7.2

模數(shù)轉(zhuǎn)換7.2.1A/D轉(zhuǎn)換的基本原理

A/D轉(zhuǎn)換就是把模擬電壓量uI轉(zhuǎn)換成為與它成比例的二進(jìn)制數(shù)字量Dn。

A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換過(guò)程通過(guò)取樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟完成。量化：就是把幅值可連續(xù)變化的電壓轉(zhuǎn)化成為所規(guī)定的單位量化電壓的整數(shù)倍。編碼：就是把量化的結(jié)果用代碼表示。(1)A/D轉(zhuǎn)換器功能框圖ADC最大的輸入電壓為Uimax=（2n-1）V

V

——ADC的單位量化電壓，即最小分辨率。1、輸入輸出關(guān)系uI——直流或緩慢變化的電壓Dn

=[uI/V

][uI/V

]——將商uI/V

取整(2)ADC的輸出2．取樣由于輸入電壓在時(shí)間上是連續(xù)的，故只能在特定的時(shí)間點(diǎn)對(duì)輸入電壓取樣。按取樣定律，要正確恢復(fù)輸入電壓uI，取樣脈沖的頻率必須高于輸入模擬信號(hào)最高頻率分量的兩倍。取樣結(jié)束后需要保持到下一次采樣時(shí)刻，以便將這些取樣值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。模數(shù)轉(zhuǎn)換一般需要增加一個(gè)取樣-保持過(guò)程。它按一定采樣周期把時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)周期變?yōu)闀r(shí)間上離散的信號(hào)。對(duì)uI取樣-保持過(guò)程取樣-保持過(guò)程3、量化和編碼由于輸入電壓的幅值是連續(xù)變化的，它的幅值不一定是其量化單位的整倍數(shù)，所以量化過(guò)程會(huì)引入誤差，這種誤差叫量化誤差。量化后的信號(hào)只是一個(gè)幅值離散的信號(hào)，為了對(duì)量化后的信號(hào)進(jìn)行處理，還應(yīng)該把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼或其它形式表示出來(lái)，這個(gè)過(guò)程就叫做編碼。量化的方法一般有兩種：只舍不入法和有舍有入法。0~0.7V的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為3位二進(jìn)制數(shù)碼的量化過(guò)程方法二（四舍五入法）它的最大量化誤差為

0.05

方法一（只舍不入法）它的最大量化誤差為

0.1

1.采樣——保持電路原理圖模擬開(kāi)關(guān)、存貯電容和兩個(gè)緩沖放大器。電路組成：7.2.2采樣-保持電路2.工作原理(1)當(dāng)控制信號(hào)uD為高電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)T導(dǎo)通，電容C上的電壓uC跟隨輸入電壓uI變化，A2的輸出uO與輸入模擬信號(hào)uI相同，為該時(shí)刻的采樣值。當(dāng)采樣控制信號(hào)uD為低電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)T截止，uC保持不變，A2的輸出為上一次采樣結(jié)束時(shí)的電壓。3.A/D轉(zhuǎn)換器的分類(1)按轉(zhuǎn)換速度分由高到低并行比較型、逐次漸近型和雙積分型。(2)按有無(wú)中間參數(shù)分直接轉(zhuǎn)換型和間接轉(zhuǎn)換型。把模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成中間信號(hào)時(shí)間后，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。間接A/D轉(zhuǎn)換器一般又可以分為:a.電壓-頻率變換型把模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成中間信號(hào)頻率后，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。b.電壓-時(shí)間變換型7.2.3并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路由分壓、比較和編碼三部分組成。1.三位并行比較型ADC原理圖2.工作原理分壓電路由八個(gè)相同的電阻組成，它把基準(zhǔn)電壓VREF分成八層。每層電平可用一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼來(lái)表示。模擬輸入電壓uI與七個(gè)基準(zhǔn)電壓同時(shí)進(jìn)行比較。若uI低于基準(zhǔn)電壓，比較器輸出為0；反之，輸出為1。3.模擬電壓、比較器輸出和輸出代碼之間的關(guān)系X6X5X4X3X2X1X000000000000001000001100001110001111001111101111111111111d2d1d0000001010011100101110111uI(0.000~0.125)VREF(0.125~0.250)VREF(0.250~0.375)VREF(0.375~0.500)VREF(0.500~0.625)VREF(0.625~0.750)VREF(0.750~0.875)VREF(0.875~1.000)VREF缺點(diǎn)：隨著分辨率的提高，比較器和有關(guān)器件按幾何級(jí)數(shù)增加，使得并行比較型ADC的制作成本較高。優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度非常高，轉(zhuǎn)換時(shí)間只取決于比較器的響應(yīng)時(shí)間和編碼器的延時(shí)，典型值為100ns，甚至更小。4.并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)7.2.4逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器控制電路1.逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器的方框圖組成：數(shù)碼寄存器D/A轉(zhuǎn)換器電壓比較器類似于天平稱物體重量。2.工作原理設(shè)有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克。待秤重量Wx=13克，秤量步驟：8g+4g8g+4g+2g8g+4g+1g8g8g<13g

12g<13g

14g>13g13g＝13g234

1砝碼重比較判斷順序保留保留保留撤去逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理：a.控制電路首先把寄存器的最高位置1，其它各位置0。b.D/A轉(zhuǎn)換器把寄存器的這個(gè)數(shù)值轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的模擬電壓值uC。c.把uC與輸入的模擬量uI相比較，如果uC>uI

，應(yīng)該使最高位為0；如果uC<uI

，所以應(yīng)該保留這個(gè)1。d.再把次高位置1，并用同樣的方法判別次高位應(yīng)該是1還是0。e.按照這樣的方法，依次進(jìn)行，直到最低有效位的數(shù)值被確定，就完成了一次轉(zhuǎn)換。這時(shí)寄存器輸出的數(shù)碼就是輸入的模擬信號(hào)所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。順序脈沖序數(shù)寄存器狀態(tài)Q7···Q0DAC輸出電壓uO(V)比較器輸出狀態(tài)該位數(shù)碼的留與舍1234567810000000110000001010000010110000101110001011110010111010101110112.8164.2243.5203.8724.0484.1364.0924.11410111011留舍留留留舍留留

3.A/D轉(zhuǎn)換器工作過(guò)程(uI

=4.115V，UΔ

=0.022V)

4.D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓uO的波形【例】4位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器如圖所示，設(shè)模擬輸入電壓uI=5.4V，DAC的單位量化電壓V△=0.5V。為了減小量化誤差，DAC的輸出減去V△/2的偏移量后得到ug。(1)試說(shuō)明電路的主要組成部分。(2)試說(shuō)明電路的工作原理。【解】(1)電路的主要組成部分：DAC、電壓比較器C、數(shù)碼寄存器FF0～FF3、移位寄存器、控制邏輯電路G1~G13

。(2)電路的工作原理轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)先將移位寄存器的輸出QAQBQCQDQEQF置成100000狀態(tài)。此時(shí)QF打開(kāi)時(shí)鐘控制門，轉(zhuǎn)換開(kāi)始。第一步：第1個(gè)脈沖的上升沿將4位寄存器的最高位Q3置1，而其它各位Q2Q1Q0清為0。這時(shí)DAC的輸出量化電壓uC為4V，比較電壓ug=3.75V，由于uI>ug，比較器輸出CO為低電平，封鎖了FF3的清0信號(hào)。同時(shí)，移位寄存器右移一位，輸出變成010000狀態(tài)。uI<

ug

，比較器輸出高電平放開(kāi)FF2的清0信號(hào)控制門。移位寄存器右移變成001000狀態(tài)。第二步：第2個(gè)脈沖的上升沿使FF2的Q2置1，Q3保持為1狀態(tài)不變。ug=5.75V第三步：第3個(gè)脈沖的上升沿將寄存器的Q1置成1，并將Q2的1清除，ug為4.75V。由于uI>ug，比較器輸出為高電平1，移位寄存器成為000100狀態(tài)。由于uI>ug，比較器輸出為0，移位寄存器的輸出成000010狀態(tài)。第四步：第4個(gè)脈沖的上升沿將將寄存器的Q0置為1，Q1的1保持不變。ug=5.25VQF的高電平將將輸出控制門G8～G11打開(kāi)，在輸出端得到轉(zhuǎn)換結(jié)果D。同時(shí)，QF關(guān)閉時(shí)鐘控制門，轉(zhuǎn)換結(jié)束。第五步：由于上一步比較器輸出為低電平0，第5個(gè)脈沖的上升沿保留Q0的1不變。移位寄存器的輸出右移成000001。脈沖序數(shù)寄存器狀態(tài)Q3···Q0ug/V比較器輸出狀態(tài)數(shù)碼的留與舍123410001100101010113.755.754.755.250100留舍留留轉(zhuǎn)換器工作過(guò)程(ui=5.4V)ug的波形圖優(yōu)點(diǎn)：速度較快，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：抗干擾能力不理想。

5.A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)7.2.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是一種電壓—時(shí)間變換型ADC。由于計(jì)數(shù)與

t成正比，從而把被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成為與之成正比的數(shù)字量。首先把被測(cè)電壓先轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間間隔

t。1.基本概念然后利用計(jì)數(shù)器在

t時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)一已知恒定頻率fc的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。2.雙積分A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖電路組成：積分器、過(guò)零比較器、時(shí)鐘控制門、n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和定時(shí)器。Q=1時(shí)S1接-VREF。第二次，對(duì)恒定基準(zhǔn)電壓

VREF進(jìn)行定值積分，稱為比較階段。Q=0時(shí)S1接+uI；雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在一次轉(zhuǎn)換過(guò)程中要進(jìn)行兩次積分：第一次，對(duì)輸入電壓+uI進(jìn)行定時(shí)積分，又稱為采樣階段。兩次積分具有不同的斜率，故稱為雙斜積分(簡(jiǎn)稱為雙積分)A/D轉(zhuǎn)換器。2.工作原理(1)首先控制信號(hào)提供清零脈沖CR，n位計(jì)數(shù)器和定時(shí)器清零。S2短時(shí)閉合，積分電容放電。(2)Q=0時(shí)S1接+uI積分器對(duì)輸入電壓uI積分，輸出電壓由于此時(shí)uO<0，比較器的輸出uC=1，門G打開(kāi)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，在2n個(gè)脈沖后，采樣結(jié)束。在采樣結(jié)束時(shí)刻t1，積分器的輸出電壓為隨著采樣結(jié)束，定時(shí)器Q=1，使電子開(kāi)關(guān)S1與B端接通，積分器轉(zhuǎn)入下一階段。輸出電壓:(3)積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓-VREF進(jìn)行反向積分，計(jì)數(shù)器從零開(kāi)始重新計(jì)數(shù)。雙積分A/D轉(zhuǎn)換的工作波形當(dāng)t=t2時(shí)uO=0，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，即令

t=t2-t1，則第二次積分結(jié)束時(shí)，計(jì)數(shù)器的數(shù)值缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度慢完成一次A/D轉(zhuǎn)換一般需幾十毫秒以上。可見(jiàn)，若T1取20ms的整倍數(shù)，雙積分A/D轉(zhuǎn)換器具有極強(qiáng)的抗50Hz工頻干擾的能力。3.轉(zhuǎn)器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)。7.2.6∑-Δ轉(zhuǎn)換器20世紀(jì)90年代以來(lái)，在一片混合信號(hào)CMOS大規(guī)模集成電路上將抽樣、量化、數(shù)字信號(hào)處理融為了一體，從而獲得了低價(jià)格、高分辨率的∑-Δ型ADC。∑-Δ型ADC分辨率高達(dá)24位，主要應(yīng)用于高精度數(shù)據(jù)采集特別是數(shù)字音響、多媒體等電子測(cè)量領(lǐng)域。∑-ΔADC采用增量編碼方式。即根據(jù)后一個(gè)量值與前一個(gè)量值的差值的大小來(lái)進(jìn)行量化編碼，若是比前一個(gè)大,則輸出"1",反之,則輸出"0",最后通過(guò)把這些"1"或者"0"累加起來(lái),也就成了數(shù)字輸出,另一方面,把這個(gè)數(shù)字信號(hào)DAC反饋回去和下一個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行比較。∑-Δ轉(zhuǎn)換器又稱為過(guò)采樣轉(zhuǎn)換器。工作原理：與積分型ADC相似，即將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間（脈沖寬度）信號(hào)，再用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。∑-Δ型ADC由模擬∑-Δ調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器組成。∑-Δ調(diào)制器主要完成信號(hào)抽樣及增量編碼，它給數(shù)字抽取濾波器提供增量編碼即∑-Δ碼。數(shù)字抽取濾波器完成對(duì)∑-Δ碼的抽取濾波，把增量編碼轉(zhuǎn)換成高分辨率的線性脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號(hào)。∑-ΔADC原理圖主要組成：積分器、比較器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器。工作原理:時(shí)鐘脈沖CP通過(guò)D觸發(fā)器控制積分器輸入端模擬開(kāi)關(guān)S1的切換。若積分器輸出uO>0，比較器輸出CO為“0”。時(shí)鐘脈沖CP使D觸發(fā)器輸出Q為“0”，控制S1切向VREF。積分器反向積分，輸出uO下降。

uk=uI+VREF>0積分器輸入當(dāng)uO≤0時(shí),比較器輸出為“1”，CP使D觸發(fā)器輸出Q為“1”，開(kāi)關(guān)S1接通-VREF,如此循環(huán),積分器以TCP為積分區(qū)間對(duì)uk

進(jìn)行分段積分。uO的變化周期決定了D觸發(fā)器輸出序列信號(hào)的周期。若在一個(gè)序列周期中，D觸發(fā)器輸出高電平“1”的CP周期數(shù)為n，低電平“0”的周期數(shù)為m。積分器正向積分，uO上升。uk=uI-VREF<0積分器對(duì)uk

反向積分的總時(shí)間為m個(gè)時(shí)鐘周期mTCP，對(duì)uk正向積分的總時(shí)間為nTCP。則序列周期設(shè)uI在轉(zhuǎn)換過(guò)程中不變，積分器在一個(gè)序列周期的輸出為

T=(m+n)TCP

由于uO也以序列信號(hào)的周期T變化，所以等于初始值uO(t0)，故由此可得：連續(xù)不斷地對(duì)輸入模擬信號(hào)uI和基準(zhǔn)參考電壓VREF的和或差進(jìn)行積分，將輸入模擬量轉(zhuǎn)換成波特率等于時(shí)鐘頻率的周期性串行數(shù)字信號(hào)序列。該序列周期信號(hào)中的高電平“1”和低電平“0”的位數(shù)之差與序列周期之比也等于輸入模擬信號(hào)uI和基準(zhǔn)參考電壓VREF之比。對(duì)D觸發(fā)器輸出的串行信號(hào)序列進(jìn)行數(shù)字濾波，運(yùn)算后即得與輸入模擬信號(hào)成正比的數(shù)字量。用數(shù)字抽取濾波器測(cè)量出串行輸出信號(hào)序列的n和m，計(jì)算出2n(n-m)/(n+m)，即可得到A