数模转换器基本原理及常见结构.ppt

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1、数模转换器基本原理及常见结构 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望8.3 模数转换器（模数转换器（ADC）ADC作用：作用：将模拟量转换为数字量。将模拟量转换为数字量。主要应用主要应用：(低速低速)数字万用表，电子秤数字万用表，电子秤等；等；(中速中速)工业控制，实验设备等；工业控制，实验设备等；(高速高速)数字通信、导弹测远等；数字通信、导弹测远等；(超高速超高速)数字音频、数字音频、视频信号变换、气象数据分析处理。视频信号变换、气象数据分析处理。AD

2、C输入是模拟量，输出是数字量；输入是模拟量，输出是数字量；ADC输出的数字量可视为输入电压输出的数字量可视为输入电压(电电流流)与基准电压与基准电压(电流电流)相比所占的比例。相比所占的比例。ADC输出与输入关系可表示如下：输出与输入关系可表示如下：即即ADC是将输入信号是将输入信号Ain与其所能分辨的与其所能分辨的最小电压增量最小电压增量VREF/2n相比较，得到与输入模相比较，得到与输入模拟量对应的倍数（拟量对应的倍数（取整取整）。）。3位位ADC示意图示意图 输出数字量对输出数字量对应一个应一个模拟区间模拟区间8.3.1 ADC的基本原理的基本原理一、采样和采样定理一、采样和采样定理AD

3、C周期性地将输入模拟值转换成与其大周期性地将输入模拟值转换成与其大小对应的数字量，该过程称为小对应的数字量，该过程称为采样采样。采样是否会造成丢失某些信息？采样是否会造成丢失某些信息？时域采样定理：时域采样定理：一个频带有限的信号一个频带有限的信号f(t)，如果其频谱在区间如果其频谱在区间(m,m)以外为零，则它以外为零，则它可以唯一的由其在均匀间隔可以唯一的由其在均匀间隔Ts(Ts1/2fm)上的样上的样点值点值f(nTs)确定。确定。即只要即只要采样脉冲频率采样脉冲频率fs大于或等于大于或等于输入信号输入信号中最高频率中最高频率fm的两倍（的两倍（fs 2fm），则采样后的），则采样后的输

4、出信号就能够不失真地恢复出模拟信号。输出信号就能够不失真地恢复出模拟信号。二、采样二、采样/保持电路保持电路模拟量到数字量转模拟量到数字量转换需要一定时间，在此换需要一定时间，在此期间要求采样所得的样期间要求采样所得的样值保持不变。这个过程值保持不变。这个过程需有相应电路实现。需有相应电路实现。Ctw，故，故Vs的变的变化与化与Vi同步。同步。VsLF198 三、量化和编码三、量化和编码模拟信号经模拟信号经S/H得到的得到的取样值取样值仍属模拟范仍属模拟范畴，畴，需经量化需经量化（将取样值表示为最小数量单位将取样值表示为最小数量单位的整数倍的整数倍）处理，）处理，才能转换才能转换为时间上和数值

5、上为时间上和数值上都为离散的数字信号。都为离散的数字信号。最小数量单位称量化单位最小数量单位称量化单位(1=1LSB)。编码：编码：将将量化结果用数字代码表示量化结果用数字代码表示出来。出来。常见有自然二进制编码、二进制补码编码。常见有自然二进制编码、二进制补码编码。因取样值为输入信号某些时刻的瞬时值，因取样值为输入信号某些时刻的瞬时值，它们不可能都正好是量化单位的整数倍，即在它们不可能都正好是量化单位的整数倍，即在量化时不可避免地会引入量化误差量化时不可避免地会引入量化误差()。量化误差：量化误差：有限位有限位ADC产生的输出数据的产生的输出数据的等效模拟值与实际输入模拟量之间的差值。等效模

6、拟值与实际输入模拟量之间的差值。量化误差的量化误差的大小大小与量化方式、量化单位、与量化方式、量化单位、ADC编码位数、基准电压大小有关。编码位数、基准电压大小有关。常用的量化方式：常用的量化方式：舍入量化舍入量化和和截断量化截断量化两种方式两种方式。例如：例如：FSR=1V的的3位位ADC，其分辨率为，其分辨率为1/8V（1LSB）。分别采用舍入量化和截断量）。分别采用舍入量化和截断量化两种方式，化两种方式，情况如下情况如下：LSB/21.5LSB舍入量化舍入量化截断量化截断量化量化值量化值量化区间中点量化区间中点量化区间末端量化区间末端输出输出001H量化点误差为量化点误差为0 Vi=1/

7、8V量化点误差为量化点误差为0Vi=1/8V1/16Vi3/16(V)1/8Vi2/8(V)最大最大误差误差1/81/16;1/83/16LSB/21/82/81LSB(2n1)个个2n一一、并行（、并行（闪速闪速）ADC可有可有2n种种比较结果比较结果即即n位位数字量数字量8.3.2 ADC的基本原理的基本原理VinI6 I5 I4 I3 I2 I1 I0Y2 Y1 Y0量化值量化值0Vin1V11111110000V1VVin2V01111110011V2VVin3V00111110102V3VVin4V00011110113V4VVin5V00001111004V5VVin6V00000

8、111015V6VVin7V00000011106V7VVin8V00000001117V3位并行比较型位并行比较型ADC的转换的转换真值表真值表优点：优点：转换快（仅一个时钟周期）。转换快（仅一个时钟周期）。不足：不足：n较大时，比较器、分压电阻数量较大时，比较器、分压电阻数量太大，难以保证其准确性及一致性。太大，难以保证其准确性及一致性。NextNext二、逐次逼近式二、逐次逼近式ADC开始前清零开始前清零!比较器比较器即完成一次转换需即完成一次转换需n+1个时钟周期。个时钟周期。首先首先，置置DN-1“1”，若，若VP=“H”，则保，则保留留DN-1=“1”；否则，；否则，DN-1=“0

9、”。然后，然后，置置DN-2“1”，若，若VP=“H”，则保，则保留留DN-2=“1”；否则，；否则，DN-2=“0”。D0位确定，转换结束。位确定，转换结束。优点：优点：技术成熟，精度较高、速度较快。技术成熟，精度较高、速度较快。不足：不足：对对Vi中噪声敏感，输入端需用中噪声敏感，输入端需用S/H电路（电路（ADC转换期间转换期间Vi要恒定要恒定）。）。SAR ADC 转换的时序波形转换的时序波形（Vin=6.8V8位二进制数）位二进制数）Tclk=10sTcon=90s三、双积分式（三、双积分式（双斜式双斜式）ADCVi0放电开关放电开关控制控制K1置位置位原理原理波形波形结果结果过程过

10、程 K1K2电容电容 积分输出积分输出 比较器比较器计数器计数器开始开始 地地 通通 放电放电Vo=0采样采样Vi0向下向下反转反转开始计数开始计数直到溢出直到溢出编码编码VR02断断反向反向充电充电线性下降线性下降 低电平低电平重新计数重新计数Vo0向上向上反转反转停止计数停止计数输出结果输出结果1、双积分式、双积分式ADC工作原理工作原理电路电路结果结果溢出值恒定溢出值恒定t1恒定恒定反向充电电压恒定反向充电电压恒定Vi不同积分不同积分输出不同输出不同VR恒定恒定斜率恒定斜率恒定采样结束采样结束：编码结束：编码结束：2、双积分式、双积分式ADC转换结果转换结果令计数脉冲周期为令计数脉冲周期

11、为TC，则则t1=N1TC；t2=N2TC。优点：优点：N2Vi，抗干扰性和精度较好。抗干扰性和精度较好。不足：不足：转换速度慢，转换速度慢，20次次/s。分辨率：分辨率：能分辨的最小输入变化量能分辨的最小输入变化量。可。可用分辨率、相对分辨率或以数字位数表示。用分辨率、相对分辨率或以数字位数表示。8.3.3 ADC的主要参数的主要参数一一、转换精度转换精度设设ADC位数为位数为n，满量程范围，满量程范围FSR。分辨率分辨率=FSR/2n；直接表示；直接表示n；例：例：FSR=10V的的12位位ADC，其分辨率表，其分辨率表示：分辨率示：分辨率2.44mV、0.0244%、12位。位。n越大分

12、辨越大分辨率越高率越高信噪比（信噪比（SNR）：ADC输出端信号与噪输出端信号与噪声之比，用声之比，用dB表示。对于正弦波输入信号，表示。对于正弦波输入信号，信噪比的理论值满足信噪比的理论值满足6dB规则：规则：SNR=(6.02n1.76)dB 式中：式中：n为为ADC的位数，即的位数，即ADC的位数的位数每增加一位，每增加一位，SNR值增加约值增加约6dB。利用利用ADC实际信噪比，可求其有效位数实际信噪比，可求其有效位数(ENOB)：其它参数（总谐波失真、互调失真等）自学。其它参数（总谐波失真、互调失真等）自学。转换时间：转换时间：从启动从启动ADC转换开始到正确转换开始到正确输出数字信

13、号的一段时间间隔。输出数字信号的一段时间间隔。注意：注意：实际应用中，在实际应用中，在ADC完成转换后完成转换后到数据被读出之前，不允许有新的转换。到数据被读出之前，不允许有新的转换。二、二、ADC的转换时间和转换速率的转换时间和转换速率转换速率：转换速率：单位时间（每秒）内单位时间（每秒）内ADC重重复转换的次数。复转换的次数。与硬件连接、与硬件连接、编程方法等编程方法等有关。有关。三、三、ADC的接口特性的接口特性ADC与外部电路连接时的特性，包括与外部电路连接时的特性，包括:输入特性：输入特性：电压电压(电流电流)范围、输入极性范围、输入极性(单、双极性单、双极性)、模拟信号最高有效频率

14、等。、模拟信号最高有效频率等。输出特性：输出特性：编码方式编码方式(自然或偏移二进制自然或偏移二进制码等码等)、输出方式、输出方式(串、并行；三态、缓冲、锁串、并行；三态、缓冲、锁存输出存输出)以及电平类型以及电平类型(TTL、CMOS等等)。控制特性：控制特性：启动转换、转换完成；片选信启动转换、转换完成；片选信号号(CS)、数据读、数据读(RD)等控制信号等控制信号端。端。8.3.4 典型典型ADC介绍（介绍（ADC0809）dip28封装封装误差误差1LSB决定转换时间决定转换时间+5V单电源；单电源；15 mW功耗功耗单极性单极性05 VADC0809工作时序图工作时序图清零清零启动启

15、动CLK：要求频率：要求频率101280kHz，典型值，典型值640kHz。转换进行中转换进行中转换结束转换结束ADC0809与与8031的接口电路的接口电路1、根据分辨率确定、根据分辨率确定ADC位数位数n设设ADC电压输入范围为电压输入范围为FSR，位数为，位数为n，要求分辨率为要求分辨率为M。则。则标称位数标称位数8、10、12、14等等例：例：某某ADC的的FSR=10V，系统要求分辨，系统要求分辨率率M=2mV。试确定其位数。试确定其位数。可选可选13位位一、一、ADC的选择的选择8.4.3 ADC的应用的应用2、根据采集速度确定、根据采集速度确定ADC的转换速度的转换速度设系统转换

16、速率为设系统转换速率为f；硬件延迟时间；硬件延迟时间ty；ADC转换时间为转换时间为tcon。则：。则：T1/f。T=ty +tcon 3、ADC其它方面的选择需注意事项其它方面的选择需注意事项输出信号的编码方式；与其他逻辑电平输出信号的编码方式；与其他逻辑电平的匹配情况；控制信号是否合乎要求等。另的匹配情况；控制信号是否合乎要求等。另外，外，转换时间要与应用系统匹配。转换时间要与应用系统匹配。二、二、ADC的调整的调整使用使用ADC通常要调整通常要调整其失调和增益误差。方其失调和增益误差。方法：硬件、软件消除。法：硬件、软件消除。基准基准标准转换值标准转换值实测值实测值8Vyhxh-8Vyl

17、xl将两组数据代入将两组数据代入方程方程y=max+b可求出可求出ma（实际增益）实际增益）和和b（实际失调）（实际失调）。有了有了ma、b及实测输出及实测输出x，用，用y=max+b即可即可得到消除了增益和失调误差标准输出。得到消除了增益和失调误差标准输出。三、三、高分辨率高分辨率ADC与微处理器的接口与微处理器的接口 当当ADC位数位数大于大于CPU数据宽度的接口方数据宽度的接口方法（法（通常通常ADC提供两次读出数据控制提供两次读出数据控制）。）。数据线数据线为三态为三态 数据线数据线非三态非三态 8.4.4 ADC的应用电路的应用电路一、数据采集系统一、数据采集系统将被采样的模拟信将被

18、采样的模拟信号变化范围变换为接近号变化范围变换为接近ADC输入模拟信号的满输入模拟信号的满量程范围。量程范围。目的：目的：为了为了减小减小ADC的量化误差的量化误差。二、二、ADC的满量程转换的满量程转换 例如例如：被采样信号被采样信号Vi=0mV11mV；单极；单极性性ADC采用截断量化，采用截断量化，FSR=10V，输出位数，输出位数12位。位。量化区间大小：量化区间大小：2.44mVPGA取值取值1100D=Vi/(分辨率分辨率)11/2.44=4.511100/2.44=450.8截断量化后截断量化后D=4=004HD=450=1C2H相应无误差相应无误差模拟量模拟量42.44mV=9

19、.76mV4502.44mV/100=10.98mV相对误差相对误差11.3%0.18%05V如：单极性如：单极性ADC采样双极性输入电压。采样双极性输入电压。三、三、ADC的功能扩展的功能扩展Vi=-5V对应对应Dn-1D0为全为全0。Vi=+5V对应对应 Dn-1D0为全为全1。双极性电压双极性电压单极性电压单极性电压四、常用数据处理技术四、常用数据处理技术为消除采样数据中干扰，可用硬件方法，为消除采样数据中干扰，可用硬件方法，也可用软件对采样数据进行处理，使采样数据也可用软件对采样数据进行处理，使采样数据尽可能接近其真实值，以提高精度。尽可能接近其真实值，以提高精度。1、消除系统零点漂移

20、与增益漂移、消除系统零点漂移与增益漂移 如：通过两组数据求如：通过两组数据求y=max+b中中ma、b。2、采样数据的标度变换、采样数据的标度变换 非电物理量非电物理量电量电量数字量数字量有意义数有意义数字量（标度变换：线性、非线性参数变换）。字量（标度变换：线性、非线性参数变换）。3、采样数据的数字滤波（、采样数据的数字滤波（减少干扰比重减少干扰比重）1、驱动问题、驱动问题：通常，在通常，在DAC之之后或后或ADC之前需加放之前需加放大电路，对模拟信号加以放大。大电路，对模拟信号加以放大。2、合理使用、合理使用S/H：DAC之后加之后加S/H可消除突跳；可消除突跳；ADC之之前加前加S/H可提高采样频率。可提高采样频率。3、在芯片处需将模拟、数字地相接。、在芯片处需将模拟、数字地相接。DAC和和ADC在工程应用中在工程应用中需要注意的问题需要注意的问题小结小结1、ADC基本原理（基本原理（并行最快并行最快）；）；2、ADC性能参数（性能参数（分辨率、量化误差、分辨率、量化误差、转换时间转换时间）。3、ADC使用方法（使用方法（选器件选器件设计接口电设计接口电路路正确调整减小误差。正确调整减小误差。4、掌握基本扩展方法（单、掌握基本扩展方法（单双）；双）；并注并注意使用中驱动、接地问题。意使用中驱动、接地问题。作业：作业：8.8、8.9、8.12 思考题：思考题：8.16