數(shù)模轉(zhuǎn)換器基本原理及常見(jiàn)結(jié)構(gòu)

數(shù)模轉(zhuǎn)換器基本原理及常見(jiàn)結(jié)構(gòu)第1頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六§8.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

ADC作用：將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

主要應(yīng)用：(低速)數(shù)字萬(wàn)用表，電子秤等；(中速)工業(yè)控制，實(shí)驗(yàn)設(shè)備等；(高速)數(shù)字通信、導(dǎo)彈測(cè)遠(yuǎn)等；(超高速)數(shù)字音頻、視頻信號(hào)變換、氣象數(shù)據(jù)分析處理。ADC輸入是模擬量，輸出是數(shù)字量；ADC輸出的數(shù)字量可視為輸入電壓(電流)與基準(zhǔn)電壓(電流)相比所占的比例。第2頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六ADC輸出與輸入關(guān)系可表示如下：即ADC是將輸入信號(hào)Ain與其所能分辨的最小電壓增量VREF/2n相比較，得到與輸入模擬量對(duì)應(yīng)的倍數(shù)（取整）。3位ADC示意圖輸出數(shù)字量對(duì)應(yīng)一個(gè)模擬區(qū)間第3頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六§8.3.1ADC的基本原理一、采樣和采樣定理ADC周期性地將輸入模擬值轉(zhuǎn)換成與其大小對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，該過(guò)程稱(chēng)為采樣。采樣是否會(huì)造成丟失某些信息？

時(shí)域采樣定理：一個(gè)頻帶有限的信號(hào)f(t)，如果其頻譜在區(qū)間(－ωm,ωm)以外為零，則它可以唯一的由其在均勻間隔Ts(Ts<1/2fm)上的樣點(diǎn)值f(nTs)確定。第4頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六即只要采樣脈沖頻率fs大于或等于輸入信號(hào)中最高頻率fm的兩倍（fs≥2fm），則采樣后的輸出信號(hào)就能夠不失真地恢復(fù)出模擬信號(hào)。二、采樣/保持電路模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間，在此期間要求采樣所得的樣值保持不變。這個(gè)過(guò)程需有相應(yīng)電路實(shí)現(xiàn)。第5頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六τC<<tw，故Vs的變化與Vi同步。VsLF198第6頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三、量化和編碼模擬信號(hào)經(jīng)S/H得到的取樣值仍屬模擬范疇，需經(jīng)量化（將取樣值表示為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍）處理，才能轉(zhuǎn)換為時(shí)間上和數(shù)值上都為離散的數(shù)字信號(hào)。最小數(shù)量單位稱(chēng)量化單位(1△=1LSB)。

編碼：將量化結(jié)果用數(shù)字代碼表示出來(lái)。常見(jiàn)有自然二進(jìn)制編碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼編碼。第7頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六因取樣值為輸入信號(hào)某些時(shí)刻的瞬時(shí)值，它們不可能都正好是量化單位的整數(shù)倍，即在量化時(shí)不可避免地會(huì)引入量化誤差(ε)。

量化誤差：有限位ADC產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)的等效模擬值與實(shí)際輸入模擬量之間的差值。

量化誤差的大小與量化方式、量化單位、ADC編碼位數(shù)、基準(zhǔn)電壓大小有關(guān)。

常用的量化方式：舍入量化和截?cái)嗔炕瘍煞N方式。第8頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六例如：FSR=1V的3位ADC，其分辨率為1/8V（1LSB）。分別采用舍入量化和截?cái)嗔炕瘍煞N方式，情況如下：LSB/21.5LSB第9頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六舍入量化截?cái)嗔炕炕盗炕瘏^(qū)間中點(diǎn)量化區(qū)間末端輸出001H量化點(diǎn)誤差為0Vi=1/8V量化點(diǎn)誤差為0Vi=1/8V1/16<Vi<3/16(V)1/8<Vi<2/8(V)最大誤差1/8－1/16;

1/8－3/16±LSB/21/8－2/8－1LSB第10頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六(2n－1)個(gè)2n一、并行（閃速）ADC可有2n種比較結(jié)果即n位數(shù)字量§8.3.2ADC的基本原理第11頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六VinI6I5I4I3I2I1I0Y2Y1Y0量化值0≤Vin＜1V11111110000V1V≤Vin＜2V01111110011V2V≤Vin＜3V00111110102V3V≤Vin＜4V00011110113V4V≤Vin＜5V00001111004V5V≤Vin＜6V00000111015V6V≤Vin＜7V00000011106V7V≤Vin＜8V00000001117V3位并行比較型ADC的轉(zhuǎn)換真值表優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換快（僅一個(gè)時(shí)鐘周期）。

不足：n較大時(shí)，比較器、分壓電阻數(shù)量太大，難以保證其準(zhǔn)確性及一致性。第12頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六Next二、逐次逼近式ADC開(kāi)始前清零!比較器即完成一次轉(zhuǎn)換需n+1個(gè)時(shí)鐘周期。第13頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

首先，置DN-1＝“1”，若VP=“H”，則保留DN-1=“1”；否則，DN-1=“0”。

然后，置DN-2＝“1”，若VP=“H”，則保留DN-2=“1”；否則，DN-2=“0”。

……D0位確定，轉(zhuǎn)換結(jié)束。

優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，精度較高、速度較快。

不足：對(duì)Vi中噪聲敏感，輸入端需用S/H電路（ADC轉(zhuǎn)換期間Vi要恒定）。第14頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六SARADC轉(zhuǎn)換的時(shí)序波形（Vin=6.8V→8位二進(jìn)制數(shù)）Tclk=10μsTcon=90μs第15頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三、雙積分式（雙斜式）ADCVi<0VR>0放電開(kāi)關(guān)控制K1置位原理波形結(jié)果第16頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六過(guò)程K1K2電容積分輸出比較器計(jì)數(shù)器開(kāi)始地通放電Vo=0采樣Vi<01斷充電線(xiàn)性增加Vo>0向下反轉(zhuǎn)開(kāi)始計(jì)數(shù)直到溢出編碼VR>02斷反向充電線(xiàn)性下降低電平重新計(jì)數(shù)Vo≤0向上反轉(zhuǎn)停止計(jì)數(shù)輸出結(jié)果1、雙積分式ADC工作原理第17頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六電路①③②結(jié)果溢出值恒定t1恒定反向充電電壓恒定Vi不同積分輸出不同VR恒定斜率恒定第18頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六采樣結(jié)束：編碼結(jié)束：2、雙積分式ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果令計(jì)數(shù)脈沖周期為T(mén)C，則t1=N1TC；t2=N2TC。

優(yōu)點(diǎn)：N2∝Vi，抗干擾性和精度較好。

不足：轉(zhuǎn)換速度慢，≤20次/s。第19頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

⑴分辨率：能分辨的最小輸入變化量。可用分辨率、相對(duì)分辨率或以數(shù)字位數(shù)表示?！?.3.3ADC的主要參數(shù)一、轉(zhuǎn)換精度

設(shè)ADC位數(shù)為n，滿(mǎn)量程范圍FSR。分辨率=FSR/2n；直接表示→n；例：FSR=10V的12位ADC，其分辨率表示：分辨率2.44mV、0.0244%、12位。n越大分辨率越高第20頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第21頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

⑻信噪比（SNR）：ADC輸出端信號(hào)與噪聲之比，用dB表示。對(duì)于正弦波輸入信號(hào)，信噪比的理論值滿(mǎn)足6dB規(guī)則：

SNR=(6.02n＋1.76)dB

式中：n為ADC的位數(shù)，即ADC的位數(shù)每增加一位，SNR值增加約6dB。

利用ADC實(shí)際信噪比，可求其有效位數(shù)(ENOB)：其它參數(shù)（總諧波失真、互調(diào)失真等）自學(xué)。第22頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

轉(zhuǎn)換時(shí)間：從啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換開(kāi)始到正確輸出數(shù)字信號(hào)的一段時(shí)間間隔。

注意：實(shí)際應(yīng)用中，在ADC完成轉(zhuǎn)換后到數(shù)據(jù)被讀出之前，不允許有新的轉(zhuǎn)換。二、ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間（每秒）內(nèi)ADC重復(fù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)。與硬件連接、編程方法等有關(guān)。第23頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三、ADC的接口特性ADC與外部電路連接時(shí)的特性，包括:

輸入特性：電壓(電流)范圍、輸入極性(單、雙極性)、模擬信號(hào)最高有效頻率等。

輸出特性：編碼方式(自然或偏移二進(jìn)制碼等)、輸出方式(串、并行；三態(tài)、緩沖、鎖存輸出)以及電平類(lèi)型(TTL、CMOS等)。

控制特性：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換完成；片選信號(hào)(CS)、數(shù)據(jù)讀(RD)等控制信號(hào)端。第24頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六§8.3.4典型ADC介紹（ADC0809）dip28封裝誤差±1LSB決定轉(zhuǎn)換時(shí)間+5V單電源；15mW功耗單極性0~5V第25頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六ADC0809工作時(shí)序圖清零啟動(dòng)CLK：要求頻率10~1280kHz，典型值640kHz。轉(zhuǎn)換進(jìn)行中轉(zhuǎn)換結(jié)束第26頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六ADC0809與8031的接口電路第27頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1、根據(jù)分辨率確定ADC位數(shù)n設(shè)ADC電壓輸入范圍為FSR，位數(shù)為n，要求分辨率為M。則標(biāo)稱(chēng)位數(shù)8、10、12、14等例：某ADC的FSR=10V，系統(tǒng)要求分辨率M=2mV。試確定其位數(shù)?？蛇x>13位一、ADC的選擇§8.4.3ADC的應(yīng)用第28頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、根據(jù)采集速度確定ADC的轉(zhuǎn)換速度設(shè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換速率為f；硬件延遲時(shí)間ty；ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間為tcon。則：T≤1/f。T

=ty

+tcon

3、ADC其它方面的選擇需注意事項(xiàng)輸出信號(hào)的編碼方式；與其他邏輯電平的匹配情況；控制信號(hào)是否合乎要求等。另外，轉(zhuǎn)換時(shí)間要與應(yīng)用系統(tǒng)匹配。第29頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、ADC的調(diào)整

使用ADC通常要調(diào)整其失調(diào)和增益誤差。方法：硬件、軟件消除。基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換值實(shí)測(cè)值8Vyhxh-8Vylxl將兩組數(shù)據(jù)代入方程y=max+b可求出ma（實(shí)際增益）和b（實(shí)際失調(diào)）。

有了ma、b及實(shí)測(cè)輸出x，用y=max+b即可得到消除了增益和失調(diào)誤差標(biāo)準(zhǔn)輸出。第30頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三、高分辨率ADC與微處理器的接口當(dāng)ADC位數(shù)大于CPU數(shù)據(jù)寬度的接口方法（通常ADC提供兩次讀出數(shù)據(jù)控制）。數(shù)據(jù)線(xiàn)為三態(tài)

數(shù)據(jù)線(xiàn)非三態(tài)

第31頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六§8.4.4ADC的應(yīng)用電路一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第32頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

將被采樣的模擬信號(hào)變化范圍變換為接近ADC輸入模擬信號(hào)的滿(mǎn)量程范圍。目的：為了減小ADC的量化誤差。二、ADC的滿(mǎn)量程轉(zhuǎn)換第33頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

例如：被采樣信號(hào)Vi=0mV～11mV；單極性ADC采用截?cái)嗔炕?，F(xiàn)SR=10V，輸出位數(shù)12位。量化區(qū)間大?。?.44mVPGA取值1100D=Vi/(分辨率)11/2.44=4.511×100/2.44=450.8截?cái)嗔炕驞=4=004HD=450=1C2H相應(yīng)無(wú)誤差模擬量4×2.44mV=9.76mV450×2.44mV/100=10.98mV相對(duì)誤差－11.3%－0.18%第34頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六0~5V如：?jiǎn)螛O性ADC采樣雙極性輸入電壓。

三、ADC的功能擴(kuò)展Vi=-5V對(duì)應(yīng)Dn-1~D0為全0。Vi=+5V對(duì)應(yīng)Dn-1~D0為全1。雙極性電壓?jiǎn)螛O性電壓第35頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六四、常用數(shù)據(jù)處理技術(shù)為消除采樣數(shù)據(jù)中干擾，可用硬件方法，也可用軟件對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使采樣數(shù)據(jù)盡可能接近其真實(shí)值，以提高精度。1、消除系統(tǒng)零點(diǎn)漂移與增益漂移如：通過(guò)兩組數(shù)據(jù)求y=max+b中ma、b。

2、采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換

非電物理量→電量→數(shù)字量→有意義數(shù)字量（標(biāo)度變換：線(xiàn)性、非線(xiàn)性參數(shù)變換）。3、采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波（減少干擾比重）第36頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1、驅(qū)動(dòng)問(wèn)題：通常，在DAC之后或ADC之前需加放大電路，對(duì)模擬信號(hào)加以放大。2、合理使用S/H：