1、1第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一14.2 A/D转换器主要要求：主要要求：理解理解A/D转换的原理与过程转换的原理与过程了解了解A/D的组成和分类的组成和分类了解了解A/D的基本参数及应用的基本参数及应用2第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一14.2.1 A/D转换的基本原理转换的基本原理3第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一1.采样和保持采样和保持由于输入信号是连续变化的，而转换需要一定时间，由于输入信号是连
2、续变化的，而转换需要一定时间，为使转换正常进行，每进行一次转换，需要对输入信为使转换正常进行，每进行一次转换，需要对输入信号进行一次采样，以获得确定输入，并将这个输入保号进行一次采样，以获得确定输入，并将这个输入保持到转换结束，这个过程称为采样和保持。持到转换结束，这个过程称为采样和保持。脉冲控制开关脉冲控制开关电容保持电容保持采样频率越高，信号采样频率越高，信号uI(t)与与uI就越接近，就越接近，转换误差越小，采样转换误差越小，采样频率频率fs必须满足必须满足fs2fmax（采样定理）（采样定理）fmax是是uI频谱的最高频频谱的最高频率分量。率分量。4第第 14 14 章数模转换与模数转
3、换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一开关驱动电路开关驱动电路保护电路保护电路模模拟拟输输入入开开关关脉脉冲冲5第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一2.量化和编码量化和编码将采样保持后的电压化为某个规定的最小单位电压将采样保持后的电压化为某个规定的最小单位电压整数倍的过程称为量化。把量化的数值用二进制代码整数倍的过程称为量化。把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。表示，称为编码。量化所规定的最小单位电压称为量化单位，用量化所规定的最小单位电压称为量化单位，用表示。由于输表示。由于输入模拟电压幅值连续，不一定能被
4、入模拟电压幅值连续，不一定能被整除，因而量化过程中不整除，因而量化过程中不可避免会引入误差，称此误差为量化误差，最大可达可避免会引入误差，称此误差为量化误差，最大可达。一般。一般采用采用“四舍五入四舍五入”的方法量化，误差为的方法量化，误差为/2。例如下表：。例如下表：采样电压采样电压/V量化值量化值/V输出二进制编码输出二进制编码00.5000000.51.51 10011.52.52 20106第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一按工作原理分类按工作原理分类并行比较型并行比较型逐次逼近型逐次逼近型双积分型双积分型V/FV/F转换型
5、转换型按转换方式分类按转换方式分类直接转换直接转换逐次逼近型逐次逼近型双积分型双积分型V/FV/F转换型转换型间接转换间接转换并行比较型并行比较型量化单位量化单位的大小与输入信号范围和输出位数有关。的大小与输入信号范围和输出位数有关。12n(max)Iu7第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一14.2.2 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器1.电路组成电路组成8第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一2.工作过程工作过程初始初始W8W为为0000000001Q8Q1均为均为0N
6、uUNUNUuDREFREF8REFDV25525512，有，当若输入电压若输入电压uI大于大于D/A的输的输出出uD，比较器，比较器输出输出uC0，否则否则uC1。9第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一假设输入电压假设输入电压uI149V。第一个第一个CP到来时，到来时，W81，其余，其余Wi均为均为0，FF8被置被置1，其余数据寄存器处，其余数据寄存器处于保持状态，于是输出于保持状态，于是输出Q8Q1为为10000000，经，经D/A转换器后输出电压转换器后输出电压uDN128V，uI与与128V比较，比较，uC0。第二个第二个C
7、P来到时，来到时，W71，其余，其余Wi均为均为0，由于上次比较，由于上次比较uC为为0，使得，使得Q81，故数据寄存器为，故数据寄存器为11000000，uI与与192V比较，比较，uC1。第三个第三个CP来到时，由于上次比较来到时，由于上次比较uC为为1，使数据寄存器为，使数据寄存器为10100000，uI与与160V比较，使比较，使uC1。如此逐次比较下去，最后确定数据寄如此逐次比较下去，最后确定数据寄存器各位状态是存器各位状态是10010101，得到，得到149V编码。最后各位数据寄存器一编码。最后各位数据寄存器一同输出其各个位的编码。同输出其各个位的编码。10第第 14 14 章数模
8、转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一14.2.3 双积分型双积分型A/D转换器转换器1.电路组成电路组成又称双斜率又称双斜率A/D转换器，基本原理是对输入模拟电压和基准电转换器，基本原理是对输入模拟电压和基准电压进行两次积分：先将输入电压压进行两次积分：先将输入电压uI转换成与之大小对应的时间转换成与之大小对应的时间间隔间隔TC，再在此时间间隔内用固定频率计数器计数，计数器所，再在此时间间隔内用固定频率计数器计数，计数器所计数字量正比于输入模拟电压。计数字量正比于输入模拟电压。11第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月1
9、5日星期一日星期一积分器积分器比较器比较器12第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一2.工作过程工作过程双积分之前，控制电路使计数器清零双积分之前，控制电路使计数器清零S2闭合使电容闭合使电容C放电，放放电，放电结束后，电结束后，S2再断开。再断开。10IO)(1)(tdttuRCtuCnC112ffNT13第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一的平均值。时间内输入模拟电压到为式中)(012)(I1IICnI11OtuTuuRCfuRCTTu2201011)(1)()(tREFO
10、tREFOOdtURCTudtURCTutu0)(1)()(REF21O0REF1O2O2URCTTudtURCTuTuT由于ICREFnICnREF1OREF22)12()()(ufUuRCfURCTuURCT所以14第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一IREFnC222uUfTN第一次积分第一次积分第二次积分第二次积分15第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一14.2.4 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1.分辨率分辨率以输出的二进制的位数以输出的二进制的位数
11、n表示，位数越多量化误差越小。表示，位数越多量化误差越小。12n(max)Iu2.转换精度转换精度实际输出与理论输出的偏离程度。实际输出与理论输出的偏离程度。3.转换精度转换精度完成一次转换所需要的时间。完成一次转换所需要的时间。4.输入模拟电压范围输入模拟电压范围通常单极性输入时为通常单极性输入时为05V，双极性输入时为，双极性输入时为-5+5V。16第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一14.2.5 集成集成A/D转换器转换器ADC0809及其应用及其应用ADC0809是是CMOS工艺工艺8位逐次比较型位逐次比较型A/D转换芯片，转
12、换芯片，28脚双脚双列直插封装（列直插封装（DIP28），具有），具有8个通道的模拟量输入，可在程个通道的模拟量输入，可在程序控制下对任意通道分时进行序控制下对任意通道分时进行A/D转换。转换。1.ADC0809的主要技术指标的主要技术指标17第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一2.ADC0809的结构的结构由由8位位A/D转换电路、转换电路、8路模拟开关、地址锁存与译码电路、以路模拟开关、地址锁存与译码电路、以及三态输出锁存器组成。及三态输出锁存器组成。DAC0809引脚图引脚图DAC0832内部结构内部结构8路模拟输入路模拟输入模
13、拟输入的通道选模拟输入的通道选通由地址通由地址ABC控制控制18第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一3.引脚功能引脚功能控制与时序控制与时序逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器模拟开关模拟开关256256电阻阶梯电阻阶梯数据数据锁存锁存和三和三态输态输出缓出缓冲器冲器8 8路路模拟模拟开关开关地址地址锁存锁存与与译码译码比较器比较器8 8位位DADA模模拟拟输输入入IN0IN73 3位位地址地址CBA地址地址锁存锁存允许允许ALEUCCGNDUREFUREFOE输出允许输出允许8 8位位输输出出EOC启动启动START时钟时钟CLOCK5V5
14、V15V15V500KHz500KHz1MHz1MHz转换结束转换结束19第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一4.ADC0809的应用的应用ADC0809很容易与微处理器很容易与微处理器Intel8080、8086或或8031等接口，也等接口，也可单独使用。可单独使用。只有只有IN0一路输入，一路输入，不需要地址选通不需要地址选通对输出进行二对输出进行二进制显示进制显示20第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一本章小结能将模拟量转换为数字量的电路称为模数能将模拟量转换为数字量的
15、电路称为模数转换器，简称转换器，简称A/D转换器转换器或或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称转换器，简称D/A转换器转换器或或DAC。ADC和和DAC是沟通模拟电路和数字电路是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。的桥梁，也可称之为两者之间的接口。21第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一DAC转化过程即是将数字量转换为模拟量，转化过程即是将数字量转换为模拟量，按各位数字量系数进行加权求和。按各位数字量系数进行加权求和。DAC的实现主要有权电阻网络、倒的实现主要
16、有权电阻网络、倒T形电形电阻网络等电路，其中倒阻网络等电路，其中倒T形电阻网络转换形电阻网络转换器是速度最快的一种。器是速度最快的一种。典型的集成典型的集成D/A是是8位转换器位转换器DAC0832。其具有三种工作状态：直通方式、单缓冲其具有三种工作状态：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。方式和双缓冲方式。22第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一ADC转化过程即是采样保持的时域离散转化过程即是采样保持的时域离散化、再量化编码的幅值域离散化过程。化、再量化编码的幅值域离散化过程。ADC的实现主要有逐次比较型、双积分型的实现主要有逐次比较型、双积分型等电路，其中等电路，其中逐次比较型逐次比较型转换器速度较快，转换器速度较快，双积分型分辨率和精度更高。双积分型分辨率和精度更高。典型的集成典型的集成A/D是是8位逐次比较转换器位逐次比较转换器ADC0809。其具有。其具有8路时分复用的模拟输路时分复用的模拟输入通道，并有三态锁存输出，易于与微处入通道，并有三态锁存输出，易于与微处理器相连接、构成理器相连接、构成I/O端口。端口。23第第 14 14 章数模转换与模数转换章数模转换与模数转换2022年年8月月15日星期一日星期一
