数模转换器基本原理及常见结构.ppt

本次课内容1、ADC的转换原理；2、ADC的主要参数。3、模数典型芯片介绍；4、ADC的基本应用方法。,模数转换器及其应用,8.3 模数转换器（ADC）,ADC作用：将模拟量转换为数字量。主要应用：(低速)数字万用表，电子秤等；(中速)工业控制，实验设备等；(高速)数字通信、导弹测远等；(超高速)数字音频、视频信号变换、气象数据分析处理。,ADC输入是模拟量，输出是数字量；ADC输出的数字量可视为输入电压(电流)与基准电压(电流)相比所占的比例。,ADC输出与输入关系可表示如下：,即ADC是将输入信号Ain与其所能分辨的最小电压增量VREF/2n相比较，得到与输入模拟量对应的倍数（取整）。,3位ADC示意图,输出数字量对应一个模拟区间,8.3.1 ADC的基本原理,一、采样和采样定理,ADC周期性地将输入模拟值转换成与其大小对应的数字量，该过程称为采样。采样是否会造成丢失某些信息？,时域采样定理：一个频带有限的信号f(t)，如果其频谱在区间(m,m)以外为零，则它可以唯一的由其在均匀间隔Ts(Ts1/2fm)上的样点值f(nTs)确定。,即只要采样脉冲频率fs大于或等于输入信号中最高频率fm的两倍（fs 2fm），则采样后的输出信号就能够不失真地恢复出模拟信号。,二、采样/保持电路,模拟量到数字量转换需要一定时间，在此期间要求采样所得的样值保持不变。这个过程需有相应电路实现。,Ctw，故Vs的变化与Vi同步。,Vs,LF198,三、量化和编码,模拟信号经S/H得到的取样值仍属模拟范畴，需经量化（将取样值表示为最小数量单位的整数倍）处理，才能转换为时间上和数值上都为离散的数字信号。最小数量单位称量化单位(1=1LSB)。编码：将量化结果用数字代码表示出来。常见有自然二进制编码、二进制补码编码。,因取样值为输入信号某些时刻的瞬时值，它们不可能都正好是量化单位的整数倍，即在量化时不可避免地会引入量化误差()。量化误差：有限位ADC产生的输出数据的等效模拟值与实际输入模拟量之间的差值。量化误差的大小与量化方式、量化单位、ADC编码位数、基准电压大小有关。,常用的量化方式：舍入量化和截断量化两种方式。,例如：FSR=1V的3位ADC，其分辨率为1/8V（1LSB）。分别采用舍入量化和截断量化两种方式，情况如下：,LSB/2,1.5LSB,一、并行（闪速）ADC,可有2n种比较结果,即n位数字量,8.3.2 ADC的基本原理,3位并行比较型ADC的转换真值表,优点：转换快（仅一个时钟周期）。不足：n较大时，比较器、分压电阻数量太大，难以保证其准确性及一致性。,Next,二、逐次逼近式ADC,开始前清零!,比较器,即完成一次转换需n+1个时钟周期。,首先，置DN-1“1”，若VP=“H”，则保留DN-1=“1”；否则，DN-1=“0”。然后，置DN-2“1”，若VP=“H”，则保留DN-2=“1”；否则，DN-2=“0”。D0位确定，转换结束。,优点：技术成熟，精度较高、速度较快。不足：对Vi中噪声敏感，输入端需用S/H电路（ADC转换期间Vi要恒定）。,SAR ADC 转换的时序波形（Vin=6.8V8位二进制数）,Tclk=10s,Tcon=90s,三、双积分式（双斜式）ADC,放电开关,控制K1置位,1、双积分式ADC工作原理,溢出值恒定t1恒定,反向充电电压恒定,Vi不同积分输出不同,VR恒定斜率恒定,采样结束：,编码结束：,2、双积分式ADC转换结果,令计数脉冲周期为TC，则t1=N1TC；t2=N2TC。,优点：N2Vi，抗干扰性和精度较好。不足：转换速度慢，20次/s。,分辨率：能分辨的最小输入变化量。可用分辨率、相对分辨率或以数字位数表示。,8.3.3 ADC的主要参数,一、转换精度,设ADC位数为n，满量程范围FSR。分辨率=FSR/2n；直接表示n；,例：FSR=10V的12位ADC，其分辨率表示：分辨率2.44mV、0.0244%、12位。,n越大分辨率越高,信噪比（SNR）：ADC输出端信号与噪声之比，用dB表示。对于正弦波输入信号，信噪比的理论值满足6dB规则：SNR=(6.02n1.76)dB 式中：n为ADC的位数，即ADC的位数每增加一位，SNR值增加约6dB。,利用ADC实际信噪比，可求其有效位数(ENOB)：,其它参数（总谐波失真、互调失真等）自学。,转换时间：从启动ADC转换开始到正确输出数字信号的一段时间间隔。,注意：实际应用中，在ADC完成转换后到数据被读出之前，不允许有新的转换。,二、ADC的转换时间和转换速率,转换速率：单位时间（每秒）内ADC重复转换的次数。,与硬件连接、编程方法等有关。,三、ADC的接口特性,ADC与外部电路连接时的特性，包括:输入特性：电压(电流)范围、输入极性(单、双极性)、模拟信号最高有效频率等。输出特性：编码方式(自然或偏移二进制码等)、输出方式(串、并行；三态、缓冲、锁存输出)以及电平类型(TTL、CMOS等)。控制特性：启动转换、转换完成；片选信号(CS)、数据读(RD)等控制信号端。,8.3.4 典型ADC介绍（ADC0809）,dip28封装,误差1LSB,决定转换时间,+5V单电源；15 mW功耗,单极性05 V,ADC0809工作时序图,清零,启动,CLK：要求频率101280kHz，典型值640kHz。,转换进行中,转换结束,ADC0809与8031的接口电路,1、根据分辨率确定ADC位数n设ADC电压输入范围为FSR，位数为n，要求分辨率为M。则,标称位数8、10、12、14等,例：某ADC的FSR=10V，系统要求分辨率M=2mV。试确定其位数。,可选13位,一、ADC的选择,8.4.3 ADC的应用,2、根据采集速度确定ADC的转换速度设系统转换速率为f；硬件延迟时间ty；ADC转换时间为tcon。则：T1/f。,T=ty+tcon,3、ADC其它方面的选择需注意事项输出信号的编码方式；与其他逻辑电平的匹配情况；控制信号是否合乎要求等。另外，转换时间要与应用系统匹配。,二、ADC的调整,使用ADC通常要调整其失调和增益误差。方法：硬件、软件消除。,将两组数据代入方程y=max+b可求出ma（实际增益）和b（实际失调）。,有了ma、b及实测输出x，用y=max+b即可得到消除了增益和失调误差标准输出。,三、高分辨率ADC与微处理器的接口,当ADC位数大于CPU数据宽度的接口方法（通常ADC提供两次读出数据控制）。,8.4.4 ADC的应用电路,一、数据采集系统,将被采样的模拟信号变化范围变换为接近ADC输入模拟信号的满量程范围。目的：为了减小ADC的量化误差。,二、ADC的满量程转换,例如：被采样信号Vi=0mV11mV；单极性ADC采用截断量化，FSR=10V，输出位数12位。量化区间大小：2.44mV,05V,如：单极性ADC采样双极性输入电压。,三、ADC的功能扩展,Vi=-5V对应Dn-1D0为全0。,Vi=+5V对应 Dn-1D0为全1。,双极性电压,单极性电压,四、常用数据处理技术,为消除采样数据中干扰，可用硬件方法，也可用软件对采样数据进行处理，使采样数据尽可能接近其真实值，以提高精度。,1、消除系统零点漂移与增益漂移 如：通过两组数据求y=max+b中ma、b。,2、采样数据的标度变换 非电物理量电量数字量有意义数字量（标度变换：线性、非线性参数变换）。3、采样数据的数字滤波（减少干扰比重）,1、驱动问题：通常，在DAC之后或ADC之前需加放大电路，对模拟信号加以放大。2、合理使用S/H：DAC之后加S/H可消除突跳；ADC之前加S/H可提高采样频率。3、在芯片处需将模拟、数字地相接。,DAC和ADC在工程应用中需要注意的问题,小结,1、ADC基本原理（并行最快）；2、ADC性能参数（分辨率、量化误差、转换时间）。3、ADC使用方法（选器件设计接口电路正确调整减小误差。4、掌握基本扩展方法（单双）；并注意使用中驱动、接地问题。,作业：8.8、8.9、8.12 思考题：8.16,