第八章數模轉換和模數轉換

8.2模數轉換主講人：黃麗亞A/D轉換是將模擬信號轉換為數字信號，轉換過程通過采樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。1.數模轉換的一般過程模擬量輸入數字量輸出8.3模數轉換A/D采樣開關

采樣是將時間上連續變化的信號轉換為時間上離散的信號。1.采樣和保持采樣過程采樣脈沖輸入模擬信號采樣輸出信號

將時間上連續變化的模擬量轉換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。

模擬信號經采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度τ一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。

場效應管VT為采樣門，電容C為保持電容，運算放大器為跟隨器，起緩沖隔離作用。取樣保持電路及輸出波形①在采樣脈沖S(t)到來的時間τ內，VT導通，UI(t)向電容C充電，假定充電時間常數遠小于τ，則有：UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采樣②采樣結束，VT截止，而電容C上電壓保持充電電壓UI(t)不變，直到下一個采樣脈沖到來為止。－－保持

模擬信號經采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度τ一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。取樣保持電路及輸出波形2.量化與編碼①舍尾方法②四舍五入方法

輸入的模擬電壓經過采樣保持后，得到的是階梯波。而該階梯波仍是一個可以連續取值的模擬量，但n位數字量只能表示2n個數值。因此，用數字量來表示連續變化的模擬量時就有一個近似問題。

量化是指將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過程。用二進制數碼來表示各個量化電平的過程稱為編碼。取樣保持后未量化的Uo值與量化電平Uq值通常是不相等的，其差值稱為量化誤差ε，即ε=Uo-Uq。111111101101110010111010100110000111011001010100001100100001000015?15/1614?14/1613?13/1612?12/1611?11/1610?10/169?9/168?8/167?7/166?6/165?5/164?4/163?3/162?2/161?1/160?0四舍五入法舍尾法量化電平編碼0V1V(4bit編碼)量化電平編碼30/3115?28/3114?26/3113?24/3112?22/3111?20/3110?18/319?16/318?14/317?12/316?10/315?8/314?6/313?4/312?2/311?00?1111111011011100101110101001100001110110010101000011001000010000量化誤差=1?量化單位?=1/24V量化誤差=1/2??=2/（24+1-1）V量化單位1.工作思想：可用天平秤重過程作比喻來說明。若有四個砝碼共重15克，每個重量分別為8、4、2、1克。設待秤重量Wx=13克，可以用下表步驟來秤量：砝碼重量第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝碼總重<待測重量Wx

，故保留砝碼總重仍<待測重量Wx

，故保留砝碼總重>待測重量Wx

，故撤除砝碼總重＝待測重量Wx

，故保留暫時結果8克12克12克13克

結論8.2.2常見的ADC結構

1)逐次逼近式ADC①轉換開始前先將逐次逼近寄存器清“0”；逐次逼近型A/D轉換器的工作原理：②開始轉換以后，第0個時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數字為100…0。這個數碼被D/A轉換器轉換成相應的模擬電壓uREF’，并送到比較器中與uI進行比較。若uI＜uREF，說明數字過大，故將最高位的1清除置零；若uI≥uREF，說明數字還不夠大，應將這一位保留。③然后，按同樣的方法將次高位置成1，經過比較以后確定這個1是保留還是清除。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態就是所要求的數字量輸出。例：若UREF＝8V，n＝4。當采樣保持電路輸出電壓uI=4.75V時，試列表說明逐次逼近型ADC電路的A/D轉換過程。解：量化單位為轉換的結果為：D3D2D1D0＝1001。逐次逼近A/D轉換器完成一次轉換所需的時間（n+1）TCP。2.并行比較型A/D轉換器量化電平依據四舍五入劃分為8個電平。量化單位為Δ=(2/15)UREF量化誤差為|εmax|=(1/15)UREF電壓比較器

U+≥U-時，Ci＝1；

U+＜U-時，Ci＝0。

0V1V14/1512/1510/158/156/154/152/150

并行比較型A/D轉換器真值表1輸入模擬電壓寄存器狀態數字量輸出（編碼器輸入）（編碼器輸出）QQQQQQQ6543210ddd210uI15~()15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(~1033557799111113131UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：uI＝4.2V，UREF＝6V。3.6V～4.4V則數字量輸出d2d1d0＝101。0V1V11111010110001101000100014/1512/1510/158/156/154/152/150①優點：轉換速度很快，故又稱高速A/D轉換器。含有寄存器的A/D轉換器兼有取樣保持功能，所以它可以不用附加取樣保持電路。②缺點：電路復雜，對于一個n位二進制輸出的并行比較型A/D轉換器，需２n-1個電壓比較器和2n-1個觸發器，編碼電路也隨n的增大變得相當復雜。且轉換精度還受分壓網絡和電壓比較器靈敏度的限制。因此，這種轉換器適用于高速，精度較低的場合。并行比較型A/D轉換器的特點：

雙積分型ADC的轉換原理是先將模擬電壓UI轉換成與其大小成正比的時間間隔T，再利用基準時鐘脈沖通過計數器將T變換成數字量。

3.雙積分型A/D轉換器

這種A/D轉換器具有很多優點。首先，其轉換結果與時間常數RC無關，從而消除了由于斜波電壓非線性帶來的誤差，允許積分電容在一個較寬范圍內變化，而不影響轉換結果。其次，由于輸入信號積分的時間較長，且是一個固定值T1，而T2正比于輸入信號在T1內的平均值，這對于疊加在輸入信號上的干擾信號有很強的抑制能力。最后，這種A/D轉換器不必采用高穩定度的時鐘源，它只要求時鐘源在一個轉換周期（T1+T2）內保持穩定即可。這種轉換器被廣泛應用于要求精度較高而轉換速度要求不高的儀器中。1.分辨率：所能分辨的輸入模擬量的最小值。三、A/D轉換器的主要技術指標2.轉換精度

它表示A/D轉換器實際輸出的數字量和理論上輸出的數字量之間的誤差。(1)絕對誤差：

與輸出數字量對應的理論模擬值與產生該數字量的實際輸入模擬值之間的差值

絕對誤差與額定最大輸入模擬值（FSR）的比值，通常用百分數表示。(2)相對誤差：3.轉換時間