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文檔簡介
第11章A/D轉(zhuǎn)換電路11.1
A/D轉(zhuǎn)換的基本原理11.2
A/D轉(zhuǎn)換的基本電路11.3
ADC的主要技術指標11.4常用ADC芯片及其應用舉例
11.1
A/D轉(zhuǎn)換的基本原理
1.采樣和保持
采樣(也稱取樣)是將時間上連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)換為時間上離散的信號,即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖,脈沖的幅度取決于輸入模擬量,其過程如圖圖11-1所示。圖中ui(t)為輸入模擬信號,S(t)為采樣脈沖,uo(t)為采樣輸出信號。圖11-1
A/D轉(zhuǎn)換的采樣過程在采樣脈沖作用期τ內(nèi),采樣開關接通,使輸出信號uo(t)=ui(t),在其它時間內(nèi),輸出信號uo(t)=0。因此,每經(jīng)過一個采樣周期TS,對輸入信號采樣一次,在輸出端便得到輸入信號的一個采樣值。為了不失真地恢復原來的輸入信號,根據(jù)采樣定理,一個頻率有限的模擬信號,其采樣頻率fS=1/TS必須大于等于輸入模擬信號包含的最高頻率fmax的兩倍,即采樣頻率必須滿足:模擬信號經(jīng)采樣后,得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度τ一般是很短暫的,而要把每一個采樣的窄脈沖信號數(shù)字化,應在下一個采樣脈沖到來之前暫時保持所取得的樣值脈沖幅度,以便A/D轉(zhuǎn)換器有足夠的時間進行轉(zhuǎn)換。把每次采樣的模擬信號存儲到下一個采樣脈沖到來之前的過程,稱為保持。因此,在采樣電路之后須加保持電路。圖11-2(a)是一種常見的采樣保持電路,場效應管V為采樣門,電容C為保持電容,運算放大器為跟隨器,起緩沖隔離作用。在采樣脈沖S(t)到來的時間τ內(nèi),場效應管V導通,輸入模擬量ui(t)向電容C充電;假定充電時間常數(shù)遠小于τ,那么電容C上的充電電壓能及時跟上ui(t)的采樣值。采樣結(jié)束,場效應管V迅速截止,電容C上的充電電壓就保持了前一采樣時間內(nèi)的輸入模擬信號ui(t)的值,一直保持到下一個采樣脈沖到來為止。當下一個采樣脈沖到來,電容C上的電壓再按輸入模擬信號ui(t)變化。在輸入一連串采樣脈沖序列后,采樣保持電路的緩沖放大器輸出電壓uo(t)的波形如圖11-2(b)所示。圖11-2
A/D轉(zhuǎn)換的采樣保持電路
2.量化和編碼
輸入的模擬電壓經(jīng)過采樣保持后,得到的是階梯波。一方面,由于階梯的幅度是任意的,將會有無限個數(shù)值,而另一方面,由于數(shù)字量的位數(shù)有限,只能表示有限個數(shù)值(n位數(shù)字量只能表示2n個數(shù)值),因此,必須將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上,這個過程稱為量化。量化后,需用二進制數(shù)碼來表示各個量化電平,這個過程稱為編碼。量化與編碼電路是A/D轉(zhuǎn)換器的核心組成部分。量化過程中,這個指定的離散電平稱為量化電平。相鄰兩個量化電平之間的差值稱為量化間隔S,位數(shù)越多,量化等級越細,S就越小。采樣保持后未量化的uo(t)值與量化電平Uq值的差值稱為量化誤差δ,即δ=uo(t)-Uq。
量化的方法一般有兩種:只舍不入法和有舍有入法。只舍不入法是將采樣保持信號uo(t)不足一個S的尾數(shù)舍去,取其原整數(shù)。采用這種方法時,δ總為正值,且δmax≈S。有舍有入法是當uo(t)的尾數(shù)小于S/2時用舍尾取整法得其量化值;當uo(t)的尾數(shù)大于等于S/2時,用舍尾入整法得其量化值。采用這種方法時,δ可正可負,但是|δmax|=S/2。可見,有舍有入法比只舍不入法的誤差要小。
A/D轉(zhuǎn)換器的類型有多種,可以分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器兩大類。在直接A/D轉(zhuǎn)換器中,輸入的模擬信號直接被轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字信號;而在間接A/D轉(zhuǎn)換器中,輸入的模擬信號先被轉(zhuǎn)換成某種中間變量(如時間t、頻率f等),然后再將中間變量轉(zhuǎn)換為最后的數(shù)字量。11.2
A/D轉(zhuǎn)換的基本電路圖11-3
3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖在上述A/D轉(zhuǎn)換中,輸入模擬量同時加到所有比較器的同相輸入端,從模擬量輸入到數(shù)字量穩(wěn)定輸出經(jīng)歷的時間為比較器、D觸發(fā)器和編碼器的延遲時間之和。在不考慮各器件延遲時間的誤差時,可認為3位數(shù)字量輸出是同時獲得的,因此,稱上述A/D轉(zhuǎn)換器為并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器。
并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間僅取決于各器件的延遲時間和時鐘脈沖寬度。所以,并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器是轉(zhuǎn)換速度最快的一種A/D轉(zhuǎn)換器。但該電路的所需元件數(shù)目會隨轉(zhuǎn)換器輸出位數(shù)的增多呈幾何級數(shù)增加。例如,一個8位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器需要28-1=255個比較器、255個觸發(fā)器、256個電阻等,編碼電路也隨轉(zhuǎn)換器的輸出位數(shù)增多而變得相當復雜。因此,制造高分辨率的集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器比較困難。故這種A/D轉(zhuǎn)換器適用于要求高速轉(zhuǎn)換且對精度要求較低的場合。11.2.2逐位逼近型ADC
1.轉(zhuǎn)換原理
逐位逼近型A/D轉(zhuǎn)換器也是一種直接型A/D轉(zhuǎn)換器,這種轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖11-4所示,其內(nèi)部包含一個D/A轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器是將模擬量輸入電壓ui與一系列由D/A轉(zhuǎn)換器輸出的基準電壓進行比較而獲得的。比較是從高位到低位逐位進行的,并依次確定各位數(shù)碼是1還是0。轉(zhuǎn)換開始前,先將逐位逼近寄存器(SAR)清0,開始轉(zhuǎn)換后,控制邏輯將寄存器(SAR)的最高位置1,使其輸出為100…000的形式,這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應的模擬電壓uo送至電壓比較器作為比較基準,并與模擬量輸入電壓ui進行比較。若uo>ui,則說明寄存器輸出的數(shù)碼大了,應將最高位改為0(去碼),同時將次高位置1,使其輸出為010…000的形式;若uo≤ui,則說明寄存器輸出的數(shù)碼還不夠大,因此,除了將最高位設置的1保留(加碼)外,還需將次高位也設置為1,使其輸出為110…000的形式。然后,再按上面同樣的方法繼續(xù)進行比較,確定次高位的1是去碼還是加碼。這樣逐位比較下去,直到最低位為止,比較完畢后,寄存器中的狀態(tài)就是轉(zhuǎn)化后的數(shù)字輸出。圖11-4逐位逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖
2.轉(zhuǎn)換電路
圖11-5所示為一個4位逐位逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯原理圖。其中,4個觸發(fā)器FF3~FF0組成逐位逼近寄存器(SAR),兼作輸出寄存器;5位移位寄存器既可進行并入/并出操作,也可進行串入/串出操作。移位寄存器的并入/并出操作是在其使能端G由0變1時進行的(使QAQBQCQDQE=ABCDE),串入/串出操作是在其時鐘脈沖CP上升沿作用下按SINQAQBQCQDQE順序右移進行的。注意,圖中SIN接高電平,始終為1。圖11-5
4位逐位逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯原理圖逐位逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度高、速度快、轉(zhuǎn)換時間固定、易與微機接口,應用較廣。常見的ADC0809就屬于這種A/D轉(zhuǎn)換器。
以上討論了直接型A/D轉(zhuǎn)換器,它們的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快,但轉(zhuǎn)換精度受分壓電阻、基準電壓及比較器閾值電壓等精度的影響,精度較差,所以,實際上,對精度要求較高時可使用下面介紹的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,它是一種間接型A/D轉(zhuǎn)換器。11.2.3雙積分型ADC
雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理是先將模擬量輸入電壓ui轉(zhuǎn)換成與其大小成正比的時間間隔T2,再利用基準時鐘脈沖通過計數(shù)器將T2變換成數(shù)字量。圖11-6所示是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯原理圖,它由積分器、過零檢驗器、時鐘控制門G和計數(shù)器(計數(shù)、定時電路)等部分構(gòu)成。圖中S2的作用是在未啟動轉(zhuǎn)換器之前閉合,以使電容器放電,積分器回零。圖11-6雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯原理圖圖11-6中的主要器件說明如下:
(1)積分器。積分器由運算放大器和RC積分網(wǎng)絡組成,它是這種轉(zhuǎn)換器的核心。它的輸入端接開關S1,開關S1受觸發(fā)器FFn輸出端Qn的控制。當Qn=0時,S1接模擬量輸入電壓+ui,積分器對+ui(正極性)正向積分;當Qn=1時,S1接參考基準電壓-UR(負極性),積分器對-UR負向積分。積分器在一次轉(zhuǎn)換過程中要進行兩次方向相反的積分。積分器輸出uo接過零檢驗器。
(2)過零檢驗器。當積分器輸出電壓uo<0時,過零檢驗器輸出信號Co=1;當積分器輸出電壓uo≥0時,過零檢驗器輸出信號Co=0。過零檢驗器的輸出信號Co作為時鐘脈沖的開門或關門信號。
(3)時鐘控制門G。時鐘控制門G有兩個輸入端,一個接過零檢驗器的輸出信號Co,另一個接標準時鐘脈沖源CP。當過零檢驗器的輸出信號Co=1時,門G打開,標準時鐘脈沖CP通過時鐘控制門G加到計數(shù)器;當過零檢驗器的輸出信號Co=0時,門G關閉,標準時鐘脈沖不能通過時鐘控制門G加到計數(shù)器,計數(shù)器停止計數(shù)。
(4)計數(shù)器(計數(shù)定時電路)。它由n+1個JK觸發(fā)器FFn、FFn-1、…、FF1、FF0構(gòu)成,其中FFn-1、…、FF1、FF0構(gòu)成n位二進制計數(shù)器(計數(shù)范圍為0~2n-1),兼作輸出寄存器用。
下面以正極性模擬量輸入為例來說明這種A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。其過程分為以下兩個階段。
1.采樣階段
計數(shù)定時電路在啟動脈沖的作用下,全部觸發(fā)器被置0,觸發(fā)器FFn輸出端Qn=0,使開關S1接模擬量輸入電壓+ui,積分開始對+ui進行正向積分。設電容初值為0,則(11-1)由于正向積分時uo<0,則過零檢驗器輸出信號Co=1,控制門G打開,n位二進制計數(shù)器開始對CP進行計數(shù)。當計數(shù)到2n個時鐘脈沖時,F(xiàn)Fn-1、…、FF1、FF0均回到零,而FFn則由0翻轉(zhuǎn)到1,對S1發(fā)出切換信號,使開關S1由位置A切換到位置B,標志著采樣過程結(jié)束。采樣過程實際上是一個定時過程,采樣過程經(jīng)歷的時間固定為T1,即T1=2nTC
(11-2)(11-3)
2.比較階段
當開關S1轉(zhuǎn)接至-UR時,積分器對基準電壓-UR進行負向積分,積分器輸出為(式中,τ=RC)(11-4)同時,由于uo≤0,在uo<0期間過零檢驗器輸出信號Co=1,控制門G打開,n位二進制計數(shù)器再從0開始重新對CP進行計數(shù)。隨著時間的推移,uo逐步上升,當uo≥0時,過零檢驗器輸出信號Co=0,控制門G關閉,n位二進制計數(shù)器停止對CP計數(shù),比較階段結(jié)束。比較階段實際上是一個計數(shù)過程。設λ為比較階段計數(shù)脈沖CP的個數(shù),T2為比較階段經(jīng)歷的時間,則T2=λTC(11-5)由式(11-4)可得T2和T1的關系為(11-6)可見,T2和模擬量輸入電壓ui的平均值成正比。而(11-7)至此,A/D轉(zhuǎn)換器把一個與模擬量輸入電壓ui在采樣期間T1內(nèi)平均值Ui成正比的時間間隔T2轉(zhuǎn)換為計數(shù)器的計數(shù)值λ=Qn-1Qn-2…Q1Q0,作為數(shù)字量輸出。
A/D轉(zhuǎn)換器在一個轉(zhuǎn)換周期(T1+T2)后又回到了0。只要ui<UR,轉(zhuǎn)換就能正常進行。這種A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時的各點波形如圖11-7所示。圖11-7
A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時的各點波形雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有很多優(yōu)點。首先,其轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)RC無關,從而消除了由于斜坡電壓非線性帶來的誤差,允許積分阻容元件在一個較寬范圍內(nèi)變化,而不影響其轉(zhuǎn)換結(jié)果。這一點特別適合因環(huán)境變化而引起的元件參數(shù)變化的場所。其次,由于輸入信號積分的時間較長,且是一個固定值T1,而T2
正比于輸入信號在T1內(nèi)的平均值,這對于疊加在輸入信號上的干擾信號特別是對稱干擾信號有很強的抑制能力。比如,當選擇T1為工頻周期或其整數(shù)倍數(shù)時,就可很好地抑制工頻交流電及其各次諧波的干擾。最后,這種A/D轉(zhuǎn)換器不必采用高穩(wěn)定度的時鐘源,它只要求時鐘源在一個轉(zhuǎn)換周期(T1+T2)內(nèi)保持穩(wěn)定即可。這種轉(zhuǎn)換器被廣泛應用于對精度要求較高而對轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器中。 11.3
ADC的主要技術指標
1.分辨率
分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號的分辨能力。從理論上講,一個輸出為n位二進制數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器應能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個不同量級,能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為滿量程輸入的1/2n。例如,A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為12位二進制數(shù),最大輸入模擬信號為10V,則其分辨率為分辨率=
2.轉(zhuǎn)換誤差
轉(zhuǎn)換誤差是指實際的轉(zhuǎn)換點偏離理想特性的誤差。在理想情況下,輸入模擬信號所有轉(zhuǎn)換點應當在一條直線上,但實際的特性不能做到輸入模擬信號所有轉(zhuǎn)換點在一條直線上。在實際使用中,當使用環(huán)境發(fā)生變化時,轉(zhuǎn)換誤差也將發(fā)生變化。
絕對誤差是指經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量所代表的輸入模擬值與實際輸入模擬值之差,以數(shù)字量最低位所代表的模擬輸入值ULSB作衡量單位,即一般用最低有效位來表示。
3.轉(zhuǎn)換時間
轉(zhuǎn)換時間是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間是從接到轉(zhuǎn)換啟動信號開始,到輸出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。轉(zhuǎn)換時間越短,意味著A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度越快。
A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型,不同類型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢,需幾百毫秒左右;逐位逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快,需幾十微秒;并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快,僅需幾十納秒。
11.4常用ADC芯片及其應用舉例
集成A/D轉(zhuǎn)換器種類很多,目前最常用的是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器和逐位逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。從使用的角度上看,集成A/D轉(zhuǎn)換器分為兩大類:一類在電子電路中使用,不帶使能控制端;另一類帶有使能端,可與微機直接相連。
11.4.1
ADC0809集成A/D轉(zhuǎn)換器
ADC0809是典型的8位8通道逐位逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,采用CMOS工藝;片內(nèi)有8路模擬開關,可對8路模擬電壓量實現(xiàn)分時轉(zhuǎn)換。ADC0809的引腳圖如圖11-8所示,結(jié)構(gòu)框圖如圖11-9所示。圖11-8
ADC0809的引腳圖圖11-9
ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖
ADC0809的引腳定義如下:
(1)IN7~IN0:8條模擬量輸入通道。
(2)D7~D0:輸出數(shù)據(jù)端。其中,D7為最高位MSB,D0為最低位LSB。
(3)START:啟動轉(zhuǎn)換命令輸入端,高電平有效。
(4)EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束指示腳。平時它為高電平,在轉(zhuǎn)換開始后及轉(zhuǎn)換過程中為低電平,轉(zhuǎn)換結(jié)束,它又變回高電平。
(5)OE:輸出使能端。此引腳上加高電平,即打開輸出緩沖器三態(tài)門,讀出數(shù)據(jù)。
(6)C、B和A:通道號選擇輸入端。其中,A是LSB位。這三個引腳上所加電平的編碼為000~111時,分別對應于選通通道IN7~IN0。
(7)ALE:通道號鎖存控制端。當它為高電平時,表示將C、B和A三個輸入引腳上的通道號選擇碼鎖存,也就是使相應通道的模擬開關處于閉合狀態(tài)。實際使用時,常把ALE和START連在一起,在START端加上高電平啟動信號的同時,將通道號鎖存起來。
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