AD转换器的原理.ppt

第三节模/数转换器一、模/数转换的一般过程二、模/数转换原理三、数/模转换器的主要技术参数四、集成A/D转换器一、模/数转换的一般过程1.采样和保持2.量化和编码1.采样和保持为了把模拟信号转换成对应的数字信号，必须首先将模拟量每隔一定时间抽取一次样值，使时间上连续变化的模拟量变为一个时间上断续变化的模拟量，这个过程称为采样。为了保证采样后的信号能恢复原来的模拟信号，要求采样的频率S与被采样的模拟信号的最高频率imax应满足下面关系图14-9UiUGVTRiCAUO图14-9采样、保持电路原理图2.量化和编码 数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。这就是说，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数值单位的整数倍。而采样、保持所得电压信号虽呈阶梯状但电平仍是连续变化的，即不是数字量。因此，必须将采样保持后的信号的大小局限在这些规定的离散电平上，即在进行A/D转换时，必须将采样保持后的电压化为某个规定的最小单位的整数倍，这一过程称为量化。所取的最小数量单位叫做量化单位，用表示。显然，数字信号最低有效位的1代表的数值大小就等于。将量化幅值用二进制代码或二十进制代码等表示出来的过程称为编码。那些代表模拟信号各采样值的代码组就是A/D转换的结果。由于模拟信号是连续的，所以它就不一定能被整除，因此量化过程不可避免地会引入误差，我们称这种误差为量化误差。二、模/数转换原理1.逐次逼近式A/D转换器2.并行比较型A/D转换器3.双积分A/D转换器1.逐次逼近式A/D转换器 逐次逼近式A/D转换器是一种反馈比较型A/D转换器。它的基本构思是：取一个数字量加到D/A转换器，于是得到一个输出模拟比较电压。将这个模拟电压与输入的模拟电压信号比较，如果两者不等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的数字量就是所求的转换结果。逐次逼近式A/D转换器是目前反馈比较型A/D转换器中使用最多的一种。逐次逼近式A/D转换器原理图D/A转换器控制逻辑脉冲源数码寄存器并行数字输出DULUiUf图14-10逐次逼近式A/D转换器原理图ACUC模拟信号输入逐次逼近式A/DQCUC4位位DACSRFFAQASRFFBQBSRFFC&1&2&3Q5C&6&7&8D2D1D0UfUiCP图14-11逐次逼近型ADC1DQ1FF11DQ2FF21DQ3FF31DQ4FF41DQ5FF5QDSRFFD&4Q51DQ6FF6&D35这是一个输出为4位二进制代码的逐次逼近式 A/D转 换 器。控 制 逻 辑 电 路 6个 D触 发 器FF1FF6和门14构成，其中6个D触发器组成环形移位寄存器；逐次逼近寄存器由4个RS钟控触发器FFA、FFB、FFC、FFD组成；4位DAC用来产生反馈比较电压Uf；门58输出4位数字量D3D2D1D0；C为电压比较器。设ADC满量程可输入电压Um=100mV，下面分析将采样保持模拟信号Ui=65mV转换成数字信号的过程。2.并行比较型A/D转换器 图14-12所示为3位二进制输出的并行比较型A/D转换器的逻辑图。这是一个直接A/D转换器，它由电压比较器、缓冲寄存器和编码器（代码转换器）几部分组成。图中，UR为电压比较器的基准电源电压，输入的模拟电压幅值范围为0UR。并行比较型A/DQ1Q71DC61DC51DC41DC31DC21DC11DRRRRRRRR/2URUiCP编码器D2D1D0图14-12并联比较型A/D转换器Q6FF7FF6Q5FF5FF4Q4FF3Q3FF2Q2FF1C73.双积分A/D转换器这是一种间接A/D转换器。间接A/D转换器是先将模拟信号电压变换为相应的某种形式的中间信号（如变为时间、频率等），然后再将这个中间信号变换为二进制代码输出。目前，用的最多的是电压时间（V-T）变换型间接A/D转换器。图14-13和14-14分别为双积分A/D转换组成框图和原理图。它由积分器、过零比较器、脉冲信号源及控制逻辑电路组成。双积分式A/D转换方法的基础是测量两个时间，一个是输入模拟电压向电容充电的固定时间，另一个是在已知参考电压下电容放电所需的时间。输入模拟电压与参考电压的比值就等于上述两个时间之比。双积分A/D转换器的组成框图和原理图uiSC积分器基准电源比较器控制逻辑时钟计数器数字量输出A1A2图14-13双积分式A/D转换器组成框图OBAT固定积分时间T1T2固定斜率积 分 输出t正比于输入电压图14-14双积分式A/D转换器原理图三、数/模转换器的主要技术参数1.分辨率2.转换速度3.相对误差四、集成A/D转换器目前使用的一般都是集成A/D转换器，其种类 很 多，如 AD571，AD7135，AD0804、5G14433，ADC0809等。下面以ADC0809为例，简单介绍其结构和使用。ADC0809是CMOS单片8通道A/D转换器，采用双列直插式28引脚封装。它主要由逐次逼近式A/D转换器、8位模拟开关、三态输出数据锁存器、以及地址锁存与译码等组成。ADC0809ADC0809的主要特征是：可直接与微型机系统相连，不需要另加接口逻辑，也可以单独使用；具有锁存控制的8路模拟开关，可以输入8个模拟信号；分辨率为8位；输入输出引脚与TTL电路兼容；转换时间100S。当输入模拟电压范围在05V时，可使用+5V电源。图14-15EOCOC149GNDVCCUREF(-)UREF(+)CLK1526IN0IN1IN28位模拟开关8位A/D转换电路三端数据锁存器地址锁存与译码IN3IN4IN5IN6IN72728123451714818192021D0D1D2D3D4D5D6D722ALECBA2324251516121067START图14-15ADC0809内部结构框图及引脚功能图ADC0809的引脚功能 IN0IN7：为8路模拟电压输入端。它可对8路模拟信号进行转换。但某一时刻只能选择一路进行转换。“选择”由地址锁存器和译码器控制。D0D7：8位数据量输出端。A、B、C：模拟输入通道的地址选择线。ALE：地址锁存允许信号，高电平有效。START：为启动转换输入端。其上升沿使内部寄存器清零。START和ALE两端可连在一起，当通过程序送入一个正脉冲，便立即开始A/D转换。ADC0809的引脚功能EOC：转换结束输出端。OE：输出允许端。当从这引脚输入高电平时，打开“三态输出锁存器”，将转换结果经D0D7数据线送至系统数据线或I/O接口数据线。UREF(+)、UREF(-)：分别为参考电压的正端和负端。无特别要求时，一般UREF(+)可与芯片电源VCC共用一种电源，即与VCC相连，而UREF(-)与芯片接地端相连。CLK：A/D转换时钟脉冲输入端，时钟脉冲由外部电路提供，典型时钟频率为640Hz。VCC、GND：分别为芯片电源和接地端。