电子系统设计-第3章 模数-数模转换器-精选文档.ppt

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1、第3章模数/数模转换器3.1概述模数转换指将模拟量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟量成正比。实现模数转换的电路称模数转换器（Analog-DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC)。数模转换指将数字量转换为模拟量(电压或电流)，使输出的模拟量与输入的数字量成正比。实现数模转换的电路称数模转换器（Digital-AnalogConverter，简称D/A转换器或DAC）。为什么要进行模数和数模转换？3.2模数转换器（ADC）一、ADC的基本原理模数转换器（又称A/D转换器或ADC）是一种将连续的模拟量转换成离散的数字量的一种电路或器件。模拟

2、信号转换成数字信号一般需要经过采样（满足采样定理）、保持、量化和编码四个步骤。ADC的工作原理1.采样-保持采样是在时间上连续变化的模拟信号中选出可供转换成数字量的有限个点。根据采样定理，只要采样频率大于二倍的模拟信号频谱中的最高频率，就不会丢失模拟信号所携带的信息。这样就把一个在时间上连续变化的模拟量变成了在时间上离散的电信号。由于每次把采样电压值转换成相应的数字量都需要一定的时间，因此在每次采样后必须将所采得的电压保持一段时间。完成这种功能的便是采样-保持电路。采样保持原理工作原理：电路中S是采样开关，受控于采样脉冲；C是保持电容。当采样脉冲到来时，模拟开关S

3、闭合，模拟信号经S向C充电，C上的电压跟随输入信号变化。当采样脉冲消失时，模拟开关S断开，C上的电压会保持一段时间。1.采样-保持2.量化和编码量化：将取样电压转化为最小单位的整数倍的过程。最小单位也叫量化单位，用Δ表示，显然Δ=1LSB。编码：把量化结果用代码(通常是二进制）表示。两种均匀量化编码方式：四舍五入法舍去小数法二、ADC的主要性能指标1、分辨率（量化水平）指ADC对输入模拟信号的分辨能力。一般常用输出数字量的位数N来表示分辨率。若ADC输入电压范围（－V～＋V），输出数字量位数为N，则分辨率dV＝(V+V)/2N,代表ADC的最小电压值。2、转换速

4、率指完成一次从模拟到数字转换所需要时间的倒数。采样速率：指两次转换的时间间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率必须小于或等于转换速率。3、量化误差量化时产生的误差。由ADC的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率的ADC的阶梯状转换特性曲线与无限分辨率ADC的转换特性曲线之间的最大偏差。通常为1LSB或1/2LSB。二、ADC的主要性能指标4、失调误差指ADC传输特性曲线上理想偏置点和实际偏置点之间的模拟电压差值。5、增益误差把失调误差校正到零之后，传输特性曲线上理想增益点和实际增益点之间的模拟电压差值。6、非线性误差包括微分非线性（DNL）和积分非线性（INL）。

5、DNL：两个相邻代码之间变化1LSB（满刻度1/8）时测量值和理想值的偏差。INL:描述了与理想ADC的线性传输曲线的偏离，他是对传输函数直线度的测量，且大于微分非线性。7、信噪比（SNR）指信号幅度的均方根与其他频谱成分（不计直流和谐波成分）的均方根值之比，即信号功率与噪声功率和之比，单位dB。8、总谐波失真（THD）信号幅度的均方根与其谐波的均方根之比。9、孔径（延迟）时间指对ADC发出采样命令的采样时钟边沿（上升沿或下降沿）与实际开始采样的那个时刻之间的时间间隔。二、ADC的主要性能指标分类(按功能）：直接型和间接型两大类。直接ADC：将输入模拟电压直接转换

6、为输出的数字量的转换方式。间接ADC：先将输入模拟电压转换成与之正比的中间变量（如时间宽度、频率等），然后再将中间变量转换成与之成正比的数字信号。ADC的常用结构类型1、直接转换式ADC又称为闪烁转换器或者全并行转换器。三、ADC常用的结构3位全并行ADC的原理框图及工作原理由电阻分压器、电压比较器、寄存器及编码器组成。图中的8个电阻将参考电压VREF分成8个等级，其中7个等级的电压分别作为7个比较器C1～C7的参考电压，其数值分别为VREF/15、3VREF/15…、13VREF/15。输入电压为vi，它的大小决定各比较器的输出状态，如当0≤vi

7、时，C7～C1的输出状态都为0；当3VREF/15≤vi<5VREF/15时，比较器C6和C7的输出CO6=CO7=1，余各比较器的状态均为0。1、直接转换式ADC根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。优先编码器优先级别最高是I7，最低的是I1。设vi变化范围是0～VREF，输出3位数字量为D2D1D0,3位并行比较型A/D转换器的输入、输出关系如下表所示。模拟输入vi比较器输出状态CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7数字输出D2D1D00≤Vi

8、15000