AD转换器原理分析.pptx

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1、概述ADCDnD0输出数字量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。1.A/D功能:9.2 A/D 转换器第1页/共32页2.A/D转换器分类 并联比较型 特点:转换速度快,转换时间 10ns 1s,但电路复杂。逐次逼近型 特点:转换速度适中,转换时间 为几s 100 s,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。双积分型 特点:转换速度慢,转换时间 几百s 几ms,但抗干扰能力最强。第2页/共32页取样时间上离散的信号保持、量化量值上也离散的信号编码模拟信号时间上和量值上都连续数字信号时间上和量值上都离散9.2.1 A/D转换的一般工作过程 A/D转换器一般要包括

2、取样，保持，量化及编码4个过程。第3页/共32页1.取样与保持 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。采样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。采样定理：设采样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号I(t)的最高频率分量的频率为fimax，则 fs 2fimaxS(t)=1:开关闭合S(t)=0:开关断开第4页/共32页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拟信号保持一段时间。采样保持取样与保持电路及工作原理第5页/共32页2.量化与编码数

3、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。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A/D转换器输出的数字量。量化3.编码第6页/共32页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。A/D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。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5.量化方式第7页/共32页0111

4、11101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号编码量化后电压a)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；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：最小量化单位1/8V=1LSB=1/8 V例：将01V电压转换为3位二进制代码第8页/共32页b)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，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：最小量化单位：011111101011000110100010000=0 v7=14

5、/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v输入信号编码模拟电平=1LSB=2/15 V1/15V例：将01V电压转换为3位二进制代码第9页/共32页9.2.2 并行比较型A/D转换器电压比较器输入模拟电压精密电阻网络精密参考电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数字量1、电路组成第10页/共32页VI=8VREF/151111000001第11页/共32页 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF

6、/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

7、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各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。第12页/共32页3、电路特点：在并行A/D转换器中，输入电压I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I输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。缺点是电路复杂，如三位ADC需7个比较器、7个触发器、8个电阻。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，可以采取分级并行转换的方法。单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如AD公司的AD9012(TTL工艺8位)、AD9002(E

8、CL工艺，8位)、AD9020(TTL工艺，10位)等。第13页/共32页所加砝码重量 结果 9.2.3 逐次比较型A/D转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似。第一次8 克砝码总重 待测重量Wx，8克砝码保留8 克第二次再加4克砝码总重仍 待测重量Wx，2克砝码撤除12 克第四次再加1克砝码总重 待测重量Wx，1克砝码保留13 克1.转换原理 所用砝码重量：8克、4克、2克和1克。设待秤重量Wx=13克。第14页/共32页1.转换原理 1 0 0 0 1 0 0 0 I 5V 1A=6.84VVREF=10V第一个CP：第15页/共32页1.转换原理 第二个CP：0 1 0 0 1 1

9、 0 0 10I 7.5V I=6.84VVREF=10V第16页/共32页1.转换原理 第三个CP：0 0 1 0 1 0 1 0 I 6.25V 101A=6.84VVREF=10V第17页/共32页10000000A=6.84VVREF=10V1010111111000000101000001011000010101000101011001010111010101111第18页/共32页小结：1、逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；2、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数n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；第19页/共32页9

10、.2.4 双积分式A/D转换器1、双积分式A/D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，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，进而得到相应的数字量输出。双积分式A/D转换器也称为电压时间数字式积分器。第20页/共32页1、电路组成第21页/共32页00000Cr信号将计数器清零；开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，断开S2 使电容的初始电压为0。2、工作原理准备阶段：第22页/共32页经过2n个CP(2)第一次积分：t=t0时，开关S1与A端相接，积分器开始对I积分。经2n个CP后,开关切换到B，=VP。第一积分时间为2nT

11、C第23页/共32页VREF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O0，比较器输出C=0，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停止。(3)第二次积分：第24页/共32页T1=2nTC T2=Tc T2=t1 t2 在计数器所计的数=Qn-1Q1Q0，就是A/D转换器得到的结果。第25页/共32页9.2.4 双积分式A/D转换器优点：1.由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线 性带来的误差。2.由于双积分A/D转换器在T1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。T1=2nTC3.只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。第26页/

12、共32页1.转换精度 9.2.5 A/D转换器的主要技术指标 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述的。分辨率:说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制(或十进制)数的位数表示。转换误差：表示A/D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。第27页/共32页2.转换时间 指A/D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。A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关并行比较A/D转换器的转换速度最高,逐次比较型A/D转换器次之,间接A/D转换器(如双积分A/D)的速度最慢。并行比较A/D转换器(8位）逐次比较型A/D转换器 间

13、接A/D转换器1050s50ns10ms1000ms第28页/共32页 使用A/D转换器时应注意以下几点：(1)转换过程各信号的时序配合100 s9.2.6 集成A/D转换器及其应用第29页/共32页(2)零点和满刻度调节(3)参考电压的调节 (4)接地 模拟电路电源 模拟电路 A/D转换器 数字电路电源 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(AGND)和数字地(DGND)的引脚。模数、数模转换电路中要特别注意到地线的正确连接，否则干扰很严重，以致影响转换结果的准确性。在线路设计中，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。第30页/共32页2.ADC0809的典型应用第31页/共32页谢谢大家观赏！第32页/共32页