AD转换及其原理.ppt

A/D转换及其原理一.A/D转换的转换的基本概念基本概念二.ADC的主要技术的主要技术参数参数三三.A/D转换的转换的一般一般步骤和基本原理步骤和基本原理四四.集成集成A/D转换器及应用转换器及应用计算机能够处理的是数字量信息。然而在现实世界中有很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都是数字量的，例如声音、电压、电流、流量、多信息并不都是数字量的，例如声音、电压、电流、流量、压力、温度、位移和速度等，它们都是连续变化的物理量。压力、温度、位移和速度等，它们都是连续变化的物理量。这些连续变化的物理量称为这些连续变化的物理量称为模拟量。模拟量。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转换的原因的原因 典型典型计算机自动控制系统计算机自动控制系统一.AD的基本概念模数转换模数转换将时间连续和幅值连续的模拟量将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字转换为时间离散、幅值也离散的数字量量。使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。实现模数转换的电路称实现模数转换的电路称模数转换器模数转换器。通常通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号为一个输出的数字信号。即即A/D转换器，或转换器，或简称简称ADC。（Analog-Digital-Converter）二.ADC的主要技术的主要技术参数参数1.分辨率分辨率对于对于ADC来说，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码来说，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需要输入模拟电压的变化量。通常定义为满刻度电压与所需要输入模拟电压的变化量。通常定义为满刻度电压与2n的比值，其中的比值，其中n为为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能够分辨出满刻度的能够分辨出满刻度的1/212（0.0244%）。）。有时分辨率也用有时分辨率也用A/D转换器的位数来表示，如转换器的位数来表示，如ADC0809的的分辨率为分辨率为8位，位，AD574的分辨率为的分辨率为12位等。位等。2.量化误差量化误差量化误差是由于量化误差是由于ADC 的有限分辨率引起的误差，这是连的有限分辨率引起的误差，这是连续的模拟信号在整数量化后的固有误差。对于四舍五入的续的模拟信号在整数量化后的固有误差。对于四舍五入的量化法，量化误差在量化法，量化误差在1/2 LSB之间。之间。二.ADC的主要技术参数的主要技术参数3.绝对精度绝对精度绝对精度是指在输出端产生给定的数字代码所表示的实际绝对精度是指在输出端产生给定的数字代码所表示的实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差。需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差。4.相对精度相对精度它与绝对精度相似，所不同的是把这个偏差表示为满刻度它与绝对精度相似，所不同的是把这个偏差表示为满刻度模拟电压的百分数。模拟电压的百分数。5.转换时间转换时间转换时间是转换时间是ADC完成一次转换所需要的时间，即从启动信完成一次转换所需要的时间，即从启动信号开始到转换结束并得到稳定的数字输出量所需要的时间，号开始到转换结束并得到稳定的数字输出量所需要的时间，通常为微秒级。通常为微秒级。6量程量程量程是指能转换的输入电压范围。量程是指能转换的输入电压范围。三三.A/D转换的转换的一般一般步骤步骤和和基本原理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。A/D转换的一般步骤转换的一般步骤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转换的一般步骤转换的一般步骤 采样和保持通常采样和保持通常在采样保持电路中完成在采样保持电路中完成，量，量化和编码通常化和编码通常在在A/D转换电路转换电路中完成。中完成。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 由于由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。需要把采样电压保持一段时间。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转换的一般步骤转换的一般步骤 量化量化数字量最小单位所对应的最小量值叫做数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位量化单位。将采样保持电路的输出电压归化为量化单位将采样保持电路的输出电压归化为量化单位的整的整数倍的过程叫做数倍的过程叫做量化。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更多的的A/D转换器转换器。编码编码用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫做做编码。编码。一个一个n位二进制数只能表示位二进制数只能表示2n个量化电平，量个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为为量化误差量化误差。量化级分得越多（。量化级分得越多（n越大），量越大），量化误差越小。化误差越小。如果如果有有n n个个量化级，二进制位的位数应为量化级，二进制位的位数应为2 2 n n。如量化级有如量化级有8 8个，就需要个，就需要3 3位编码。位编码。常用常用 ADC 的类型的类型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)逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器工作工作特点特点逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器的工作特点为：转换器的工作特点为：二分搜索二分搜索反馈比较反馈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。逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器工作转换器工作原理原理称重过程如下：称重过程如下：先在砝码盘上加先在砝码盘上加128g砝码，经天平比较结果，重物砝码，经天平比较结果，重物195g 128g，此砝码保留，即相当于最高位数码，此砝码保留，即相当于最高位数码D7记为记为1。再加再加64g砝码，经天平比较，重物砝码，经天平比较，重物195g（12864）g，则继续留下则继续留下64g砝码，即相当于数码砝码，即相当于数码D6记为记为1。接着不断用上述方法，由大到小砝码逐一添加比较，凡砝接着不断用上述方法，由大到小砝码逐一添加比较，凡砝码总重量小于物体重量的砝码保留，否则拿下所添加的砝码总重量小于物体重量的砝码保留，否则拿下所添加的砝码。码。这样可得保留的砝码为这样可得保留的砝码为128g64g2g1g195g，与重，与重物重量相等，相当于转换的数码为物重量相等，相当于转换的数码为D7D011000011。逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器基准电压基准电压UREF逐次逼近型ADC电路框图 实例实例8位位A/D转换器，输入模拟量转换器，输入模拟量uI=6.84V，D/A转换器转换器基准电压基准电压 UREF=10V。CP010000000511110000007.502101000006.2513101100006.87504101010006.562515101011006.7187516101011106.79687517101011116.83593751相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器优点优点精度高精度高转换转换速度速度快快转换时间固定转换时间固定简化简化了与计算机同步，所以常常用作微机接了与计算机同步，所以常常用作微机接口口。双积分型双积分型A/D转换器转换器双积分型双积分型A/D转换器属于间接型转换器属于间接型A/D转转换器，它是把待转换的输入模拟电压先换器，它是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间转换为一个中间变量，例如时间T；然；然后再对中间变量量化编码，得出转换结后再对中间变量量化编码，得出转换结果，这种果，这种AD转换器多称为转换器多称为电压电压-时间变时间变换型换型（简称（简称VT型型）。）。双积分型双积分型A/D转换器转换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双积分型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：双积分型双积分型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。双积分型双积分型A/D转换器转换器的特点的特点因因有积分器的存在，积分器的输出只对输入信号有积分器的存在，积分器的输出只对输入信号的平均值有所的平均值有所响应响应，保证了，保证了工作工作性能比较稳定且性能比较稳定且抗干扰能力抗干扰能力强强。只要两次积分过程中积分器的时间常数相等只要两次积分过程中积分器的时间常数相等路路对对RC精度的要求不精度的要求不高高。电路的电路的结构结构相对相对比较简单比较简单。双积分型双积分型A/D转换器属于低速型转换器属于低速型AD转换器转换器，一一次转换时间在次转换时间在12ms，而逐次比较型，而逐次比较型A/D转换器转换器可达到可达到1 s。毫秒级的时间对于工业控制是毫秒级的时间对于工业控制是足足足足有余有余的，因此在工业控制中发挥优势。的，因此在工业控制中发挥优势。四四.集成集成A/D转换器及应用转换器及应用常用的常用的A/D转换器芯片有转换器芯片有ADC0809、AD574A。仅介绍仅介绍ADC0890。CMOS器件，除了有器件，除了有8位位A/D转换器外，还有转换器外，还有8路模拟开关以及地址锁路模拟开关以及地址锁存与译码，有三条地址输入线存与译码，有三条地址输入线ADDA、ADDB、ADDC，可决定选通一路，该芯片，可决定选通一路，该芯片内还有便于与微机数据总线连接的三态输出内还有便于与微机数据总线连接的三态输出锁存器锁存器。ADC0809ADC0809的的引脚引脚功能功能IN0IN7：8路模拟输入。路模拟输入。START：启动：启动A/D转换信号。转换信号。ALE：地址锁存允许信号。：地址锁存允许信号。EOC：转换结束信号。：转换结束信号。ADDA、ADDB、ADDC：8路模拟通道选择。路模拟通道选择。VREF（）、（）、VREF（）：基准电压输入，典型值为（）：基准电压输入，典型值为VREF（）（）=5V，VREF（）（）=0V。D0D7：8位数字数据输出。位数字数据输出。CLOCK：时钟输入。：时钟输入。VCC、GND：电源和地。：电源和地。OE：输出允许。：输出允许。ADC0809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