數(shù)電第9章DAAD轉(zhuǎn)換-2

1、9.2.6 集成集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用9.2 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程轉(zhuǎn)換的一般工作過程9.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2.4 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)概述概述ADCDnD0輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量I 輸入模擬電壓輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量。能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量。1. A/D功能功能:9.2 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2. A/D轉(zhuǎn)換器分類轉(zhuǎn)換器分類 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型 特點

2、特點: 轉(zhuǎn)換速度快轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 10ns 1 s, 但電路復(fù)雜。但電路復(fù)雜。 逐次逼近型逐次逼近型 特點特點: 轉(zhuǎn)換速度適中轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 為幾為幾 s 100 s, 轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達到一個很好的平衡轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達到一個很好的平衡。 雙積分型雙積分型 特點特點: 轉(zhuǎn)換速度慢轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 幾百幾百 s 幾幾ms,但抗干擾能力最強。但抗干擾能力最強。取取樣樣時間上離散的信號時間上離散的信號保持、量化保持、量化量值上也離散的信號量值上也離散的信號編碼編碼模擬信號模擬信號時間上和量值上都連續(xù)時間上和量值上

3、都連續(xù)數(shù)字信號數(shù)字信號時間上和量值上都離散時間上和量值上都離散9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程轉(zhuǎn)換的一般工作過程 A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣，取樣， 保持，量化及編碼保持，量化及編碼4個過程個過程。1. 取樣與保持取樣與保持 采樣是將隨時間連續(xù)變化的模采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量擬量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量。 采樣信號采樣信號S(t)的頻率愈高，所采的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實地復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻地復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定率由采樣定理確定。 采樣定理：設(shè)采樣信號采樣定理：設(shè)采樣信

4、號S(t)的頻的頻率為率為fs，輸入模擬信號，輸入模擬信號 I(t)的最的最高頻率分量的頻率為高頻率分量的頻率為fimax，則則 fs 2fimaxS(t)=1:開關(guān)閉合開關(guān)閉合S(t)=0:開關(guān)斷開開關(guān)斷開 O(t) I(t) TG S(t) 0 0 0 O (t) S(t) I (t) t t t TS I t O t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 (b) 波形圖 采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的?；幋a過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求

5、將所采樣的模擬信號保持一段時間。擬信號保持一段時間。采樣采樣保持保持取樣與保持取樣與保持電路及工作原理電路及工作原理 I A1 A2 S CH 開關(guān)驅(qū)開關(guān)驅(qū) 動電路動電路 采樣采樣保持保持 控制電路控制電路 O 2. 量化與編碼量化與編碼數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣保持電路的輸出電壓還需保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個

6、代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。 量化量化3.編碼編碼在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被 整除，所以量化前整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用 表示。表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越 多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。 兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方兩種近似量化方式

7、：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。式。 4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式量化方式LSB1max V8701V86V85V84V83V82V811111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v輸入信號輸入信號編碼編碼量化后量化后電壓電壓a ) 只舍不入量化方式只舍不入量化方式:量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。對于等于或大于一個量化單位部

8、分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最大量化誤差為：最小量化單位最小量化單位1/8V=1LSB= 1/8 V例：將例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為電壓轉(zhuǎn)換為3位二進制代碼位二進制代碼b )四舍五入量化方式四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最大量化誤差為：最小量化單位：最小量化單位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4

9、/15v1=2/15 v輸入信號輸入信號編碼編碼模擬模擬電平電平V1513V1511V159V157V155V153V1512LSBmax =1LSB= 2/15 V2LSBmax 1/15V例：將例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為電壓轉(zhuǎn)換為3位二進制代碼位二進制代碼9.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 R I VREF VREF 13 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 15 VREF 1 15 R R R/2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 1D C1 Q I1 1D

10、 C1 Q I2 1D C1 Q I3 1D C1 Q I4 1D C1 Q I5 1D C1 Q I6 1D C1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)優(yōu)先先編編碼碼器器 (LSB(M SB)0 電壓比較器電壓比較器輸入模擬輸入模擬電壓電壓精密電阻精密電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)精密參考精密參考電壓電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)輸出數(shù)字量字量1、電路組成、電路組成 R I VR E F R C P R R R R R R /2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C0 1 C0 2 C0

11、 3 C0 4 C0 5 C0 6 C0 7 1 D C 1 Q I1 1 D C 1 Q I2 1 D C 1 Q I3 1D C 1 Q I4 1D C 1 Q I5 1D C 1 Q I6 1D C 1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)優(yōu)先先編編碼碼器器 (L S B )D0 (M S B)0 VI=8VREF/151111000001 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 1 5VREF

12、/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 根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀

13、態(tài)由與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D D觸發(fā)器存觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。 3、電路特點：、電路特點：在并行在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓 I同時加到所有比較器的輸同時加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數(shù)字量是與入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數(shù)字量是與 I輸輸入時刻同時獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時間最短。入時刻同時獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時間最短。 缺點是電路復(fù)雜，如三位缺點是電路復(fù)雜，如三位ADC需需7個比較器、個比較器、7個觸發(fā)器、個觸發(fā)器、8個電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。個電阻。

14、位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并行轉(zhuǎn)換的方法。行轉(zhuǎn)換的方法。 單片集成并行比較型單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的公司的AD9012 (TTL工藝工藝8位位)、AD9002 (ECL工藝，工藝，8位位)、AD9020 (TTL工藝，工藝，10位位)等。等。 所加砝碼所加砝碼重量重量 結(jié)果結(jié)果 9.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似 。第一次第一次8 克克砝碼總重砝碼總重 待測

15、重量待測重量Wx ，8克砝碼保留克砝碼保留8 克克第二次第二次再加再加4克克砝碼總重仍砝碼總重仍 待測重量待測重量Wx ， 2克砝碼撤除克砝碼撤除12 克克第四次第四次再加再加1克克砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ， 1克砝碼保留克砝碼保留13 克克1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 所用砝碼重量：所用砝碼重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克?？?。設(shè)待秤重量設(shè)待秤重量Wx = 13克?？?。1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 I 啟動脈沖啟動脈沖 CP 時鐘時鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數(shù)字數(shù)字 量輸出量輸出 D/

16、A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1 0 0 0 1 0 0 0 5V I 5V 1 A=6.84VVREF=10V第一個第一個CP：1. 1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 第二個第二個CP： I 啟動脈沖啟動脈沖 CP 時鐘時鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數(shù)字數(shù)字 量輸出量輸出 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 1 0 0 1 1 0 0 7.5V10 I 7.5V I=6.84VVREF=10V1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 第三個第三個CP： I

17、啟動脈沖啟動脈沖 CP 時鐘時鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數(shù)字數(shù)字 量輸出量輸出 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 0 1 0 1 0 1 0 6.25V I 6.25V 101 A=6.84VVREF=10V 7.50000 6.2500 6.8750 6.5625 6.71875 6.796875 6.835937 0.00 5.0000 10 s CP 啟啟 動動 脈脈 沖沖 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 O V 9 8 7 6 5 4 3

18、 2 1 0 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換 時時 間間 = 80 s t / s 10000000 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 111000000101000001011000010101000101011001010111010101111小結(jié)：小結(jié)：1、 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；多轉(zhuǎn)換精度越高；2、逐次比較型、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時間與其位數(shù)時間與其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短少，時鐘頻率越高

19、，轉(zhuǎn)換所需時間越短； 9.2.4 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1、雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想 對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱轉(zhuǎn)換器也稱為電壓時間數(shù)字式積分器為電壓時間數(shù)字式積分器 。 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1

20、FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & 數(shù)字量輸數(shù)字量輸C A B G G n 級計數(shù)器級計數(shù)器 定定時時信信號號 (MSB) (LSB) Tc 1、電路組成、電路組成 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & 數(shù)字量輸數(shù)字量輸C A B G G n 級計數(shù)器級計數(shù)器

21、定定時時信信號號 (MSB) (LSB) Tc 0 00 00 00 00 0Cr信號將計數(shù)器清零；開關(guān)信號將計數(shù)器清零；開關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，閉合，待積分電容放電完畢后，斷開斷開S2 使電容的初始電壓為使電容的初始電壓為0。2、工作原理、工作原理準(zhǔn)備階段：準(zhǔn)備階段： tdt0IO1 經(jīng)過經(jīng)過2n個個CP11TVI (2) 第一次積分：第一次積分：t = t0時，開關(guān)時，開關(guān)S1與與A端相接，積分器開始對端相接，積分器開始對 I積分。積分。經(jīng)經(jīng)2n個個CP后后,開關(guān)切換到開關(guān)切換到B， ，=VP。第一積分時間為第一積分時間為2nTC + + + I S1 S2 R FFn S1

22、VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-D1 D0 & C A B G G n 級計數(shù)器級計數(shù)器 定定時時信信號號 VREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進行第二次積分；當(dāng)加到積分器的輸入端，積分器反方向進行第二次積分；當(dāng)t=t2時積分器輸出電壓時積分器輸出電壓 O0，比較器輸出，比較器輸出 C=0，時鐘脈沖控制，時鐘脈沖控制門門G被關(guān)閉，計數(shù)停止。被關(guān)閉，計數(shù)停止。(3) (3) 第二次積分：第二次積分： + + + I S1 S2 R FFn S1 VRE

23、F O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-D1 D0 & C A B G G n 級計數(shù)器級計數(shù)器 定定時時信信號號 S1 Qn 0 0 O 0 C 0 C 0 T1 T2 t1 t2 + I VREF T1 T2 P t t t t t T1=2nTC1112nCPTTVVV OI01tdt 21O2pREF1( )()0tttVVdtnREF2CI2VTTVnC2IREF2 TTVV T2= Tc n2IcREF2TVTVT2=t1 t2 在計數(shù)器所計的數(shù)在計數(shù)器所

24、計的數(shù) =Qn-1Q1Q0， 就是就是A/D轉(zhuǎn)換器得到的結(jié)果。轉(zhuǎn)換器得到的結(jié)果。9.2.4 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器nC2IREF2 TTVV優(yōu)點：優(yōu)點：1.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)RC無關(guān)，從而消除了積分非線無關(guān)，從而消除了積分非線 性帶來的誤差。性帶來的誤差。2.由于雙積分由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換器在T1時間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，時間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值， 因此具有很強的抗工頻干擾的能力。因此具有很強的抗工頻干擾的能力。 T1=2nTC3. 只要求時鐘源在一個轉(zhuǎn)換周期時間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。只要求時鐘源在一個轉(zhuǎn)換周期時間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。n2IcREF2

25、TVTV1.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 9.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 單片集成單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述的。述的。 分辨率分辨率: 說明說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。通常以輸出二進轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。通常以輸出二進制制(或十進制或十進制)數(shù)的位數(shù)表示。數(shù)的位數(shù)表示。 轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差： 表示表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。量之間的差別。 2.轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 指指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換