1、A/D轉換及其原理12021/8/26一.A/DA/D轉換的轉換的基本概念基本概念二.ADCADC的主要技術的主要技術參數參數三三. .A/DA/D轉換的轉換的一般一般步驟和基本原理步驟和基本原理四四. .集成集成A/DA/D轉換器及應用轉換器及應用22021/8/26 計算機能夠處理的是數字量信息。然而在現實世界中有很計算機能夠處理的是數字量信息。然而在現實世界中有很多信息并不都是數字量的，例如聲音、電壓、電流、流量、多信息并不都是數字量的，例如聲音、電壓、電流、流量、壓力、溫度、位移和速度等，它們都是連續變化的物理量。壓力、溫度、位移和速度等，它們都是連續變化的物理量。這些連續變化的物理量

2、稱為這些連續變化的物理量稱為模擬量。模擬量。概述 計算機是處理計算機是處理數字量信息數字量信息的設備，要處理這些模擬量信息的設備，要處理這些模擬量信息就必須有一個模擬接口，通過這個模擬接口，將模擬量信就必須有一個模擬接口，通過這個模擬接口，將模擬量信息轉換成數字量信息，以供計算機運算和處理。息轉換成數字量信息，以供計算機運算和處理。 然后，再把計算機處理過的數字量信息轉換為然后，再把計算機處理過的數字量信息轉換為模擬量信息模擬量信息，以實現對被控制量的控制。以實現對被控制量的控制。AD轉換的原因轉換的原因32021/8/26 典型典型計算機自動控制系統計算機自動控制系統42021/8/26一.

3、AD的基本概念 模數轉換模數轉換將時間連續和幅值連續的模擬量將時間連續和幅值連續的模擬量轉換為時間離散、幅值也離散的數字轉換為時間離散、幅值也離散的數字量量。使輸出的數字量與輸入的模擬電量成正比。使輸出的數字量與輸入的模擬電量成正比。 實現模數轉換的電路稱實現模數轉換的電路稱模數轉換器模數轉換器。通常通常的模數轉換器是將一個輸入電壓信號轉換的模數轉換器是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數字信號為一個輸出的數字信號。即即A/DA/D轉換器，或轉換器，或簡稱簡稱ADCADC。（Analog - Digital - Converter ）52021/8/26二.ADCADC的主要技術的主要技術參數

4、參數1. 1. 分辨率分辨率 對于對于ADCADC來說，分辨率表示輸出數字量變化一個相鄰數碼來說，分辨率表示輸出數字量變化一個相鄰數碼所需要輸入模擬電壓的變化量。通常定義為滿刻度電壓與所需要輸入模擬電壓的變化量。通常定義為滿刻度電壓與2 2n n的比值，其中的比值，其中n n為為ADCADC的位數。例如具有的位數。例如具有1212位分辨率的位分辨率的ADCADC能夠分辨出滿刻度的能夠分辨出滿刻度的1/21/21212（0.0244%0.0244%）。）。 有時分辨率也用有時分辨率也用A/DA/D轉換器的位數來表示，如轉換器的位數來表示，如ADC0809ADC0809的分的分辨率為辨率為8 8位

5、，位，AD574AD574的分辨率為的分辨率為1212位等。位等。2. 2. 量化誤差量化誤差 量化誤差是由于量化誤差是由于ADC ADC 的有限分辨率引起的誤差，這是連續的有限分辨率引起的誤差，這是連續的模擬信號在整數量化后的固有誤差。對于四舍五入的量的模擬信號在整數量化后的固有誤差。對于四舍五入的量化法，量化誤差在化法，量化誤差在1/2 LSB1/2 LSB之間。之間。62021/8/26二.ADCADC的主要技術參數的主要技術參數3. 3. 絕對精度絕對精度 絕對精度是指在輸出端產生給定的數字代碼所表示的實際絕對精度是指在輸出端產生給定的數字代碼所表示的實際需要的模擬輸入值與理論上要求的

6、模擬輸入值之差。需要的模擬輸入值與理論上要求的模擬輸入值之差。4. 4. 相對精度相對精度 它與絕對精度相似，所不同的是把這個偏差表示為滿刻度它與絕對精度相似，所不同的是把這個偏差表示為滿刻度模擬電壓的百分數。模擬電壓的百分數。 5. 5. 轉換時間轉換時間 轉換時間是轉換時間是ADCADC完成一次轉換所需要的時間，即從啟動信完成一次轉換所需要的時間，即從啟動信號開始到轉換結束并得到穩定的數字輸出量所需要的時間，號開始到轉換結束并得到穩定的數字輸出量所需要的時間，通常為微秒級。通常為微秒級。6 6量程量程 量程是指能轉換的輸入電壓范圍。量程是指能轉換的輸入電壓范圍。72021/8/26三三.A

7、/D.A/D轉換的轉換的一般一般步驟步驟和和基本原理基本原理基本原理基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI 稱為 ADC 的單位量化電壓或量化單位，它是 ADC 的最小分辨電壓。 uD可見，輸出數字量 D 正比于輸入模擬量 uI 。 “ ”表示取整。82021/8/26A/DA/D轉換的一般步驟轉換的一般步驟uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0uI(t)S采樣保持電路采樣：把時間連續變化的信號變換為時間離散的信號。保持：保持采樣信號，使有充分時間轉換為數字信號。量化：把采樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的 整數倍表示。編碼：把量化的結果用二進制代碼表示。92021/8/26A/DA/

8、D轉換的一般步驟轉換的一般步驟 采樣和保持通常采樣和保持通常在采樣保持電路中完成在采樣保持電路中完成，量，量化和編碼通常化和編碼通常在在A/DA/D轉換電路轉換電路中完成。中完成。102021/8/26采樣定理：設取樣脈沖s(t)的頻率為fS，輸入模擬信號x(t)的最高頻率分量的頻率為fmax，必須滿足fs 2fmax。y(t)才可以正確的反映輸入信號(從而能不失真地恢復原模擬信號)。通常取通常取fs （2.53）fmax 112021/8/26由于由于A/DA/D轉換需要一定的時間，在每次采樣以后，需轉換需要一定的時間，在每次采樣以后，需要把采樣電壓保持一段時間。要把采樣電壓保持一段時間。s

9、(t)s(t)有效期間，開關管有效期間，開關管VTVT導通，導通，u uI I向向C C充電，充電，u uO O (=(=u uc c) )跟隨跟隨u uI I的變化而變化；的變化而變化；s(t)s(t)無效期間，開關管無效期間，開關管VTVT截止，截止，u uO O (=(=u uc c) )保持不變，直到下保持不變，直到下次采樣。（由于集成運放次采樣。（由于集成運放A A具有很高的輸入阻抗，在保持階段，具有很高的輸入阻抗，在保持階段，電容電容C C上所存電荷不易泄放。）上所存電荷不易泄放。） A/DA/D轉換的一般步驟轉換的一般步驟 122021/8/26量化量化數字量最小單位所對應的最小

10、量值叫做數字量最小單位所對應的最小量值叫做量化單位。量化單位。將采樣保持電路的輸出電壓歸化為量化單位的整將采樣保持電路的輸出電壓歸化為量化單位的整數倍的過程叫做數倍的過程叫做量化。量化。從從圖中可以看出，量化過圖中可以看出，量化過程會程會產生產生最大最大1/2 1/2 LSB (LSB (即即0.5V ) 0.5V ) 的誤差的誤差，要減少這，要減少這種量化誤差，可采取位數種量化誤差，可采取位數更多更多的的A/DA/D轉換器轉換器。132021/8/26編碼編碼用二進制代碼來表示各個量化電平的過程叫用二進制代碼來表示各個量化電平的過程叫做做編碼。編碼。一個一個n n位二進制數只能表示位二進制數

11、只能表示2 2n n個量化電平，量個量化電平，量化過程中不可避免會產生誤差，這種誤差稱化過程中不可避免會產生誤差，這種誤差稱為為量化誤差量化誤差。量化級分得越多（。量化級分得越多（n n越大），量越大），量化誤差越小。化誤差越小。如果如果有有n n個個量化級，二進制位的位數應為量化級，二進制位的位數應為2 2 n n。如量化級有如量化級有8 8個，就需要個，就需要3 3位編碼。位編碼。142021/8/26常用常用 ADC ADC 的類型的類型A/DA/D轉轉換換器器直接型直接型間接型間接型并聯比較型并聯比較型雙積分型雙積分型電壓時間變換型積分型電壓時間變換型積分型(V-T)(V-T)( (雙

12、積分型雙積分型) )逐次漸進型逐次漸進型電壓頻率變換型電壓頻率變換型(V-F(V-F) )152021/8/26逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D轉換器轉換器工作工作特點特點 逐次逼近式逐次逼近式A/D轉換器的工作特點為：轉換器的工作特點為：二分搜索二分搜索反饋比較反饋比較逐次逼近逐次逼近其工作過程與天平稱重物重量的過程十分相似。其工作過程與天平稱重物重量的過程十分相似。162021/8/26逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D轉換器工作轉換器工作原理原理 稱重過程如下：稱重過程如下： 先在砝碼盤上加先在砝碼盤上加128g砝碼，經天平比較結果，重物砝碼，經天平比較結果，重物195g 128g，此砝碼

13、保留，即相當于最高位數碼，此砝碼保留，即相當于最高位數碼D7記為記為1。 再加再加64g砝碼，經天平比較，重物砝碼，經天平比較，重物195g （12864）g，則繼續留下則繼續留下64g砝碼，即相當于數碼砝碼，即相當于數碼D6記為記為1。 接著不斷用上述方法，由大到小砝碼逐一添加比較，凡砝接著不斷用上述方法，由大到小砝碼逐一添加比較，凡砝碼總重量小于物體重量的砝碼保留，否則拿下所添加的砝碼總重量小于物體重量的砝碼保留，否則拿下所添加的砝碼。碼。 這樣可得保留的砝碼為這樣可得保留的砝碼為128g64g2g1g195g，與重，與重物重量相等，相當于轉換的數碼為物重量相等，相當于轉換的數碼為D7D0

14、11000011。172021/8/26逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D轉換器轉換器基準電壓基準電壓U UREFREF逐次逼近型ADC電路框圖 182021/8/26實例實例8 8位位A/DA/D轉換器，輸入模擬量轉換器，輸入模擬量u uI I=6.84V=6.84V，D/AD/A轉換器轉換器基準電壓基準電壓 U UREFREF=10V=10V。CP010000000511110000007.502101000006.2513101100006.87504101010006.562515101011006.7187516101011106.79687517101011116.83593751相

15、對誤差僅為0.06%。轉換精度取決于位數。123456781052102.52101.252100.6252100.31252100.156252100.0781252100.03906252192021/8/26逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D轉換器轉換器優點優點精度高精度高轉換轉換速度速度快快轉換時間固定轉換時間固定簡化簡化了與計算機同步，所以常常用作微機了與計算機同步，所以常常用作微機接口接口。202021/8/26雙積分型雙積分型A/DA/D轉換器轉換器雙積分型雙積分型A/DA/D轉換器屬于間接型轉換器屬于間接型A/DA/D轉轉換器，它是把待轉換的輸入模擬電壓先換器，它是把待轉換的輸入

16、模擬電壓先轉換為一個中間變量，例如時間轉換為一個中間變量，例如時間T T；然后；然后再對中間變量量化編碼，得出轉換結果再對中間變量量化編碼，得出轉換結果，這種，這種ADAD轉換器多稱為轉換器多稱為電壓電壓- -時間變換型時間變換型（簡稱（簡稱VTVT型型）。）。212021/8/26雙積分型雙積分型A/DA/D轉換器轉換器雙積分型雙積分型AD轉換器的框圖轉換器的框圖222021/8/26雙積分型雙積分型ADCADC原理原理 轉換開始前，先將計數器清零，并接通S0使電容C完全放電。轉換開始，斷開S0。整個轉換過程分兩階段進行。 第一階段，令開關S1置于輸入信號Ui一側。積分器對Ui進行固定時間T

17、1的積分。這一過程稱為轉換電路對輸入模擬電壓的采樣過程。積分結束時積分器的輸出電壓為：1111101()TOUTUdtUCRRC 232021/8/26雙積分型雙積分型ADCADC原理原理 第二階段稱為定速率積分過程，將UO1轉換為成比例的時間間隔。采樣階段結束時，一方面因參考電壓-VREF的極性與UI相反，積分器向相反方向積分。計數器由0開始計數，經過T2時間，積分器輸出電壓回升為零，過零比較器輸出低電平，關閉計數門，計數器停止計數，同時通過邏輯控制電路使開關S1與UI相接，重復第一步。12IREFTTUV1IREFNDUV11CPTNT其中TCP是脈沖時鐘信號，D是計數脈沖數242021/

18、8/26雙積分雙積分ADAD轉換器轉換器計數器中的數值就是AD轉換器轉換后數字量，至此即完成了VT轉換。252021/8/26雙積分型雙積分型A/DA/D轉換器轉換器的特點的特點因因有積分器的存在，積分器的輸出只對輸入信有積分器的存在，積分器的輸出只對輸入信號的平均值有所號的平均值有所響應響應，保證了，保證了工作工作性能比較穩性能比較穩定且抗干擾能力定且抗干擾能力強強。只要兩次積分過程中積分器的時間常數相等只要兩次積分過程中積分器的時間常數相等路路對對RCRC精度的要求不精度的要求不高高。電路的電路的結構結構相對相對比較簡單比較簡單。雙積分型雙積分型A/DA/D轉換器屬于低速型轉換器屬于低速型

19、ADAD轉換器轉換器，一次一次轉換時間在轉換時間在12ms12ms，而逐次比較型，而逐次比較型A/DA/D轉換器可轉換器可達到達到1 1 s s。毫秒級的時間對于工業控制是毫秒級的時間對于工業控制是足足足足有有余余的，因此在工業控制中發揮優勢。的，因此在工業控制中發揮優勢。262021/8/26四四. .集成集成A/DA/D轉換器及應用轉換器及應用 常用的常用的A/DA/D轉換器芯片有轉換器芯片有ADC0809ADC0809、AD574AAD574A。 僅介紹僅介紹ADC0890ADC0890。CMOSCMOS器件，除了有器件，除了有8 8位位A/DA/D轉換器外，還有轉換器外，還有8 8路模擬開關以及地址鎖存路模擬開關以及地址鎖存與譯碼，有三條地址輸入線與譯碼，有三條地址輸入線ADDAADDA、ADDBADDB、ADDCADDC，可決定選