1、11.3模数转换器（模数转换器（ADC）11.3.1 模数转换基本原理模数转换基本原理11.3.2 并联比较型并联比较型ADC11.3.3 逐次逼近型逐次逼近型ADC11.3.4 双积分型双积分型ADC11.3.1 模数转换基本原理模数转换基本原理取样取样时间上离散的信号时间上离散的信号保持、量化保持、量化量值上也离散的信号量值上也离散的信号编码编码模拟信号模拟信号数字信号数字信号时间上和量值上都连续时间上和量值上都连续时间上和量值上都离散时间上和量值上都离散模数转换一般分为取样、保持和量化、编码两步进行。模数转换一般分为取样、保持和量化、编码两步进行。图11- -3- -1 取样、保持vIv
2、SS (t)(a) 取样电路取样电路示意图示意图vItO t1t2t3t4t5(b) 输入模拟输入模拟信号信号S(t)tt1t2t3t4t5tW(c) 取样脉冲取样脉冲tt1t2t3t4t5(d) 取样信号取样信号vSTStt1t2t3t4t5(e) 取样保持取样保持信号信号vOOOO取样取样时间时间(tW)保持时间保持时间(TStW)取样、保持取样、保持取样就是对模拟取样就是对模拟信号周期性地抽取样信号周期性地抽取样值，使模拟信号变成值，使模拟信号变成时间上离散的脉冲串，时间上离散的脉冲串，取样值取决于取样时取样值取决于取样时间内输入模拟信号的间内输入模拟信号的大小。大小。根据根据取样定理取
3、样定理，取样频率的选取一般取样频率的选取一般为：为： ImaxS35 . 2ff vIS(t)vOA7图11- -3- -2 取样保持电路C(a)SA1LvIS(t)A2vOCk30300RPVB6541238（外接）（外接）调零调零（外接）（外接）(b)VV要对模拟信号的取样值进行量化和编码，必须使取样值保要对模拟信号的取样值进行量化和编码，必须使取样值保持一定的时间。持一定的时间。取样和保持是由取样和保持是由取样保持电路取样保持电路完成的。完成的。模拟电压模拟电压 vI/V量化值量化值二进制数二进制数输出输出765432107.56.55.54.53.52.51.50.57 =7 V111
4、6 =6 V1105 =5 V1014 =4 V1003 =3 V0112 =2 V0101 =1 V0010 =0 V000图11- -3- -3 量化方法之一 四舍五入法 量化、编码量化、编码用数字量表示取样电压值时，要将取样电压化为某个最小用数字量表示取样电压值时，要将取样电压化为某个最小数量单位数量单位(1 LSB) 的整数倍，这一转换过程称为的整数倍，这一转换过程称为量化量化，所取的最，所取的最小单位称为小单位称为量化单位量化单位，用，用表示，表示，= 1 LSB。将量化的结果转。将量化的结果转化为对应的代码，称为化为对应的代码，称为编码编码。实际输入电压值与量化值实际输入电压值与量
5、化值之间的偏差称为之间的偏差称为量化误差量化误差。四舍五入量化法：四舍五入量化法：采用四舍五入的方法量化采用四舍五入的方法量化取整。最大量化误差为取整。最大量化误差为/2。 四舍五入四舍五入 /I10vN模拟电压模拟电压 vI/V量化值量化值二进制数二进制数输出输出876543217=7 V1116=6 V1105=5 V1014=4 V1003=3 V0112=2 V0101=1 V0010=0 V000图11- -3- -4 量化方法之二 舍去小数法 0舍去小数量化法：舍去小数量化法：舍去小数直接取整，最大舍去小数直接取整，最大量化误差为量化误差为。 舍去小数舍去小数 /I10vN完成量化
6、编码工作的电路完成量化编码工作的电路是是ADC。按工作原理不同，可。按工作原理不同，可分为直接分为直接ADC和间接和间接ADC。直接直接ADC是将输入模拟电压直接转换成数字量，如并联比是将输入模拟电压直接转换成数字量，如并联比较型较型ADC和逐次比较型和逐次比较型ADC。间接间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，如双积分型把这些中间量转换成数字量，如双积分型ADC。电路图电路图11.3.2 并联比较型并联比较型ADC电路结构电路结构位并联比较型位并联比较型ADC由以下部分组成：由以下部分组成：比较器：比较器：由个
7、电压比较器组成，由个电压比较器组成，“”输入端接输入电输入端接输入电压压vI，“”输入端接一定值的比较电压输入端接一定值的比较电压VR，若，若vIVR，比较器，比较器输出为输出为1，反之输出为，反之输出为0。分压电阻链：分压电阻链：由个电阻组成，将基准电压进行分压，获由个电阻组成，将基准电压进行分压，获得个比较器的比较电压得个比较器的比较电压VR。寄存器：寄存器：由个由个D触发器组成，用取样脉冲触发器组成，用取样脉冲S(t)上升沿触发。上升沿触发。 线线优先编码器：线线优先编码器：输入、输出均为低电平有效。输入、输出均为低电平有效。(7/7)VREF1 1 1 1 1 1 1 1 1 1(13
8、/14)VREFvI(15/14)VREF(6/7)VREF1 1 0 0 1 1 1 1 1 1(11/14)VREFvI(13/14)VREF(5/7)VREF1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 (9/14)VREFvI(11/14)VREF(4/7)VREF1 0 0 0 0 0 1 1 1 1(7/14)VREFvI(9/14)VREF(3/7)VREF0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 (5/14)VREFvI(7/14)VREF(2/7)VREF0 1 0 0 0 0 0 0 1 1(3/14)VREFvI(5/14)VREF(1/7)VREF0 0 1 0 0 0 0 0
9、 0 1(1/14)VREFvI(3/14)VREF00 0 0 0 0 0 0 0 0 00vI(1/14)VREF量化值量化值D2 D1 D0Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1I1 I2 I3 I4 I4 I5 I6vI 输入范围输入范围表表11-3-1 3位并联比较型位并联比较型ADC的量化编码表的量化编码表工作原理工作原理电路图电路图在在S(t)=0时，由取样保持电路提供一个稳定的取样电压值，时，由取样保持电路提供一个稳定的取样电压值，作为作为vI送入比较器，使它在保持时间内进行量化。在送入比较器，使它在保持时间内进行量化。在S(t)上升沿上升沿时刻将量化值送入触发器寄存，并由优
10、先编码器产生相应的二时刻将量化值送入触发器寄存，并由优先编码器产生相应的二进制数码输出。进制数码输出。位并联比较型位并联比较型ADC以四舍五入法进行量化。以四舍五入法进行量化。REFREF3REF1412 12171 :VVV 量量化化误误差差为为：量量化化单单位位为为优点：优点：采用各量级同时并行比较，各位输出码同时并行产采用各量级同时并行比较，各位输出码同时并行产生，因此转换速度快，转换速度与输出码位数无关。生，因此转换速度快，转换速度与输出码位数无关。缺点：缺点：成本高、功耗大，所用元件数量随成本高、功耗大，所用元件数量随ADC位数的增加，位数的增加，以几何级数上升。适用于要求高速、低分
11、辨率的场合。以几何级数上升。适用于要求高速、低分辨率的场合。注意：注意：若输入电压超出正常范围，即若输入电压超出正常范围，即vIVm=(15/14)VREF，比较器输出都为，比较器输出都为，ADC输出输出111不变，处于不变，处于“饱和饱和”状态，不状态，不能正常转换。能正常转换。电路图电路图11.3.3 逐次逼近型逐次逼近型ADC电路组成及各部分的作用电路组成及各部分的作用DAC：按不同的输入数码产生一组相应的比较电压按不同的输入数码产生一组相应的比较电压vR。电压比较器电压比较器C：将取样保持电路提供的取样电压与将取样保持电路提供的取样电压与DAC产生的比较电压进行比较。产生的比较电压进行
12、比较。节拍脉冲发生器：节拍脉冲发生器：通常由位环形计数器构成，产生通常由位环形计数器构成，产生个节拍的负向脉冲，控制其他电路完成逐次比较。个节拍的负向脉冲，控制其他电路完成逐次比较。图11- -3- -7 4节拍脉冲发生器输出波形CP0CPCP1CP2CP3J- -K触发器：触发器：在节拍脉冲在节拍脉冲CP0CP3的推动下，记忆每次比的推动下，记忆每次比较的结果，并向较的结果，并向DAC提供输入数码。提供输入数码。3D寄存器：寄存器：在节拍脉冲的触发下，记忆最后比较结果，并在节拍脉冲的触发下，记忆最后比较结果，并行输出二进制代码。行输出二进制代码。工作原理工作原理电路图电路图时序时序Q2 Q1
13、 Q0vRCOCP010041CP111060CP210151CP310111CP3Q2 Q1 Q03D寄存器并输出寄存器并输出D2D1D0= 101设设vI=5.9V，VREF=8V由分析可知，该电路采用的是舍去小数的量化方法，量化由分析可知，该电路采用的是舍去小数的量化方法，量化单位和最大量化误差均为单位和最大量化误差均为=1V。改进：改进：在在DAC的输出端串接一个数值为的输出端串接一个数值为/2的偏移电压，的偏移电压，使比较电压都向下偏移使比较电压都向下偏移/2，这时：，这时：nniiinVdVv2222REF10REFR ，特点：特点：逐次逼近型逐次逼近型ADC每次转换需要每次转换需
14、要n+1个节拍脉冲才能个节拍脉冲才能完成，比并联比较型完成，比并联比较型ADC转换速度慢，属于中速转换速度慢，属于中速ADC器件。另器件。另外，当位数较多时，所需的元、器件比并联比较型少得多，应外，当位数较多时，所需的元、器件比并联比较型少得多，应用较广。用较广。电路图电路图11.3.4 双积分型双积分型ADC电路结构电路结构积分器：积分器：由由R、C和运算放大器和运算放大器A组成，是电路的核心。组成，是电路的核心。检零比较器：检零比较器：检查积分器输出电压的极性。若小于零，则检查积分器输出电压的极性。若小于零，则输出为输出为1，反之输出为，反之输出为0。n位计数器和辅助触发器：位计数器和辅助
15、触发器：由由n位位J-K触发器构成触发器构成n位二进制位二进制异步加计数器，并由最高位输出的下降沿触发辅助触发器。异步加计数器，并由最高位输出的下降沿触发辅助触发器。开关开关S1和和S2：S1由辅助触发器输出控制，将输入电压或负基由辅助触发器输出控制，将输入电压或负基准电压引到积分器输入端；准电压引到积分器输入端；S2由门由门G2的输出控制，开关闭合时，的输出控制，开关闭合时，使电容使电容C短路放电。短路放电。vSOtQCOtvS1O转换控制信号转换控制信号 积分器输入积分器输入VREFvOO积分器输出积分器输出COtvO1比较器输出比较器输出OG1门输出门输出T1=2nTCvDtttT2=M
16、TC图11- -3- -9 双积分型ADC的工作波形工作原理工作原理(1) 初始准备阶段初始准备阶段 vS=，触发器全部清，触发器全部清零；开关零；开关S2闭合，使电容闭合，使电容C充分放电；开关充分放电；开关S1掷向掷向vI。(2) 第一次积分（取样第一次积分（取样阶段）阶段） 在在t=0时，时，vS上升为高上升为高电平，电平，S2断开，积分器开断开，积分器开始对始对vI积分，输出电压为：积分，输出电压为： ttvRCtv0IOd1)(电路图电路图设定设定vI为正压，为正压，VREF为负压，则为负压，则vO(t)，使检零比较器，使检零比较器输出为输出为1，将，将G1门打开，计数器从开始计数。
17、当计满门打开，计数器从开始计数。当计满2n，计数，计数器返回时，使器返回时，使FFC置置1，开关，开关S1掷向掷向VREF，第一次积分结束。，第一次积分结束。在此阶段内有：在此阶段内有：。）内内输输入入电电压压的的平平均均值值为为取取样样时时间间（其其中中时时刻刻积积分分器器输输出出为为：的的周周期期；为为，积积分分时时间间为为：1IICI10IO11CC12d121TVVRCTVRCTtvRCVTCPTTTnTn 上式说明积分器的输出电压上式说明积分器的输出电压VO1与输入模拟电压的取样平均与输入模拟电压的取样平均值值VI成正比。对于不同的成正比。对于不同的VI值，积分器输出电压波形的斜率也
18、值，积分器输出电压波形的斜率也不同。不同。电路图电路图(3) 第二次积分（比较阶段）第二次积分（比较阶段）tVRCVtvtTd )(1)(1REFO1O 积积分分器器输输出出电电压压为为：与此同时，计数器从开始计数。经与此同时，计数器从开始计数。经T2时间后，积分器输时间后，积分器输出回升到，检零比较器输出为出回升到，检零比较器输出为0，将门，将门G1封锁，计数停止。设封锁，计数停止。设计数器所计脉冲个数为计数器所计脉冲个数为M，则，则T2=MTC。此时计数器的输出状态。此时计数器的输出状态即为即为M对应的二进制代码。对应的二进制代码。 为正值为正值因此：因此：所以：所以：时刻，积分器输出为：
19、时刻，积分器输出为：在在舍去小数舍去小数REFIREFREFCCREF21REFIREF2I1REFI1O21222d )(10)(211VVVMMVMTTVTTVVVRCTVRCTtVRCVRCTtvTTtnnnTTT 双积分型双积分型ADC的优缺点的优缺点优点：优点：(1) 抗干扰能力强。抗干扰能力强。取样电压是取样时间内输入电压的平均取样电压是取样时间内输入电压的平均值。值。(2) 稳定性好，转换精度高。稳定性好，转换精度高。通过两次积分把通过两次积分把VI和和VREF之比之比变成两次计数值之比，只要求变成两次计数值之比，只要求RC和和TC在两次积分时保持不变即在两次积分时保持不变即可。
20、可。(3) 非线性误差小。非线性误差小。转换结果与积分时间常数转换结果与积分时间常数RC无关，消无关，消除了积分非线性带来的误差。除了积分非线性带来的误差。缺点：缺点：转换速度低。转换速度低。图11- -3- -5 3位并联比较型ADCVREFvIC7R/2VREF1314C6RVREF1114D7D6C5RVREF914D5C4RVREF714D4C3RVREF514D3C2RVREF314D2C1RVREF114D1R/27D触触发发器器比较器比较器寄存器寄存器CPS(t)I1I2I3I4I5I6I7Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1优优先先编编码码器器Y0Y1Y2D0D1D2SI0返回返回Cv
21、IvR3位位DACVREF1COCO0CP0CPSRFF2CP111J1KC1SRFF1CP21J1KC1SRFF0CP31J1KC123Q2Q1Q0d2I0I1I23D寄寄存存器器Q0D0Q1D1Q2D2d1d0图11- -3- -6 3位逐次逼近型ADC返回返回4 节节 拍拍 脉脉 冲冲 发发 生生 器器图11- -3- -8 双积分型ADC简化电路RFFC1J1KC1R1J1KC1QCQn-1R1J1KC1Q1Dn-1D1FFn-1FF1R1J1KC1Q0D0FF0vD&CPG1vS1G2L转换转换控制信号控制信号 RvS1ACCvOCS2积分器积分器n位计数器位计数器检零比较器检零比较器vO0，C=1vO0，C=0vIVREFS1RD返回返回
