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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：nREFinout2VAD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应的倍数（取整）。3位ADC示意图GND模拟输入（0－8V）＋VCCA/D转换器输出0V0001V1V0012V2V0103V3V0114V4V1005V5V1016V6V1107V7V1118VVREF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(Ts1/2fm)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样值保持不变。这个过程需有相应电路实现。+Vo-ViS(t)A(a)取样保持电路CVT+Vo-ViS(t)A(a)取样保持电路CVTτCtw，故Vs的变化与Vi同步。00取样时间VitS(t)tVottt1t2t3t4t5t1t2t3t4t5twTstw保持时间twT-s(b)输输输输输输(c)输输输输(d)输输输输(e)输输输输输输00VsA1+Vo-+-LF198CViS(t)V+V-VoSRP1423876530k300A2LVBLF198三、量化和编码模拟信号经S/H得到的取样值仍属模拟范畴，需经量化（将取样值表示为最小数量单位的整数倍）处理，才能转换为时间上和数值上都为离散的数字信号。最小数量单位称量化单位(1△=1LSB)。编码：将量化结果用数字代码表示出来。常见有自然二进制编码、二进制补码编码。因取样值为输入信号某些时刻的瞬时值，它们不可能都正好是量化单位的整数倍，即在量化时不可避免地会引入量化误差(ε)。量化误差：有限位ADC产生的输出数据的等效模拟值与实际输入模拟量之间的差值。量化误差的大小与量化方式、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。输出输7.2.33输ADC输输输输输输0000001010011100101110111ALSB21818283848586871输出0000001010011100101110111A818283848586871-LSB输a输输输输输输输输b输输输输输输输inVinVFSRFSR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/21.5LSB2LSBLSB数字值对应的输入范围LSB1~LSB数字值数字值对应的输入范围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=1/8V1/16Vi3/16(V)1/8Vi2/8(V)最大误差1/8－1/16;1/8－3/16±LSB/21/8－2/8－1LSB___编码电路锁存器RRRiVRV输输输输输输输1-nD0D输7.2.2输输输ADC输输输输输(2n－1)个2n一、并行（闪速）ADC可有2n种比较结果即n位数字量§8.3.2ADC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。_RV比较iVfVDAC逐次逼近寄存器输出寄存器SAR时钟1-nD0D0D1-nDpVNext二、逐次逼近式ADC开始前清零!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）。100kHz时钟STARTD1D6D5D4D3D2D0D7012345678910开始转换数据准备好，停止转换,SAR清零转换时间=90us11111000输输输输输输5.00007.50006.25006.87506.56256.718756.7968756.83593756.7968750.00BUSYDACVoutSARADC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）ADCVi0VR0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开始地通放电Vo=0采样Vi01断充电线性增加Vo0向下反转开始计数直到溢出编码VR02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1it0i1otRCVdtRVC1)t(V1采样结束：编码结束：0tRCVtRCVdtRVC1tVttV2R1itttR1o21o2112、双积分式ADC转换结果1Ri1Ri2NVVNVVN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00n0010021100FSR分辨率相对分辨率设ADC位数为n，满量程范围FSR。分辨率=FSR/2n；直接表示→n；例：FSR=10V的12位ADC，其分辨率表示：分辨率2.44mV、0.0244%、12位。n越大分辨率越高输输输输输ba输输输输输输输输输输=b-a输入电压输出数字01101100理想实际01输输输输输输输输输输输输输输输输输输Fs10110001101100FsxDNL=x－1LSB输入电压输输输输输输输入电压输输输理想转换曲线实际转换曲线01101100FsDNL=-1LSB⑻信噪比（SNR）：ADC输出端信号与噪声之比，用dB表示。对于正弦波输入信号，信噪比的理论值满足6dB规则：SNR=(6.02n＋1.76)dB式中：n为ADC的位数，即ADC的位数每增加一位，SNR值增加约6dB。利用ADC实际信噪比，可求其有效位数(ENOB)：02.676.1SNRENOB其它参数（总谐波失真、互调失真等）自学。转换时间：从启动ADC转换开始到正确输出数字信号的一段时间间隔。注意：实际应用中，在ADC完成转换后到数据被读出之前，不允许有新的转换。二、ADC的转换时间和转换速率转换速率：单位时间（每秒）内ADC重复转换的次数。数据输出时间转换时间转换速率1与硬件连接、编程方法等有关。三、ADC的接口特性ADC与外部电路连接时的特性，包括:输入特性：电压(电流)范围、输入极性(单、双极性)、模拟信号最高有效频率等。输出特性：编码方式(自然或偏移二进制码等)、输出方式(串、并行；三态、缓冲、锁存输出)以及电平类型(TTL、CMOS等)。控制特性：启动转换、转换完成；片选信号(CS)、数据读(RD)等控制信号端。逐次逼近寄存器开关树型DAC三态输出寄存器定时和控制+-STARTQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0地址锁存与译码8位模拟开关比较器ADDAADDBADDCALEIN0IN1IN7IN6CLKVREF＋VREF-EOCOE输输输输输输输输§8.3.4典型ADC介绍（ADC0809）dip28封装误差±1LSB决定转换时间+5V单电源；15mW功耗单极性0~5V数据有效START/ALEADDA／ADDB/ADDCEOCOEQ0~Q7≥200ns≤2us+8TADC0809工作时序图清零启动CLK：要求频率10~1280kHz，典型值640kHz。转换进行中转换结束++输输P0.0～7ALERDWRP2.0INT1838ADDA/ADDB/ADDCD0～D7CLKALESTARTOEEOC8IN0～IN7VREF＋VREF-+5V8031ADC0809ADC0809与8031的接口电路1、根据分辨率确定ADC位数n设ADC电压输入范围为FSR，位数为n，要求分辨率为M。则1MFSRlg32.31MFSRlogn2标称位数8、10、12、14等例：某ADC的FSR=10V，系统要求分辨率M=2mV。试确定其位数。3.121210000lg32.31MFSRlg32.3n可选13位一、ADC的选择§8.4.3ADC的应用2、根据采集速度确定ADC的转换速度设系统转换速率为f；硬件延迟时间ty；ADC转换时间为tcon。则：T≤1/f。ycontf1tT=ty+tcon3、ADC其它方面的选择需注意事项输出信号的编码方式；与其他逻辑电平的匹配情况；控制信号是否合乎要求等。另外，转换时间要与应用系统匹配。二、ADC的调整使用ADC通常要调整其失调和增益误差。方法：硬件、软件消除。AD1674(含S/H)4选1多路开关Vin+8V-8VA0A1D12位逐次逼近型ADC(Vin=-10V~+10V)基准标准转换值实测值8Vyhxh-8Vylxl将两组数据代入方程y=max+b可求出ma（实际增益）和b（实际失调）。有了ma、b及实测输出x，用y=max+b即可得到消除了增益和失调误差标准输出。三、高分辨率ADC与微处理器的接口当ADC位数大于CPU数据宽度的接口方法（通常ADC提供两次读出数据控制）。数据线为三态数据线非三态§8.4.4ADC的应用电路温度压力位移速度液位功率湿度太阳辐射RAM存储器V0V1V2V3V4V5V6V7VoutAM3705输入ABC8选1VinTCCLF198采样保持电路模拟多路开关保持电容VoutVin增益可编程测量放大器G0G1Vout增益选择LH0084输入模拟电压VinCS1RD1WR1INTRCLKinADC0804微控制器8051CSRD/WR控制总线数据总线到其他设备到其他设备D0D7D0D7触发一、数据采集系统将被采样的模拟信号变化范围变换为接近ADC输入模拟信号的满量程范围。目的：为了减小ADC的量化误差。二、ADC的满量程转换PGA=1启动转换得到结果DFSKD满度值计算K=2?D为最终转换结果PGA=INT(K)启动转换得到结果DNY结束例如：被采样信号Vi=0mV～11mV；单极性ADC采用截断量化，FSR=10V，输出位数12位。量化区间大小：2.44mVPGA取值1100D=Vi/(分辨率)11/2.44=4.511×100/2.44=450.8截断