AD转换及其原理课件

AD转换及其原理AD转换及其原理AD转换及其原理AD转换及其原理一.A/D转1一.A/D转换的的基本概念基本概念二.ADC的主要技术参数的主要技术参数三三.A/D转换的一般步的一般步骤和基本原理和基本原理四四.集成集成A/D转换器及器及应用用一.A/D转换的基本概念2计算机能算机能够处理的是数字量信息。然而在理的是数字量信息。然而在现实世界中有很世界中有很多信息并不都是数字量的，例如声音、多信息并不都是数字量的，例如声音、电压、电流、流量、流、流量、压力、温度、位移和速度等，它力、温度、位移和速度等，它们都是都是连续变化的物理量。化的物理量。这些些连续变化的物理量称化的物理量称为模模拟量。量。概述计算机是处理计算机是处理数字量信息数字量信息的设备，要处理这些模拟量信息的设备，要处理这些模拟量信息就必须有一个模拟接口，通过这个模拟接口，将模拟量信就必须有一个模拟接口，通过这个模拟接口，将模拟量信息转换成数字量信息，以供计算机运算和处理。息转换成数字量信息，以供计算机运算和处理。然后，再把计算机处理过的数字量信息转换为然后，再把计算机处理过的数字量信息转换为模拟量信息模拟量信息，以实现对被控制量的控制。以实现对被控制量的控制。AD转换的原因转换的原因计算机能够处理的是数字量信息。然而在现实世界中有很多信息并不3 典型典型计算机自动控制系统计算机自动控制系统 典型计算机自动控制系统4一.AD的基本概念模数模数转换将将时间连续和幅和幅值连续的模的模拟量量转换为时间离散、幅离散、幅值也离散的数字量也离散的数字量。使使输出的数字量与出的数字量与输入的模入的模拟电量成正比。量成正比。实现模数模数转换的的电路称路称模数模数转换器器。通常。通常的模数的模数转换器是将一个器是将一个输入入电压信号信号转换为一个一个输出的数字信号。即出的数字信号。即A/D转换器，或器，或简称称ADC。（Analog-Digital-Converter）一.AD的基本概念模数转换将时间连续和幅值连续的模拟量转换为5二.ADC的主要技的主要技术参数参数1.分辨率分辨率对于于ADC来来说，分辨率表示，分辨率表示输出数字量出数字量变化一个相化一个相邻数数码所需要所需要输入模入模拟电压的的变化量。通常定化量。通常定义为满刻度刻度电压与与2n的比的比值，其中，其中n为ADC的位数。例如具有的位数。例如具有12位分辨率的位分辨率的ADC能能够分辨出分辨出满刻度的刻度的1/212（0.0244%）。）。有有时分辨率也用分辨率也用A/D转换器的位数来表示，如器的位数来表示，如ADC0809的的分辨率分辨率为8位，位，AD574的分辨率的分辨率为12位等。位等。2.量化量化误差差量化量化误差是由于差是由于ADC 的有限分辨率引起的的有限分辨率引起的误差，差，这是是连续的模的模拟信号在整数量化后的固有信号在整数量化后的固有误差。差。对于四舍五入的于四舍五入的量化法，量化量化法，量化误差在差在1/2 LSB之之间。二.ADC的主要技术参数1.分辨率2.量化误差6二.ADC的主要技的主要技术参数参数3.绝对精度精度绝对精度是指在精度是指在输出端出端产生生给定的数字代定的数字代码所表示的所表示的实际需要的模需要的模拟输入入值与理与理论上要求的模上要求的模拟输入入值之差。之差。4.相相对精度精度它与它与绝对精度相似，所不同的是把精度相似，所不同的是把这个偏差表示个偏差表示为满刻度刻度模模拟电压的百分数。的百分数。5.转换时间转换时间是是ADC完成一次完成一次转换所需要的所需要的时间，即从启，即从启动信信号开始到号开始到转换结束并得到束并得到稳定的数字定的数字输出量所需要的出量所需要的时间，通常通常为微秒微秒级。6量程量程量程是指能量程是指能转换的的输入入电压范范围。二.ADC的主要技术参数3.绝对精度7三三.A/D转换的一般步的一般步骤和基本原理和基本原理基本原理基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI模拟输模拟输入信号入信号n n 位二进制数输出位二进制数输出D D=D Dn n-1-1 D Dn n-2-2 D D1 1 D D0 0 称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，它是 ADC 的最小分辨电压。可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量 uI。“”表示取整。三.A/D转换的一般步骤和基本原理基本原理ADCD0D1Dn8A/D转换的一般步的一般步骤uI(t)C量化编码电路Dn-1D1D0uI(t)S采样保持电路输入模拟量输入模拟量输出数字量输出数字量采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。编码：把量化的结果用二进制代码表示。A/D转换的一般步骤uI(t)C量化编码Dn-1D1D0u9A/D转换的一般步的一般步骤 采样和保持通常在采样保持电路中完成，量采样和保持通常在采样保持电路中完成，量化和编码通常在化和编码通常在A/D转换电路中完成。转换电路中完成。A/D转换的一般步骤 采样和保持通常在采样保持电路中10采样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x(t)的最高频率分量的频率为fmax，必须满足fs 2fmax。y(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。通常取通常取fs（2.53）fmax 采样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x11由于由于A/D转换需要一定的需要一定的时间，在每次采，在每次采样以后，以后，需要把采需要把采样电压保持一段保持一段时间。s(t)有效期间，开关管有效期间，开关管VT导通，导通，uI向向C充电，充电，uO(=uc)跟随跟随uI的变化而变化；的变化而变化；s(t)无效期间，开关管无效期间，开关管VT截止，截止，uO(=uc)保持不变，直到下保持不变，直到下次采样。（由于集成运放次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段，具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容电容C上所存电荷不易泄放。）上所存电荷不易泄放。）A/D转换的一般步的一般步骤 由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压12量化量化数字量最小数字量最小单位所位所对应的最小量的最小量值叫做叫做量化量化单位位。将采将采样保持保持电路的路的输出出电压归化化为量化量化单位位的整的整数倍的数倍的过程叫做程叫做量化。量化。从从图图中中可可以以看看出出，量量化化过过程程会会产产生生最最大大1/2 LSB(即即0.5V)的的误误差差，要要减减少少这这种种量量化化误误差差，可可采采取取位位数数更多的更多的A/D转换器。转换器。量化数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位。从图中可以13编码用二用二进制代制代码来表示各个量化来表示各个量化电平的平的过程叫程叫做做编码。一个一个n位二位二进制数只能表示制数只能表示2n个量化个量化电平，量平，量化化过程中不可避免会程中不可避免会产生生误差，差，这种种误差称差称为量化量化误差差。量化。量化级分得越多（分得越多（n越大），量越大），量化化误差越小。差越小。如果有如果有n n个量化个量化级，二，二进制位的位数制位的位数应为2 2 n n。如量化。如量化级有有8 8个，就需要个，就需要3 3位位编码。编码用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫做编码。14常用常用 ADC 的的类型型A/D转转换换器器直接型直接型间接型间接型并联比较型并联比较型双积分型双积分型电压时间变换型积分型电压时间变换型积分型(V-T)(双积分型双积分型)逐次渐进型逐次渐进型电压频率变换型电压频率变换型(V-F)常用 ADC 的类型A/D直接型间接型并联比较型双积分型电压15逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器工作器工作特点特点逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器的工作特点器的工作特点为：二分搜索二分搜索反反馈比比较逐次逼近逐次逼近其工作过程与天平称重物重量的过程十分相似。其工作过程与天平称重物重量的过程十分相似。逐次逼近式A/D转换器工作特点逐次逼近式A/D转换器的工作特16逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器工作原理器工作原理称重称重过程如下：程如下：先在砝先在砝码盘上加上加128g砝砝码，经天平比天平比较结果，重物果，重物195g 128g，此砝，此砝码保留，即相当于最高位数保留，即相当于最高位数码D7记为1。再加再加64g砝砝码，经天平比天平比较，重物，重物195g（12864）g，则继续留下留下64g砝砝码，即相当于数，即相当于数码D6记为1。接着不断用上述方法，由大到小砝接着不断用上述方法，由大到小砝码逐一添加比逐一添加比较，凡砝，凡砝码总重量小于物体重量的砝重量小于物体重量的砝码保留，否保留，否则拿下所添加的砝拿下所添加的砝码。这样可得保留的砝可得保留的砝码为128g64g2g1g195g，与重，与重物重量相等，相当于物重量相等，相当于转换的数的数码为D7D0。逐次逼近式A/D转换器工作原理称重过程如下：17逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器器基准电压基准电压UREF逐次逼近型ADC电路框图 逐次逼近式A/D转换器基准电压UREF逐次逼近型ADC电18实例实例8位位A/D转换器，器，输入模入模拟量量uI=6.84V，D/A转换器器基准基准电压 UREF=10V。CP05117.5026.25136.875046.5625156.71875166.796875176.83593751相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。实例8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，D/A19逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器器优点点精度高精度高转换速度快速度快转换时间固定固定简化了与化了与计算机同步，所以常常用作微机接算机同步，所以常常用作微机接口。口。逐次逼近式A/D转换器优点精度高20双双积分型分型A/D转换器器双双积分型分型A/D转换器属于器属于间接型接型A/D转换器，它是把待器，它是把待转换的的输入模入模拟电压先先转换为一个中一个中间变量，例如量，例如时间T；然；然后再后再对中中间变量量化量量化编码，得出，得出转换结果，果，这种种AD转换器多称器多称为电压-时间变换型型（简称称VT型型）。）。双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器属于间接型A/D转换21双双积分型分型A/D转换器器双积分型双积分型AD转换器的框图转换器的框图双积分型A/D转换器双积分型AD转换器的框图22双双积分型分型ADC原理原理转换开始前，先将计数器清零，并接通S0使电容C完全放电。转换开始，断开S0。整个转换过程分两阶段进行。第一阶段，令开关S1置于输入信号Ui一侧。积分器对Ui进行固定时间T1的积分。这一过程称为转换电路对输入模拟电压的采样过程。积分结束时积分器的输出电压为：双积分型ADC原理转换开始前，先将计数器清零，并接通S0使电23双双积分型分型ADC原理原理第二阶段称为定速率积分过程，将UO1转换为成比例的时间间隔。采样阶段结束时，一方面因参考电压-VREF的极性与UI相反，积分器向相反方向积分。计数器由0开始计数，经过T2时间，积分器输出电压回升为零，过零比较器输出低电平，关闭计数门，计数器停止计数，同时通过逻辑控制电路使开关S1与UI相接，重复第一步。其中TCP是脉冲时钟信号，D是计数脉冲数双积分型ADC原理第二阶段称为定速率积分过程，将UO1转换为24双积分双积分AD转换器转换器计数器中的数值就是AD转换器转换后数字量，至此即完成了VT转换。双积分AD转换器计数器中的数值就是AD转换器转换后数字量，至25双双积分型分型A/D转换器器的特点的特点因有因有积分器的存在，分器的存在，积分器的分器的输出只出只对输入信号入信号的平均的平均值有所响有所响应，保，保证了了工作性能比工作性能比较稳定且定且抗干抗干扰能力能力强。只要两次只要两次积分分过程中程中积分器的分器的时间常数相等路常数相等路对RC精度的要求不高精度的要求不高。电路的路的结构构相相对比比较简单。双双积分型分型A/D转换器属于低速型器属于低速型AD转换器器，一一次次转换时间在在12ms，而逐次比，而逐次比较型型A/D转换器器可达到可达到1 s。毫秒毫秒级的的时间对于工于工业控制是控制是足足足有余足有余的，因此在工的，因此在工业控制中控制中发挥优势。双积分型A/D转换器的特点因有积分器的存在，积分器的输出只对26四四.集成集成A/D转换器及器及应用用常用的常用的A/D转换器芯片有器芯片有ADC0809、AD574A。仅介介绍ADC0890。CMOS器件，除了有器件，除了有8位位A/D转换器外，器外，还有有8路模路模拟开关以及地址开关以及地址锁存与存与译码，有三条地址，有三条地址输入入线ADDA、ADDB、ADDC，可决定，可决定选通一路，通一路，该芯片芯片内内还有便于与微机数据有便于与微机数据总线连接的三接的三态输出出锁存器存器。四.集成A/D转换器及应用常用的A/D转换器芯片有ADC0827ADC0809ADC080928ADC0809的引脚功能的引脚功能IN0IN7：8路模路模拟输入。入。START：启：启动A/D转换信号。信号。ALE：地址：地址锁存允存允许信号。信号。EOC：转换结束信号。束信号。ADDA、ADDB、ADDC：8路模路模拟通道通道选择。VREF（）、（）、VREF（）：基准（）：基准电压输入，典型入，典型值为VREF（）（）=5V，VREF（）（）=0V。D0D7：8位数字数据位数字数据输出。出。CLOCK：时钟输入。入。VCC、GND：电源和地。源和地。OE：输出允出允许。ADC0809的引脚功能IN0IN7：8路模拟输入。29ADC0809应用应用ADC0809与与51单片机组成的单片机组成的AD转换电路原理转换电路原理图图ADC0809应用ADC0809与51单片机组成的AD转换电30谢谢！谢谢！31