模数转换器全解

1SDUT数据采集与处理6.1A／D转换器的分类6.2A／D转换器的主要技术指标6.3逐次逼近式A／D转换器第6章模／数转换器6.5单片集成A／D转换器6.6如何选择和使用A／D转换器6.7A／D转换器与微机的接口2SDUT数据采集与处理6.1A／D转换器的分类第6章模／数转换器分类按速度分：高、中、低按精度分：高、中、低按位数分：8、10、12、14、16按工作原理分3SDUT数据采集与处理6.1A/D转换器的分类按工作原理分直接比较型—模拟信号直接参考电压比较，得到数字量。有逐次比较、连续比较···优点：瞬时比较，转换速度快。间接比较—模拟信号与参考电压先转换为中间物理量，再进行比较。缺点：抗干扰能力差。有双斜式、积分式、脉冲调宽···优点：平均值比较，抗干扰能力强。缺点：转换速度慢。4SDUT数据采集与处理第6章模／数转换器6.2A／D转换器的主要技术指标1.分辨率分辨率—A／D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。设A／D转换器的位数为n，满量程电压为FSR，则分辨率定义为：5SDUT数据采集与处理6.2A／D转换器的主要技术指标)16(2nFSR分辨率量化单位就是A／D转换器的分辨率。相对分辨率定义为)26(%10021%100nFSR分辨率相对分辨率6SDUT数据采集与处理6.2A／D转换器的主要技术指标表6.1A／D转换器分辨率与位数之间的关系(满量程电压为10V)位数级数相对分辨率（1LSB）分辨率（1LSB）8101214162561024409616384655360.391%0.0977%0.0244%0.0061%0.0015%39.1mV9.77mV2.44mV0.61mV0.15mV由式（6-1）和式（6-2），可得出A／D转换器分辨率与位数之间的关系7SDUT数据采集与处理6.2A／D转换器的主要技术指标A／D转换器分辨率的高低取决于位数的多少。因此，目前一般用位数n来间接表示分辨率。2.量程量程—A／D转换器能转换模拟信号的电压范围。例如：0～5V，-5V～+5V，0～10V，-10V～+10V。8SDUT数据采集与处理6.2A／D转换器的主要技术指标3.精度绝对精度绝对精度—对应于输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。存在问题：在A／D转换时，量化带内的任意模拟输入电压都能产生同一输出数码。9SDUT数据采集与处理6.2A／D转换器的主要技术指标约定：上述定义的模拟输入电压则限定为量化带中点对应的模拟输入电压值。例如：一个12位A／D转换器，理论模拟输入电压为5V时，对应的输出数码为100000000000。实际模拟输入电压在4.997V～4.999V范围内的都产生这一输出数码，则)mV(2)V(002.05)999.4997.421（绝对精度10SDUT数据采集与处理6.2A／D转换器的主要技术指标绝对误差一般在12LSB范围内。相对精度相对精度—绝对精度与满量程电压值之比的百分数。相对精度绝对精度FSR100%11SDUT数据采集与处理6.2A／D转换器的主要技术指标精度和分辨率是两个不同的概念：①精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度；②分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值。12SDUT数据采集与处理6.2A／D转换器的主要技术指标4.转换时间和转换速率转换时间tCONV转换时间—按照规定的精度将模拟信号转换为数字信号并输出所需要的时间。转换速率转换速率—每秒钟转换的次数。13SDUT数据采集与处理6.2A／D转换器的主要技术指标下面讨论转换时间与转换精度、信号频率的关系。瞬时值响应的A／D转换器转换时间取决于所要求的转换精度和被转换信号的频率。以图6.1所示的正弦信号为例，讨论它们之间的关系。14SDUT数据采集与处理Um2U(t)=sinωt6.2A／D转换器的主要技术指标设在t0时刻开始转换，转换一次所需的时间为tCONV，转换终了的时刻为t1，与tCONV对应信号电压增量(误差)为△U。tU(t)Um2t0t1tCONV△U图6.1转换时间对信号转换的影响由于ddmmUttUtfUft()coscos12215SDUT数据采集与处理6.2A／D转换器的主要技术指标在过零点上有最大值∵过零时，tn|cos|t1∴UtfUm16SDUT数据采集与处理6.2A／D转换器的主要技术指标故在过零点处，转换时间所造成的最大电压误差为)36(CONVmmtUftUfU由此可知：①当精度一定时，信号频率↑，tCONV↓；②当信号频率一定，tCONV↓，△U↓。17SDUT数据采集与处理6.2A／D转换器的主要技术指标平均值响应的转换器由于被转换的模拟量为直流电压，而干扰是交变的，因此转换时间tCONV越长，其抑制干扰的能力就越强。换言之：平均值响应的转换器是在牺性转换时间的情况下提高转换精度的。18SDUT数据采集与处理6.2A／D转换器的主要技术指标5.偏移误差偏移误差—使最低有效位成“1”状时，实际输入电压与理论输入电压之差。如图6.2所示。19SDUT数据采集与处理偏移实际曲线6.2A／D转换器的主要技术指标该误差主要是失调电压及温漂造成的。一般来说，在一定温度下，偏移电压是可以通过外电路予以抵消。Ui输出数码001010011100101110111偏移误差Ui误差图6.2偏移误差(a)(b)理想曲线20SDUT数据采集与处理6.2A／D转换器的主要技术指标但当温度变化时，偏移电压又将出现。6.增益误差增益误差—满量程输出数码时，实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。该误差使传输特性曲线绕坐标原点偏离理想特性曲线一定的角度，如图6.3所示。21SDUT数据采集与处理K=1K1K16.2A／D转换器的主要技术指标当K=1时，没有增益误差，Ui=FSR，输出为111。当K1时，传输特性的台阶变窄，在模拟输入信号达到满量程值之前，数码输出就已为全“1”状态。当K1时，传输特性台阶变宽，模拟输入信号已超满量程时，数码输出还未达到全“1”状态。图6.3增益误差Ui输出数码001010011100101110111FSR增益误差22SDUT数据采集与处理6.2A／D转换器的主要技术指标在一定温度下，可通过外部电路的调整使K=1，从而消除增益误差。但当温度变化时，增益误差又将出现。7.线性误差线性误差—在没有增益误差和偏移误差的条件下，实际传输特性曲线与理想特性曲线之差。23SDUT数据采集与处理实际曲线理想曲线6.2A／D转换器的主要技术指标线性误差是由A／D转换器特性随模拟输入信号幅值变化而引起的，因此，线性误差是不能进行补偿的。Ui001010011100101110111输出数码图6.4线性误差线性误差24SDUT数据采集与处理6.3逐次逼近式A／D转换器1.工作原理第6章模／数转换器模拟输入Ui+-A去码/留码逻辑环形计数器数据寄存器时序与逻辑控制D／A转换器数字量输出锁存器基准电源UREFUf=UREF(a12-1+a22-2+…+an2-n)并行数字量输出图6.5逐次逼近式A／D转换器结构SAR比较器25SDUT数据采集与处理6.3逐次逼近式A／D转换器组成逐次逼近寄存器SAR去/留码逻辑环形计数器数据寄存器D/A转换器比较器基准电源时序与逻辑控制电路数字量输出锁存器26SDUT数据采集与处理6.3逐次逼近式A／D转换器工作原理：设定在SAR中的数字量经D／A转换器转换成反馈电压Uf；SAR顺次逐位加码控制Uf的变化；Uf与等待转换的模拟量Ui进行比较，大则弃，小则留，逐次逼近；最终留在SAR的数据寄存器中的数码作为数字量输出。27SDUT数据采集与处理6.3逐次逼近式A／D转换器2.工作过程设逐次逼近寄存器SAR是8位，基准电压10.24V，模拟输入电压8.3V，转换成二进制数码。工作过程如下：转换开始之前，先将SAR清零；28SDUT数据采集与处理6.3逐次逼近式A／D转换器转换开始，第一个时钟脉冲到来时，SAR的状态置为10000000，经D／A转换器转转换成反馈电压UUfREF12512.V，反反馈到比较器与Ui比较。因为，UiUf，予以保留此位的“1”。29SDUT数据采集与处理6.3逐次逼近式A／D转换器第二个时钟脉冲到来时，SAR置为11000000码，经过D／A转换器产生反馈电压Uf512102427682...V，因UiUf，故保留此位“1”。30SDUT数据采集与处理6.3逐次逼近式A／D转换器第三个时钟脉冲到来时，SAR状态置为11100000，经D／A转换器产生反馈电压Uf768102428963...V，因UiUf，SAR此位应置“0”。SAR状态改为11000000。第四个时钟脉冲到来时，SAR状态又置为11010000，......。31SDUT数据采集与处理6.3逐次逼近式A／D转换器tU123456781.02410.24Ui5.127.688.968.328.08.168.248.288.30V时钟脉冲12345678图6.6逐次逼近比较过程脉冲1SAR置为100000002110000003111000001100000041101000011000000511001000611001100711001110811001111逐次逼近式A／D转换的过程可用表6.2说明之。32SDUT数据采集与处理6.3逐次逼近式A／D转换器表6.28位逐次逼近A／D转换过程次数SAR中的数码D/Ａ产生的(V)去／留码判断本次操作后SAR中的数码123456781000000010000001110000011010000110010001100110011001110110011115.127.688.968.328.08.168.248.28，留1，留1，留0，留0，留1，留1，留1，留11000000011000000110000001100000011001000110011001100111011001111UfUUfiUUfiUUfiUUfiUUfiUUfiUUfiUUfi33SDUT数据采集与处理6.3逐次逼近式A／D转换器由表6.2可见：经过8次比较之后，SAR的数据寄存器中所建立的数码11001111即为转换结果。数码对应的反馈电压Uf=8.28V，它与输入的模拟电压Ui=8.3V相差0.02V，不过两者的差值已小于1LSB所对应的量化电压0.04V。逐次逼近式A／D转换器的转换结果通过数字量输出锁存器并行输出。34SDUT数据采集与处理第6章模／数转换器6.5单片集成A／D转换器1.8位A／D转换器芯片ADC0809这部分内容自习35SDUT数据采集与处理6.5单片集成A／D转换器2.12位A／D转换器芯片AD574A⑴特点芯片内部包含微机接口逻辑和三态输出缓冲器，可以直接与8位、12位或16位微处理器的数据总线相连。输出可以是12位一次读出或分两次读出：先读高8位，再读低4位。36SDUT数据采集与处理6.5单片集成A／D转换器对外可提供一个+10V基准电压，最大输出电流1.5mA。有较宽的温度使用范围。⑵芯片内部结构输入电压可有单极性和双极性两种。37SDUT数据采集与处理6.5单片集成A／D转换器三态输出缓冲器SAR12位D／A转换器REFIN模拟地比较器时钟控制逻辑A+-数字芯片模拟芯片D/A输出12位12位10V基准D11D0数据输出CERCA0CS128+SVUCC+15VUL+5VDG-15V20VIN10VINAGBIPOFFREFINREFOUTSTS5k10k3k5k......ΩΩΩΩ图6.12AD574A的内部结构示意图38SDUT数据采集与处理6.5单片集成A／D转换器组成模拟芯片10V基准12位D/A转换数字芯片SAR比较器时钟、逻辑控制三态输出缓冲39SDUT数据采集与处理6.5单片集成A／D转换器⑶芯片引脚功能引脚布置如图6.13所