所以它的转换时间最短入时刻同时获得的所以它的转换时间最短 •缺点是电路复杂，如三位缺点是电路复杂，如三位ADC需需7个比较器、个比较器、7个触发器、个触发器、8个电阻位数越多，电路越复杂位数越多，电路越复杂•为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法转换的方法 •单片集成并行比较型单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如转换器的产品很多，如AD公司的公司的AD9012 (TTL工艺工艺8位位)、、AD9002 (ECL工艺，工艺，8位位)、、AD9020 (TTL工艺，工艺，10位位)等 所加砝码所加砝码重量重量 结果结果 9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 。

第一次第一次8 克克砝码总重砝码总重 < 待测重量待测重量Wx ，，8克砝码保留克砝码保留8 克克第二次第二次再加再加4克克砝码总重仍砝码总重仍 <待测重量待测重量Wx ，，4克砝码保留克砝码保留12 克克第三次第三次再加再加2克克砝码总重砝码总重 > 待测重量待测重量Wx ，， 2克砝码撤除克砝码撤除12 克克第四次第四次再加再加1克克砝码总重砝码总重 ＝＝ 待测重量待测重量Wx ，， 1克砝码保留克砝码保留13 克克1. 转换原理转换原理 所用砝码重量：所用砝码重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克设待秤重量设待秤重量Wx = 13克1. 转换原理转换原理 1 0 0 … 0 1 0 0 … 0  I ≥5V 1 A=6.84VVREF=10V第一个第一个CP：：1. 1. 转换原理转换原理 第二个第二个CP：：0 1 0 … 0 1 1 0 … 0 10 I <7.5V  I=6.84VVREF=10V1. 转换原理转换原理 第三个第三个CP：：0 0 1 … 0 1 0 1 … 0  I ≥6.25V 101 A=6.84VVREF=10V10000000 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 111000000101000001011000010101000101011001010111010101111小结：小结：1、、 逐次比较型逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；多转换精度越高；2、逐次比较型、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需转换器完成一次转换所需时间与其位数时间与其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短少，时钟频率越高，转换所需时间越短；； 9.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器1、、双积分式双积分式A/D转换器的基本指导思想转换器的基本指导思想 对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。

双积分式得到相应的数字量输出双积分式A/D转换器也称转换器也称为电压－时间－数字式积分器为电压－时间－数字式积分器 1、电路组成、电路组成0 00 00 00 00 0Cr信号将计数器清零；开关信号将计数器清零；开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，闭合，待积分电容放电完毕后，断开断开S2 使电容的初始电压为使电容的初始电压为02、工作原理、工作原理①①准备阶段：准备阶段：经过经过2n个个CP(2) 第一次积分：第一次积分：t = t0时，开关时，开关S1与与A端相接，积分器开始对端相接，积分器开始对 I积分经经2n个个CP后后,开关切换到开关切换到B，， ，，=VP第一积分时间为第一积分时间为2nTCVREF加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当t=t2时积分器输出电压时积分器输出电压 O≥0，比较器输出，比较器输出 C=0，时钟脉冲控制，时钟脉冲控制门门G被关闭，计数停止被关闭，计数停止3) (3) 第二次积分：第二次积分：T1=2nTC T2= Tc T2=t1  t2 在计数器所计的数在计数器所计的数 =Qn-1…Q1Q0，， 就是就是A/D转换器得到的结果。

转换器得到的结果9.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器优点：优点：1.由于转换结果与时间常数由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线无关，从而消除了积分非线 性带来的误差性带来的误差2.由于双积分由于双积分A/D转换器在转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，时间内采的是输入电压的平均值， 因此具有很强的抗工频干扰的能力因此具有很强的抗工频干扰的能力 T1=2nTC3. 只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可1.转换精度转换精度 9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 单片集成单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的 •分辨率分辨率: 说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力通常以输出二进转换器对输入信号的分辨能力通常以输出二进制制(或十进制或十进制)数的位数表示数的位数表示 •转换误差：转换误差： 表示表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。

量之间的差别 2.转换时间转换时间 指指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间到稳定的数字信号所经过的时间 A/D转换器的转换时间转换器的转换时间与转换电路的类型有关与转换电路的类型有关•并行比较并行比较A/D转换器的转换速度最高转换器的转换速度最高 ,•逐次比较型逐次比较型A/D转换器次之转换器次之 ,•间接间接A/D转换器转换器(如双积分如双积分A/D)的速度最慢的速度最慢 并行比较并行比较A/D转换器转换器(8位）位） 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器 间接间接A/D转换器转换器10~50 s<50ns10ms~1000ms• 使用使用A/D转换器时应注意以下几点：转换器时应注意以下几点： (1) 转换过程各信号的时序配合转换过程各信号的时序配合100  s9.2.6 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用(2) 零点和满刻度调节零点和满刻度调节 (3) 参考电压的调节参考电压的调节 (4) 接地接地 模拟电路电源模拟电路电源 模拟电路模拟电路 A/D转换器转换器 数字电路电源数字电路电源 数字电路数字电路 A •A/D、、D/A及采样保持芯片上都提供了独立的模拟地及采样保持芯片上都提供了独立的模拟地(AGND)和数字地和数字地(DGND)的引脚。

的引脚•模数、数模转换电路模数、数模转换电路中要特别注意到地线中要特别注意到地线的正确连接，否则干的正确连接，否则干扰很严重，以致影响扰很严重，以致影响转换结果的准确性转换结果的准确性 •路设计中，必须将所有器件的模拟地和数字地分别相连，路设计中，必须将所有器件的模拟地和数字地分别相连，然后将模拟地与数字地仅在一点上相连接然后将模拟地与数字地仅在一点上相连接 2. ADC0809的典型应用的典型应用结束结束。