数模转换器基本原理及常见结构.ppt

本次课内容 1、ADC的转换原理； 2、ADC的主要参数。 3、模数典型芯片介绍； 4、ADC的基本应用方法。 模数转换器及其应用 §8.3 模数转换器（ADC） 　　ADC作用：将模拟量转换为数字量。 　　主要应用：(低速)数字万用表，电子秤等；(中速)工业控制，实验设备等；(高速)数字通信、导弹测远等；(超高速)数字音频、视频信号变换、气象数据分析处理。 　　ADC输入是模拟量，输出是数字量； 　　ADC输出的数字量可视为输入电压(电流)与基准电压(电流)相比所占的比例。 　　ADC输出与输入关系可表示如下： 　　即ADC是将输入信号Ain与其所能分辨的最小电压增量VREF/2n相比较，得到与输入模拟量对应的倍数（取整）。 3位ADC 示意图 输出数字量对应一个 模拟区间 §8.3.1 ADC的基本原理 一、采样和采样定理 　　ADC周期性地将输入模拟值转换成与其大小对应的数字量，该过程称为采样。 　　采样是否会造成丢失某些信息？ 　 时域采样定理：一个频带有限的信号f(t)，如果其频谱在区间(－ωm,ωm)以外为零，则它可以唯一的由其在均匀间隔Ts(Ts1/2fm)上的样点值f(nTs)确定。 　即只要采样脉冲频率fs大于或等于输入信号中最高频率fm的两倍（fs ≥2fm），则采样后的输出信号就能够不失真地恢复出模拟信号。 二、采样/保持电路 　　模拟量到数字量转换需要一定时间，在此期间要求采样所得的样值保持不变。这个过程需有相应电路实现。 　τCtw，故Vs的变化与Vi同步。 Vs LF198 三、量化和编码 　　模拟信号经S/H得到的取样值仍属模拟范畴，需经量化（将取样值表示为最小数量单位的整数倍）处理，才能转换为时间上和数值上都为离散的数字信号。 　　最小数量单位称量化单位(1△=1LSB)。 　　编码：将量化结果用数字代码表示出来。常见有自然二进制编码、二进制补码编码。 　　因取样值为输入信号某些时刻的瞬时值，它们不可能都正好是量化单位的整数倍，即在量化时不可避免地会引入量化误差(ε)。 　　量化误差：有限位ADC产生的输出数据的等效模拟值与实际输入模拟量之间的差值。 　　量化误差的大小与量化方式、量化单位、ADC编码位数、基准电压大小有关。 　　常用的量化方式：舍入量化和截断量化两种方式。 　　例如：FSR=1V的3位ADC，其分辨率为1/8V（1LSB）。分别采用舍入量化和截断量化两种方式，情况如下： LSB/2 1.5LSB 1/8－2/8 －1LSB 1/8－1/16; 1/8－3/16 ±LSB/2 最大 误差 1/8Vi2/8(V) 1/16Vi3/16(V) 量化点误差为0 Vi=1/8V 量化点误差为0 Vi=1/8V 输出001H 量化区间末端 量化区间中点 量化值 截断量化 舍入量化 (2n－1)个 2n 一、并行（闪速） ADC 可有2n种 比较结果 即n位数字量 §8.3.2 ADC的基本原理 7V 111 0000000 7V≤Vin＜8V 6V 110 0000001 6V≤Vin＜7V 5V 101 0000011 5V≤Vin＜6V 4V 100 0000111 4V≤Vin＜5V 3V 011 0001111 3V≤Vin＜4V 2V 010 0011111 2V≤Vin＜3V 1V 001 0111111 1V≤Vin＜2V 0V 000 1111111 0≤Vin＜1V 量化值 Y2 Y1 Y0 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0 Vin 3位并行比较型ADC的转换真值表 　　优点：转换快（仅一个时钟周期）。 　　不足：n较大时，比较器、分压电阻数量太大，难以保证其准确性及一致性。 Next 二、逐次逼近式ADC 开始前清零! 比较器 即完成一次转换需n+1个时钟周期。 　　首先，置DN-1＝“1”，若VP =“H”，则保留DN-1=“1”；否则，DN-1=“0”。 　　然后，置DN-2＝“1”，若VP =“H”，则保留DN-2=“1”；否则，DN-2=“0”。 　　…… 　D0位确定，转换结束。　　 优点：技术成熟，精度较高、速度较快。 不足：对Vi中噪声敏感，输入端需用S/H电路（ADC转换期间Vi要恒定）。 SAR ADC 转换的时序波形 （Vin=6.8V→8位二进制数） Tclk=10μs Tcon=90μs 三、双积分式（双斜式）ADC Vi0 VR0 放电开关 控制K1置位 原理 波形 结果 停止计数 输出结果 向上 反转 Vo≤0 重新计数 低电平 线性下降 反向充电 断 2 编码VR0 开始计数 直到溢出 向下 反转 线性增加 Vo0 充电 断 1 采样Vi0 Vo =0 放电 通 地 开始 计数