17.2

模數轉換17.2模數轉換A/D轉換器的類型：（1）按照轉換速度由高到低可分為并行比較型、逐次漸近型和雙積分型（2）按照有無中間參數可分為直接A/D轉換型和間接A/D轉換型并行比較型和逐次漸近型A/D轉換器都屬于直接A/D轉換型17.2

模數轉換雙積分式A/D轉換器就是一種典型的電壓-時間變換型ADC間接A/D轉換器一般又可以分為電壓-頻率變換型和電壓-時間變換型兩種

電壓-頻率變換型是把模擬輸入信號通過中間信號頻率，再轉換成數字信號

電壓-時間變換型是先把模擬信號轉換成中間信號時間后，再轉換成數字信號17.2

模數轉換17.2.1A/D轉換的基本原理A/D轉換就是把模擬電壓量uI轉換成為與它成比例的二進制數字量DnA/D轉換轉換過程通過取樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。量化：就是把幅值可連續變化的電壓轉化成為所規定的單位量化電壓的整數倍編碼：就是把量化的結果用代碼表示17.2

模數轉換(1)A/D轉換器功能框圖ADC最大的輸入電壓為Uimax=（2n-1）U

U

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

=[uI/U

][uI/U

]——將商uI/U

取整(2)ADC的輸出17.2

模數轉換2．取樣

由于輸入電壓在時間上是連續的，只能在特定的時間點對輸入電壓取樣。按取樣定律，要正確恢復輸入電壓uI，取樣脈沖的頻率必須高于輸入模擬信號最高頻率分量的兩倍。

取樣結束后需要保持到下一次采樣時刻，以便將這些取樣值轉換成數字量輸出。按一定采樣周期把時間上連續變化的信號變為時間上離散的信號17.2

模數轉換取樣-保持過程17.2

模數轉換3、量化和編碼

編碼：量化后的信號只是一個幅值離散的信號，為了對量化后的信號進行處理，還要把量化的結果用二進制代碼或其它形式表示量化的方法一般有兩種：只舍不入法和有舍有入法量化：就是把幅值可連續變化的電壓轉化成為所規定的單位量化電壓的整數倍。17.2

模數轉換0~0.7V的模擬信號轉化為3位二進制數碼的量化過程方法二（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

17.2

模數轉換[例1]若一個8位ADC的最小量化電壓為19.6mV，當輸入電壓Ui為2.2V和4.0V時，輸出數字量為多少？當輸入電壓Ui為4.0V時，輸出數字量為[解]

當輸入電壓Ui為2.2V時，輸出數字量為D8=[2200/19.6]=112=(1110000)BD8=[4000/19.6]=204=(11001100)B17.2

模數轉換[例2]一片12位ADC的最小分辨電壓為1.2mV，采用四舍五入的量化方法，若輸入電壓為4.387V，則輸出數字量為多少？

[解]因為故輸出的數字量為E48H（111001001000B）17.2

模數轉換[例3]若采用圖所示的量化電平劃分方法，試計算6位并行比較型A/D轉換器的最大的量化誤差是多少?[解]若輸入模擬電壓仍為0~0.7V，6位并行比較型A/D轉換器的單位量化電壓所以，最大的量化誤差為17.2

模數轉換1.采樣——保持電路原理圖模擬開關、存貯電容和兩個緩沖放大器電路組成：17.2.2采樣-保持電路17.2

模數轉換2.工作原理(1)當控制信號uD為高電平時，模擬開關T導通，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uI相同，為該時刻的采樣值17.2

模數轉換（2）當采樣控制信號uD為低電平時，模擬開關T截止，uC保持不變，A2的輸出為上一次采樣結束時的電壓17.2

模數轉換17.2.3并行比較型A/D轉換器電路由分壓、比較和編碼三部分組成1.三位并行比較型ADC原理圖17.2

模數轉換2.工作原理若uI低于基準電壓，比較器輸出為0

分壓電路由八個相同的電阻組成，它把基準電壓VREF分成八層每層電平可用一個二進制數碼來表示輸入電壓uI與七個基準電壓同時進行比較若uI高于基準電壓，比較器輸出為117.2

模數轉換3.模擬電壓、比較器輸出和輸出代碼之間的關系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)VREF17.2

模數轉換缺點：隨著分辨率的提高，比較器和有關器件按幾何級數增加，使得并行比較型ADC的制作成本較高優點：轉換速度非常高，轉換時間只取決于比較器的響應時間和編碼器的延時，典型值為100ns，甚至更小4.并行比較型A/D轉換器的特點17.2

模數轉換17.2.4逐次漸進型A/D轉換器控制電路1.逐次漸進型A/D轉換器的方框圖組成：數碼寄存器D/A轉換器電壓比較器17.2

模數轉換類似于天平稱物體重量2.工作原理設有四個砝碼共重15克，每個重量分別為8、4、2、1克。待秤重量Wx=13克，秤量步驟：8g+4g8g+4g+2g8g+4g+1g8g8g<13g12g<13g14g>13g13g＝13g2341砝碼重比較判斷順序保留保留保留撤去17.2

模數轉換逐次漸近型A/D轉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0b.D/A轉換器把寄存器的這個數值轉換成為相應的模擬電壓值uCc.把uC與輸入的模擬量uI相比較，如果uC>uI

，應該使最高位為0；如果uC<uI

，所以應該保留這個117.2

模數轉換d.再把次高位置1，并用同樣的方法判別次高位應該是1還是0e.依次進行，直到最低有效位的數值被確定，完成一次轉換。這時寄存器輸出的數碼就是輸入的模擬信號所對應的數字量17.2

模數轉換順序脈沖序數寄存器狀態Q7···Q0DAC輸出電壓uO(V)比較器輸出狀態該位數碼的留與舍1234567810000000110000001010000010110000101110001011110010111010101110112.8164.2243.5203.8724.0484.1364.0924.11410111011留舍留留留舍留留3.A/D轉換器工作過程(uI=4.115V，UΔ=0.022V)17.2

模數轉換4.D/A轉換器輸出電壓uO的波形17.2

模數轉換優點：速度較快，電路結構簡單缺點：抗干擾能力不理想5.A/D轉換器的特點17.2

模數轉換17.2.5雙積分型A/D轉換器雙積分型A/D轉換器是一種電壓—時間變換型ADC由于計數與

t成正比，從而把被測電壓轉換成為與之成正比的數字量首先把被測電壓先轉換成與之成正比的時間間隔

t1.基本概念然后利用計數器在

t時間間隔內對一已知恒定頻率fc的脈沖進行計數17.2

模數轉換2.雙積分A/D轉換器原理框圖電路組成：積分器、過零比較器、時鐘控制門、n位二進制計數器和定時器17.2

模數轉換Q=1時S1接-VREF第二次，對恒定基準電壓

VREF進行定值積分，稱為比較階段Q=0時S1接+uI雙積分A/D轉換器在一次轉換過程中要進行兩次積分：第一次，對輸入電壓+uI進行定時積分，又稱為采樣階段17.2

模數轉換2.工作原理(1)首先控制信號提供清零脈沖CR，n位計數器和定時器清零。S2短時閉合，積分電容放電。17.2

模數轉換(2)Q=0時S1接+uI積分器對輸入電壓uI積分，輸出電壓由于此時uO<0，比較器的輸出uC=1，門G打開，計數器計數，在2n個脈沖后，Qn-1=0，定時器的Q=1，采樣結束。17.2

模數轉換采樣結束，定時器Q=1，電子開關S1與B端接通在采樣結束時刻t1，積分器的輸出電壓17.2

模數轉換輸出電壓:(3)積分器對基準電壓-VREF進行反向積分，計數器從零開始重新計數。17.2

模數轉換雙積分A/D轉換的工作波形當t=t2時uO=0，計數器停止計數，即兩次積分具有不同的斜率，故稱為雙斜積分(簡稱為雙積分)A/D轉換器17.2

模數轉換令

t=t2-t1，則17.2

模數轉換第二次積分結束時，計數器的數值17.2

模數轉換缺點：轉換速度慢完成一次A/D轉換一般需幾十毫秒以上

若T1取20ms的整倍數，雙積分A/D轉換器具有極強的抗50Hz工頻干擾的能力。3.轉器的特點優點：抗干擾能力強17.2

模數轉換⑴分辨率：A/D轉換器能夠分辨輸入信號的最小變化量

從模擬信號輸入起，到達到規定的精度之內的數字輸出止，轉換過程所經過的時間。⑵轉換誤差：主要包括量化誤差、偏移誤差、增益誤差等17.2.7A/D轉換器的主要參數1.轉換精度2.轉換時間17.2

模數轉換17.2.