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任务9.1 数/模转换器（DAC）
项目9 数/模转换器和模/数转换器
任务9.2 模/数转换器（ADC）
项目导入
实际生活中，经常会把一些微弱的信号放大到便于测量和利用的程度，这就要用到放大电路。放大电路亦称为放大器，它是使用最为广泛的电子电路之一，也是构成其他电子电路的基础单元电路。
提出问题
你了解ADC的结构组成及转换原理吗？ADC的主要技术指标有哪些？你对逐次比较型ADC电路的工作原理理解吗？双积分型ADC的结构组成和工作原理你理解和掌握了多少？你对集成ADC0809了解多少？
任务9.2 认识模/数转换器
ADC
模/数转换器
模/数转换器是把模拟量转变成数字量的器件，简称为ADC。实用技术中，ADC用来将所测得的被控制对象的某种连续物理量转换成为离散的数字量。
ADC在模/数转换过程中，只能在一系列选定的瞬间对输入模拟量采样，之后再转换为输出的数字量。即需通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成模数转换。
1.采样保持电路
输入模拟电压
ui
采样保持电路
CP
S
ui
uo
CP
C
实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。
CP＝1时，采样开关S接通，ui信号被采样，并送到电容C中暂存。
CP＝0时，采样开关S断开，前面采样得到的电压信号在电容C上保持，直到下一个CP＝1信号到来，再对新的电压信号进行采样。
9.2.1 ADC的转换原理
CP
S
ui
uo
uo
CP
C
采样过程是通过模拟电子开关 S实现的。模拟电子开关每隔一定的时间间隔闭合一次，当一个连续的模拟信号通过这个电子开关时，就会转换成若干个离散的脉冲信号。
通过采样脉冲的作用，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散模拟信号。
采样定理
ui
采样电路的
输入信号波形
采样电路的
离散输出波形
t
u
采样间隔时间
采样
保持时间
为保证采样后的离散模拟信号能够基本上真实地保留原始模拟信号ui的信息，采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成分fimax的2倍，这是采样电路的基本法则，即采样定理。
2.量化编码电路
t
u
数字信号在时间上离散、数值变化不连续，因此任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。把采样电压化为最小数量单位整数倍的过程称为量化。
两个量化电压之间的差值称为量化间隔δ，量化电压的位数越多，量化等级越细，δ的数值就越小。显然，量化编码电路的作用是先将幅值连续可变的采样信号量化成幅值有限的离散信号，再将量化后的信号用对应该量化电平的一组二进制代码表示。量化间隔δ是数字量最低位为1时所对应的模拟量，即ULSB。
t
u
舍尾取整法：当最小量化间隔为δ时，若采样电压的尾数不足δ/2，则舍尾取整得其量化值。
四舍五入法：当最小量化间隔为δ时，若采样电压的尾数大于δ/2，则四舍五入得其量化值。
采样值量化的方法通常有四舍五入法和舍尾取整法。
已知δ＝1V。当采样电压等于2.3V时，小数点后的尾数不足0.5V，根据舍尾取整原则，量化电压应等于2V。
例
已知δ＝1V。当采样电压等于2.6V时，小数点后的尾数大于0.5V，根据四舍五入原则，量化电压应等于3V。
例
t
u
量化当量δ的数值越小，量化的等级越细。但无论是用哪一种量化方式，在量化过程中都必然存在被测输入量与量化值之间的误差。
量化误差用ε表示。量化误差属原理误差，是无法消除的。但是，各离散电平之间的差值越小，量化误差就越小。
采用舍尾取整法时，最大量化误差为：
采用四舍五入法时，最大量化误差为：
t
u
如果在实际量化过程中减小量化误差，需在测量范围内减小量化间隔δ，即增加数字量X的位数和模拟电压的最大值Umax。四舍五入量化方式的量化当量应按下式选取：
比较
和
可看出，
四舍五入法的量化误差比舍尾取整法的量化误差小，所以实用中的ADC多采用四舍五入法。
编码：用二进制代码表示量化后采样信息的过程称为编码。
将变化范围为0 1V的模拟信号电压转换成三位二进制数字量代码。
先把1V电压分成23＝8个离散电平，分别是0V、1/8V、2/8V、3/8V…
…7/8V、1V。即δ ＝1/8V。
例
分析
模拟电压
0V
1/8 V
2/8 V
3/8 V
4/8 V
5/8 V
6/8 V
7/8 V
1V
二进制编码
000
001
010
011
100
101
110
111
代码对应的模拟离散电平
0 ε→0V
1 ε→1/8 V
2ε→2/8 V
3 ε→3/8 V
4ε→4/8 V
5ε→5/8 V
6ε→6/8 V
7ε→7/8 V
可见，此例中的量化误差为ε=1/8 V。
9.2.2 ADC的主要技术指标
1.相对精度
相对精度是指ADC转换器实际输出数字量与理论输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位ULSB的倍数来衡量。
2.分辨率
通常用ADC输出的二进制位数来表示。位数越多，误差越小，分辨率越高。
指ADC完成一次转换所需时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。转换速度反映了ADC转换的快慢程度。
3.转换速度
CP
输出数字量
模拟信号输入
电
压
比
较
器
基准电压
逐次逼
近寄存器
D/A
转换器
逻
辑
控
制
器
数码
寄存器
uF
反馈电压
9.2.3 逐次比较型ADC电路组成及工作原理
逐次逼近寄存器
读出
与门
逻辑
控制门
电压
比较器
四 位 DAC
Q
FF3
S
R
Q
S
R
Q
S
R
d0


+

+
Ui
CP
d1
d2
E

≥1

≥1
Q
S
R
FF2
FF1
FF0
≥1

UA
d3


五位顺序脉冲发生器
Q4
Q3
Q2
Q1
Q0
d0
d1
d2
d3


1. 电路组成
逐次比较型ADC是集成ADC芯片中使用较多的一种，它通过对输入量的多次比较，最终得到输入模拟电压量化编码的输出。当ui≥uF时，比较器输出0，控制器控制寄存器保留最高位的1，次高位置“1”；当ui≤uF时，比较器输出“1”，控制器控制寄存器最高位置“0”，次高位置“1”。寄存器内数据经DAC电路后输出反馈信号到比较器，进行第二次比较，并将比较结果送入逻辑控制器，送入“0”时保留寄存器中高两位的值，并将第三位置“1”，若送入1保留最高位，次高位置“0”，第三位置“1”，寄存器内数据经DAC电路后输出反馈信号到比较器，……经过逐次比较，直至得到寄存器中最低位的比较结果。比较完毕，寄存器中的状态（即产生的数码）就是所要求的ADC输出的数字量。2.工作原理9.2.4双积分型ADC的结构组成及工作原理n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG∞-++uo2uo1∞++-+ui-UR双积分型ADC在积分前，计数器应先清零，然后闭合电子开关S2，随后再把S2打开，把电容C上储存的电荷电压释放掉。时钟脉冲源采用标准周期，作为测量时间间隔的标准时间。2. 工作原理
n位二进制计数器
开关控制电路
&
S1
S2
CP
Qn-1
Qn-2
Q1
Q0
积分器
过零比较器
uG
∞
-
+
+
uo2
uo1
∞
+
+
-
+ui
-UR
在采样阶段，开关S1与被测电压接通，S2打开。被测电压被送入积分器进行积分，积分器输出电压小于0，比较器输出高电平1，逻辑控制器控制计数器开始计数，对被测电压的积分持续到计数器由全1变为全0的瞬间。
n位二进制计数器
开关控制电路
&
S1
S2
CP
Qn-1
Qn-2
Q1
Q0
积分器
过零比较器
uG
∞
-
+
+
uo2
uo1
∞
+
+
-
+ui
-UR
当计数器为n位时，计数时间T1=2nTC(TC是时钟脉冲的周期)。这时积分器的输出电压为：
n位二进制计数器
开关控制电路
&
S1
S2
CP
Qn-1
Qn-2
Q1
Q0
积分器
过零比较器
uG
∞
-
+
+
uo2
uo1
∞
+
+
-
+ui
-UR
当计数器由全1变为全0时，进入比较阶段，控制器使S1与参考电压－UR相接，这时积分器对－UR反向积分，电压u0逐渐上升，计数器又从0开始计数。当积分器积分至u0=0时，比较器输出低电平0，控制器封锁CP脉冲，使计数器停止计数。
n位二进制计数器
开关控制电路
&
S1
S2
CP
Qn-1
Qn-2
Q1
Q0
积分器
过零比较器
uG
∞
-
+
+
uo2
uo1
∞
+
+
-
+ui
-UR
若计数器的输出数码为D，此时积分器的输出电压与计数器的输出数码之间的关系为：
n位二进制计数器
开关控制电路
&
S1
S2
CP
Qn-1
Qn-2
Q1
Q0
积分器
过零比较器
uG
∞
-
+
+
uo2
uo1
∞
+
+
-
+ui
-UR
此时T2=D·TC，所以：
显然，计数器输出的数码与被测电压成正比，可以用来表示模拟量的采样值。
n位二进制计数器
开关控制电路
&
S1
S2
CP
Qn-1
Qn-2
Q1
Q0
积分器
过零比较器
uG
∞
-
+
+
uo2
uo1
∞
+
+
-
+ui
-UR
双积分型ADC的转换精度很高，但转换速度较慢，不适合高速应用场合。但是双积分型ADC的电路不复杂，在数字万用表等对速度要求不高的场合下，仍然得到了较为广泛的使用。
9.2.5 集成ADC0809简介
左图是ADC0809集成芯片的引脚图。它是一个28脚的芯片，采用CMOS工艺制成的8位ADC，内部采用逐次比较结构形式。各引脚的作用如下：
IN0~IN7 为8个模拟信号输入端。由地址译码器控制将其中一路送入转换器进行转换。
A、B、C 是模拟信道的地址选择。
CP为时钟脉冲输入端。ALE是地址锁存允许信号，高电平时可进行模拟信道的地址选择；START是启动信号。上升沿将寄存器清零，下降沿开始进行转换；
CP为时钟脉冲输入端。ALE是地址锁存允许信号，高电平时可进行模拟信道的地址选择；START是启动信号。上升沿将寄存器清零，下降沿开始进行转换；
EOC为模数转换结束，高电平有效；D0~D7 是数字量输出端口；UR(+)为正参考电压输出；UR(-)是负参考电压输出。
集成ADC0809芯片内部包括模拟多路转换开关和A/D转换两大部分。
A/D转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器SAR、256R电阻网络、树状电子开关、控制与时序电路等，另外具有三态输出锁存缓冲器，其输出数据线可直接连CPU的数据总线。
模拟多路转换开关由8路模拟开关和位地址锁存器与译码器组成，地址锁存器允许信号ALE将三位地址信号ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通其中一路摸信号加到A/D转换部分进行转换。
ADC0809集成电路结构组成图ADC0809通过IN0~IN7可输入八路单端模拟电压。地址锁存允许信号ALE将三位地址线ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通八路模拟输入中的某一路进行A/D转换。ADC0809集成电路结构组成图比较前，SAR为全0，变换开始，先使SAR的最高位为1，其余仍为0，数字控制树状开关输出UST，UST和模拟输入UIN送入比较器进行比较。ADC0809集成电路结构组成图UST＞UIN时比较器输出逻辑0，SAR的最高位由1变为0；UST≤UIN时比较器输出逻辑1，SAR的最高位保持1。此后SAR的次高位置1，其余较低位仍为0，而以前比较过的高位保持原来值。再将UST和UIN进行比较。之后的过程与上述类似，直到最低位比较完为止。ADC0809集成电路结构组成图转换结束后，SAR的数字送三态输出锁存器以供读出。Sikaoyuwenti思考与问题132何谓采样定理？采样保持电路的作用是什么？ADC的量化分别采用哪两种方式？其量化当量δ各按什么公式选取？两种量化方式的量化误差各在什么范围内？哪种量化方式精度高一些？4．可供我们选择使用的集成ADC和DAC芯片种类很多，应通过查阅手册，在理解其工作原理的基础上，重点把握集成芯片的外部特性以及与其他电路的接口方法。。1．数模转换器DAC和模数转换器ADC作为模拟量和数字量之间的转换电路，在信号检测、控制、信息处理等方面发挥着越来越重要的作用。2．DAC转换的基本思想是权电流相加。电路通过输入的数字量控制各位电子开关，决定是否在电流求和点加入该位的权电流。倒T形电阻网线是应用较为广泛的DAC。3．ADC须经过采样、保持、量化、编码4个步骤才能完成。采样、保持由采样－保持电路完成；量化和编码则是在转换过程中实现。项目小结

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