数模转换器基本原理及常见结构

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1、本次课内容1、ADC的转换原理；2、ADC的主要参数。3、模数典型芯片介绍；4、ADC的基本应用方法。模数转换器及其应用§8.3模数转换器（ADC）ADC作用：将模拟量转换为数字量。主要应用：(低速)数字万用表，电子秤等；(中速)工业控制，实验设备等；(高速)数字通信、导弹测远等；(超高速)数字音频、视频信号变换、气象数据分析处理。ADC输入是模拟量，输出是数字量；ADC输出的数字量可视为输入电压(电流)与基准电压(电流)相比所占的比例。ADC输出与输入关系可表示如下：即ADC是将输入信号Ain与其所能分辨的最小电压增量VREF/2n相比较，得到与输入模拟量对

2、应的倍数（取整）。3位ADC示意图输出数字量对应一个模拟区间§8.3.1ADC的基本原理一、采样和采样定理ADC周期性地将输入模拟值转换成与其大小对应的数字量，该过程称为采样。采样是否会造成丢失某些信息？时域采样定理：一个频带有限的信号f(t)，如果其频谱在区间(－ωm,ωm)以外为零，则它可以唯一的由其在均匀间隔Ts(Ts<1/2fm)上的样点值f(nTs)确定。即只要采样脉冲频率fs大于或等于输入信号中最高频率fm的两倍（fs≥2fm），则采样后的输出信号就能够不失真地恢复出模拟信号。二、采样/保持电路模拟量到数字量转换需要一定时间，在此期间要求采样所得的

3、样值保持不变。这个过程需有相应电路实现。τC<

4、量化方式、量化单位、ADC编码位数、基准电压大小有关。常用的量化方式：舍入量化和截断量化两种方式。例如：FSR=1V的3位ADC，其分辨率为1/8V（1LSB）。分别采用舍入量化和截断量化两种方式，情况如下：LSB/21.5LSB舍入量化截断量化量化值量化区间中点量化区间末端输出001H量化点误差为0Vi=1/8V量化点误差为0Vi=1/8V1/16

5、的基本原理VinI6I5I4I3I2I1I0Y2Y1Y0量化值0≤Vin＜1V11111110000V1V≤Vin＜2V01111110011V2V≤Vin＜3V00111110102V3V≤Vin＜4V00011110113V4V≤Vin＜5V00001111004V5V≤Vin＜6V00000111015V6V≤Vin＜7V00000011106V7V≤Vin＜8V00000001117V3位并行比较型ADC的转换真值表优点：转换快（仅一个时钟周期）。不足：n较大时，比较器、分压电阻数量太大，难以保证其准确性及一致性。Next二、逐次逼近式ADC开始前清零

6、!比较器即完成一次转换需n+1个时钟周期。首先，置DN-1＝“1”，若VP=“H”，则保留DN-1=“1”；否则，DN-1=“0”。然后，置DN-2＝“1”，若VP=“H”，则保留DN-2=“1”；否则，DN-2=“0”。……D0位确定，转换结束。优点：技术成熟，精度较高、速度较快。不足：对Vi中噪声敏感，输入端需用S/H电路（ADC转换期间Vi要恒定）。SARADC转换的时序波形（Vin=6.8V→8位二进制数）Tclk=10μsTcon=90μs三、双积分式（双斜式）ADCVi<0VR>0放电开关控制K1置位原理波形结果过程K1K2电容积分输出比较器计数器

7、开始地通放电Vo=0采样Vi<01断充电线性增加Vo>0向下反转开始计数直到溢出编码VR>02断反向充电线性下降低电平重新计数Vo≤0向上反转停止计数输出结果1、双积分式ADC工作原理电路①③②结果溢出值恒定t1恒定反向充电电压恒定Vi不同积分输出不同VR恒定斜率恒定采样结束：编码结束：2、双积分式ADC转换结果令计数脉冲周期为TC，则t1=N1TC；t2=N2TC。优点：N2∝Vi，抗干扰性和精度较好。不足：转换速度慢，≤20次/s。⑴分辨率：能分辨的最小输入变化量。可用分辨率、相对分辨率或以数字位数表示。§8.3.3ADC的主要参数一、转换精度设ADC位数

8、为n，满量程范围FSR。分辨率=FSR