5.1A／D轉換器的分類5.2A／D轉換器的主要技術指標5.3逐次逼近式A／D轉換器第5章模／數轉換器

5.5單片集成A／D轉換器5.6如何選擇和使用A／D轉換器5.7A／D轉換器與微機的接口5.1A／D轉換器的分類第5章模／數轉換器分類按速度分：高、中、低按精度分：高、中、低按位數分：8、10、12、14、16按工作原理分5.1A/D轉換器的分類按工作原理分直接比較型—模擬信號直接參考電壓比較，得到數字量。有逐次比較、連續比較···優點：瞬時比較，轉換速度快。間接比較—模擬信號與參考電壓先轉換為中間物理量，再進行比較。缺點：抗干擾能力差。有雙斜式、積分式、脈沖調寬···優點：平均值比較，抗干擾能力強。缺點：轉換速度慢。第5章模／數轉換器5.2A／D轉換器的主要技術指標1.分辨率分辨率—

A／D轉換器所能分辨模擬輸入信號的最小變化量。

設A／D轉換器的位數為n，滿量程電壓為FSR，則分辨率定義為：5.2A／D轉換器的主要技術指標量化單位就是A／D轉換器的分辨率。相對分辨率定義為5.2A／D轉換器的主要技術指標表5.1A／D轉換器分辨率與位數之間的關系(滿量程電壓為10V)

位數

級數

相對分辨率（1LSB）

分辨率（1LSB）

810121416

256102440961638465536

0.391%0.0977%0.0244%0.0061%0.0015%

39.1mV9.77mV2.44mV0.61mV0.15mV

由式（5-1）和式（5-2），可得出A／D轉換器分辨率與位數之間的關系5.2A／D轉換器的主要技術指標A／D轉換器分辨率的高低取決于位數的多少。因此，目前一般用位數n來間接表示分辨率。2.量程

量程—

A／D轉換器能轉換模擬信號的電壓范圍。例如：0～5V，-5V～+5V，0～10V，

-10V～+10V。5.2A／D轉換器的主要技術指標3.精度絕對精度

絕對精度—

對應于輸出數碼的實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。存在問題：在A／D轉換時，量化帶內的任意模擬輸入電壓都能產生同一輸出數碼。

5.2A／D轉換器的主要技術指標約定：上述定義的模擬輸入電壓則限定為量化帶中點對應的模擬輸入電壓值。例如：一個12位A／D轉換器，理論模擬輸入電壓為5V時，對應的輸出數碼為100000000000。實際模擬輸入電壓在4.997V～4.999V范圍內的都產生這一輸出數碼，則5.2A／D轉換器的主要技術指標絕對誤差一般在范圍內。相對精度相對精度—

絕對精度與滿量程電壓值之比的百分數。LSB-LeastSignificantBit

5.2A／D轉換器的主要技術指標

精度和分辨率是兩個不同的概念：

①精度是指轉換后所得結果相對于實際值的準確度；②分辨率是指轉換器所能分辨的模擬信號的最小變化值。5.2A／D轉換器的主要技術指標4.轉換時間和轉換速率

轉換時間tCONV

轉換時間—

按照規定的精度將模擬信號轉換為數字信號并輸出所需要的時間。轉換速率轉換速率—

每秒鐘轉換的次數。5.2A／D轉換器的主要技術指標下面討論轉換時間與轉換精度、信號頻率的關系。瞬時值響應的A／D轉換器

轉換時間取決于所要求的轉換精度和被轉換信號的頻率。

以圖5.1所示的正弦信號為例，討論它們之間的關系。Um2U(t)=sinωt5.2A／D轉換器的主要技術指標

設在t0時刻開始轉換，轉換一次所需的時間為tCONV，轉換終了的時刻為t1，與tCONV對應信號電壓增量(誤差)為△U。tU(t)Um2t0t1tCONV△U圖5.1轉換時間對信號轉換的影響由于5.2A／D轉換器的主要技術指標在過零點上有最大值∵過零時，∴5.2A／D轉換器的主要技術指標

故在過零點處，轉換時間所造成的最大電壓誤差為由此可知：①當精度一定時，信號頻率↑，tCONV↓；②當信號頻率一定，

tCONV

↓，△U↓。5.2A／D轉換器的主要技術指標平均值響應的轉換器

由于被轉換的模擬量為直流電壓，而干擾是交變的，因此轉換時間

tCONV

越長，其抑制干擾的能力就越強。換言之：平均值響應的轉換器是在犧性轉換時間的情況下提高轉換精度的。5.2A／D轉換器的主要技術指標5.偏移誤差

偏移誤差—

使最低有效位成“1”狀時，實際輸入電壓與理論輸入電壓之差。如圖5.2所示。偏移實際曲線5.2A／D轉換器的主要技術指標

該誤差主要是失調電壓及溫漂造成的。

一般來說，在一定溫度下，偏移電壓是可以通過外電路予以抵消。Ui輸出數碼001010011100101110111偏移誤差Ui誤差圖5.2偏移誤差(a)(b)理想曲線5.2A／D轉換器的主要技術指標但當溫度變化時，偏移電壓又將出現。6.增益誤差

增益誤差—

滿量程輸出數碼時，實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。

該誤差使傳輸特性曲線繞坐標原點偏離理想特性曲線一定的角度，如圖5.3所示。K=1K<1K>15.2A／D轉換器的主要技術指標當K=1時，沒有增益誤差，Ui=FSR，輸出為111。當K>1時，傳輸特性的臺階變窄，在模擬輸入信號達到滿量程值之前，數碼輸出就已為全“1”狀態。當K<1時，傳輸特性臺階變寬，模擬輸入信號已超滿量程時，數碼輸出還未達到全“1”狀態。圖5.3增益誤差Ui輸出數碼001010011100101110111FSR增益誤差5.2A／D轉換器的主要技術指標

在一定溫度下，可通過外部電路的調整使K=1，從而消除增益誤差。但當溫度變化時，增益誤差又將出現。7.線性誤差

線性誤差—

在沒有增益誤差和偏移誤差的條件下，實際傳輸特性曲線與理想特性曲線之差。實際曲線理想曲線5.2A／D轉換器的主要技術指標

線性誤差是由A／D轉換器特性隨模擬輸入信號幅值變化而引起的，因此，線性誤差是不能進行補償的。Ui001010011100101110111輸出數碼圖5.4線性誤差線性誤差5.3逐次逼近式A／D轉換器

1.工作原理第5章模／數轉換器模擬輸入Ui+

-A去碼/留碼邏輯環形計數器數據寄存器時序與邏輯控制D／A轉換器數字量輸出鎖存器基準電源UREFUf=UREF

(a12-1

+

a22-2

+

…

+

an2-n)并行數字量輸出圖5.5逐次逼近式A／D轉換器結構SAR比較器

5.3

逐次逼近式A／D轉換器

組成逐次逼近寄存器SAR去/留碼邏輯環形計數器數據寄存器D/A轉換器比較器基準電源時序與邏輯控制電路數字量輸出鎖存器successiveapproximationregister

5.3

逐次逼近式A／D轉換器

工作原理：設定在SAR中的數字量經D／A轉換器轉換成反饋電壓Uf；SAR

順次逐位加碼控制

Uf的變化；Uf與等待轉換的模擬量Ui進行比較，大則棄，小則留，逐次逼近；最終留在SAR

的數據寄存器中的數碼作為數字量輸出。

5.3

逐次逼近式A／D轉換器

2.工作過程

設逐次逼近寄存器SAR

是8位，基準電壓10.24V，模擬輸入電壓8.3V，轉換成二進制數碼。工作過程如下：轉換開始之前，先將SAR清零；

5.3

逐次逼近式A／D轉換器

轉換開始，第一個時鐘脈沖到來時，SAR的狀態置為10000000，經D／A轉換器轉轉換成反饋電壓V，反反饋到比較器與Ui比較。因為，Ui>Uf，予以保留此位的“1”。

5.3

逐次逼近式A／D轉換器

第二個時鐘脈沖到來時，SAR置為11000000碼，經過D／A轉換器產生反饋電壓V，因Ui>Uf

，故保留此位“1”。

5.3

逐次逼近式A／D轉換器

第三個時鐘脈沖到來時，SAR狀態置為11100000，經D／A轉換器產生反饋電壓V，因Ui<Uf

，SAR

此位應置“

0”。SAR

狀態改為11000000。第四個時鐘脈沖到來時，SAR狀態又置為11010000，......。

5.3

逐次逼近式A／D轉換器

tU123456781.02410.24Ui5.127.688.968.328.08.168.248.288.30V時鐘脈沖12345678圖5.6逐次逼近比較過程脈沖1SAR置為100000002110000003111000001100000041101000011000000511001000611001100711001110811001111逐次逼近式A／D轉換的過程可用表5.2說明之。

5.3

逐次逼近式A／D轉換器

表5.28位逐次逼近A／D轉換過程

次數

SAR中的數碼D/Ａ產生的

(V)

去／留碼判斷

本次操作后SAR

中的數碼

12345678

100000001000000111000001101000011001000110011001100111011001111

5.127.688.968.328.08.168.248.28

，留1

，留1

，留0

，留0

，留1

，留1

，留1

，留1

1000000011000000110000001100000011001000110011001100111011001111

5.3

逐次逼近式A／D轉換器

由表5.2可見：

經過8

次比較之后，SAR的數據寄存器中所建立的數碼11001111即為轉換結果。

數碼對應的反饋電壓Uf=8.28V，它與輸入的模擬電壓Ui=8.3V相差0.02V，不過兩者的差值已小于1LSB所對應的量化電壓0.04V。

逐次逼近式A／D轉換器的轉換結果通過數字量輸出鎖存器并行輸出。AD轉換的信噪比一個ADC可以看成是一個采樣器和一個量化器的級聯

信號的抽樣值通常不會正好在量化電平上，因此量化值和采樣值之間存在噪聲。假設抽樣值在之間均勻分布，量化電平數，量化間隔為，則量化噪聲的平均功率為。如果信號是均勻分布的噪聲，可以算得其平均功率為： ，因此信噪比為。

AD轉換的信噪比考慮的情況，，用對數表示得噪聲功率：

信噪比：若信號是正弦波，則其平均功率為,因此信噪比為：雙積分式A/D轉換器電路原理雙積分式A/D轉換器工作原理Step1：準備階段，數字電路清零，S2閉合，電容C放電。Step2：第一次積分，S1打向vi，RC積分電路對vi積分，積分時間為t=T1，于是：Step3：第二次積分，S1打向-VREF，RC積分電路反向積分，積分時間為t=T2，于是：雙積分式A/D轉換器工作原理 vo由下降轉為上升，過零點被比較器捕獲，停止積分，此時有：

在T1和T2時間內，對標準脈沖計數，計數值分別為N和D，于是，T1=NTc，T2=DTc，最后可以得到：雙積分式A/D轉換器工作波形圖第5章模／數轉換器5.5單片集成A／D轉換器

8位A／D轉換器芯片ADC0809,AD0804雙積分式A/DICL7106,ICL713512位A／D轉換器芯片AD574,AD674/774,AD16748位A/DMAX150,MAX1538位高速A/DTLC5510（20M）10位高速A/DTLC876（20M）14位高速A/DAD6655（14bits,150M）第5章模／數轉換器5.5單片集成A／D轉換器

1.8位A／D轉換器芯片ADC0809這部分內容自習5.5

單片集成A／D轉換器

2.12位A／D轉換器芯片AD574A⑴特點芯片內部包含微機接口邏輯和三態輸出緩沖器，可以直接與8位、12位或16位微處理器的數據總線相連。輸出可以是12位一次讀出或分兩次讀出：

先讀高8位，再讀低4位。

5.5

單片集成A／D轉換器

對外可提供一個+10V基準電壓，最大輸出電流1.5mA。有較寬的溫度使用范圍。⑵芯片內部結構

輸入電壓可有單極性和雙極性兩種。5.5

單片集成A／D轉換器

Status5.5

單片集成A／D轉換器

組成模擬芯片10V基準12位D/A轉換數字芯片SAR比較器時鐘、邏輯控制三態輸出緩沖5.5

單片集成A／D轉換器

⑶芯片引腳功能引腳布置如圖5.13所示。芯片引腳功能如下：D0～D1112位數據輸出。數據模式選擇高電平，12位一次輸出；低電平，12位分兩次輸出：

先高8位，后低4位。

5.5

單片集成A／D轉換器

A0：字節地址／短周期。在讀數狀態：若若

為高電平，則A0的狀態不起作用。在轉換狀態：

當A0=0時，產生12位轉換，轉換周期為25s；

當A0=1時，產生8位轉換，轉換周期為16s。當A0=0時，輸出高8位數；當A0=1時,輸出低4位數，禁止高8位輸出；為低電平5.5

單片集成A／D轉換器

芯片選擇。當

時，芯片被選中。讀／轉換信號：當

時，允許讀取A／D轉換結果；當時，允許啟動A／D轉換。CE芯片允許。CE=1允許轉換或讀A／D轉換結果。5.5

單片集成A／D轉換器

REF

OUT基準電壓輸出。REF

IN基準電壓輸入。

如果REF

OUT通過電阻接至REF

IN，則可用來調量程。BIPOFF雙極性補償。

若輸入信號為雙極性信號，則使用此腳；此腳還可用于調零點。5.5

單片集成A／D轉換器

10VIN10V量程輸入端。20VIN20V量程輸入端。表5.4AD574A控制信號組合的作用CE工作狀態0*11111

**00000**00111****接+5V接地接地**01*01不工作不工作啟動12位轉換啟動8位轉換并行輸出12位數字并行輸出高8位數字并行輸出低4位數字5.5

單片集成A／D轉換器

⑷工作時序

AD574A工作狀態啟動轉換數據讀出啟動轉換過程CE上升沿5.5

單片集成A／D轉換器

①在CE上升沿之前，先有

和這是比較好的啟動方式。圖5.14啟動轉換時序CECSR/CA0STSDB0～DB11≥300ns≥300ns≥250ns>0ns≥200ns≥200ns≥300ns<300ns25s為什么這樣說？

因為如果和CE先有效，脈沖到來之前的高電平會引起三態輸出門打開，影響數據總線。②當CE=1時，啟動轉換。 5.5

單片集成A／D轉換器

注意：在啟動轉換后，各控制信號不起作用，只有STS信號標志工作狀態。讀出數據

讀出數據也同樣由CE來啟動。低電平CE上升沿5.5

單片集成A／D轉換器

圖5.15AD574讀數據時序CECSR/CA0STSDB0～DB11≥300ns≥150ns≥0ns≥150ns250ns≥50ns≥0ns≥50ns<350ns有效數據5.5

單片集成A／D轉換器

⑸工作方式選擇工作方式單極性：0～xV，輸出二進制碼。雙極性：-xV～+xV，輸出偏移二進制碼5.5

單片集成A／D轉換器

圖5.16AD574工作方式的接法1+5V+15V7-15V11159W20.1KΩAD574REFOUTREFINBIPOFF10VIN20VINDGNDAGND100KΩW1100KΩ0～10V0～20V(a)(a)單極性輸入；AD574REFOUTREFINBIPOFF10VIN20VINDGNDAGND151+5V7+15V11-15V9-5～5V-10～10V(b)(b)雙極性輸入0.1KΩ第5章模／數轉換器5.6面對設計如何選擇和使用A／D轉換器1.如何確定A／D轉換器的位數

5.6

面對設計如何選擇和使用A／D轉換器要考慮量化誤差對輸出的影響。量化誤差與A／D轉換器位數有關。5.6

面對設計如何選擇和使用A／D轉換器由圖可知10位以下誤差較大；11位以上誤差減小不明顯。圖5.22位數與誤差的關系位數誤差8910111213因此，取10～11位是合適的。5.6

面對設計如何選擇和使用A／D轉換器

例如某音頻采集系統的信噪比要求70dB以上，根據上述公式，必需選擇12bits的A/D，其理論信噪比約為74dB5.6

面對設計如何選擇和使用A／D轉換器2.如何確定A／D轉換器的轉換速率

轉換速率—

每秒鐘能完成的轉換次數。其與轉換時間的關系：5.6

面對設計如何選擇和使用A／D轉換器確定轉換速率時，應該考慮系統的采樣速率：若轉換時間為100s，則轉換速率為10千次/s。

設一個周期采10個樣點，那么A／D轉換器最高只能處理1kHz的模擬信號。若轉換時間為10s，則轉換速率為100千次/s，信號頻率可提高到10kHz。5.6

面對設計如何選擇和使用A／D轉換器3.如何確定是否要加采樣／保持器

當采集變化非常緩慢的模擬信號（例如溫度）時，可不用采樣／保持器。一般來說，如果要達到A/D器件的轉換速率，采樣保持器是必須的。5.6

面對設計如何選擇和使用A／D轉換器3.基準電壓源

基準電壓源在高精度A/D,D/A系統中的作用十分重要。高精度基準源一般采用帶隙式穩壓電路。典型芯片包括：

MC1403（2.5V)AD580(2.5V），AD581（10V）

AD589(1.2V)，AD584（可編程多電壓）第5章模／數轉換器5.7A／D轉換器與微機接口

接口任務①轉換器收到微機發出的轉換指令，進行轉換。②當微機發出取數指令時，轉換結果存入微機內存。5.7A／D轉換器與微機接口

1.接口設計中的問題

需要解決的問題有以下三個：⑴數據輸出緩沖問題原因：計算機的數據總線是CPU與存儲器、I／O設備之間傳送數據的公共通道。

要求：A／D轉換器的數據輸出端必須通過三態緩沖器與數據總線相連。5.7A／D轉換器與微機接口

當未被選中時，A／D轉換器的輸出呈高阻抗狀態，以免干擾數據總線上的數據傳送。下面分四種情況予以討論。芯片數據輸出端有三態緩沖器，且有三態控制端引腳相應芯片有ADC0809，AD7574。它們可以直接和微機數據總線相連。5.7A／D轉換器與微機接口

芯片不具備三態輸出緩沖器相應芯片有ADC1210。

這類芯片輸出端不能直接連到數據總線，必須外加三態緩沖器。芯片具有三態輸出緩沖器，且由片內時序控制相應芯片有AD571和AD572。

這類芯片不能直接與數據總線相連，需要通過時序調整接口轉換。5.7A／D轉換器與微機接口

芯片有三態輸出緩沖器，且片內時序與微機總線時序配合相應芯片有AD574A，

這類芯片的輸出端可直接和微機數據總線相連。⑵產生芯片選通信號和控制信號

芯片選通信號—

地址信號。信號產生：由譯碼器產生地址信號。5.7A／D轉換器與微機接口

控制信號完成對A／D轉換器的讀寫控制

不同微機其控制總線不相同：①8031單片機中，控制線共同控制A／D轉換器的讀／寫操作。當時，執行寫操作；當時，讀操作。5.7A／D轉換器與微機接口

⑶讀出數據

需要解決的問題①A／D轉換器與CPU的聯絡方式。②數據輸出格式。聯絡方式聯絡—

CPU與A／D轉換器傳送信息。5.7A／D轉換器與微機接口

聯絡方式①查詢方式。②中斷方式。①查詢方式查詢方式

—CPU不斷查詢A／D轉換器的STS腳的電平變化。

因此，要將A／D轉換器的轉換狀態STS腳接在微機I／O口的某一位上。傳到D0三態緩沖器AD57480315.7A／D轉