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AD转换电路

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12 A/D转换电路

导读:
A/D转换器（ADC）是将模拟信号转换成数字信号的电路。本章将介绍A/D转换的基本概念和原理电路，重点介绍集成芯片中的常用转换方法：逐次逼近型和V—T双积分型转换电路，常用集成ADC芯片，并给出典型应用实例。

12.1 A/D转换的基本概念

A/D转换过程包括取样、保持、量化和编码4个步骤，一般，前2个步骤在取样-保持电路中1次性完成，后2个步骤在A/D转换电路中1次性完成。
1．取样和取样定理
我们知道，要确定（表示）1条曲线，理论上应当用无穷多个点，但有时却并非如此。比如1条直线，取2个点即可。对于曲线，只是多取几个点而已。将连续变化的模拟信号用多个时间点上的信号值来表示称为取样，取样点上的信号值称为样点值，样点值的全体称为原信号的取样信号。1个取样信号示例如图1.1.1-1(b)所示。
取样时间可以是等间隔的，也可以自适应非等时间间隔取样。问题是：对于频率为f的信号，应当取多少个点，或者更准确地说应当用多高的频率进行取样？取样定理将回答这个问题：
只要取样频率fS大于等于模拟信号中的最高频率fmax的2倍，利用理想滤波器即可无失真地将取样信号恢复为原来的模拟信号。这就是说，对于1个正弦信号，每个周期只要取2个样点值即可，条件是必须用理想滤波器复原信号。这就是著名的山农（Shannon）取样定理，用公式表示即为
（12.1-1）
在工程上，一般取。
2．取样-保持
取样后的样点值必须保存下来，并在取样脉冲结束之后到下1个取样脉冲到来之前保持不变，以便ADC电路在此期间内将该样点值转换成数字量，这就是所谓取样-保持。
常用的取样-保持电路芯片有LF198等，其保持原理主要是依赖于电容器C上的电压不能突变而实现保持功能的。
3．量化与编码
注意，取样保持后的样点值仍是连续的模拟信号，为了用数字量表示，必须将其化成某个最小数量单位△的整数倍。比如取样保持后的电压值为10V，如果以“1V”为最小数量单位△，转换成的数字就是10；如果以“1mV”为单位，转换成的数字就是10000；这个化模拟量为数字量的过程称为量化。有只舍不入式量化和有舍有入式量化2种。
转换之后的数字可以用10进制表示（如上述的“10”），也可以用2进制数表示（如“1010”），或用BCD码表示（如“0001 0000”）等，这就是所谓编码。一般多用2进制码。

12.2 基本ADC电路

模-数转换方法有直接ADC和间接ADC两种。直接ADC中有并行比较法、反馈计数法和逐次逼近法等；间接ADC中有V—F（电压→频率）转换法和V—T（电压→时间）转换法等多种。下面重点介绍集成芯片中用得最多的逐次逼近型和双积分型A/D转换器电路。

12.2.1 逐次逼近型ADC

逐次逼近型ADC的工作原理很象人们量体重的过程：假如你的体重不超过200公斤，你会先加1个100公斤的秤砣试试看，如果发现100公斤的秤砣太大（比如实际体重是70公斤），就将此砣去掉；换1个50公斤的秤砣再试，发现50公斤的秤砣又偏小，故将其保留；然后再加1个25公斤的秤砣，发现体重不足75公斤，再将此25公斤的秤砣去掉，换1个更小一点的秤砣……如此进行，逐次逼近，直到满足要求为止。
图12.2.1-1就是按照上述构思而成的4位逐次逼近型ADC的原理电路图，由比较器、D/A转换器、寄存器、控制逻辑电路和时钟脉冲发生器5部分组成。其工作过程大致如下：
①当启动信号（即“START”信号，图中未示出）的正边沿到达后，电路被初始化为以下状态：寄存器TR3～TR0清零为d3d2d1d0=0000，从而DAC的模拟输出vO=0V；FF1～FF6组成的环形计数器的状态为Q1Q2Q3Q4Q5Q6=100000，门H3～H0被Q6=0封锁，数字输出D3D2D1D0=0000。
②START信号过后，即其下降边到达时，信号vC=1，A/D转换开始。第1个CP脉冲到达时，如果输入的取样保持信号vI≠0V，则vI>vO=0V，vB=0，与门G3～G0被封锁，TR3的R=0、S=Q1=1，而TR2～TR0的S=0、R=1（注意，Q1=1经或门M2～M0使TR2～TR0的R=1），所以TR3～TR0被置为d3d2d1d0=1000，此数码经D/A转换变为满量程电压的一半左右（这相当于上述加100公斤的秤砣！）；与此同时，环形移位寄存器状态下移1位变为Q1Q2Q3Q4Q5Q6=010000。
③第2个CP脉冲到达时，若vI<vO，则vB=1，门G3～G0被打开，Q2=1经门G3使TR3的R=1，其S=Q1=0，所以TR3将被复位，即d3=0（这相当于去掉100公斤的秤砣！）；与此同时TR2被置1，TR1、TR0被置0，即d3d2d1d0=0100（注意，如果第2个CP脉冲到达时vI>vO，则vB=0，G3～G0被封锁，TR3的S=R=0，将保留原状态d3=1不变，而d2d1d0=100）。环形移位寄存器再次下移1位，变为Q1Q2Q3Q4Q5Q6=001000。
④类似地，第3个CP脉冲到达后，d1d0=10，Q1Q2Q3Q4Q5Q6=000100；第4个CP脉冲到达后，d0=1，Q1Q2Q3Q4Q5Q6=000010。
⑤第5个CP脉冲用于输出数字码：第5个CP脉冲到达后，Q1Q2Q3Q4Q5Q6=000001，Q6=1使门H3～H0开启，数字d4d3d2d1经门H3～H0送D3D2D1D0端输出。
⑥第6个CP脉冲用于电路初始化，电路将返回①所述的初始状态。1个样点值转换完毕。

图12.2.1-1 4位逐次逼近型A/D转换器原理电路

逐次逼近型A/D转换器的优点是电路结构简单，构思巧妙，转换速度较快（只需要n+2个CP周期，n是位数），所以，在集成A/D芯片中用得最多。

12.2.2 双积分型ADC

双积分型ADC是1种V—T型A/D转换器，原理电路如图12.2.2-1(a)所示，由积分器、比较器、计数器和部分控制电路组成。工作过程如下：
（1）平时（即A/D转换之前），转换控制信号vC=0，计数器和触发器FFc被清零，门G1、G2输出低电平，开关S0闭合使电容C完全放电，S1掷下方，比较器输出vB=0，门G3关闭。
（2）vC=1时，开关S0断开，开关S1掷上方接输入信号VI，积分器开始对VI积分，输出电压为
（12.2.2-1）
显然vO是1条负向积分直线，如图12.2.2-1(b)中t=0～T1段实线所示。与此同时，比较器输出vB=1（因vO<0），门G3开启，计数器开始计数。
（3）当积分到t=T1=2nTcp时（其中Tcp是时钟CP的周期），n位计数器计满2n复0，FFc置1，门G2输出高电平，开关S1掷下方接基准电压（－VREF），积分器开始对（－VREF）进行积分。
设t=T1时，vO下降到vO=VO1，由式（12.2.2-1）
（12.2.2-2）

图12.2.2-1 双积分型A/D转换器的工作原理
(a)原理电路 (b)输出电压波形
因为（－VREF）为负值，所以从V01开始向相反方向积分，即
（12.2.2-3）
vO波形如图12.2.2-1(b)中t=T1～（T1+T2）段实线所示（图中下方虚线是最大输入电压时的积分线）。
（4）当t=T1+T2时，vO上升到vO=0V，vB=0，门G3被关闭，计数器停止计数，此时计数器中保存下来的数字就是时间T2。由图可知，输入信号VI越大，|VO1|越大，T2就越大。将式（12.2.2-2）、t=T1+T2和vO=0V代入式（12.2.2-3）中，得

从而有
（12.2.2-4）
显然，计数器中的数字dn-1dn-2…d1d0与输入信号VI成正比。

[例12.2.2-1] 设10位双积分型A/D转换器的基准电压VREF=8V，时钟频率fcp=1MHz，请问输入电压VI=2V时A/D转换器输出的数字D（10）是多少？
解：
因为时间T2等于计数器中的数字乘以时钟周期Tcp，所以数字D（10）

考虑到式（12.2.2-4）和T1=2nTcp
（12.2.2-5）
代入VI=2V、VREF=8V和n=10，得

如果用2进制显示，则为0100000000。

双积分型A/D转换器的最大优点是工作稳定，抗干扰能力强。并且由式（12.2.2-5）可以看出，双积分型A/D转换器的数字输出与积分电阻R、积分电容C、时钟频率fcp无关。
双积分型A/D转换器的最大缺点是速度较慢，所以主要用于数字电压表等低速测试系统中。
双积分型A/D转换器的转换精度主要取决于位数、运算放大器和比较器的灵敏度和零点漂移等因素的影响。

12.3 常用ADC芯片及其典型应用举例

目前，常见的A/D转换器的有效位数有4、6、8、10、12、14、16位以及BCD码输出的位、位和位等多种；转换速度有低速（≤1s）、中速（≤1ms）、高速（≤1μs）和超高速（≤1ns）等；就芯片组成而言，有些芯片不但包括ADC基本电路，还包括多路转换开关、时钟电路、基准电压源或2→10转换器等，功能更加齐全。表12.3-1中给出了部分ADC芯片的一些特征参数，从中可了解当前ADC芯片的状况，并可供使用参考。

型号
位数
电路类型
主要参数
注
ADC0804
8
CMOS
逐次逼近
单电源供电
1路8位2进制代码输出
ADC0809
8
CMOS
逐次逼近
时钟频率=1.26MHz
转换时间=100μs
转换误差≤±1LSB
内含8路数据选择器以便进行8路ADC
8路8位2进制码LSTTL电平输出，
28脚封装
ADC0816
8
CMOS
逐次逼近
VDD=5V（典型）
转换时间=90～114μs
时钟频率=10～1200（典型640）KHz
16路8位2进制码
40脚封装
AD571
10
CMOS
双积分
VDD(+)=+5V、VDD(－)=－15V
转换误差≤±1/2LSB

AD7552
12+
1符号位
CMOS
双积分
时钟频率=250KHz
转换时间=160ms
转换误差≤±1LSB
2进制补码输出
ADC ICL7106
/7107
ADC ICL7126
/7127

CMOS
双积分
VDD=15V(7106/26)
VDD(+)=+6V，VDD(-)=-9V(7107/27)
内有时钟（时钟可外接，亦可外接晶体或RC元件自激产生）
建议钟频40、50、100、200KHz
线性度±0.2%±1个字
3位半7段译码输出
7106/26驱动LCD
7107/27驱动LED
40脚封装
MC14433
（CC14433）

CMOS
双积分
VDD=5V（典型），VEE=－5V
线性度±0.05%±1个字
时钟频率=30～300KHz
BCD码输出
24脚
表12.3-1 常见ADC芯片

下面给出几个典型应用实例，从中你不但可以了解到一些芯片的封装信息和引脚功能，而且可以看到，不同芯片有不同的输出方式，从而电路连接不同。

[例12.3-1] 画出ADC0809与单片机87C51的接口线路，实现8路A/D转换。
解：
ADC0809是8路8位ADC芯片，片内有8路模拟开关、地址锁存与译码、256电阻梯形网络、电子开关树、逐次逼近寄存器、比较器和3态输出锁存器等，特别适合与微机接口。
87C51是8位CMOS单片微机芯片，有1个双工口P0口和2个半双工口P1口、P2口，其中P0.0～P0.7（P0口的8个引脚号）主要用作数据和地址总线口。87C51的引脚及其同ADC0809的接口线路如图12.3-1所示。
8路模拟信号由ADC0809的IN0～IN7端输入，87C51的ALE端输出的脉冲信号送ADC0809的10脚作为ADC的时钟信号（若时钟频率偏高，其间可加分频器）。在A/D转换时，87C51的P2.7（也可用其它引脚）发出片选信号，并由引脚37、38、39发出通道选择信号，分别送ADC0809的通道地址输入端A、B、C，选择要进行A/D变换的模拟通道，然后发出信号，经或非门送ADC0809的START和ALE端，A/D转换即被启动；A/D转换完成之后，从EOC端返回87C51一个转换结束信号，单片机随即用信号将A/D转换的数字输出从D0～D7端经P0口数据总线读入自己的存储器中。A/D转换过程全部结束。

图12.3-1 用ADC0809和87C51组成8路A/D转换器

[例12.3-2] 用双积分型A/D转换芯片CC14433组成位直流数字电压表。
解：
具体电路如图12.3-2所示，共用4块芯片，其中CC14433是A/D转换，CC4511是4→7译码/锁存，用于驱动LED数码管，MC1413是7路达林顿管驱动器，MC1403是稳压块，提供基准电源。
模拟电压从CC14433的VI端（3脚）输入，经A/D转换后变为BCD码，从Q0、Q1、Q2、Q3端输出，送MC4511的A、B、C、D代码输入端，转换成a～g 7段码输出，驱动LED数码管。各位数码管由位控信号DS1、DS2、DS3、DS4控制，将依次巡回闪亮。

图12.3-2 用CC14433组成3位半直流数字电压表

[例12.3-3] 用双积分型A/D转换芯片CC7106或7107组成位直流数字电压表。
解：
芯片CC7106或7107的典型应用是构成位数字电压表，电路如图12.3-3所示。

图12.3-3 用CC7106或7107组成3位半直流数字电压表
CC7106或7107的封装及各引脚的名称、功能、主要电阻电容参数及其作用都已标在图中，不再赘述。模拟输入信号经1MΩ限流保护电阻从CC7106或7107的IN+和IN-端输入，在芯片内转换为位BCD码并经4→7显示译码/锁存后输出，其中段号仍用a、b、c、d、e、f、g，其下脚标U、T、H和K分别表示个位（Unit）、十位（Ten）、百位（Hundred）和千位。这些引脚可直接接LCD或LED数码管，不需要其它芯片或太多外接元件。R1、C1是RC振荡器的阻容振荡元件，对于图中参数R1=100KΩ，C1=100PF，主振频率为fcp=0.45/R1C1=45kHz.。
在模拟信号输入端，一般还有1个量程切换开关（没有示出），图中的小数点切换开关与此量程开关同步切换。
图中右侧虚线部分是使用CC7107时的电源线路。

12.4 ADC的主要性能参数及芯片选用

ADC的性能参数主要有转换精度和转换速度等。转换精度常用分辨率和转换误差来表示。
（1）分辨率
分辨率是A/D转换器能够分辨最小信号的能力，一般用输出的2进制位数来表示。如ADC0809的分辨率为8位，表明它能分辨满量程输入的1/28。
（2）转换误差
转换误差是转换结果相对于理论值的误差，常用LSB的倍数表示，如AD571的转换误差≤LSB等。
（3）转换速度
转换速度是完成1次A/D转换所需的时间，故又称为转换时间。它是A/D转换启动时刻起到输出端输出稳定的数字信号止所经历的时间。
选用ADC芯片的主要依据是上述参数，此外还要注意其它一些特性，如输入通道数（即A/D转换路数）、输出方式，其中包括输出编码方式（如2进制码、BCD码、7段显示译码）、输出逻辑电平（CMOS、LSTTL）与微机接口能力等。
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