第7章 数/模和模/数转换 本章小结 7.2 A/D转换 返回 7.2.1 A/D转换器的工作原理 7.2.2 A/D转换器的构成 结束 放映 第7章 数/模和模/数转换 7.2 A/D转换 7.2.1 A/D转换器的工作原理 7.2.2 A/D转换器的构成 7.2.3 A/D转换器的主要技术指标 7.2.4 集成A/D转换器ADC简介及 应用 本章小结 返回 2018/12/2

复习 为什么要ADC或DAC ？ 组成D/A转换器的基本指导思想？ DAC的主要技术参数？ 2018/12/2

7.2 A/D转换 返回 7.2.1 A/D转换器的工作原理 一、 A/D转换的基本原理 　　四个步骤：采样、保持、量化、编码。 1. 采样与保持 　　 　 （1）将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。 2018/12/2

取样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x(t)的最高频率分量的频率为fmax，必须满足 fs ≥ 2fmax 　　y(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。 　　采样过程示意图 通常取fs ＝（2.5～3）fmax 。 2018/12/2

（2）由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。 采样―保持电路及输出波形 　　s(t)有效期间，开关管VT导通，uI向C充电，uO (=uc)跟随uI的变化而变化； 　　s(t)无效期间，开关管VT截止，uO (=uc)保持不变，直到下次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放。） 2018/12/2

数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位。 将采样－保持电路的输出电压归化为量化单位△的整数倍的过程叫做量化。 2. 量化和编码 　　数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位。 　　将采样－保持电路的输出电压归化为量化单位△的整数倍的过程叫做量化。 　　用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。 　　一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n越大），量化误差越小。 2018/12/2

划分量化电平的两种方法 （a）量化误差大；（b）量化误差小 2018/12/2

返回 二、 A/D转换器工作原理 直接A/D转换器：并行比较型A/D转换器 逐次比较型A/D转换器 间接A/D转换器：双积分型A/D转换器 　　天平称重过程：砝码（从最重到最轻），依次比较，保留/移去，相加。 　 逐次比较思路：不同的基准电压－－砝码。 2018/12/2

n位A/D转换器 基准电压UREF 电路由启动脉冲启动后: 逐次逼近型ADC电路框图 CP D n-1D n-2 D n-3…D1D0 u0 (V) uI>uO？ 1 0 0… 00 0.5UREF 1（D n-1为1）/0（D n-1为0） 1 D n-1 1 0… 00 0.75/0.25UREF 1（D n-2为1）/0（D n-2为0） 2 D n-1 D n-2 1… 00 … 1（D n-3为1）/0（D n-3为0） n-1 D n-1D n-2 D n-3…D11 1（D 0为1）/0（D 0为0） 2018/12/2

实例 uI>uO为1否则为0 8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V， D/A转换器基准电压 UREF=10V。 CP D7D6D5D4D3D2D1D0 u0 (V) uI>uO 10000000 5 1 11000000 7.5 2 10100000 6.25 3 10110000 6.875 4 10101000 6. 5625 10101100 6.71875 6 10101110 6.796875 7 10101111 6.8359375 相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。 2018/12/2

　　8位逐次比较型A/D转换器波形图 2018/12/2

2. 双积分型A/D转换器 基本原理：对输入模拟电压uI和基准电压-UREF分别进行积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔T2，然后在这个时间间隔里对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果N就是正比于输入模拟信号的数字量信号。　　 （1）电路组成 2018/12/2

① 积分器： Qn=0，对被测电压uI进行积分； Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。 ③ 计数器：为n＋1位异步二进制计数器。第一次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固定时间T1＝2nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到时Qn＝1，使S1从A点转接到B点。第二次计数，是将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。 　 双积分型ADC电路 ② 检零比较器C：当uO≥0时，uC＝0； 当uO＜0时，uC＝1。 ① 积分器： Qn=0，对被测电压uI进行积分；　　　 　　　 　 Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。 ④　时钟脉冲控制门G1：当uC =1时，门G1打开，CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。 2018/12/2

① 积分器： Qn=0，对被测电压uI进行积分；Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。 （1）电路组成 　　①　积分器： Qn=0，对被测电压uI进行积分；Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。 　　②　检零比较器C：当uO≥0时，uC＝0；当uO＜0时，uC＝1。 　　③ 计数器：为n＋1位异步二进制计数器。第一次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固定时间T1＝2nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到时Qn＝1，使S1从A点转接到B点。第二次计数，是将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。 　　④　时钟脉冲控制门G1：当uC =1时，门G1打开，CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。 2018/12/2

先定时（T1）对uI正向积分，得到Up，Up∝uI； （2）工作原理 　　先定时（T1）对uI正向积分，得到Up，Up∝uI； 　　再对－UREF积分，积分器的输出将从Up线性上升到零。这段积分时间是T2，T2∝Up∝uI； 　　在T2期间内计数器对时钟脉冲CP计得的个数为N，N∝T2∝Up∝uI 。 　　由于这种转换需要两次积分才能实现，因此称该电路为双积分型ADC。 双积分型ADC的工作波形 2018/12/2

① 准备阶段：转换控制信号CR＝0，将计数器清0，并通过G2接通开关S2，使电容C放电；同时，Qn＝0使S1接通A点。 工作过程： ① 准备阶段：转换控制信号CR＝0，将计数器清0，并通过G2接通开关S2，使电容C放电；同时，Qn＝0使S1接通A点。　 2018/12/2

② 采样阶段：当t＝0时，CR变为高电平，开关S2断开，积分器从0开始对uI积分，积分器的输出电压从0V开始下降，即 2018/12/2

与此同时，由于uO＜0，故uC＝1，G1被打开，CP脉冲通过G1加到FF0上，计数器从0开始计数。直到当t＝t1时，FF0～FFn-1都翻转为0态，而Qn翻转为1态，将S1由A点转接到B点，采样阶段到此结束。若CP脉冲的周期为Tc，则T1＝2nTc。 2018/12/2

设UI为输入电压在T1时间间隔内的平均值，则第一次积分结束时积分器的输出电压为 2018/12/2

③ 比较阶段：在t=t1时刻，S1接通B点，-UREF加到积分器的输入端，积分器开始反向积分，uO开始从Up点以固定的斜率回升，若以t1算作0时刻，此时有 2018/12/2

当t＝t2时，uO正好过零，uC翻转为0，G1关闭，计数器停止计数。在T2期间计数器所累计的CP脉冲的个数为N，且有T2＝NTC。 2018/12/2

若以t1算作0时刻，当t＝T2时，积分器的输出uO＝0，此时则有 2018/12/2

　　由于T1＝2nTc，所以有 　　可见，T2∝UI。 2018/12/2

第一，如果减小uI（即图7-12中的uI′），则当t＝T1时，uO＝Up′，显然Up′＜Up，从而有T2′＜T2； 结论： 　 第一，如果减小uI（即图7-12中的uI′），则当t＝T1时，uO＝Up′，显然Up′＜Up，从而有T2′＜T2； 第二，T1的时间长度与uI的大小无关，均为2nTc； 第三，第二次积分的斜率是固定的，与Up的大小无关。 由于T2＝NTc，所以 可见，N∝UI∝uI，实现了A/D转换，N为转换结果。 2018/12/2

优点1：抗干扰能力强。积分采样对交流噪声有很强的抑制能力；如果选择采样时间T1为20ms的整数倍时，则可有效地抑制工频干扰。 　 优点2：具有良好的稳定性，可实现高精度。由于在转换过程中通过两次积分把UI和UREF之比变成了两次计数值之比，故转换结果和精度与R、C无关。 缺点：转换速度较慢。完成一次A/D转换至少需要（T1＋T2）时间，每秒钟一般只能转换几次到十几次。因此它多用于精度要求高、抗干扰能力强而转换速度要求不高的场合。 2018/12/2

7.2.2 A/D转换器的构成 1. 并联比较型A/D转换器 2018/12/2

2. 逐次逼近型A/D转换器 2018/12/2

3. 双积分型A/D转换器 2018/12/2

返回 7.2.3 A/D转换器的主要技术指标 1.分辨率 分辨率是指A/D转换器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。 通常以ADC输出数字量的位数表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位就越小，对输入信号的分辨能力也就越高。 例如，输入模拟电压满量程为10V，若用8位ADC转换时，其分辨率为10V/28＝39mV，10位的ADC是9.76mV，而12位的ADC为2.44mV。 2018/12/2

相对精度表示A/D转换器实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出。 2. 相对精度 相对精度表示A/D转换器实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出。 相对精度也叫转换误差或相对误差。相对精度常用最低有效位的倍数表示。 例如某ADC的相对精度为±(1/2)LSB，这说明理论上应输出的数字量与实际输出的数字量之间的误差不大于最低位为１的一半。 2018/12/2

完成一次A/D转换所需要的时间叫做转换时间，转换时间越短，则转换速度越快。 3. 转换速度 　 完成一次A/D转换所需要的时间叫做转换时间，转换时间越短，则转换速度越快。 双积分ADC的转换时间在几十毫秒至几百毫秒之间； 逐次比较型ADC的转换时间大都在10～50μs之间； 并行比较型ADC的转换时间可达10ns。 2018/12/2

7.2.4 集成A/D转换器ADC0809简介及应用 集成A/D转换器规格品种繁多，常见的有ADC0804、ADC0809、MC14433等。 1. ADC0809 A/D转换器 　　ADC0809是CMOS工艺，8位逐次比较型A/D转换芯片，28脚双列直插封装。它具有8个通道的模拟量输入，可在程序控制下对任意通道分时进行A/D转换。 返回 2018/12/2

（1）ADC0809的主要技术指标如下： ① 工作电压： +5V ～ +15V ② 模拟量输入范围： 0 ～ +5V ③ 分辨率： 8位 ③　分辨率： 8位 ④　时钟频率：640KHz ⑤　转换时间：100ms ⑥　未经调整误差：1/2LSB和 1LSB ⑦　功耗： 15 mW 2018/12/2

UREF+、UREF-：参考电压， 输入。 CLK：时钟信号输入端，最高允许值位640kHz。 START:启动信号。 （2）ADC0809各引脚功能说明如下： 　　UREF+、UREF-：参考电压， 输入。 CLK：时钟信号输入端，最高允许值位640kHz。 START:启动信号。 ALE：地址锁存信号。 C，B，A：地址输入信号。 EOC：转换完成信号，输出。 OE：输出允许信号，输入。 ADC0809引脚图 　 IN0 ～ IN7：8通道模拟量输入端。 D0～D7：8位数字量输出端。 　 GND：地。 UCC：工作电源， +5V ～ +15V。 2018/12/2

在工业测控及仪器仪表应用中，经常需要由计算机对模拟信号进行分析、判断、以及加工和处理，从而达到对被控对象进行实时检测、控制等目的。 2. ADC0809的应用 　　在工业测控及仪器仪表应用中，经常需要由计算机对模拟信号进行分析、判断、以及加工和处理，从而达到对被控对象进行实时检测、控制等目的。 ADC0809很容易与微处理器INTER8080、8086或8031等接口，也可以单独使用。如图 是只有一路模拟量输入的ADC0809测量电路。 输入模拟量uI接IN0。因为只有一路输入，地址控制信号CBA接地即CBA=000。 2018/12/2

输入模拟电压的地和参考电压的地是模拟地，接在一起；其余地为数字地，接在一起。 8个数字量输出端各接了一个发光二极管，对输出进行二进制指示。当然，如果希望十进制指示，也可以接七段显示译码驱动器和显示器或其他显示器件。输入时钟信号经分频器分频，获得ADC0809所需640KHz时钟信号。 控制脉冲接ALE和START，每来一个脉冲，上升沿复位ADC0809，选通IN0将uI采入；下降沿启动A/D，进行一次转换。为保证转换正常进行，控制脉冲的宽度T`S应大于ADC0809的转换时间tS。 输出允许端OE接高电平。 输入模拟电压的地和参考电压的地是模拟地，接在一起；其余地为数字地，接在一起。 2018/12/2

本章小结 返回 D/A转换器和A/D转换器作为模拟量和数字量之间的转换电路，在信号检测、控制、信息处理等方面发挥着越来越重要的作用。 　D/A转换的基本思想是权电流相加。电路通过输入的数字量控制各位电子开关，决定是否在电流求和点加入该位的权电流。倒T形电阻网络是应用较广的电路结构。 2018/12/2

A/D转换须经过采样、保持、量化、编码四个步骤才能完成。采样、保持由采样－保持电路完成；量化和编码须在转换过程中实现。逐次比较型ADC是将输入模拟信号和DAC依次产生的比较电压逐次比较。双积分型ADC则是通过两次积分，将输入模拟信号转换成与之成正比的时间间隔，并在该时间间隔内对时钟脉冲进行计数来实现转换的。 可供我们选择使用的集成ADC和DAC芯片种类很多，应通过查阅手册，在理解其工作原理的基础上，重点把握这些芯片的外部特性以及与其它电路的接口方法。 2018/12/2