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9.2.6 集成A/D轉換器及其應用,9.2 A/D 轉換器,9.2.1 A/D轉換的一般工作過程,9.2.2 并行比較型A/D轉換器,9.2.3 逐次比較型A/D轉換器,9.2.4 雙積分式A/D轉換器,9.2.5 A/D轉換器的主要技術指標,概述,9.2 A/D 轉換器,2. A/D轉換器分類,① 并聯(lián)比較型 特點: 轉換速度快,轉換時間 10ns ~1?s, 但電路復雜。,② 逐次逼近型 特點: 轉換速度適中,轉換時間 為幾?s ~100 ?s, 轉換精度高，在轉換速度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡。,③ 雙積分型 特點: 轉換速度慢,轉換時間 幾百?s ~幾ms,但抗干擾能力最強。,,取樣,時間上離散的信號,,保持、量化,量值上也離散的信號,,編碼,,9.2.1 A/D轉換的一般工作過程,,A/D轉換器一般要包括取樣， 保持，量化及編碼4個過程。,1. 取樣與保持,采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉換為在時間離散的模擬量。,采樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實地復現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。,采樣定理：設采樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號?I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，,則 fs ≥ 2fimax,S(t)=1:開關閉合 S(t)=0:開關斷開,,采得模擬信號轉換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。,采樣,保持,取樣與保持電路及工作原理,,,2. 量化與編碼,數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。,量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數(shù)字量。,量化,3.編碼,在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被?整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用?表示。,量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉換器的位數(shù)越 多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。,兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。,4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差,5.量化方式,a ) 只舍不入量化方式:量化中把不足一個量化單位的部分舍棄； 對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。,最大量化誤差為：,最小量化單位,＝1/8V,Δ=1LSB=,1/8 V,例：將0~1V電壓轉換為3位二進制代碼,b )四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄， 對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。,最大量化誤差為：,最小量化單位：,Δ=1LSB=,2/15 V,例：將0~1V電壓轉換為3位二進制代碼,9.2.2 并行比較型A/D轉換器,,電壓比較器,輸入模擬電壓,精密電阻網(wǎng)絡,精密參考電壓,VREF/15,3VREF/15,7VREF/15,9VREF/15,11VREF/15,5VREF/15,13VREF/15,輸出數(shù)字量,1、電路組成,VI=8VREF/15,1,1,1,1,0,0,0,0 0 1,,,vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0,,,,,,,,,,7VREF/15 ? vI ? 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0,9VREF/15 ? vI ? 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1,5VREF/15 ? vI ? 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1,3VREF /15 ? vI ? 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0,11VREF/15 ? vI ? 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0,13VREF/15 ? vI ? VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,VREF/15 ? vI ? 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1,0 ?vI ? VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。,3、電路特點：,在并行A/D轉換器中，輸入電壓?I同時加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數(shù)字量是與?I輸入時刻同時獲得的。所以它的轉換時間最短。,缺點是電路復雜，如三位ADC需7個比較器、7個觸發(fā)器、8個電阻。位數(shù)越多，電路越復雜。,為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并行轉換的方法。,單片集成并行比較型A/D轉換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的AD9012 (TTL工藝8位)、AD9002 (ECL工藝，8位)、AD9020 (TTL工藝，10位)等。,9.2.3 逐次比較型A/D轉換器,逐次逼近轉換過程與用天平稱物重非常相似 。,1. 轉換原理,所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。 設待秤重量Wx = 13克。,1. 轉換原理,第一個CP：,1. 轉換原理,第二個CP：,,,1. 轉換原理,第三個CP：,小結：,1、 逐次比較型A/D轉換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉換精度越高；,2、逐次比較型A/D轉換器完成一次轉換所需時間與其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關，位數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉換所需時間越短；,9.2.4 雙積分式A/D轉換器,1、雙積分式A/D轉換器的基本指導思想,對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而得到相應的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉換器也稱為電壓－時間－數(shù)字式積分器 。,,,,,,,,1、電路組成,0,,,Cr信號將計數(shù)器清零；開關S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開S2 使電容的初始電壓為0。,2、工作原理,①準備階段：,,(2) 第一次積分：,VREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進行第二次積分；當t=t2時積分器輸出電壓?O≥0，比較器輸出?C=0，時鐘脈沖控制門G被關閉，計數(shù)停止。,(3) 第二次積分：,,,,T1=2nTC,,,,T2=?Tc,,T2=t1 ?t2,在計數(shù)器所計的數(shù)?=Qn-1…Q1Q0，?就是A/D轉換器得到的結果。,,,9.2.4 雙積分式A/D轉換器,優(yōu)點：,1.由于轉換結果與時間常數(shù)RC無關，從而消除了積分非線 性帶來的誤差。,2.由于雙積分A/D轉換器在T1時間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值， 因此具有很強的抗工頻干擾的能力。,T1=2nTC,3. 只要求時鐘源在一個轉換周期時間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。,1.轉換精度,9.2.5 A/D轉換器的主要技術指標,單片集成A/D轉換器的轉換精度是用分辨率和轉換誤差來描述的。,分辨率:,說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。通常以輸出二進制(或十進制)數(shù)的位數(shù)表示。,轉換誤差：,表示A/D轉換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字 量之間的差別。,2.轉換時間,指A/D轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。 A/D轉換器的轉換時間與轉換電路的類型有關,并行比較A/D轉換器的轉換速度最高 , 逐次比較型A/D轉換器次之 , 間接A/D轉換器(如雙積分A/D)的速度最慢。,使用A/D轉換器時應注意以下幾點：,(1) 轉換過程各信號的時序配合,9.2.6 集成A/D轉換器及其應用,(2) 零點和滿刻度調節(jié),(3) 參考電壓的調節(jié),,,2. ADC0809的典型應用,