第21讲模数转换器精.ppt

第21讲模数转换器第1页，本讲稿共58页10.2 集成模数转换器集成模数转换器 模模数数转转换换器器ADC用用于于将将时时间间和和幅幅度度都都连连续续的的模模拟拟信信号号转转换换成成时时间间和和幅幅度度都都离离散散的的数数字字信信号号，其其原原理理框框图图如如图图10.2.1所所示示。其其中中，UI为为模模拟拟电电压压输输入入，D（Dn-1Dn-2.D1D0）为为输输出出的的n位位数数字字信信号号，UREF为为实实现现模模/数数转转换换所所必必需需的的参参考考电电压，压，它们三者之间满足如下比例关系：它们三者之间满足如下比例关系：式中，式中，K为比例系数，不同的为比例系数，不同的ADC有各自不同的有各自不同的K值。值。(10.2.1)第2页，本讲稿共58页图图 10.2.1 ADC原理框图原理框图第3页，本讲稿共58页10.2.1 模数转换的一般过程模数转换的一般过程 1 采样与保持采样与保持 采采样样就就是是按按照照一一定定的的时时间间间间隔隔周周期期性性地地读读取取模模拟拟信信号号的的值，从而将时间和取值都连续的模拟信号在时间上离散化。值，从而将时间和取值都连续的模拟信号在时间上离散化。采采样样过过程程可可以以用用图图10.2.2来来说说明明。图图中中uA(t)为为输输入入模模拟拟电电压压；uS(t)为为采采样样电电路路的的输输出出信信号号；S(t)为为采采样样脉脉冲冲信信号号，它它的的重重复复周周期期为为TS，脉脉冲冲宽宽度度为为。采采样样电电路路实实际际上上是是一一个个受受控控的的理理想想开开关关，它它受受采采样样脉脉冲冲信信号号S(t)的的控控制制，在在脉脉冲冲存存在在的的时时间间内内，开开关关闭闭合合。采采样样电电路路的的输输出出随随输输入入变变化化，即即uS(t)=uA(t)；在在采采样样脉脉冲冲的的休休止止期期（TS-）内内，采采样样电电路路的的输输出出uS(t)=0。因因此此，我我们们把把采采样样脉脉冲冲的的重重复复周周期期TS称称为为采采样样周周期，期，把采样脉冲的宽度把采样脉冲的宽度称为采样时间。称为采样时间。第4页，本讲稿共58页 由由图图10.2.15可可以以看看出出，采采样样电电路路的的输输出出uS(t)与与输输入入uA(t)相相比比，波波形形发发生生了了很很大大的的变变化化。根根据据采采样样定定理理，为为了了保保证证能能够够从从uS(t)不不失失真真地地恢恢复复出出uA(t)，采采样样频频率率fs至至少少等等于于模模拟信号拟信号uA(t)中最高有效频率中最高有效频率fmax的两倍，即：的两倍，即：所所谓谓保保持持，就就是是在在连连续续两两次次采采样样之之间间，将将上上一一次次采采样样结结束束时时所所得得到到的的样样值值通通过过保保持持电电路路保保持持一一段段时时间间，以以便便将将其其数数字字化化（量量化化和和编编码码）。采采样样与与保保持持过过程程通通常常是是通通过过采采样样/保保持电路一起实现。持电路一起实现。(10.2.2)第5页，本讲稿共58页图 10.2.2uA(t)uS(t)S(t)000tuA(t)S(t)uS(t)tt第6页，本讲稿共58页 图图10.2.3（a）是是一一种种最最简简单单的的采采样样/保保持持电电路路，它它由由采采样样开开关关T、用用于于存存储储采采样样值值的的电电容容C和和缓缓冲冲放放大大器器A组组成成。其其中中，采采样样开开关关T是是用用场场效效应应管管做做的的双双向向模模拟拟开开关关，缓缓冲冲放放大大器器一一般般采采用用运运算算放放大大器器并并接接成成电电压压跟跟随随电电路路。在在采采样样时时间间内内，采采样样脉脉冲冲S(t)存存在在，采采样样开开关关T导导通通，输输入入模模拟拟电电压压uA通通过过采采样样开开关关对对保保持持电电容容C充充电电，充充电电的的时时间间常常数数应应远远小小于于采采样样时时间间，所所以以电电容容C上上的的电电压压uC在在采采样样时时间间完完全全能能够够跟跟上上输输入入模模拟拟电电压压uA的的变变化化，则则运运算算放放大大器器的的输输出出uS也也能能跟跟上上uA的的变变化化。当当采采样样脉脉冲冲结结束束后后，场场效效应应管管截截止止，如如果果电电容容C的的漏漏电电电电阻阻、场场效效应应管管的的截截止止阻阻抗抗和和运运算算放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗都都很很大大，电电容容的的漏漏电电可可以以忽忽略略不不记记，则则电电容容C上上的的电电压压将将保保持持采采样样脉脉冲冲结结束束前前一一瞬瞬间间uA的电压一直到下一个采样脉冲到来时为止。的电压一直到下一个采样脉冲到来时为止。第7页，本讲稿共58页图图 10.2.3 采样采样/保持电路保持电路(a)电路图；电路图；(b)波形波形图图CTS(t)uS0uA,uS0S(t)ttuAUSAuA(a)(b)第8页，本讲稿共58页 图图10.2.3（b）给给出出了了图图10.2.3（a）所所示示电电路路中中输输入入模模拟拟电电压压uA、采采样样脉脉冲冲S(t)和和采采样样/保保持持电电路路的的输输出出uS的的波波形形。从从图图中中可可以以清清楚楚地地看看出出，在在采采样样时时间间内内，uS=uA；在在采采样样间间隔隔时时间间（TS-）内内，uS保保持持不不变变，因因而而其其波波形形呈呈阶阶梯梯状状。（TS-）这这段段时时间间正正是是供供后后级级电电路路对对uO实实现现量量化化和和编编码码的的时时间。间。第9页，本讲稿共58页 2 量化和编码量化和编码 数数字字信信号号不不仅仅在在时时间间上上是是离离散散的的，而而且且在在取取值值上上也也不不连连续续，即即数数字字信信号号的的取取值值必必须须为为某某个个规规定定的的最最小小数数量量单单位位的的整整数数倍倍。因因此此，为为了了将将模模拟拟信信号号转转换换成成数数字字信信号号，还还必必须须将将采采样样/保保持持电电路路输输出出的的采采样样值值按按照照某某种种近近似似方方式式归归并并到到相相应应的的离离散散电电平平上上，也也就就是是将将模模拟拟信信号号在在取取值值上上离离散散化化，我我们们把把这这个个过过程程称称为为量量化化。将将量量化化后后的的结结果果（离离散散电电平平）用用数数字字代代码码来来表表示示，称称为为编编码码。于于单单极极性性模模拟拟信信号号，一一般般采采用用自自然然二二进进制制编编码码；对对于于双双极极性性模模拟拟信信号号，则则通通常常采采用用二二进进制制补补码码。经经过过编码后得到的代码就是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。第10页，本讲稿共58页 在在量量化化过过程程中中，量量化化结结果果（离离散散电电平平）都都是是其其中中一一个个最最小小离离散散电电平平的的整整数数倍倍，我我们们将将这这个个最最小小离离散散电电平平值值称称为为量量化化单单位位，记记作作。它它也也就就是是数数字字量量的的最最低低有有效效位位LSB的的1所代表的模拟电压值。所代表的模拟电压值。由由于于采采样样/保保持持电电路路输输出出的的信信号号在在取取值值上上是是连连续续的的，不不可可能能所所有有的的采采样样值值都都恰恰好好为为量量化化单单位位的的整整数数倍倍，所所以以量量化化前前后后不不可可避避免免地地存存在在着着误误差差，这这种种误误差差称称为为量量化化误误差差，用用表示。表示。第11页，本讲稿共58页 量量化化可可以以按按两两种种近近似似方方式式进进行行：只只舍舍不不入入量量化化方方式式和和有有舍舍有有入入（四四舍舍五五入入）量量化化方方式式。下下面面以以3位位A/D转转换换器器为为例例来来说说明明这两种方式，这两种方式，设采样值的变化范围是设采样值的变化范围是08 V。只只舍舍不不入入量量化化方方式式如如图图10.2.4所所示示。当当采采样样/保保持持电电路路输输出出的的电电压压uS介介于于两两个个量量化化电电平平之之间间时时，采采用用取取整整的的方方法法将将其其归归并并为为较较低低的的量量化化电电平平。例例如如，无无论论uS=5.9 V还还是是uS=5.1 V，都都将将其其归归并并为为5 V的的量量化化电电平平，输输出出的的编编码码都都为为101。可可见见，采采用用只舍不入量化方式，最大误差只舍不入量化方式，最大误差max等于量化单位等于量化单位。第12页，本讲稿共58页图图 10.2.4 只舍不入量化方式只舍不入量化方式第13页，本讲稿共58页 四四舍舍五五入入量量化化方方式式如如图图10.2.5所所示示。当当采采样样/保保持持电电路路输输出出的的电电压压uS介介于于两两个个量量化化电电平平之之间间时时，采采用用四四舍舍五五入入的的方方式式将将其其归归并并为为最最相相近近那那个个量量化化电电平平。例例如如，若若uS=5.49 V，就就将将其其归归并并为为5 V的的量量化化电电平平，输输出出的的编编码码为为101；若若uS=5.50 V，就就将将其其归归并并为为6 V的的量量化化电电平平，输输出出的的编编码码为为110。可可见见，采采用用四四舍舍五五入入量量化化方方式式，最最大大量量化化误误差差max只只有有量量化化单单位位的的一一半半（/2），比比只只舍舍不不入入量量化化方方式式的的最最大大量量化化误误差差小小。所所以以，目目前大多数的前大多数的A/D转换器都采用这种量化方式。转换器都采用这种量化方式。第14页，本讲稿共58页图图 10.2.5 四舍五入量化方式四舍五入量化方式第15页，本讲稿共58页 量量化化误误差差是是A/D转转换换的的固固有有误误差差，只只能能减减小小，不不能能完完全全消消除除。减减小小量量化化误误差差的的主主要要措措施施就就是是减减小小量量化化单单位位。但但是是当当输输入入模模拟拟电电压压的的变变化化范范围围一一定定时时，量量化化单单位位越越小小就就意意味味着着量量化化电电平的个数越多，平的个数越多，编码的位数越大，电路也就越复杂。编码的位数越大，电路也就越复杂。前前面面介介绍绍了了A/D转转换换的的四四个个基基本本过过程程，对对各各种种类类型型的的ADC 而而言言，采采样样与与保保持持电电路路的的基基本本原原理理都都是是一一样样的的，它它们们之之间间的的差差别别主主要要反反映映在在ADC的的核核心心部部分分量量化化和和编编码码电电路路上上。所所以以下下面介绍各种面介绍各种A/D转换技术时，转换技术时，将主要介绍这部分电路。将主要介绍这部分电路。第16页，本讲稿共58页10.2.2 常用模数转换技术常用模数转换技术 实实现现A/D转转换换的的方方法法很很多多，按按照照工工作作原原理理不不同同可可以以分分成成直直接接A/D转转换换和和间间接接A/D转转换换两两类类。直直接接A/D转转换换是是将将模模拟拟信信号号直直接接转转换换成成数数字字信信号号，比比较较典典型型的的有有并并行行比比较较型型A/D转转换换和和逐逐次次逼逼近近型型A/D转转换换。间间接接A/D转转换换是是先先将将模模拟拟信信号号转转换换成成某某一一中中间间变变量量（时时间间或或频频率率），然然后后再再将将中中间间变变量量转转换换成成数数字字量量。比比较较典典型型的的有有双双积积分分型型A/D转转换换和和电电压压-频频率率转换型转换型A/D转换。转换。第17页，本讲稿共58页1并行比较型并行比较型 ADC电路电路第18页，本讲稿共58页 图图10.2.6是是3位位并并行行比比较较型型ADC的的原原理理图图，它它由由电电阻阻分分压压器、电压比较器器、电压比较器A1A7、寄存器和编码电路四部分构成。、寄存器和编码电路四部分构成。基基准准电电压压UREF经经电电阻阻分分压压器器分分压压后后，产产生生各各电电压压比比较较器器的的参参考考电电压压：u1=UREF/16，u2=3UREF/16，u3=5UREF/16，u4=7UREF/16，u5=9UREF/16，u6=11UREF/16，u7=13 UREF/16。由由这这些些参参考考电电压压值值可可以以看看出出，该该A/D转转换换电电路路采采用用的的是是有有舍舍有有入入的的量量化化方方式式，量量化化单单位位=2UREF/16，在在015 UREF/16范围内的模拟电压的最大量化误差范围内的模拟电压的最大量化误差max=/2=UREF/16。第19页，本讲稿共58页 各各电电压压比比较较器器的的参参考考电电压压由由反反相相输输入入端端输输入入，正正相相输输入入端端为为ADC输输入入模模拟拟电电压压的的采采样样值值uS。当当uS大大于于某某电电压压比比较较器器的的参参考考电电压压时时，该该电电压压比比较较器器输输出出高高电电平平，反反之之则则输输出出低低电电平平。输输入入模模拟拟电电压压值值与与电电压压比比较较器器输输出出结结果果之之间间的的关关系系列列在在表表10.2.1中中。例例如如，若若uS在在7UREF/169UREF/16之之间间，且且uS9UREF/16，则则七七个个比比较较器器的的输输出出分分别别为为：C1=C2=C3=C4=1、C5=C6=C7=0，所对应的量化电平为，所对应的量化电平为4UREF/8。第20页，本讲稿共58页表表10.2.1 3位并行位并行ADC模拟电压和输出编码转换关系表模拟电压和输出编码转换关系表第21页，本讲稿共58页 在在时时钟钟脉脉冲冲CP的的上上升升沿沿，将将电电压压比比较较器器的的比比较较结结果果存存入相应的入相应的D触发器中，供编码电路进行编码。触发器中，供编码电路进行编码。编编码码电电路路是是一一个个组组合合逻逻辑辑电电路路，根根据据表表10.2.1中中所所列列的的比比较较器器输输出出与与编编码码输输出出之之间间的的对对应应关关系系，我我们们可可以以求求出出编编码码电路输出的逻辑表达式：电路输出的逻辑表达式：第22页，本讲稿共58页 在在并并行行比比较较型型A/D转转换换电电路路中中，由由于于模模拟拟电电压压uS是是同同时时送送到到各各电电压压比比较较器器与与相相应应的的参参考考电电压压进进行行比比较较的的，所所以以其其转转换换速速度度仅仅受受比比较较器器、D触触发发器器和和编编码码电电路路延延迟迟时时间间的的限限制制，转转换换时时间间一一般般为为ns级级。并并行行比比较较型型ADC是是目目前前最最快快的的一一种种A/D转转换换电电路路，为为高高速速集集成成ADC所所广广泛泛采采用用。另另外外，由由于于比比较较器器和和D触触发发器器同同时时兼兼有有采采样样和和保保持持的的功功能能，所所以以在在这这种种A/D转转换换电电路路中中不不需需要要采采样样/保保持持电电路路，这这是是并并行行比比较较型型A/D转转换换电电路路的的另另一一个个优优点点。并并行行比比较较型型ADC的的缺缺点点是是转转换换精精度度不不易易做做得得很很高高，主主要要因因为为输输出出编编码码每每增增加加一一位位，分分压压电电阻阻、比比较较器器和和触触发发器器的的数数量量都都要要成成倍倍增增长长，编编码码电电路路也也更更加加复复杂杂。例例如如，对对于于n位位并并行行比比较较型型ADC，它它需需要要2n个个分分压压电电阻阻、（2n1）个个比比较较器器和和（2n1）个个D触触发发器器。而而且且随随着着电路元件的增多，元件之间的一致性也很难得到保证。电路元件的增多，元件之间的一致性也很难得到保证。第23页，本讲稿共58页2逐次逼近型逐次逼近型ADC电路电路图图 10.2.7 逐次逼近型逐次逼近型ADC电路电路数字输出n位D/A转换器逐次逼近寄存器(SAR)逻辑控制电路偏移电压D/2比较器CPUREFQ0Dn1CuIC1C采样/保持电路uSuOOuDn2D1D0Q1Qn2Qn1第24页，本讲稿共58页 在在时时钟钟脉脉冲冲CP的的作作用用下下，逻逻辑辑控控制制电电路路产产生生转转换换控控制制信信号号C1，其其作作用用是是：当当C1=1时时，采采样样/保保持持电电路路采采样样，采采样样值值uS跟跟随随输输入入模模拟拟电电压压uI变变化化，A/D转转换换电电路路停停止止转转换换，将将上上一一次次转转换换的的结结果果经经输输出出电电路路输输出出；当当C1=0时时，采采样样/保保持持电电路路停停止止采采样样，输输出出电电路路禁禁止止输输出出，A/D转转换换电电路路开开始始工工作作，将将由由比比较较器器A的反相端输入的模拟电压采样值转换成数字信号。的反相端输入的模拟电压采样值转换成数字信号。逐逐次次逼逼近近型型ADC电电路路实实现现A/D转转换换的的基基本本思思想想是是“逐逐次次逼逼近近”（或或称称“逐逐位位比比较较”），也也就就是是由由转转换换结结果果的的最最高高位位开始，开始，从高位到低位依次确定每一位的数码是从高位到低位依次确定每一位的数码是0还是还是1。在转换开始之前，在转换开始之前，先将先将n位逐次逼近寄存器位逐次逼近寄存器SAR清零。清零。第25页，本讲稿共58页 在在第第一一个个CP作作用用下下，将将SAR的的最最高高位位置置1，寄寄存存器器输输出出为为10000。这这个个数数字字量量被被D/A转转换换器器转转换换成成相相应应的的模模拟拟电电压压uO，经经偏偏移移/2后后得得到到uO=uO-/2，然然后后将将它它送送至至比比较较器器的的正正相相输输入入端端与与ADC输输入入模模拟拟电电压压的的采采样样值值uS相相比比较较。如如果果uOuS，则则比比较较器器的的输输出出C=1，说说明明这这个个数数字字量量过过大大了了，逻逻辑辑控控制制电电路路将将SAR的的最最高高位位复复0；如如果果uO uS，则则比比较较器器的的输输出出C=0，说说明明这这个个数数字字量量小小了了，SAR的的最最高高位位将将保保持持1不不变变。这这样样就就确定了转换结果的最高位是确定了转换结果的最高位是0还是还是1。第26页，本讲稿共58页 在在第第二二个个CP作作用用下下，逻逻辑辑控控制制电电路路在在前前一一次次比比较较结结果果的的基基础础上上先先将将SAR的的次次高高位位置置1，然然后后根根据据uO和和uS的的比比较较结果以确定结果以确定SAR次高位的次高位的1是保留还是清除。是保留还是清除。在在CP的的作作用用下下，按按照照同同样样的的方方法法一一直直比比较较下下去去，直直到到确确定定了了最最低低位位是是0还还是是1为为止止。这这时时SAR中中的的内内容容就就是是这这次次A/D转转换换的的最最终终结结果果。下下面面我我们们以以一一个个例例子子具具体体说说明明A/D转转换的过程。换的过程。第27页，本讲稿共58页 【例【例10.2.1】在图】在图10.2.7电路中，若基准电压电路中，若基准电压UREF=-8 V，n=3。当采样当采样-保持电路输出电压保持电路输出电压uS=4.9 V时，试列表说明逐时，试列表说明逐次逼近型次逼近型ADC电路的电路的A/D转换过程。转换过程。解解 由由UREF=-8 V、n=3可求得量化单位：可求得量化单位：偏移电压为偏移电压为/2=0.5 V。当当uS=4.9 V时，逐次逼近型时，逐次逼近型ADC电路的电路的A/D转换过程如表转换过程如表10.2.2所示。所示。第28页，本讲稿共58页表表10.2.2 例例10.2.1逐次逼近型逐次逼近型ADC电路的电路的A/D转换过程表转换过程表第29页，本讲稿共58页 转转化化的的结结果果D2D1D0=101，其其对对应应的的量量化化电电平平为为5 V，量量化化误误差差=0.1 V。如如果果不不引引入入偏偏移移电电压压，按按照照上上述述过过程程得得到到的的A/D转转换换结结果果D2D1D0=100，对对应应的的量量化化电电平平为为4 V，量量化化误误差差=0.9 V。可可见见，偏偏移移电电压压的的引引入入是是将将只只舍舍不不入入的的量量化化方式变成了有舍有入的量化方式。方式变成了有舍有入的量化方式。第30页，本讲稿共58页 与与并并行行比比较较型型ADC电电路路相相比比，逐逐次次逼逼近近型型ADC电电路路的的转转换换速速度度要要慢慢很很多多，完完成成一一次次n位位的的转转换换必必须须经经过过（n1）个个时时钟钟周周期期。当当时时钟钟脉脉冲冲的的频频率率一一定定时时，ADC的的位位数数越越多多，完完成成一一次次转转换换所所需需的的时时间间越越长长。而而时时钟钟最最高高频频率率则则主主要要受受逐逐次次比比较较器器、逼逼近近型型寄寄存存器器和和D/A转转换换器器延延迟迟时时间间的的限限制制。但但逐逐次次逼逼近近型型ADC电电路路比比并并行行比比较较型型ADC电电路路简简单单，无无论论位位数数如如何何增增加加，都都只只用用一一个个比比较较器器，仅仅需需要要增增加加逼逼近近型型寄寄存存器器和和D/A转转换换器器的的位位数数就就可可以以了了，所所以以比比较较容容易易做做到到较较高高的的精精度度。因因此此，逐逐次次逼逼近近型型ADC电电路路广广泛泛应应用用于于高高精精度度、中中速速以以下下的的集集成成ADC中。中。第31页，本讲稿共58页 3 双积分型双积分型ADC电路电路 双双积积分分型型ADC电电路路是是一一种种间间接接A/D转转换换电电路路。它它的的转转换换原原理理是是先先把把模模拟拟电电压压转转换换成成与与之之成成正正比比的的时时间间变变量量T，然然后后在在时时间间T内内对对固固定定频频率率的的时时钟钟脉脉冲冲计计数数，计计数数的的结结果果就就是是正比于模拟电压的数字量。正比于模拟电压的数字量。图图10.2.8所所示示为为双双积积分分型型ADC电电路路的的原原理理框框图图，它它主主要要由由积积分分器器、过过零零比比较较器器、计计数数器器/定定时时器器、逻逻辑辑控控制制电电路路和模拟开关构成。和模拟开关构成。第32页，本讲稿共58页图图 10.2.8 双积分型双积分型ADC电路电路UREFCRS2S1uO积分器过零比较器CP计数器S1数字量输出CCP&逻辑控制电路S2CAuSuI第33页，本讲稿共58页 积积分分器器是是转转换换器器的的核核心心部部分分，它它由由运运算算放放大大器器和和RC网网络络构构成成，积积分分常常数数=RC。积积分分器器的的输输入入端端接接单单刀刀双双掷掷模模拟拟开开关关S1，在在逻逻辑辑控控制制电电路路的的作作用用下下，S1在在不不同同的的阶阶段段分分别别将将极极性性相相反的模拟电压反的模拟电压uI和基准电压和基准电压UREF接入积分器进行积分。接入积分器进行积分。过过零零比比较较器器的的反反相相输输入入端端接接积积分分器器的的输输出出uO，正正相相输输入入端端接接地地。即即当当uO0时时，过过零零比比较较器器的的输输出出C=1，使使时时钟钟脉脉冲冲通通过过与与门门加加到到计计数数器器的的时时钟钟输输入入端端；当当uO0时时，过过零零比比较较器器的的输出输出C=0，计数器的时钟输入端无时钟信号。计数器的时钟输入端无时钟信号。第34页，本讲稿共58页 下下面面我我们们以以正正极极性性的的直直流流电电压压信信号号为为例例，说说明明双双积积分分型型ADC电电路路的的A/D转转换换过过程程。+在在转转换换开开始始之之前前，逻逻辑辑控控制制电电路路输输出出控控制制信信号号，使使计计数数器器清清零零，同同时时使使开开关关S2闭闭合合，电电容容C完完全全放放电电。当当开开关关S2打打开开时时，就就开开始始进进行行A/D转转换换，整整个个转换过程包含两次积分，故称为双积分型转换过程包含两次积分，故称为双积分型ADC电路。电路。第一次积分第一次积分对模拟电压对模拟电压uI的固定时间的固定时间T1积分。积分。第35页，本讲稿共58页 设设时时间间t=0时时，开开关关S1将将模模拟拟电电压压uI接接入入积积分分器器开开始始积积分分，积积分分器器输输出出uO的的变变化化如如图图10.2.9中中T1段段所所示示。由由于于uO0，所所以以过过零零比比较较器器输输出出C=1，时时钟钟脉脉冲冲CP通通过过与与门门加加到到计计数数器器的的时时钟钟输输入入端端，数数器器从从0开开始始计计数数。在在2n个个时时钟钟脉脉冲冲过过后后（n为为计计数数器器的的位位数数），计计数数器器又又回回到到0，这这时时逻逻辑辑控控制制电电路路使使开开关关S1切切换换到到基准电压基准电压UREF上，第一次积分结束。上，第一次积分结束。第一次积分所用的时间第一次积分所用的时间T1=2nTCP其其中中TCP是是时时钟钟脉脉冲冲的的周周期期。当当第第一一次次积积分分结结束束时时，积积分分器器输输出出的电压为的电压为:(10.2.4)第36页，本讲稿共58页第二次积分第二次积分对基准电压对基准电压UREF的反向积分。的反向积分。当当时时间间t=t1时时，开开关关S1将将极极性性为为负负的的基基准准电电压压UREF接接入入积积分分器器开开始始反反向向积积分分，积积分分器器输输出出uO的的变变化化如如图图10.2.9中中T2段段所所示示。计计数数器器从从0开开始始重重新新计计数数。当当时时间间t=t2时时，uO的的电电压压线线性性上上升升到到0，比比较较器器输输出出C=0，与与门门关关闭闭，计计数数器器停停止止计计数数，第第二二次次积积分分过过程程也也告告结结束束，计计数数器器的的数数值值D就就是是A/D转换输出的数字量。转换输出的数字量。t2时刻的电压可写为时刻的电压可写为(10.2.29)第37页，本讲稿共58页于是有于是有:(10.2.6)(10.2.7)由式由式10.2.7可以看出，数字量可以看出，数字量D与与uI的大小成正比。的大小成正比。第38页，本讲稿共58页图图10.2.9 双积分型双积分型ADC电路各点的波形电路各点的波形第39页，本讲稿共58页 【例例10.2.2】在在图图10.2.8电电路路中中，设设基基准准电电压压UREF=-10 V，计计数数器器的的位位数数n=10，则则完完成成一一次次转转换换最最长长需需要要多多长长时时间间？若若输输入入的的模模拟拟电电压压uI=5 V，试试求求转转换换时时间间和和输输出出的的数数字字量量D各各为为多少？多少？解解 双双积积分分型型ADC电电路路的的第第一一次次积积分分时时间间T1是是固固定定的的，第第二二次次积积分分时时间间T2与与输输入入模模拟拟电电压压的的值值成成正正比比。当当T1=T2时时，完完成一次转换的时间最长，成一次转换的时间最长，即即:第40页，本讲稿共58页当当uI=5 V时，转换时间为时，转换时间为输出的数字量输出的数字量D为为第41页，本讲稿共58页 双双积积分分型型ADC电电路路的的优优点点是是转转换换精精度度可可以以做做得得很很高高。一一方方面面由由式式10.2.7可可以以看看出出，转转换换结结果果的的精精度度仅仅与与基基准准电电压压的的准准确确度度有有关关，而而对对积积分分时时间间常常数数、时时钟钟脉脉冲冲的的周周期期都都没没有有严严格格的的要要求求，只只要要它它们们在在两两次次积积分分过过程程中中保保持持一一样样就就可可以以了了；而而且且由由于于在在输输入入端端使使用用了了积积分分器器，所所以以该该电电路路对对平平均均值值为为零零的的噪噪声声有有很很强强的的抑抑制制能能力力。另另一一方方面面，只只要要增增加加计计数数器器的的级级数数，就就可可以以很很方方便便地地增增加加输输出出数数字字量量的的位位数数，从从而而减减小小量量化化误误差差。双双积积分分型型ADC电电路路的的缺缺点点是是转转换换速速度度低低，一一般般为为几几ms几几百百ms。所所以以双双积积分分型型ADC电电路路在在低低速速、高高精精度度集集成成ADC中中的的应用相当广泛。应用相当广泛。第42页，本讲稿共58页10.2.3 集成集成ADC的主要技术指标的主要技术指标 衡衡量量A/D转转换换器器性性能能的的技技术术指指标标有有很很多多，其其中中最最主主要要的的是是转换精度和转换速度，其次还有转换电压范围等特性参数。转换精度和转换速度，其次还有转换电压范围等特性参数。1 输入电压范围输入电压范围 输输入入电电压压范范围围是是指指集集成成A/D转转换换器器能能够够转转换换的的模模拟拟电电压压范范围围。单单极极性性工工作作的的芯芯片片的的输输入入电电压压范范围围有有+5 V、+10 V或或-5 V、-10 V等等，双双极极性性工工作作的的有有以以0V为为中中心心的的2.5 V、5 V、10 V等等，其其值值取取决决于于基基准准电电压压的的值值。理理论论上上最最大大输输入入电电压压Umax=UREF(2n-1)/2n，有时也用，有时也用UREF近似代替。近似代替。第43页，本讲稿共58页 2 转换精度转换精度 集成集成ADC的转换精度也采用分辨率和转换误差来描述。的转换精度也采用分辨率和转换误差来描述。1）分辨率分辨率 分分辨辨率率又又称称为为分分解解度度，它它指指的的是是A/D转转换换器器对对输输入入模模拟拟信信号号的的分分辨辨能能力力，通通常常用用输输出出数数字字量量的的位位数数n来来表表示示。例例如如，n位位二二进进制制ADC，它它可可分分辨辨2n个个不不同同等等级级的的模模拟拟量量，这这些些模模拟拟量量之之间间的的最最小小差差别别为为Umax/2n（即即量量化化单单位位）。可可见见，分分辨辨率率所所描描述述的的也也就就是是A/D转转换换的的固固有有误误差差量量化化误误差差，它它指指出出了了ADC在在理理论论上上所所能能达达到到的的精精度度。根根据据量量化化方方式式的的不不同同，=或或=/2。当当输输入入模模拟拟电电压压的的范范围围一一定定时时，数数字字量量的的位位数数n越越大，量化误差越小，分辨率越高。大，量化误差越小，分辨率越高。第44页，本讲稿共58页 2）转换误差转换误差 转转换换误误差差是是指指ADC实实际际输输出出的的数数字字量量与与理理论论上上应应该该输输出出的的数数字字量量之之间间的的差差值值，通通常常以以最最大大值值的的形形式式给给出出，表表示示为为最最低低有有效效位位的的位位数数。例例如如，给给出出转转换换误误差差LSB/2，表表示示ADC实实际际值值与与理理论论值值之之间间的的差差别别最最大大不不超超过过半半个个最最低低有有效效位位。有有时时也用最大输入模拟信号（也用最大输入模拟信号（FSR）的百分数来表示转换误差，如）的百分数来表示转换误差，如0.05FSR。ADC的的转转换换误误差差是是由由A/D转转换换电电路路中中各各种种元元器器件件的的非非理理想想特特性性造造成成的的，它它是是一一个个综综合合性性指指标标，也也包包括括比比例例系系数数误误差差、失失调调误误差差和和非非线线性性误误差差等等多多种种类类型型误差，其成因与误差，其成因与D/A转换电路类似。转换电路类似。必必须须指指出出，由由于于转转换换误误差差的的存存在在，一一味味地地增增加加输输出出数数字字量量的的位位数数并并不不一一定定能能提提高高ADC的的精精度度，必必须须根根据据转转换换误误差差小小于于等等于于量量化化误误差差这这一一关关系系，合合理理地地选选择择输输出出数数字字量的位数。量的位数。第45页，本讲稿共58页 3 转换速度转换速度 ADC的的转转换换速速度度用用完完成成一一次次转转换换所所用用的的时时间间来来表表示示。它它是是指指从从接接收收到到转转换换控控制制信信号号起起，到到输输出出端端得得到到稳稳定定有有效效的的数数字字信信号号为为止止所所经经历历的的时时间间。转转换换时时间间越越短短，说说明明ADC的的转转换换速速度度越越快快。有有时时也也用用每每秒秒钟钟能能完完成成转转换换的的最最大大次次数数转转换换速速率率来来描描述述ADC的的转转换换速速度度。A/D转转换换器器的的转转换换速速度度主主要要取取决决于于转转换换电电路路的的类类型型，不不同同类类型型转转换电路的转换速度相差甚远。换电路的转换速度相差甚远。第46页，本讲稿共58页 1 ADC芯片的选择原则芯片的选择原则 目前，目前，集成集成ADC芯片的种类繁多，性能各不相同。我们在芯片的种类繁多，性能各不相同。我们在选用集成选用集成ADC时，应该主要考虑以下几点：时，应该主要考虑以下几点：（1）输入模拟信号的特征，包括输入模拟信号的范围、输输入模拟信号的特征，包括输入模拟信号的范围、输入方式（单端输入或差分输入）和模拟信号的最高有效频率等。入方式（单端输入或差分输入）和模拟信号的最高有效频率等。（2）输入模拟通道，输入模拟通道，是单通道还是多通道。是单通道还是多通道。（3）转换精度和转换速度，转换精度和转换速度，这是集成这是集成ADC最重要的两个性最重要的两个性能指标。能指标。第47页，本讲稿共58页 （4）输输出出数数字字量量的的特特征征，包包括括数数字字量量的的编编码码方方式式（自自然然二二进进制制码码、补补码码、偏偏移移二二进进制制码码、BCD码码等等）、数数字字量量的的输输出出方方式式（串串行行输输出出或或并并行行输输出出，三三态态输输出出、缓缓冲冲输输出出或或锁锁存存输输出）以及逻辑电平的类型（出）以及逻辑电平的类型（TTL电平、电平、CMOS电平等）。电平等）。（5）工工作作环环境境要要求求，这这里里主主要要是是指指ADC的的工工作作电电压压、参参考考电电压压、工工作作温温度度、功功耗耗、封封装装以以及及可可靠靠性性等等性性能能要要与与应应用用系系统相适应。统相适应。第48页，本讲稿共58页 2 ADC0809简介简介 ADC0809是是由由美美国国国国家家半半导导体体公公司司（NSC）生生产产的的8位位逐逐次次逼逼近近型型A/D转转换换器器，芯芯片片内内采采用用CMOS工工艺艺。该该器器件件具具有有与与微微处处理理器器兼兼容容的的控控制制逻逻辑辑，可可以以直直接接与与Z80、8051、8085等微处理器接口相连。等微处理器接口相连。第49页，本讲稿共58页 1）ADC0809的性能的性能 8位并行、位并行、三态输出；三态输出；转换时间：转换时间：100 s；转换误差：转换误差：1LSB；TTL标准逻辑电平；标准逻辑电平；8个单端模拟输入通道，输入模拟电压范围个单端模拟输入通道，输入模拟电压范围0+5 V；单一电源供电单一电源供电+5 V；外接参考电压外接参考电压0+5 V；功耗功耗15 mW；工作温度工作温度070。第50页，本讲稿共58页2）ADC0809的内部结构和引脚说明图图10.2.10 ADC0809的内部结构框图的内部结构框图第51页，本讲稿共58页 引脚说明：引脚说明：输入模拟信号输入模拟信号:IN0IN7为为8路路模模拟拟电电压压输输入入，可可由由8路路模模拟拟开开关关选选择择其其中任何一路送至中任何一路送至8位位A/D转换电路进行转换。转换电路进行转换。输出数字信号：输出数字信号：D0D7为为A/D转转换换器器输输出出的的8位位二二进进制制数数。其其中中，D7为为最最高位，高位，D0为最低位。为最低位。地址信号：地址信号：ADDC、ADDB、ADDA为为3位位地地址址信信号号。3位位地地址址经经锁锁存存和和译译码码后后，决决定定选选择择哪哪一一路路模模拟拟电电压压进进行行A/D转转换换，对对应应关关系如表系如表10.2.3所示。所示。第52页，本讲稿共58页表表10.2.3 模拟输入信号的选择模拟输入信号的选择第53页，本讲稿共58页 控制与状态信号：控制与状态信号：ALE为为地地址址锁锁存存允允许许信信号号，它它是是1个个正正脉脉冲冲信信号号，在在脉脉冲冲的的上上升升沿沿将将3位位地地址址ADDC、ADDB和和ADDA存存入入锁锁存存器器。CLK为为时时钟钟脉脉冲冲输输入入，频频率率范范围围是是10 k1280 kHz。START为为A/D转转换换的的启启动动信信号号，它它是是正正脉脉冲冲信信号号，在在START的的上上升升沿沿，将将逐逐次次比比较较寄寄存存器器清清0，在在START的的下下降降沿沿开开始始转转换换。EOC为为转转换换结结束束标标志志，高高电电平平有有效效。在在START的的上上升升沿沿到到来来后后，EOC变变成成低低电电平平，表表示示正正在在进进行行A/D转转换换；A/D转转换换结结束束后后，EOC跳跳到到高高电电平平。所所以以EOC可可以以作作为为通通知知数数据据接接收收设设备备开开始始读读取取A/D转转换换结结果果的的启启动动信信号号，或或者者作作