将模拟电压成正比地转换成数字量课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,10.2,A/D,转换器,(1),A/D,功能: 将模拟电压,成正比,地转换成数字量,A/D,U,I,输入模拟电压,D,7,D,0,输出数字量,0,5,V,00000000,11111111,分辨率:5,V/255=0.0196V/,每1,个最低有效位,A/D,功能及分类,并联比较型,特点: 转换速度快,转换时间 10,ns 1,s,逐次逼近型,特点: 转换速度中,转换时间 几,s 100,s,双积分型,特点: 转换速度慢,转换时间 几百,s ,几,ms,根据内部电路不同,分为以下三类:,(2),A/D,转换器分类,10.2.1,A/D,转换器的一般工作过程,1、,A/D,转换器的工作原理,模拟电子开关,S,在采样脉冲,CP,S,的控制下重复接通、,断开的过程。,S,接通时，,u,i,(,t,),对,C,充电，为,采样过程,；,S,断开时，,C,上的电压保持不变，为,保持过程,。在,保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路,转换成一组,n,位的二进制数输出。,t,0,时刻,S,闭合，,C,H,被迅速充电，电路处于,采样,阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段,u,o,跟随,u,i,变化，即,u,o,u,i,。,t,1,时刻采样阶段结束，,S,断开，电路处于,保持阶段,。若,A,2,的输入阻抗为无穷大，,S,为理想开关，则,C,H,没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压,u,o,维持不变。,2、采样与保持,2、采样与保持,3、量化与编码,将取样保持电路的输出电压，按某种近,似方式归化到与之相应的离散电平上，这一转,化过程称为,数值量化,，简称,量化,。,量化后的数值最后还须通过编码过程用,一个代码表示出来，这一过程称为,编码,。,10.2.2 并行比较型,A/D,转换器,0,u,i,V,REF,/15,时，7个比,较器输出全为0，,CP,到来,后，7个触发器都置0。经,编码器编码后输出的二进,制代码为,d,2,d,1,d,0,000。,V,REF,/15,u,i,3,V,REF,/15,时，,7个比较器中只有,C,1,输出,为1，,CP,到来后，只有触,发器,FF,1,置1，其余触发器,仍为0。经编码器编码后,输出的二进制代码为,d,2,d,1,d,0,=001。,3,V,REF,/15,u,i,5,V,REF,/15,时，比较器,C,1,、C,2,输出为1，,CP,到来后，触发器,FF,1,、FF,2,置1。经编码器编码后输出的二进制代码为,d,2,d,1,d,0,010。,5,V,REF,/15,u,i,7,V,REF,/15,时，比较器,C,1,、 C,2,、 C,3,输出为1，,CP,到来后，触发器,FF,1,、 FF,2,、 FF,3,置1。经编码器编码后输出的二进制代码为,d,2,d,1,d,0,=011。,依此类推，可以列出,u,i,为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数。,其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量,W,x,= 13,克，可以用下表步骤来秤量：,砝码重,第一次,第二次,第三次,第四次,加4克,加2克,加1克,8 克,砝码总重 待测重量,W,x,，,故保留,砝码总重仍 待测重量,W,x,，,故撤除,砝码总重 待测重量,W,x,，,故保留,暂时结果,8 克,12 克,12 克,13 克,结 论,10.2.3 逐次比较型,A/D,转换器,原理框图,10.2.3 逐次比较型,A/D,转换器,1,0,0,0,1,0,0,0,D / A,u,x,(待转换的模拟电压),u,o,u,c,控,制,逻,辑,数码寄存器,移位寄存器,时钟,清 0、置数,清 0、置数,CP,、(,移位命令),“1”状态是否保留,控制端,原理框图,转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。这个数码被,D/A,转换器转换成相应的模拟电压,u,o,，,送到比较器中与,u,i,进行比较。若,u,i,u,o,，,说明数字过大了，故将最高位的1清除；若,u,i,u,o,，,说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。,基本原理,3位逐次逼近型,A/D,转换器,转换开始前，先使,Q,1,=,Q,2,=,Q,3,=,Q,4,=0，,Q,5,=1，,第一个,CP,到来后，,Q,1,=1，,Q,2,=,Q,3,=,Q,4,=,Q,5,=0，,于是,FF,A,被置1，,FF,B,和,FF,C,被置0。这时加到,D/A,转换器输入端的代码为100，并在,D/A,转换器的输出端得到相应的模拟电压输出,u,o,。,u,o,和,u,i,在比较器中比较，当若,u,i,u,o,时，比较器输出,u,c,=1；,当,u,i,u,o,时，,u,c,=0。,第二个,CP,到来后，环形计数器右移一位，变成,Q,2,=1，,Q,1,=,Q,3,=,Q,4,=,Q,5,=0，,这时门,G,1,打开，若原来,u,c,=1，,则,FF,A,被置0，若原来,u,c,=0，,则,FF,A,的1状态保留。与此同时，,Q,2,的高电平将,FF,B,置1。,第三个,CP,到来后，环形计数器又右移一位，一方面将,FF,C,置1，同时将门,G,2,打开，并根据比较器的输出决定,FF,B,的1状态是否应该保留。,第四个,CP,到来后，环形计数器,Q,4,=1，,Q,1,=,Q,2,=,Q,3,=,Q,5,=0，,门,G,3,打开，根据比较器的输出决定,FF,C,的1状态是否应该保留。,第五个,CP,到来后，环形计数器,Q,5,=1，,Q,1,=,Q,2,=,Q,3,=,Q,4,=0，FF,A,、FF,B,、FF,C,的状态作为转换结果，通过门,G,6,、G,7,、G,8,送出。,工作原理,10.2.4 双积分型,A/D,转换器,基本原理,对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，,先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输,入模拟电压成正比的时间间隔,T,1,，,再利用计数,器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就,正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行,同样的处理。,（1）分辨率,A/D,转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示,，位数越多，,误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范,围为05,V，,输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为,5,V2,8,20mV；,而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟,电压为5,V2,12,1.22mV。,10.2.5,A/D,转换器的主要技术指标,（2）,相对精度,在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。,相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。,（3）转换速度,转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是,指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数,字输出信号所经过的这段时间。,10.2.5,A/D,转换器的主要技术指标,（4）电源抑制,在输入模拟电压不变的前提下，当转换电路的,供电电源电压发生变化时，对输出也会产生影响。,这种影响可用输出数字量的绝对变化量来表示。,10.2.5,A/D,转换器的主要技术指标,10.2.6 集成,A/D,转换器及其应用,A/D,转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。不同的,A/D,转换方式具有各自的特点。并联比较型,A/D,转换器转换速度快，主要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分型,A/D,转换器的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中，得到了广泛的应用逐次逼近型,A/D,转换器的分辨率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。,本节小结：,End,