1、A/D轉(zhuǎn)換及其原理一.A/DA/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換的基本概念基本概念二.ADCADC的主要技術(shù)的主要技術(shù)參數(shù)參數(shù)三三. .A/DA/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換的一般一般步驟和基本原理步驟和基本原理四四. .集成集成A/DA/D轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用 計(jì)算機(jī)能夠處理的是數(shù)字量信息。然而在現(xiàn)實(shí)世界中有很計(jì)算機(jī)能夠處理的是數(shù)字量信息。然而在現(xiàn)實(shí)世界中有很多信息并不都是數(shù)字量的，例如聲音、電壓、電流、流量、多信息并不都是數(shù)字量的，例如聲音、電壓、電流、流量、壓力、溫度、位移和速度等，它們都是連續(xù)變化的物理量。壓力、溫度、位移和速度等，它們都是連續(xù)變化的物理量。這些連續(xù)變化的物理量稱為這些連續(xù)變化的物理量稱為模擬量。模擬

2、量。概述 計(jì)算機(jī)是處理計(jì)算機(jī)是處理數(shù)字量信息數(shù)字量信息的設(shè)備，要處理這些模擬量信息的設(shè)備，要處理這些模擬量信息就必須有一個(gè)模擬接口，通過(guò)這個(gè)模擬接口，將模擬量信就必須有一個(gè)模擬接口，通過(guò)這個(gè)模擬接口，將模擬量信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信息，以供計(jì)算機(jī)運(yùn)算和處理。息轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信息，以供計(jì)算機(jī)運(yùn)算和處理。 然后，再把計(jì)算機(jī)處理過(guò)的數(shù)字量信息轉(zhuǎn)換為然后，再把計(jì)算機(jī)處理過(guò)的數(shù)字量信息轉(zhuǎn)換為模擬量信息模擬量信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制量的控制。以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制量的控制。AD轉(zhuǎn)換的原因轉(zhuǎn)換的原因 典型典型計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)一.AD的基本概念 模數(shù)轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換將時(shí)間連續(xù)和幅值連續(xù)的模擬量將時(shí)間連續(xù)和幅值連續(xù)

3、的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字量量。使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器。通常通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。即即A/DA/D轉(zhuǎn)換器，或轉(zhuǎn)換器，或簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱ADCADC。（Analog - Digital - Converter ）二.ADCADC的主要技術(shù)的主要技術(shù)參數(shù)參數(shù)1. 1. 分辨率分辨率 對(duì)于對(duì)于ADCADC來(lái)說(shuō)，分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼來(lái)說(shuō)，分

4、辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼所需要輸入模擬電壓的變化量。通常定義為滿刻度電壓與所需要輸入模擬電壓的變化量。通常定義為滿刻度電壓與2 2n n的比值，其中的比值，其中n n為為ADCADC的位數(shù)。例如具有的位數(shù)。例如具有1212位分辨率的位分辨率的ADCADC能夠分辨出滿刻度的能夠分辨出滿刻度的1/21/21212（0.0244%0.0244%）。）。 有時(shí)分辨率也用有時(shí)分辨率也用A/DA/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來(lái)表示，如轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來(lái)表示，如ADC0809ADC0809的分的分辨率為辨率為8 8位，位，AD574AD574的分辨率為的分辨率為1212位等。位等。2. 2. 量化誤差量化誤差 量化

5、誤差是由于量化誤差是由于ADC ADC 的有限分辨率引起的誤差，這是連續(xù)的有限分辨率引起的誤差，這是連續(xù)的模擬信號(hào)在整數(shù)量化后的固有誤差。對(duì)于四舍五入的量的模擬信號(hào)在整數(shù)量化后的固有誤差。對(duì)于四舍五入的量化法，量化誤差在化法，量化誤差在1/2 LSB1/2 LSB之間。之間。二.ADCADC的主要技術(shù)參數(shù)的主要技術(shù)參數(shù)3. 3. 絕對(duì)精度絕對(duì)精度 絕對(duì)精度是指在輸出端產(chǎn)生給定的數(shù)字代碼所表示的實(shí)際絕對(duì)精度是指在輸出端產(chǎn)生給定的數(shù)字代碼所表示的實(shí)際需要的模擬輸入值與理論上要求的模擬輸入值之差。需要的模擬輸入值與理論上要求的模擬輸入值之差。4. 4. 相對(duì)精度相對(duì)精度 它與絕對(duì)精度相似，所不同的是

6、把這個(gè)偏差表示為滿刻度它與絕對(duì)精度相似，所不同的是把這個(gè)偏差表示為滿刻度模擬電壓的百分?jǐn)?shù)。模擬電壓的百分?jǐn)?shù)。 5. 5. 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是轉(zhuǎn)換時(shí)間是ADCADC完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從啟動(dòng)信完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從啟動(dòng)信號(hào)開(kāi)始到轉(zhuǎn)換結(jié)束并得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出量所需要的時(shí)間，號(hào)開(kāi)始到轉(zhuǎn)換結(jié)束并得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出量所需要的時(shí)間，通常為微秒級(jí)。通常為微秒級(jí)。6 6量程量程 量程是指能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍。量程是指能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍。三三.A/D.A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換的一般一般步驟步驟和和基本原理基本原理基本原理基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI 稱為 ADC 的單位量化電壓

7、或量化單位，它是 ADC 的最小分辨電壓。 uD可見(jiàn)，輸出數(shù)字量 D 正比于輸入模擬量 uI 。 “ ”表示取整。A/DA/D轉(zhuǎn)換的一般步驟轉(zhuǎn)換的一般步驟uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0uI(t)S采樣保持電路采樣：把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。保持：保持采樣信號(hào)，使有充分時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。量化：把采樣保持電路的輸出信號(hào)用單位量化電壓的 整數(shù)倍表示。編碼：把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。A/DA/D轉(zhuǎn)換的一般步驟轉(zhuǎn)換的一般步驟 采樣和保持通常采樣和保持通常在采樣保持電路中完成在采樣保持電路中完成，量，量化和編碼通?；途幋a通常在在A/DA/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路中完成。中完成。

8、采樣定理：設(shè)取樣脈沖s(t)的頻率為fS，輸入模擬信號(hào)x(t)的最高頻率分量的頻率為fmax，必須滿足fs 2fmax。y(t)才可以正確的反映輸入信號(hào)(從而能不失真地恢復(fù)原模擬信號(hào))。通常取通常取fs （2.53）fmax 由于由于A/DA/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，在每次采樣以后，需轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，在每次采樣以后，需要把采樣電壓保持一段時(shí)間。要把采樣電壓保持一段時(shí)間。s(t)s(t)有效期間，開(kāi)關(guān)管有效期間，開(kāi)關(guān)管VTVT導(dǎo)通，導(dǎo)通，u uI I向向C C充電，充電，u uO O (=(=u uc c) )跟隨跟隨u uI I的變化而變化；的變化而變化；s(t)s(t)無(wú)效期間，開(kāi)關(guān)管無(wú)效

9、期間，開(kāi)關(guān)管VTVT截止，截止，u uO O (=(=u uc c) )保持不變，直到下保持不變，直到下次采樣。（由于集成運(yùn)放次采樣。（由于集成運(yùn)放A A具有很高的輸入阻抗，在保持階段，具有很高的輸入阻抗，在保持階段，電容電容C C上所存電荷不易泄放。）上所存電荷不易泄放。） A/DA/D轉(zhuǎn)換的一般步驟轉(zhuǎn)換的一般步驟 量化量化數(shù)字量最小單位所對(duì)應(yīng)的最小量值叫做數(shù)字量最小單位所對(duì)應(yīng)的最小量值叫做量化單位。量化單位。將采樣保持電路的輸出電壓歸化為量化單位的整將采樣保持電路的輸出電壓歸化為量化單位的整數(shù)倍的過(guò)程叫做數(shù)倍的過(guò)程叫做量化。量化。從從圖中可以看出，量化過(guò)圖中可以看出，量化過(guò)程會(huì)程會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)生

10、最大最大1/2 1/2 LSB (LSB (即即0.5V ) 0.5V ) 的誤差的誤差，要減少這，要減少這種量化誤差，可采取位數(shù)種量化誤差，可采取位數(shù)更多更多的的A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器。編碼編碼用二進(jìn)制代碼來(lái)表示各個(gè)量化電平的過(guò)程叫用二進(jìn)制代碼來(lái)表示各個(gè)量化電平的過(guò)程叫做做編碼。編碼。一個(gè)一個(gè)n n位二進(jìn)制數(shù)只能表示位二進(jìn)制數(shù)只能表示2 2n n個(gè)量化電平，量個(gè)量化電平，量化過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差稱化過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為為量化誤差量化誤差。量化級(jí)分得越多（。量化級(jí)分得越多（n n越大），量越大），量化誤差越小。化誤差越小。如果如果有有n n個(gè)個(gè)量化級(jí)，二進(jìn)制位

11、的位數(shù)應(yīng)為量化級(jí)，二進(jìn)制位的位數(shù)應(yīng)為2 2 n n。如量化級(jí)有如量化級(jí)有8 8個(gè)，就需要個(gè)，就需要3 3位編碼。位編碼。常用常用 ADC ADC 的類型的類型A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器直接型直接型間接型間接型并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型雙積分型雙積分型電壓時(shí)間變換型積分型電壓時(shí)間變換型積分型(V-T)(V-T)( (雙積分型雙積分型) )逐次漸進(jìn)型逐次漸進(jìn)型電壓頻率變換型電壓頻率變換型(V-F(V-F) )逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器工作工作特點(diǎn)特點(diǎn) 逐次逼近式逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作特點(diǎn)為：轉(zhuǎn)換器的工作特點(diǎn)為：二分搜索二分搜索反饋比較反饋比較逐次逼近逐次逼近其工作過(guò)程與天平稱重物重

12、量的過(guò)程十分相似。其工作過(guò)程與天平稱重物重量的過(guò)程十分相似。逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D轉(zhuǎn)換器工作轉(zhuǎn)換器工作原理原理 稱重過(guò)程如下：稱重過(guò)程如下： 先在砝碼盤上加先在砝碼盤上加128g砝碼，經(jīng)天平比較結(jié)果，重物砝碼，經(jīng)天平比較結(jié)果，重物195g 128g，此砝碼保留，即相當(dāng)于最高位數(shù)碼，此砝碼保留，即相當(dāng)于最高位數(shù)碼D7記為記為1。 再加再加64g砝碼，經(jīng)天平比較，重物砝碼，經(jīng)天平比較，重物195g （12864）g，則繼續(xù)留下則繼續(xù)留下64g砝碼，即相當(dāng)于數(shù)碼砝碼，即相當(dāng)于數(shù)碼D6記為記為1。 接著不斷用上述方法，由大到小砝碼逐一添加比較，凡砝接著不斷用上述方法，由大到小砝碼逐一添加比較

13、，凡砝碼總重量小于物體重量的砝碼保留，否則拿下所添加的砝碼總重量小于物體重量的砝碼保留，否則拿下所添加的砝碼。碼。 這樣可得保留的砝碼為這樣可得保留的砝碼為128g64g2g1g195g，與重，與重物重量相等，相當(dāng)于轉(zhuǎn)換的數(shù)碼為物重量相等，相當(dāng)于轉(zhuǎn)換的數(shù)碼為D7D011000011。逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓U UREFREF逐次逼近型ADC電路框圖 實(shí)例實(shí)例8 8位位A/DA/D轉(zhuǎn)換器，輸入模擬量轉(zhuǎn)換器，輸入模擬量u uI I=6.84V=6.84V，D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓 U UREFREF=10V=10V。CP0100000005111

14、10000007.502101000006.2513101100006.87504101010006.562515101011006.7187516101011106.79687517101011116.83593751相對(duì)誤差僅為0.06%。轉(zhuǎn)換精度取決于位數(shù)。123456781052102.52101.252100.6252100.31252100.156252100.0781252100.03906252逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)精度高精度高轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換速度速度快快轉(zhuǎn)換時(shí)間固定轉(zhuǎn)換時(shí)間固定簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化了與計(jì)算機(jī)同步，所以常常用作微機(jī)了與計(jì)算機(jī)同步，所以常常用作微機(jī)接口接

15、口。雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器屬于間接型轉(zhuǎn)換器屬于間接型A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器，它是把待轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓先換器，它是把待轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓先轉(zhuǎn)換為一個(gè)中間變量，例如時(shí)間轉(zhuǎn)換為一個(gè)中間變量，例如時(shí)間T T；然后；然后再對(duì)中間變量量化編碼，得出轉(zhuǎn)換結(jié)果再對(duì)中間變量量化編碼，得出轉(zhuǎn)換結(jié)果，這種，這種ADAD轉(zhuǎn)換器多稱為轉(zhuǎn)換器多稱為電壓電壓- -時(shí)間變換型時(shí)間變換型（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱VTVT型型）。）。雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器雙積分型雙積分型AD轉(zhuǎn)換器的框圖轉(zhuǎn)換器的框圖雙積分型雙積分型ADCADC原理原理 轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先將計(jì)數(shù)器清零，并接通S0

16、使電容C完全放電。轉(zhuǎn)換開(kāi)始，斷開(kāi)S0。整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程分兩階段進(jìn)行。 第一階段，令開(kāi)關(guān)S1置于輸入信號(hào)Ui一側(cè)。積分器對(duì)Ui進(jìn)行固定時(shí)間T1的積分。這一過(guò)程稱為轉(zhuǎn)換電路對(duì)輸入模擬電壓的采樣過(guò)程。積分結(jié)束時(shí)積分器的輸出電壓為：1111101()TOUTUdtUCRRC 雙積分型雙積分型ADCADC原理原理 第二階段稱為定速率積分過(guò)程，將UO1轉(zhuǎn)換為成比例的時(shí)間間隔。采樣階段結(jié)束時(shí)，一方面因參考電壓-VREF的極性與UI相反，積分器向相反方向積分。計(jì)數(shù)器由0開(kāi)始計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)T2時(shí)間，積分器輸出電壓回升為零，過(guò)零比較器輸出低電平，關(guān)閉計(jì)數(shù)門，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，同時(shí)通過(guò)邏輯控制電路使開(kāi)關(guān)S1與UI相接，重復(fù)第

17、一步。12IREFTTUV1IREFNDUV11CPTNT其中TCP是脈沖時(shí)鐘信號(hào)，D是計(jì)數(shù)脈沖數(shù)雙積分雙積分ADAD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器計(jì)數(shù)器中的數(shù)值就是AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后數(shù)字量，至此即完成了VT轉(zhuǎn)換。雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)的特點(diǎn)因因有積分器的存在，積分器的輸出只對(duì)輸入信有積分器的存在，積分器的輸出只對(duì)輸入信號(hào)的平均值有所號(hào)的平均值有所響應(yīng)響應(yīng)，保證了，保證了工作工作性能比較穩(wěn)性能比較穩(wěn)定且抗干擾能力定且抗干擾能力強(qiáng)強(qiáng)。只要兩次積分過(guò)程中積分器的時(shí)間常數(shù)相等只要兩次積分過(guò)程中積分器的時(shí)間常數(shù)相等路路對(duì)對(duì)RCRC精度的要求不精度的要求不高高。電路的電路的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)相對(duì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單比

18、較簡(jiǎn)單。雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器屬于低速型轉(zhuǎn)換器屬于低速型ADAD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器，一次一次轉(zhuǎn)換時(shí)間在轉(zhuǎn)換時(shí)間在12ms12ms，而逐次比較型，而逐次比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)換器可達(dá)到達(dá)到1 1 s s。毫秒級(jí)的時(shí)間對(duì)于工業(yè)控制是毫秒級(jí)的時(shí)間對(duì)于工業(yè)控制是足足足足有有余余的，因此在工業(yè)控制中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。的，因此在工業(yè)控制中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。四四. .集成集成A/DA/D轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用 常用的常用的A/DA/D轉(zhuǎn)換器芯片有轉(zhuǎn)換器芯片有ADC0809ADC0809、AD574AAD574A。 僅介紹僅介紹ADC0890ADC0890。CMOSCMOS器件，除了有器件，除了有8 8位位A/DA/D轉(zhuǎn)換器外，還有轉(zhuǎn)換器外，還有8