数电模~数转换器精.ppt

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1、1第1页，本讲稿共37页即实现即实现 A/D转换，一般要经过转换，一般要经过4个过程：个过程：取样、保持、量化、编码。取样、保持、量化、编码。实际电路中，取样和保持、量化和编码往往同时进行。实际电路中，取样和保持、量化和编码往往同时进行。2、A/D转换器的分类：转换器的分类：（1）直接）直接A/D转换器：转换器：将输入的模拟电压直接（不需要中间变量）将输入的模拟电压直接（不需要中间变量）转换为数字量。转换为数字量。并行比较型并行比较型:由电压比较器、触发器、寄存器构成，可以不由电压比较器、触发器、寄存器构成，可以不附加取样附加取样-保持电路。（见保持电路。（见P269：8.3.2）特点特点：转

2、换速度快，但随着输出代码数位的增加，电路规模急剧：转换速度快，但随着输出代码数位的增加，电路规模急剧膨胀。膨胀。2第2页，本讲稿共37页 反馈比较型反馈比较型：由：由D/A转换器、电压比较器、转换器、电压比较器、寄存器等构成，寄存器等构成，取一个数字量加到取一个数字量加到D/A转换器上，得到一个对应的模拟输出电压，转换器上，得到一个对应的模拟输出电压，将其与待转换的模拟电压相比较，若两者不等，则调整所取的数字量，将其与待转换的模拟电压相比较，若两者不等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，此时，所取的数字量即为转换结果。直到两个模拟电压相等为止，此时，所取的数字量即为转换结果。其转换

3、思路是其转换思路是:常用典型电路为常用典型电路为逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器：转换器：（见（见P271：8.3.3）特点：特点：转换速度较慢，但数位较多时，电路规模比并行比较型转换速度较慢，但数位较多时，电路规模比并行比较型小得多，且转换精度高。小得多，且转换精度高。是目前集成是目前集成A/D转换器中应用最多的一种。转换器中应用最多的一种。3第3页，本讲稿共37页（2）间接）间接A/D转换器：转换器：电压电压-频率变换型（频率变换型（V-F变换型）变换型）首先将输入模拟首先将输入模拟电压电压转换为与之成正比的转换为与之成正比的频率频率信号，然后在固信号，然后在固定的时间间隔内，对频率信号计

4、数，计数结果就是正比于输入模定的时间间隔内，对频率信号计数，计数结果就是正比于输入模拟电压的数字量。拟电压的数字量。电压电压-时间变换型（时间变换型（V-T变换型）变换型）首先将输入模拟电压转换为与之成正比的时间宽度信号，然首先将输入模拟电压转换为与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果就后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果就是正比于输入模拟电压的数字量。是正比于输入模拟电压的数字量。典型电路有典型电路有双积分双积分A/D转换器。转换器。（见（见P273：8.3.4）转换速度慢，但工作性能比较稳定，特别是转换速度慢，但工作性能比较稳定，特

5、别是双积分双积分A/D转转换器抗干扰能力强，对元器件的要求较低，所以在数字仪换器抗干扰能力强，对元器件的要求较低，所以在数字仪表中应用非常广泛。表中应用非常广泛。间接间接A/D转换器的特点：转换器的特点：4第4页，本讲稿共37页1、取样与保持、取样与保持n取样电路：取样电路：Sv vIv vOS(t)TSt0v vIt0S(t)t0v vOTC：取样时间；：取样时间；此时，开关闭合，此时，开关闭合，v vO=v vITS：取样周期：取样周期fS：1/TS取样频率取样频率TS-TC：开关断开，：开关断开，v vO=0TCfS2fmax取样保持取样保持8.3.1 A/D 转换的基本原理转换的基本原

6、理取样信号取样信号S（t）频率越高，所得信号）频率越高，所得信号经低通滤波器后，越能真实地复现经低通滤波器后，越能真实地复现输入信号。输入信号。合理的取样频率由合理的取样频率由取样取样定理定理决定。决定。f fmax为输入模拟为输入模拟电压最高频率分电压最高频率分量的频率。量的频率。取样取样信号信号取样定理取样定理5第5页，本讲稿共37页取样保持电路取样保持电路 （不讲）（不讲）（a）电路结构（）电路结构（b）典型接法）典型接法集成取样保持电路集成取样保持电路 LF198 外接的外接的保持电容保持电容CH的取值必须兼顾的取值必须兼顾输出电压下降率输出电压下降率和和获取获取时间时间两方面的要求。

7、两方面的要求。实际电路实际电路6第6页，本讲稿共37页受控受控模拟开关模拟开关控制单元控制单元A1、A2电压跟电压跟随器随器保护保护二极管二极管(1)v vL=1S闭合闭合v vO=v vO=v vI 电容电容CH充电至充电至v vI 取样阶段取样阶段(2)v vL=0S断开断开电容电容CH上电压无放电回路上电压无放电回路 v vO维持原来的值不变维持原来的值不变 保持阶段保持阶段?运算放大器运算放大器输入电阻极高！输入电阻极高！7第7页，本讲稿共37页2.量化与编码量化与编码数字信号在数值上是离散的。数字信号在数值上是离散的。任何数字量只能是某个任何数字量只能是某个最小数量单位最小数量单位的

8、整数倍。的整数倍。采样采样保持电路的输出电压需按某种近似方式归化到与之相应的离散电保持电路的输出电压需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。平上。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。量化量化编码编码8第8页，本讲稿共37页n量化：量化：将样值化成最小将样值化成最小量化单位量化单位的整数倍的过程。的整数倍的过程。量化误差量化误差:由于模拟电压是连续的，所以由于模拟电压是连续的，所以取样电压不一取样电压不一定能被定能被整除，因此，量化过程

9、不可避免地会引入误差，整除，因此，量化过程不可避免地会引入误差，称为量化误差。称为量化误差。量化单位量化单位 量化的最小单位：量化的最小单位：即：即：D001时所代表的数值时所代表的数值(VLSB)。量化误差属于原理误差，无法消除。量化误差属于原理误差，无法消除。但位数越多，误差越小。但位数越多，误差越小。只舍不入量化方式只舍不入量化方式四舍五入的量化方式四舍五入的量化方式 量化方式：量化方式：9第9页，本讲稿共37页111110101100011010001000编码编码010=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号输

10、入信号 量化后量化后电压电压 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。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1/8V=1LSB=1/8 V例：将例：将01V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码(1)只舍不入（舍尾求整法）只舍不入（舍尾求整法）10第10页，本讲稿共37页 将不足半个量化单位部分舍弃，等于或大于半个量化单位部分按将不足半个量化单位部分舍弃，等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。一个量化单位处理。最大量化误差为：最大量化误差为：

11、最小量化单位：最小量化单位：111110101100011010001000编码编码6=12/15 v5=10/15 v010=0 v7=14/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v输入输入信号信号模拟模拟电平电平=1LSB=2/15 V1/15V例：将例：将01V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码(2)有舍有入（四舍五入法）有舍有入（四舍五入法）11第11页，本讲稿共37页8.3.2 并行并行A/D转换器转换器图图8-3-3 三位并行三位并行A/D转换器转换器(1)分分压压器器：由由8个个精精密密电电阻阻组组成成，将参考电压分成将参考电压分成7级，

12、分别为级，分别为(2)电压电压比较器比较器：C1C7若后者大于前者，电压比较器输出若后者大于前者，电压比较器输出为为1；否则输出为；否则输出为0。各级各级参考参考电压接于反相输入端；电压接于反相输入端；输入模拟电压接于同相输入端。输入模拟电压接于同相输入端。1 1、三位并行、三位并行A/D转换器的转换器的组成组成12第12页，本讲稿共37页图图8-3-3 三位并行三位并行A/D转换器转换器 7个正边沿个正边沿D触发器构成；输触发器构成；输入为各电压比较器的输出。入为各电压比较器的输出。(4)编码器：编码器：8/3线优先编码器：线优先编码器：输入低电平有效；输入低电平有效；优先级别：优先级别：I

13、7 I1；三位反码输出。三位反码输出。(3)寄存器：寄存器：第13页，本讲稿共37页2、工作原理工作原理图图8-3-3 三位并行三位并行A/D转换器转换器VI=8VREF/1511110009VREF/157VREF/155VREF/15001设输入电压设输入电压VI=8VREF/15对对I3=0编码编码011的反码的反码10014第14页，本讲稿共37页 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

14、 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 表表8-3-1 3位并行位并行A/D转换器输入与输出关系对照表转换器输入与输出关系对照表15第15页，本讲稿共37页+C7

15、C11DQ7+C6C11DQ6+C5C11DQ5+C4C11DQ4+C3C11DQ3+C2C11DQ2+C1C11DQ1线线优优先先编编码码器器8/3RRRRRRRR/2VREFv vI115VREFVREF1315315VREFVREF1115CPD1D0D2C01C02C03C04C05C06C07I1I2I3I4I5I6I78/3线优先编码器：线优先编码器：输入高电平有效；输入高电平有效；优先级别：优先级别：I7 I1；三位原码输出。三位原码输出。VREF 915VREF 715VREF 515VI=8VREF/151111000仍设输入电压仍设输入电压VI=8VREF/15对对I4=1

16、编码编码100001看另外一张图：看另外一张图：16第16页，本讲稿共37页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v vI同时加到所有比较器的输入端。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如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与v vI输入时刻同时输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。获得的。所以它的转换时间最短。（几十纳秒）（几十纳秒）缺点：电路复杂，如三位缺点：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个电个电阻。位数越多，电路越复杂。阻。位数越多，电路越复杂。为了解决提高分辨率和

17、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。等。17第17页，本讲稿共37页若天平有四个砝码共重若天平有四个砝码共重15克，克，每个重量分别为每个重量分别为8、4、2、1克。克。设待秤重量设待秤重量Wx=13克，克，可以用下表步骤来秤量：可以用下表步骤来秤量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次

18、第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx，故撤除，故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论8.3.3 逐次比较型逐次比较型A/D1.1.工作原理工作原理:类似用天平秤重。类似用天平秤重。18第18页，本讲稿共37页1)寄存器清零寄存器清零2)启动负脉冲启动负脉冲CP1移位寄存器最高位置移位寄存器最高位置1，其它位置，其它位置0。经数码寄存器经数码寄存器将将1000D/A转换器输出转换器输出v vo=VRE

19、F/2。，8-3-41组成框图：组成框图：2工作过程：工作过程：设设 I=6.84VVREF=-10V=5V1 0 0 01 0 0 00 0 0 019第19页，本讲稿共37页3)v vo 与与v vI比较比较，若若v vI VREF/2电压比较器输出电压比较器输出1若若v vI VREF/2电压比较器输出电压比较器输出0存于寄存于寄存器的存器的Dn-1位位8-3-4 I=6.84V11VREF=-10V=5V5V120第20页，本讲稿共37页4)CP2移位寄存器次高位置移位寄存器次高位置1，其它低位置，其它低位置0，经数码寄存器经数码寄存器将将*1000D/A转换器输出转换器输出v vo=

20、(3/4)VREF=7.5V，8-3-40 1 0 0=7.5V1 1 0 0 I=6.84VVREF=-10V121第21页，本讲稿共37页v vo 与与v vI比较比较，5)再将再将决定寄存器次高位决定寄存器次高位Dn-2，8-3-47.5V I=6.84VVREF=-10V=7.5V010依次类推依次类推得到输出数字量。得到输出数字量。22第22页，本讲稿共37页图图8-3-5 8位逐次比较型位逐次比较型A/D转换器波形图转换器波形图设设v vI=6.84V，VREF=-10V 由此可见，由此可见，经经8个时钟周期，得到个时钟周期，得到A/D转换的结果：转换的结果：D7D0为为10101

21、111 该数字量对应的模拟电该数字量对应的模拟电压为压为6.835937 相对误差仅为相对误差仅为 0.06%8-3-5 即完成一次转换需要的即完成一次转换需要的时间：时间：t=n TCPTCP：时钟脉冲周期脉冲周期逐次逼近逐次逼近A/D转换器的特点：转换器的特点：转换精度高，转换速度较慢。转换精度高，转换速度较慢。23第23页，本讲稿共37页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，把输入电压的平均值转换成与之成正比的时间间隔，把输入电压的平均值转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，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔

22、，则，计数结果即为相应的数字信号。则，计数结果即为相应的数字信号。8.3.4 双积分型双积分型A/D转换器转换器属于间接型属于间接型A/D(电压电压-时间变换型，即时间变换型，即V-T型型)基本原理基本原理:24第24页，本讲稿共37页1电路组成：电路组成：Qn=0，S1接接A端端1，S1接接B端端积分器（积分器（A）过零比较器（过零比较器（c）时钟控制门（时钟控制门（G）n位二进制计数器位二进制计数器（FF0FFn-1）定时器定时器FFn8-3-6受控受控开关开关25第25页，本讲稿共37页（1）准准备备阶阶段段:控控制制电电路路提提供供清清零零信信号号，计计数数器器清清零零，S2闭闭合合，

23、电电容容C放电至放电至0，S2再开启。再开启。（2）第一阶段：第一阶段：定时积分（对定时积分（对VI积分）积分）：t=0 时刻时刻，Qn=0S=0S1 1接通接通A端，积分器从端，积分器从0 0开始负向积分，开始负向积分，过零比较器输出高电平过零比较器输出高电平与门开启与门开启计数器从计数器从0开始计数；开始计数；8-3-62工作过程：以工作过程：以 v vI为正直流电压为例为正直流电压为例 26第26页，本讲稿共37页第一次积分结束时，积分器的输出电压第一次积分结束时，积分器的输出电压第一次积分时间为第一次积分时间为 t=T1=2nTc经经2n个时钟脉冲后，计数器个时钟脉冲后，计数器FF0F

24、Fn-1清零清零定时器输出定时器输出Qn=1 开关开关S1接通接通B端。端。第一阶段结束。第一阶段结束。8-3-627第27页，本讲稿共37页即有：即有：t=t1 时，时，S1接通接通B端，积分器对端，积分器对-VREF从从VP开始开始正向积分，正向积分，同时，计数器又从同时，计数器又从0 0开始计数（因为仍有开始计数（因为仍有v vo0 v vc=1），当），当t=t2 时时v vo0 v vc=0 时钟控制门时钟控制门G关闭关闭计数器停止计数。计数器停止计数。（3）第二阶段：第二阶段：定压积分（对定压积分（对-VREF积分）积分）：8-3-628第28页，本讲稿共37页与输入模拟量成正比与

25、输入模拟量成正比T2=Tc设此期间计数器累计的时钟脉冲数为设此期间计数器累计的时钟脉冲数为即即则第二次积分时间为则第二次积分时间为中间变量中间变量T2=t2 t18-3-629第29页，本讲稿共37页（4）休止阶段：）休止阶段：第二次积分结束，控制电第二次积分结束，控制电路又使开关路又使开关S2闭合，电容闭合，电容C放电，积分器回放电，积分器回0，电路再，电路再次进入准备阶段，等待下次进入准备阶段，等待下一次转换。一次转换。3、工作波形：、工作波形：8-3-730第30页，本讲稿共37页4、说明：、说明：1）若取）若取VREFREF=2n伏，则伏，则 4）上述电路仅为基本电路，没有包括控制电路

26、等。）上述电路仅为基本电路，没有包括控制电路等。即计数器所计的数在数值上等于被转换的模拟电压。即计数器所计的数在数值上等于被转换的模拟电压。2）VREF与与VI极性必须相反；极性必须相反；3）VIVREF电路才能正常工作，否则计数器将溢出。电路才能正常工作，否则计数器将溢出。31第31页，本讲稿共37页 2）由于两次相反的积分采用同一积分器，所以元件参数变化）由于两次相反的积分采用同一积分器，所以元件参数变化对转换精度的影响可以忽略。对转换精度的影响可以忽略。5、双积分、双积分A/D转换器的特点：转换器的特点：1）有很强的抗工频干扰的能力，尤其对周期等于）有很强的抗工频干扰的能力，尤其对周期等

27、于T1或几或几分之一分之一T1的对称干扰，理论上有无穷大的抑制能力。的对称干扰，理论上有无穷大的抑制能力。3）缺点：转换速度较慢（几十）缺点：转换速度较慢（几十几百毫秒）几百毫秒）。在数字仪表中有非常广泛的应用在数字仪表中有非常广泛的应用32第32页，本讲稿共37页 1、分辨率：以输出二进制代码的位数表示。位数越多，量分辨率：以输出二进制代码的位数表示。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。化误差越小，转换精度越高。2、转换误差：表示实际输出数字量与理论值之间的差别，转换误差：表示实际输出数字量与理论值之间的差别，常用最低有效位的倍数表示。常用最低有效位的倍数表示。完成一次完成一次A/D转换所

28、需要的时间，即从它接到转换命令起直到输转换所需要的时间，即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。8.3.5 A/D 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 一、转换精度：一、转换精度：二、转换时间：二、转换时间：双积分双积分A/D的的转换时间转换时间需要需要2n 2TCP33第33页，本讲稿共37页8.3.6 集成集成A/D转换器简介转换器简介34第34页，本讲稿共37页本章小结本章小结 1、A/D 和和D/A转换器是现代数字系统中的重要部件，发展转换器是现代数字系统中的重要部件，发展趋势是高速度、高分辨率、易于与微机接口。趋势是

29、高速度、高分辨率、易于与微机接口。权电流型：转换速度快、精度高，在双极型单片集成权电流型：转换速度快、精度高，在双极型单片集成D/A转换器中，应用最多。转换器中，应用最多。2、D/A转换器：转换器：倒倒T型电阻网络型：转换速度较高、无峰值干扰，但对元器型电阻网络型：转换速度较高、无峰值干扰，但对元器件的要求很高；件的要求很高；35第35页，本讲稿共37页逐次逼近逐次逼近A/D转换器兼顾两者的优点，应用最普遍。转换器兼顾两者的优点，应用最普遍。end 3、D/A转换器有两种输出方式转换器有两种输出方式(单、双极性输出单、双极性输出)，使用中，应，使用中，应根据输入数字量的情况选择。根据输入数字量的情况选择。还应根据输出电压的要求，选择合适的基准电压值和极还应根据输出电压的要求，选择合适的基准电压值和极性，并进行调零和调满操作。性，并进行调零和调满操作。4、A/D转换器：转换器：并行并行A/D转换器转换速度最高；转换器转换速度最高；双积分双积分A/D转换器精度高，抗干扰性强，但转换速度慢；转换器精度高，抗干扰性强，但转换速度慢；36第36页，本讲稿共37页作业作业2：P279 8.3.2 8.3.337第37页，本讲稿共37页