AD轉換及其原理AD轉換及其原理AD轉換及其原理一.A/D轉換的基本概念二.ADC的主要技術參數三.A/D轉換的一般步驟和基本原理四.集成A/D轉換器及應用AD轉換及其原理AD轉換及其原理AD轉換及其原理一.A/D轉1一.A/D轉換的基本概念二.ADC的主要技術參數三.A/D轉換的一般步驟和基本原理四.集成A/D轉換器及應用一.A/D轉換的基本概念2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、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稱為模擬量。概述計算機是處理數字量信息的設備，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模擬量信息，以實現對被控制量的控制。AD轉換的原因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3

典型計算機自動控制系統典型計算機自動控制系統4一.AD的基本概念模數轉換將時間連續和幅值連續的模擬量轉換為時間離散、幅值也離散的數字量。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模數轉換器。通常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。即A/D轉換器，或簡稱ADC。（Analog-Digital-Converter）一.AD的基本概念模數轉換將時間連續和幅值連續的模擬量轉換為5二.ADC的主要技術參數1.分辨率對于ADC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2n的比值，其中n為ADC的位數。例如具有12位分辨率的ADC能夠分辨出滿刻度的1/212（0.0244%）。有時分辨率也用A/D轉換器的位數來表示，如ADC0809的分辨率為8位，AD574的分辨率為12位等。2.量化誤差量化誤差是由于ADC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。對于四舍五入的量化法，量化誤差在±1/2LSB之間。二.ADC的主要技術參數1.分辨率2.量化誤差6二.ADC的主要技術參數3.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需要的模擬輸入值與理論上要求的模擬輸入值之差。4.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模擬電壓的百分數。5.轉換時間轉換時間是ADC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，通常為微秒級。6．量程量程是指能轉換的輸入電壓范圍。二.ADC的主要技術參數3.絕對精度7三.A/D轉換的一般步驟和基本原理基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模擬輸入信號n

位二進制數輸出

D=Dn-1

Dn-2

D1

D0△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。可見，輸出數字量D

正比于輸入模擬量uI。

“[]”表示取整。三.A/D轉換的一般步驟和基本原理基本原理ADCD0D1Dn8A/D轉換的一般步驟uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0…uI(t)S采樣保持電路輸入模擬量輸出數字量采樣：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。A/D轉換的一般步驟uI(t)C量化編碼Dn-1D1D0…u9A/D轉換的一般步驟采樣和保持通常在采樣保持電路中完成，量化和編碼通常在A/D轉換電路中完成。A/D轉換的一般步驟采樣和保持通常在采樣保持電路中10

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fs

＝（2.5～3）fmax

采樣定理：設取樣脈沖s(t)的頻率為fS，輸入模擬信號x11由于A/D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。

s(t)有效期間，開關管VT導通，uI向C充電，uO

(=uc)跟隨uI的變化而變化；

s(t)無效期間，開關管VT截止，uO

(=uc)保持不變，直到下次采樣。（由于集成運放A具有很高的輸入阻抗，在保持階段，電容C上所存電荷不易泄放。）A/D轉換的一般步驟由于A/D轉換需要一定的時間，在每次采樣以后，需要把采樣電壓12量化數字量最小單位所對應的最小量值叫做量化單位△。將采樣－保持電路的輸出電壓歸化為量化單位△的整數倍的過程叫做量化。從圖中可以看出，量化過程會產生最大1/2LSB(即0.5V)的誤差，要減少這種量化誤差，可采取位數更多的A/D轉換器。量化數字量最小單位所對應的最小量值叫做量化單位△。從圖中可以13編碼用二進制代碼來表示各個量化電平的過程叫做編碼。一個n位二進制數只能表示2n個量化電平，量化過程中不可避免會產生誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化級分得越多（n越大），量化誤差越小。如果有n個量化級，二進制位的位數應為㏒2n。如量化級有8個，就需要3位編碼。編碼用二進制代碼來表示各個量化電平的過程叫做編碼。14常用ADC的類型A/D轉換器直接型間接型并聯比較型雙積分型電壓時間變換型積分型(V-T)(雙積分型)逐次漸進型電壓頻率變換型(V-F)常用ADC的類型A/D直接型間接型并聯比較型雙積分型電壓15逐次逼近式A/D轉換器工作特點逐次逼近式A/D轉換器的工作特點為：二分搜索反饋比較逐次逼近其工作過程與天平稱重物重量的過程十分相似。逐次逼近式A/D轉換器工作特點逐次逼近式A/D轉換器的工作特16逐次逼近式A/D轉換器工作原理稱重過程如下：①先在砝碼盤上加128g砝碼，經天平比較結果，重物195g＞128g，此砝碼保留，即相當于最高位數碼D7記為1。②再加64g砝碼，經天平比較，重物195g＞（128＋64）g，則繼續留下64g砝碼，即相當于數碼D6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。這樣可得保留的砝碼為128g＋64g＋2g＋1g＝195g，與重物重量相等，相當于轉換的數碼為D7～D0＝。逐次逼近式A/D轉換器工作原理稱重過程如下：17逐次逼近式A/D轉換器基準電壓UREF

逐次逼近型ADC電路框圖

逐次逼近式A/D轉換器基準電壓UREF逐次逼近型ADC電18實例

8位A/D轉換器，輸入模擬量uI=6.84V，D/A轉換器基準電壓UREF=10V。CP05117.5026.25136.875046.5625156.71875166.796875176.83593751相對誤差僅為0.06%。轉換精度取決于位數。實例8位A/D轉換器，輸入模擬量uI=6.84V，D/A19逐次逼近式A/D轉換器優點精度高轉換速度快轉換時間固定簡化了與計算機同步，所以常常用作微機接口。逐次逼近式A/D轉換器優點精度高20雙積分型A/D轉換器雙積分型A/D轉換器屬于間接型A/D轉換器，它是把待轉換的輸入模擬電壓先轉換為一個中間變量，例如時間T；然后再對中間變量量化編碼，得出轉換結果，這種AD轉換器多稱為電壓-時間變換型（簡稱VT型）。雙積分型A/D轉換器雙積分型A/D轉換器屬于間接型A/D轉換21雙積分型A/D轉換器雙積分型AD轉換器的框圖雙積分型A/D轉換器雙積分型AD轉換器的框圖22雙積分型ADC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T1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：雙積分型ADC原理轉換開始前，先將計數器清零，并接通S0使電23雙積分型ADC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。其中TCP是脈沖時鐘信號，D是計數脈沖數雙積分型ADC原理第二階段稱為定速率積分過程，將UO1轉換為24雙積分AD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。雙積分AD轉換器計數器中的數值就是AD轉換器轉換后數字量，至25雙積分型A/D轉換器的特點因有積分器的存在，積分器的輸出只對輸入信號的平均值有所響應，保證了工作性能比較穩定且抗干擾能力強。只要兩次積分過程中積分器的時間常數相等路對RC精度的要求不高。電路的結構相對比較簡單。雙積分型A/D轉換器屬于低速型AD轉換器，一次轉換時間在1~2ms，而逐次比較型A/D轉換器可達到1s。毫秒級的時間對于工業控制是足足有余的，因此在工業控制中發揮優勢。雙積分型A/D轉換器的特點因有積分器的存在，積分器的輸出只對26四.集成A/D轉換器及應用常用的A/D轉換器芯片有ADC0809、AD574A。僅介紹ADC0890。CMOS器件，除了有8位A/D轉換器外，還有8路模擬開關以及地址鎖存與譯碼，有三條地址輸入線ADDA、ADDB、ADDC，可決定選通一路，該芯片內還有便于與微機數據總線連接的三態輸出鎖存器。四.集成A/D轉換器及應用常用的A/D轉換器芯片有ADC0827ADC0809ADC080928ADC0809的引腳功能IN0～IN7：8路模擬輸入。START：啟動A/D轉換信號。ALE：地址鎖存允許信號。EOC：轉換結束信號。ADDA、ADDB、ADDC：8路模擬通道選擇。VREF（＋）、VREF（－）：基準電壓輸入，典型值為VREF（＋）=＋5V，VREF（－）=0V。D0～D7：8位數字數據輸出。CLOCK：時鐘輸入。VCC、GND：電源和地。OE：輸出允許。ADC0809的引腳功能IN0～IN7：8路模擬輸入。29ADC0809應用ADC0809與51單片機組成的AD轉換電路原理圖ADC0809應用ADC0809與51單片機組成的AD轉換電30謝謝！謝謝！31AD轉換及其原理AD轉換及其原理AD轉換及其原理一.A/D轉換的基本概念二.ADC的主要技術參數三.A/D轉換的一般步驟和基本原理四.集成A/D轉換器及應用AD轉換及其原理AD轉換及其原理AD轉換及其原理一.A/D轉32一.A/D轉換的基本概念二.ADC的主要技術參數三.A/D轉換的一般步驟和基本原理四.集成A/D轉換器及應用一.A/D轉換的基本概念33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、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稱為模擬量。概述計算機是處理數字量信息的設備，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模擬量信息，以實現對被控制量的控制。AD轉換的原因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34

典型計算機自動控制系統典型計算機自動控制系統35一.AD的基本概念模數轉換將時間連續和幅值連續的模擬量轉換為時間離散、幅值也離散的數字量。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模數轉換器。通常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。即A/D轉換器，或簡稱ADC。（Analog-Digital-Converter）一.AD的基本概念模數轉換將時間連續和幅值連續的模擬量轉換為36二.ADC的主要技術參數1.分辨率對于ADC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2n的比值，其中n為ADC的位數。例如具有12位分辨率的ADC能夠分辨出滿刻度的1/212（0.0244%）。有時分辨率也用A/D轉換器的位數來表示，如ADC0809的分辨率為8位，AD574的分辨率為12位等。2.量化誤差量化誤差是由于ADC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。對于四舍五入的量化法，量化誤差在±1/2LSB之間。二.ADC的主要技術參數1.分辨率2.量化誤差37二.ADC的主要技術參數3.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需要的模擬輸入值與理論上要求的模擬輸入值之差。4.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模擬電壓的百分數。5.轉換時間轉換時間是ADC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，通常為微秒級。6．量程量程是指能轉換的輸入電壓范圍。二.ADC的主要技術參數3.絕對精度38三.A/D轉換的一般步驟和基本原理基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模擬輸入信號n

位二進制數輸出

D=Dn-1

Dn-2

D1

D0△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?？梢姡敵鰯底至緿

正比于輸入模擬量uI。

“[]”表示取整。三.A/D轉換的一般步驟和基本原理基本原理ADCD0D1Dn39A/D轉換的一般步驟uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0…uI(t)S采樣保持電路輸入模擬量輸出數字量采樣：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。A/D轉換的一般步驟uI(t)C量化編碼Dn-1D1D0…u40A/D轉換的一般步驟采樣和保持通常在采樣保持電路中完成，量化和編碼通常在A/D轉換電路中完成。A/D轉換的一般步驟采樣和保持通常在采樣保持電路中41

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fs

＝（2.5～3）fmax

采樣定理：設取樣脈沖s(t)的頻率為fS，輸入模擬信號x42由于A/D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。

s(t)有效期間，開關管VT導通，uI向C充電，uO

(=uc)跟隨uI的變化而變化；

s(t)無效期間，開關管VT截止，uO

(=uc)保持不變，直到下次采樣。（由于集成運放A具有很高的輸入阻抗，在保持階段，電容C上所存電荷不易泄放。）A/D轉換的一般步驟由于A/D轉換需要一定的時間，在每次采樣以后，需要把采樣電壓43量化數字量最小單位所對應的最小量值叫做量化單位△。將采樣－保持電路的輸出電壓歸化為量化單位△的整數倍的過程叫做量化。從圖中可以看出，量化過程會產生最大1/2LSB(即0.5V)的誤差，要減少這種量化誤差，可采取位數更多的A/D轉換器。量化數字量最小單位所對應的最小量值叫做量化單位△。從圖中可以44編碼用二進制代碼來表示各個量化電平的過程叫做編碼。一個n位二進制數只能表示2n個量化電平，量化過程中不可避免會產生誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化級分得越多（n越大），量化誤差越小。如果有n個量化級，二進制位的位數應為㏒2n。如量化級有8個，就需要3位編碼。編碼用二進制代碼來表示各個量化電平的過程叫做編碼。45常用ADC的類型A/D轉換器直接型間接型并聯比較型雙積分型電壓時間變換型積分型(V-T)(雙積分型)逐次漸進型電壓頻率變換型(V-F)常用ADC的類型A/D直接型間接型并聯比較型雙積分型電壓46逐次逼近式A/D轉換器工作特點逐次逼近式A/D轉換器的工作特點為：二分搜索反饋比較逐次逼近其工作過程與天平稱重物重量的過程十分相似。逐次逼近式A/D轉換器工作特點逐次逼近式A/D轉換器的工作特47逐次逼近式A/D轉換器工作原理稱重過程如下：①先在砝碼盤上加128g砝碼，經天平比較結果，重物195g＞128g，此砝碼保留，即相當于最高位數碼D7記為1。②再加64g砝碼，經天平比較，重物195g＞（128＋64）g，則繼續留下64g砝碼，即相當于數碼D6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。這樣可得保留的砝碼為128g＋64g＋2g＋1g＝195g，與重物重量相等，相當于轉換的數碼為D7～D0＝。逐次逼近式A/D轉換器工作原理稱重過程如下：48逐次逼近式A/D轉換器基準電壓UREF

逐次逼近型ADC電路框圖

逐次逼近式A/D轉換器基準電壓UREF逐次逼近型ADC電49實例

8位A/D轉換器，輸入模擬量uI=6.84V，D/A轉換器基準電壓UREF=10V。CP05117.5026.25136.875046.5625156.71875166.796875176.83593751相對誤差僅為0.06%。轉換精度取決于位數。實例8位A/D轉換器，輸入模擬量uI=6.84V，D/A50逐次逼近式A/D轉換器優點精度高轉換速度快轉換時間固定簡化了與計算機同步，所以常常用作微機接口。逐次逼近式A/D轉換器優點精度高51雙積分型A/D轉換器雙積分型A/D轉換器屬于間接型A/D轉換器，它是把待轉換的輸入模擬電壓先轉換為一個中間變量，例如時間T；然后再對中間變量量化編碼，得出轉換結果，這種AD轉換器多稱為電壓-時間變換型（簡稱VT型）。雙積分型A/D轉換器雙積分型A/D轉換器屬于間接型A/D轉換52雙積分型A/D轉換器雙積分型AD轉換器的框圖雙積分型A/D轉換器雙積分型AD轉換器的框圖53雙積分型ADC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T1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：雙積分型ADC原理轉換開始前，先將計數器清零，并接通S0使電54雙積分型ADC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