AD转换器及其应用

ADAD 转换器及其应用转换器及其应用 一一 A/DA/D 转换器的基本原理转换器的基本原理 定义：能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称定义：能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称 A/DA/D 转换器转换器 或或 ADCADC。。 A/D 转换器转化模拟量的四个步骤：采样、保持、量化、编码采样、保持、量化、编码。 模拟电子开关 S 在采样脉冲 CPS 的控制下重复接通、 断开的过程。 S 接通时， ui(t)对 C 充电，为采样过程；S 断开时，C 上的电压保持不变，为保持过程。在 保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组 n 位的二进制数输 出。 1 1 取样定理取样定理 将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。 取样定理：设取样脉冲 s(t)的频率为 fS，输入模拟信号 x(t)的最高频率分量的 频率为 fmax，必须满足fs ≥ 2fmax y(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。 通常取 fs ＝（2.5～3）fmax 。 由于 A/D 转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段 时间。 s(t)有效期间，开关管VT 导通，uI向 C 充电，u0(=uc)跟随 uI 的变化而变化； s(t)无效期间，开关管 VT 截止，u0(=uc)保持不变，直到下次采样。 （由于集 成运放 A 具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容 C 上所存电荷不易泄放。 ） 2 2 量化和编码量化和编码 数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位△ 。 将采样－保持电路的输出电压归化为量化单位△ 的整数倍的过程叫做量化。 用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。 一个n位二进制数只能表示2n个量化电平， 量化过程中不可避免会产生误差， 这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n 越大） ，量化误差越小。 划分量化电平的两种方法 （a）量化误差大； （b）量化误差小 3 3 采样采样- -保持电路保持电路 t0时刻 S 闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益 都为 1， 因此这一阶段 uo 跟随 ui 变化， 即 uo＝ui。 t1时刻采样阶段结束， S 断开， 电路处于保持阶段。若 A2 的输入阻抗为无穷大，S 为理想开关，则 CH没有放电 回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压 uo 维持 不变。 二二 ADAD 转换器的几个重要参数转换器的几个重要参数 1 1 分辩率分辩率(Resolution)(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满 刻度与 2n 的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。 A/D 转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转 换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出8 位二进制数可以 分辨的最小模拟电压为 5V×28＝20mV；而输出 12 位二进制数可以分辨的最小 模拟电压为 5V×212≈1.22mV 。 2 2 转换速率转换速率(Conversion(Conversion Rate)Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的 AD 转换所需 的时间的倒数。积分型 AD 的转换时间是毫秒级属低速 AD，逐次比较型 AD 是 微秒级属中速 AD，全并行/串并行型 AD 可达到纳秒级。采样时间则是另外一个 概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate) 必须小于或等于转换速率。 因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率 也是可以接受的。 常用单位是ksps和Msps， 表示每秒采样千/百万次 （kilo / Million Samples per Second） 。 3 3 量化误差量化误差(Quantizing Error)(Quantizing Error) 由于 AD 的有限分辩率而引起的误差，即有限分 辩率 AD 的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率 AD（理想 AD）的转移特性曲线 （直线）之间的最大偏差。通常是 1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为 1LSB、1/2LSB。 4 4 偏移误差偏移误差(Offset Error)(Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器 调至最小。 5 5 满刻度误差满刻度误差(Full Scale Error)(Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值 之差。 6 6 线性度线性度(Linearity)(Linearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以 上三种误差。 其他指标还有： 绝对精度(Absolute Accuracy) ， 相对精度(Relative Accuracy)， 微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（ Total Harmonic Distotortion 缩写 THD）和积分非线性。 三三 ADAD 转换器的几种类型转换器的几种类型 1 1 逐次逼近型逐次逼近型 A/DA/D 转换器转换器 按照天平称重的思路，逐次比较型A/D 转换器，就是将输入模拟信号与不同 的参考电压做多次比较， 使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对 应值。 1.1 基本工作原理 转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最 高位置成 1，使输出数字为 100…0。这个数码被 D/A 转换器转换成相应的模拟 电压 uo，送到比较器中与 ui 进行比较。若 ui＞uo，说明数字过大了，故将最高 位的 1 清除；若ui＜uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样 的方式将次高位置成 1，并且经过比较以后确定这个1 是否应该保留。这样逐位 比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字 量输出。 1.2 3 位逐次逼近型 A/D 转换器 转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个 CP 到来后， Q1=1， Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是 FFA被置 1，FFB和 FFC被置 0。这时加到 D/A 转换器输 入端的代码为 100，并在 D/A 转换器的输出端得到相应的模拟电压输出 uo。uo 和 ui 在比较器中比较，当若 ui＜uo 时，比较器输出 uc=1；当 ui≥uo 时，uc=0。 第二个 CP 到来后，环形计数器右移一位，变成 Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这 时门 G1 打开，若原来 uc=1，则 FFA 被置 0，若原来 uc=0，则 FFA的 1 状态保 留。与此同时，Q2 的高电平将 FFB置 1。 第三个 CP 到来后，环形计数器又右移一位，一方面将 FFC置 1，同时将门 G2 打开，并根据比较器的输出决定 FFB的 1 状态是否应该保留。 第四个 CP 到来后，环形计数器 Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门 G3 打开，根据 比较器的输出决定 FFC的 1 状态是否应该保留。 第五个 CP 到来后，环形计数器 Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA