電子技術基礎與技能9.2模數（AD）轉換電路【實踐導入】：A/D轉換演示實驗9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程【實驗電路】圖9--2-1

A/D轉換演示實驗原理圖【實踐導入】：A/D轉換演示實驗9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程【實驗步驟】（1）按圖9-2-1所示連接好電路；VCC用+5V，函數信號發生器輸出1kHz的方波信號輸入到CLK端，同時接入到數字存儲示波器CH1方便觀察；DAT端輸出送入到數字存儲示波器CH2通道；ANIN端通過RP接入一個0~VCC范圍的電壓信號作為輸入；CS端接入圖示開關。（2）調節RP到合適的位置，將CS對應的開關撥到GND端，觀察數字存儲示波器中波形，待CH2開始變化并經過8個CLK周期后，將CS對應開關撥回到VCC端。觀察示波器波形；（3）重新調整RP，重復步驟（2）中的操作，觀察示波器波形情況。【實驗現象】示波器上顯示一串信號，且只有表示地“0”和表示5V的“1”兩種取值；調節RP改變ANIN輸入信號后，會顯示具有相同特質的不同的一串信號。【實驗結論】ANIN端每輸入一個模擬量電壓，通過TLC549電路處理后在DAT端輸出了與之對應的數字量，完成一次模擬信號到數字信號的轉換。實驗中轉換后得到的數字量是串行輸出，此外還有各類并行輸出的ADC。9.2.1A/D轉換的基本過程9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程一、A/D轉換的基本概念及原理A/D轉換是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量成正比。實現這一過程的電路稱為ADC。完成一次完整的A/D轉換需要經過取樣、保持、量化、編碼四個過程。取樣，是按一定的頻率抽取連續變化的模擬量，從而使時間連續變化的信號變成時間離散的信號。其工作過程如圖9-2-2所示。9.2.1A/D轉換的基本過程9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程圖9-2-2ADC取樣工作過程示意圖9.2.1A/D轉換的基本過程9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程一、A/D轉換的基本概念及原理A/D轉換需要一定的時間來完成，因此，一次取樣完成后，要能夠把取樣后的電壓保持住一段時間，直到下一次取樣的開始。保持電路的一般形式如圖9-2-3所示。S(t)有效期間，開關管VT導通，UI向電容充電，運放構成電壓跟隨器，Uo跟隨Uc的變化而變化，得到取樣電壓后，VT關閉，Uo保持不變。實際實現時，取樣和保持一次完成。取樣保持后的輸出電壓需要歸化為某個最小單位電壓的整數倍才能進一步編碼，這個最小單位電壓稱為量化單位，而這一過程稱為量化，量化后得到相應的數字量，用二進制代碼表示出來即完成了編碼。在電路實際實現時，量化與編碼也是一次完成。9.2.1A/D轉換的基本過程9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程一、A/D轉換的基本概念及原理圖9-2-3A/D轉換保持電路9.2.1A/D轉換的基本過程9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程二、A/D轉換電路A/D轉換器的種類很多，主要有并行比較型、逐次逼近型、雙積分型、Σ-Δ等。以下介紹雙積分型和逐次逼近型。1.雙積分型A/D轉換器雙積分型A/D轉換器采用的是一種間接的轉換方法，它首先把輸入模擬信號電壓轉換為與之成正比的中間變量如時間信號，再在這個時間內對固定頻率的時鐘脈沖進行計數，計數的結果就是與輸入模擬信號成正比的數字信號。其原理框圖如圖9-2-4所示。9.2.1A/D轉換的基本過程9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程圖9-2-4雙積分型A/D轉換器原理框圖9.2.1A/D轉換的基本過程9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程二、A/D轉換電路1.雙積分型A/D轉換器雙積分型A/D轉換器由積分器、比較器、控制電路和計數器組成。其工作過程如下：轉換之前，邏輯控制電路使電容放電，積分器清零，同時計數器也清零。轉換開始后，分兩步進行。第一步，電子開關控制UI接入，積分器開始對UI進行定時積分，同時計數器開始對時鐘脈沖計數。當計數器計滿溢出時，控制電路將電子開關接入參考電壓-UREF，第一次積分結束。9.2.1A/D轉換的基本過程9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程二、A/D轉換電路1.雙積分型A/D轉換器第二步，電子開關接入-UREF后，積分器開始第二次的反向積分，同時計數器從0開始對時鐘脈沖進行計數。當過零比較器檢測到積分器輸出電壓為0時，控制計數器停止計數。同時通過邏輯控制電路使電子開關重新接入UI，重復第一步。這時計數器的計數結果為D。計數器的計數結果與輸入電壓成正比。從而完成了A/D轉換。雙積分型A/D轉換器的特點是電路結構簡單，工作性能穩定，抗干擾能力強，轉換精度高，轉換速度慢，在低速A/D轉換中應用十分廣泛。9.2.1A/D轉換的基本過程9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程二、A/D轉換電路2.逐次逼近型A/D轉換器逐次逼近型A/D轉換器內部結構如圖9-2-5所示。它由控制邏輯電路、數據寄存器、移位寄存器、D/A轉換器及電壓比較器組成。圖9-2-5逐次逼近型A/D轉換器原理框圖9.2.1A/D轉換的基本過程9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程二、A/D轉換電路2.逐次逼近型A/D轉換器逐次逼近轉換過程和用天平稱重非常相似。天平稱重過程中通過從重至輕的順序添加砝碼并與被稱物體進行比較，若物體重，則砝碼保留，若物體輕則移去換較輕的砝碼重復操作直到用完最小一個砝碼為止。將所有留下的砝碼重量相加，就可得到此物體的重量。逐次逼近型A/D轉換器，就是用不同的參考電壓代替砝碼，去跟輸入模擬信號這一重物做多次比較，從而使轉換所得的數字量在數值上逐次逼近輸入模擬量對應值。9.2.1A/D轉換的基本過程9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程二、A/D轉換電路2.逐次逼近型A/D轉換器它的工作過程可以描述如下：啟動脈沖啟動后，在第一個時鐘脈沖作用下，控制電路使最高位置1，其他位置0，其輸出經數據寄存器將1000……0，送入D/A轉換器。輸入電壓首先與D/A轉換器輸出電壓（UO）相比較，如UI≥UO，則通過控制電路使高位保留為1，若UI<UO，則控制電路使高位為0，次高位為1，再經D/A轉換器轉換為相應的電壓U_O^'，重復上述步驟，比較次高位是1還是0；最后所有位數比較結束后，轉換完成。整個過程中，比較結果從高位到低位存于數據寄存器。9.2.1A/D轉換的基本過程9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程二、A/D轉換電路2.逐次逼近型A/D轉換器可見，完成一次n位的轉換過程需n+1個時鐘信號周期，再加上A/D轉換器復位需1個時鐘信號周期，逐次比較型A/D轉換器完成一次完整的A/D轉換需n+2個時鐘信號周期的時間。逐次逼近型A/D轉換器的速度較快、分辨率較高、誤差較小，同時它還具有轉換原理直觀、電路簡單、價格低廉等優點，多數A/D轉換芯片都用這種轉換型式。如ADC0809、AD7892等。9.2.1A/D轉換的基本過程9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程二、A/D轉換器的主要技術指標1.分辨率對于A/D轉換器來說，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A/D轉換器的位數。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，AD7892的分辨率為12位。2.量化誤差量化誤差是由于A/D轉換器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。9.2.1A/D轉換的基本過程9.2模數（AD）轉換電路教學活動1：A/D轉換的基本過程二、A/D轉換器的主要技術指標3.轉換時間轉換時間是A/D轉換器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。4.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。5.相對精度相對精度是指實際的轉換點偏離理想特性的誤差。對于線性A/D轉換器，相對精度就是它的非線性。9.2.2集成模數轉換器9.2模數（AD）轉換電路教學活動2：集成模數轉換器目前市面上的集成模數轉換器芯片很多，有8位、12位、16位、20位等各種類型；按照內部原理有比較型、逐次逼近型、積分型等類型；按照輸出方式有并行輸出、串行輸出等類型。ANALOGDEVICE公司生產AD7892便是一款廣泛使用的12位逐次逼近式高速ADC。1.AD7892的特點AD7892根據輸入模擬信號范圍的不同可分為AD7892-1，AD7892-2，AD7892-3三種子型號。其中，AD7892-1輸入信號范圍為±10V或者±5V（可設置），AD7892-2輸入信號范圍為0～＋2.5V，這兩種的采樣轉換速率均為500kSPS，AD7892-3的輸入信號范圍為±2.5V，采樣轉換速率為600kSPS，AD7892-1和AD7892-3的輸入信號過壓保護電壓分別為±17V和±7V。9.2.2集成模數轉換器9.2模數（AD）轉換電路教學活動2：集成模數轉換器圖9-2-7AD7892實物圖及引腳功能定義ADC實物圖與引腳功能9.2.2集成模數轉換器9.2模數（AD）轉換電路教學活動2：集成模數轉換器AD7892的管腳名稱及功能說明名稱管腳類型功能說明VDD1電源電源：±5V±5%2I低電平時為睡眠狀態(功耗5mW)，高電平時正常工作，一般應用時接高電平VIN23I模擬輸入2，對AD7892-2和AD7892-3，應懸空或接AGND。對AD7892-1來說，此腳決定輸入信號（VIN1）的范圍，當VIN2接AGND時，VIN1的范圍為±10V，接VIN1時，輸入信號范圍為±5VVIN14I模擬信號輸入腳1，其輸入范圍同上REFOUT/REFIN5I/O內部ADC基準，2.5V輸出，也可通過該腳輸入一個A/D轉換的外部基準（2.5V），如果用內部基準，此腳懸空，對外作為基準時應對AGND接0.1pF的瓷片電容外部基準(2.5V)，如果用內部基準，此腳懸空，對外作為基準時應對AGNDruv0.1μF的瓷片電容AGND6

模擬地MODE7I低電平時為串行輸出，高電平時為并行輸出9.2.2集成模數轉換器9.2模數（AD）轉換電路教學活動2：集成模數轉換器AD7892的管腳名稱及功能說明DB11-DB08-1315-20O/IA/D轉換的12位并行輸出，可與TTL電平兼容，為三態輸出，DB0為低位，DB11為高位，當串行工作時，15腳(SDATA)為串行數據輸出腳，16位的前四位為0，后12位為A/D的結果。16腳(SCLK)為串行輸出的時鐘輸入端17腳(RFS)為測試腳，正常工作時應接低電平DGND14

數字地，與外電路的數字地相連21I22I片選，低有效23O轉換結束信號，轉換結束時，此腳輸出100ns的低電平脈沖24I啟動轉換輸入端，當此腳由低變高時，使采樣保持器保持開始轉換，應加一個大于25ns的負脈沖來啟動轉換9.2.2集成模數轉換器9.2模數（AD）轉換電路教學活動2：集成模數轉換器AD7892的內部框圖實訓：搭接與測試A/D轉換電路9.2模數（AD）轉換電路教學活動3：搭接與測試A/D轉換電路1．搭接A/D轉換電路識別ADC0809芯片，并根據課前查閱到的資料整理該芯片的引腳排列及引腳功能，熟悉由其構建的常用應用電路。按照圖9-2-10所示電路搭接A/D轉換電路；電路中ALE、START接一單脈沖控制，CLK用函數信號發生器輸入500kHz的脈沖信號；因ADDA、ADDB、ADDC均接GND，因此模擬電壓將從IN0輸入，Rp可調節0~5V間的模擬電壓；ADC0809芯片的輸出端DO0~DO7外部通過三極管控制8個發光二極管，當發光二極管亮時，表明輸出為“1”，否則表明輸出為“0”。實訓：搭接與測試A/D轉換電路9.2模數（AD）轉換電路教學活動3：搭接與測試A/D轉換電路1．搭接A/D轉換電路圖9-2-10《搭接與測試A/D轉換電路》項目電路圖實訓：搭接與測試A/D轉換電路9.2模數（AD）轉換電路教學活動3：搭接與測試A/D轉換電路2．測試A/D轉換電路檢查確認電路無誤及電源正確后開始測試A/D轉換電路。（1）通過控制Rp控制輸入電壓，用萬用表測量IN0端，使其電壓為0.5V，按一次單次脈沖。觀察LED1～LED8的狀態，記錄在實驗表9-2-3中，同時根據8個LED的狀態寫出輸出數字量DO7~DO0的值填入表中。按照表9-2-3中的輸入值，依次重復剛才的操作，將測試結果填入表9-2-3中。實訓：搭接與測試A/D轉換電路9.2模數（AD）轉換電路教學活動3：搭接與測試A/D轉換電路2．測試A/D轉換電路表9--2-3

D/A轉換電路測試序號UI/VLED1LED2LED3LED4LED5LED6LED7LED8DO7~DO010滅滅滅滅滅滅滅滅

20.5

31

41.5

52

62.5

73

83.5

94

104.5

實訓：搭接與測試A/D轉換電路9.2模數（AD