模数转换电路

§5-5模/数转换电路(ADC)学习要点：•A/D转换器的一般构成部件•并行比较型和逐次逼近型ADC结构和特点模/数转换电路5-5-1A/D转换器的基本原理5-5-2并行比较型A/D转换器退出5-5-3逐次逼近型A/D转换器5-5-4A/D转换器的主要参数A/D——将模拟信号转换为数字信号的过程称为模-数(A/D)转换，能够完成这种转换的电路称为ADC)5-5-1A/D转换器的基本原理A/D转换器一般包括——1）采样-保持电路；2）量化编码电路两部分组成。其工作原理如图所示：A/D转换器的工作原理示意图采样-保持电路CPCS量化及编码电路输入模拟电压采样展宽信号D0D1Dn－1数字量输出（n位）ui(t)us(t)…1．采样-保持电路采样——把随时间连续变化的信号转换为时间上断续、幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲。uiuoCPtttOOO保持——由于A/D转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压值在一段时间内不变，直到下一次采样开始。采样-保持电路一般合二为一。∞－++∞－++开关驱动电路采样脉冲uiuouCCHSA1A2tOuuiuo2．量化和编码量化——将采样-保持电路输出的阶梯电压，用某个规定最小单位（）的整数倍表示，称：为“量化单位”。编码——将量化后的信号数值用二进制码表示。经编码后的结果就是A/D转换器的输出。量化误差——采样得到的电压不可能正好是整数倍，在量化时要取近似值，因此，必然产生一定的误差。量化方法——（1）只舍不入法。当0≤uo时，uo的量化值取0；当≤uo2时，uo的量化值取；当2≤uo3时，uo的量化值取2（2）有舍有入法。当0≤uo时，uo的量化值取0；当≤uo时，uo的量化值取；当≤uo时，uo的量化值取2。采用两种不同方法，量化结果如图所示2121232325例如，将0～1V之间的模拟电压转换为3位二进制代码。0000010100111001011101110V1V量化电压代码输出1/8V2/8V3/8V4/8V5/8V6/8V7/8V0000010100111001011101110V1V量化电压代码输出1/15V3/15V5/15V7/15V9/15V11/15V13/15V(a)(b)5-5-2并行比较型A/D转换器量化和编码电路是A/D转换器的核心。ADC分类——1）并行比较型A/D转换；2）逐次逼近型A/D转换；3）双积分型A/D转换。RVREFVREF∞－++∞－++∞－++∞－++∞－++∞－++∞－++DDDDDDDVREFVREFVREFVREFVREFVREFRRRRRRRC1C2C3C4C5C6C7FF1FF2FF3FF4FF5FF6FF7CPuiD0D1D2代码转换器分压器比较器寄存器代码转换器3位并行比较型A/D转换器15115315515715915111513电路主要由三部分组成：（1）电阻分压器——将VREF分别送到各电压比较器的反相端。且各比较器参考电压分别为VREF/15、3VREF/15，…13VREF/15。（2）电压比较器——同相端电压高于反相端时，输出高电平，反之输出低电平。三位ADC用7个比较器，并且将同相端共同接输入电压，ui取不同值时，各比较器的输出也不同。（3）寄存器及编码电路——7个D触发器在时钟脉冲CP的作用下，将比较器的输出结果暂存，供代码转换电路进行编码，实现模拟量到数字量的转换。真值表如下表：3位并行比较型A/D转换器真值表输入模拟电压寄存器状态代码输出Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1D2D1D00≤ui≤(1/15)VREF0000000000(1/15)VREFui≤(3/15)VREF0000001001(3/15)VREFui≤(5/15)VREF0000011010(5/15)VREFui≤(7/15)VREF0000111011(7/15)VREFui≤(9/15)VREF0001111100(9/15)VREFui≤(11/15)VREF0011111101(11/15)VREFui≤(13/15)VREF0111111110(13/15)VREFui≤VREF1111111111并行比较型A/D转换器特点——1）优点：是并行转换，则速度快（ns级），因此在高速ADC中应用广泛。2）缺点：所用的硬件数量多。二进制代码每增加一位，分压电阻、比较器、寄存器的数量要加倍。5-5-3逐次逼近型A/D转换器——是一种反馈比较型A/D转换器。它进行A/D转换的过程类似于用天平称质量。把砝码从大到小依次置于天平上，与被称物体比较，若砝码比物体轻，则保留该砝码，否则去掉，直至称出物体质量为止。例如，设砝码质量分别为8g、4g、2g、1g，要称量质量为11g的物体，如果砝码保留记为1，去掉记为0，则被称量物体的质量可表示为二进制数1011。－+模拟电压输入逻辑控制电路逐次逼近寄存器（SAR）D/A转换器比较器启动信号转换结束VREF…CP数字输出（Dn－1～D0）uiuo逐次逼近型A/D转换器电路收到启动信号→寄存器置零→第一个CP到来→寄存器的最高位Dn－1置1→D/A转换器输出模拟电压uO→uO与ui进行比较，若ui≥uO，则保留这一位，否则将该位置0→第二个CP到→使寄存器的次高位Dn－2置1→并与Dn－1一起送入D/A转换器，再次转换成模拟电压uO→uO与ui进行比较，若ui≥uO，则保留该位，否则将该位置0→此过程依次进行下去，直到最后一位D0比较完毕。注意：通常，从清0到输出数据完成n位转换需要n+2个CP脉冲。逐次逼近型A/D转换器特点——1）优点：转换精度高，电路简单2）缺点：工作速度比并行比较型慢，属于中速ADC5-5-4A/D转换器的主要参数1．分辨率——输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。A/D转换器的位数越多，分辨率就越好。2．相对精度——指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。3．转换速度——从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的时间。课后小结——见黑板复习与提问：1.数模转换的分辨率与什么有关?如何计算？2.T型电阻网络与权电阻网络DAC的优、缺点是什么？思考题：1．A/D转换包括哪些过程？2．什么是采样-保持？什么是量化和编码？3．什么是量化单位和量化误差？如何减小量化误差？4．说明A/D转换器的优缺点及主要用途。作业题：P725-22预习：半导体存储器