將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量課件

10.2A/D轉(zhuǎn)換器(1)A/D功能:將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量A/DUI輸入模擬電壓D7~D0輸出數(shù)字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1個(gè)最低有效位A/D功能及分類10.2A/D轉(zhuǎn)換器(1)A/D功能:將模擬電1①并聯(lián)比較型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間10ns~1s②逐次逼近型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度中,轉(zhuǎn)換時(shí)間幾s~100s③雙積分型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間幾百s~幾ms根據(jù)內(nèi)部電路不同,分為以下三類:(2)A/D轉(zhuǎn)換器分類①并聯(lián)比較型根據(jù)內(nèi)部電路不同,分為以下三類:(2)A/D210.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的一般工作過(guò)程1、A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理10.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的一般工作過(guò)程1、A/D轉(zhuǎn)換器3模擬電子開(kāi)關(guān)S在采樣脈沖CPS的控制下重復(fù)接通、斷開(kāi)的過(guò)程。S接通時(shí)，ui(t)對(duì)C充電，為采樣過(guò)程；S斷開(kāi)時(shí)，C上的電壓保持不變，為保持過(guò)程。在保持過(guò)程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進(jìn)制數(shù)輸出。模擬電子開(kāi)關(guān)S在采樣脈沖CPS的控制下重復(fù)接通、4t0時(shí)刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個(gè)放大器的增益都為1，因此這一階段uo跟隨ui變化，即uo＝ui。t1時(shí)刻采樣階段結(jié)束，S斷開(kāi)，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無(wú)窮大，S為理想開(kāi)關(guān)，則CH沒(méi)有放電回路，兩端保持充電時(shí)的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓uo維持不變。2、采樣與保持t0時(shí)刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個(gè)放52、采樣與保持2、采樣與保持63、量化與編碼將取樣－保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，這一轉(zhuǎn)化過(guò)程稱為數(shù)值量化，簡(jiǎn)稱量化。量化后的數(shù)值最后還須通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)，這一過(guò)程稱為編碼。3、量化與編碼將取樣－保持電路的輸出電壓，按某710.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器10.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器80≤ui＜VREF/15時(shí)，7個(gè)比較器輸出全為0，CP到來(lái)后，7個(gè)觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0＝000。VREF/15≤ui＜3VREF/15時(shí)，7個(gè)比較器中只有C1輸出為1，CP到來(lái)后，只有觸發(fā)器FF1置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=001。0≤ui＜VREF/15時(shí)，7個(gè)比93VREF/15≤ui＜5VREF/15

時(shí)，比較器C1、C2輸出為1，CP到來(lái)后，觸發(fā)器FF1、FF2置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0＝010。5VREF/15≤ui＜7VREF/15時(shí)，比較器C1、C2、C3輸出為1，CP到來(lái)后，觸發(fā)器FF1、FF2、FF3置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=011。依此類推，可以列出ui為不同等級(jí)時(shí)寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進(jìn)制數(shù)。3VREF/15≤ui＜5VREF/15時(shí)，比較器C1、C10將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量課件11其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx

=13克，可以用下表步驟來(lái)秤量：砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝碼總重<待測(cè)重量Wx，故保留砝碼總重仍<待測(cè)重量Wx，故保留砝碼總重>待測(cè)重量Wx，故撤除砝碼總重＝待測(cè)重量Wx，故保留暫時(shí)結(jié)果8克12克12克13克

結(jié)論10.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個(gè)砝碼共12原理框圖10.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖10.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器13－＋＋10001000D/Aux(待轉(zhuǎn)換的模擬電壓)uouc控制邏輯數(shù)碼寄存器移位寄存器時(shí)鐘清0、置數(shù)清0、置數(shù)CP、(移位命令)“1”狀態(tài)是否保留控制端原理框圖－＋＋10001000D/Aux(待轉(zhuǎn)換的模擬電壓)14轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先將所有寄存器清零。開(kāi)始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個(gè)數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進(jìn)行比較。若ui＜uo，說(shuō)明數(shù)字過(guò)大了，故將最高位的1清除；若ui＞

uo，說(shuō)明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過(guò)比較以后確定這個(gè)1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出?；驹磙D(zhuǎn)換開(kāi)始前先將所有寄存器清零。開(kāi)始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)鐘脈沖首先將寄153位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器3位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器16轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一個(gè)CP到來(lái)后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，F(xiàn)FB和FFC被置0。這時(shí)加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為100，并在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓輸出uo。uo和ui在比較器中比較，當(dāng)若ui＞uo時(shí)，比較器輸出uc=1；當(dāng)ui≤uo時(shí)，uc=0。第二個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器右移一位，變成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，這時(shí)門(mén)G1打開(kāi)，若原來(lái)uc=1，則FFA被置0，若原來(lái)uc=0，則FFA的1狀態(tài)保留。與此同時(shí)，Q2的高電平將FFB置1。第三個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器又右移一位，一方面將FFC置1，同時(shí)將門(mén)G2打開(kāi)，并根據(jù)比較器的輸出決定FFB的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第四個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，門(mén)G3打開(kāi)，根據(jù)比較器的輸出決定FFC的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第五個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，F(xiàn)FA、FFB、FFC的狀態(tài)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過(guò)門(mén)G6、G7、G8送出。工作原理轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第1710.2.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器10.2.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器18基本原理對(duì)輸入模擬電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，先對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時(shí)間間隔T1，再利用計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，則計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行同樣的處理?；驹?9將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量課件20將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量課件21將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量課件22（1）分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為0～5V，輸出8位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－8＝20mV；而輸出12位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－12≈1.22mV。10.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位23（2）相對(duì)精度在理想情況下，所有的轉(zhuǎn)換點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在一條直線上。相對(duì)精度是指實(shí)際的各個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)偏離理想特性的誤差。（3）轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號(hào)所經(jīng)過(guò)的這段時(shí)間。

10.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（2）相對(duì)精度（3）轉(zhuǎn)換速度10.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要24（4）電源抑制

在輸入模擬電壓不變的前提下，當(dāng)轉(zhuǎn)換電路的供電電源電壓發(fā)生變化時(shí)，對(duì)輸出也會(huì)產(chǎn)生影響。這種影響可用輸出數(shù)字量的絕對(duì)變化量來(lái)表示。

10.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（4）電源抑制10.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)2510.2.6集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用10.2.6集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用26將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量課件27

A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一組多位的二進(jìn)制數(shù)字輸出。不同的A/D轉(zhuǎn)換方式具有各自的特點(diǎn)。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，主要缺點(diǎn)是要使用的比較器和觸發(fā)器很多，隨著分辨率的提高，所需元件數(shù)目按幾何級(jí)數(shù)增加。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的性能比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，具有很高的抗干擾能力，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是工作速度較低，在對(duì)轉(zhuǎn)換精度要求較高，而對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求較低的場(chǎng)合，如數(shù)字萬(wàn)用表等檢測(cè)儀器中，得到了廣泛的應(yīng)用逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率較高、誤差較低、轉(zhuǎn)換速度較快，在一定程度上兼顧了以上兩種轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)，因此得到普遍應(yīng)用。本節(jié)小結(jié)：{End}A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一組多位的二進(jìn)2810.2A/D轉(zhuǎn)換器(1)A/D功能:將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量A/DUI輸入模擬電壓D7~D0輸出數(shù)字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1個(gè)最低有效位A/D功能及分類10.2A/D轉(zhuǎn)換器(1)A/D功能:將模擬電29①并聯(lián)比較型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間10ns~1s②逐次逼近型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度中,轉(zhuǎn)換時(shí)間幾s~100s③雙積分型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間幾百s~幾ms根據(jù)內(nèi)部電路不同,分為以下三類:(2)A/D轉(zhuǎn)換器分類①并聯(lián)比較型根據(jù)內(nèi)部電路不同,分為以下三類:(2)A/D3010.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的一般工作過(guò)程1、A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理10.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的一般工作過(guò)程1、A/D轉(zhuǎn)換器31模擬電子開(kāi)關(guān)S在采樣脈沖CPS的控制下重復(fù)接通、斷開(kāi)的過(guò)程。S接通時(shí)，ui(t)對(duì)C充電，為采樣過(guò)程；S斷開(kāi)時(shí)，C上的電壓保持不變，為保持過(guò)程。在保持過(guò)程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進(jìn)制數(shù)輸出。模擬電子開(kāi)關(guān)S在采樣脈沖CPS的控制下重復(fù)接通、32t0時(shí)刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個(gè)放大器的增益都為1，因此這一階段uo跟隨ui變化，即uo＝ui。t1時(shí)刻采樣階段結(jié)束，S斷開(kāi)，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無(wú)窮大，S為理想開(kāi)關(guān)，則CH沒(méi)有放電回路，兩端保持充電時(shí)的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓uo維持不變。2、采樣與保持t0時(shí)刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個(gè)放332、采樣與保持2、采樣與保持343、量化與編碼將取樣－保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，這一轉(zhuǎn)化過(guò)程稱為數(shù)值量化，簡(jiǎn)稱量化。量化后的數(shù)值最后還須通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)，這一過(guò)程稱為編碼。3、量化與編碼將取樣－保持電路的輸出電壓，按某3510.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器10.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器360≤ui＜VREF/15時(shí)，7個(gè)比較器輸出全為0，CP到來(lái)后，7個(gè)觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0＝000。VREF/15≤ui＜3VREF/15時(shí)，7個(gè)比較器中只有C1輸出為1，CP到來(lái)后，只有觸發(fā)器FF1置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=001。0≤ui＜VREF/15時(shí)，7個(gè)比373VREF/15≤ui＜5VREF/15

時(shí)，比較器C1、C2輸出為1，CP到來(lái)后，觸發(fā)器FF1、FF2置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0＝010。5VREF/15≤ui＜7VREF/15時(shí)，比較器C1、C2、C3輸出為1，CP到來(lái)后，觸發(fā)器FF1、FF2、FF3置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=011。依此類推，可以列出ui為不同等級(jí)時(shí)寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進(jìn)制數(shù)。3VREF/15≤ui＜5VREF/15時(shí)，比較器C1、C38將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量課件39其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx

=13克，可以用下表步驟來(lái)秤量：砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝碼總重<待測(cè)重量Wx，故保留砝碼總重仍<待測(cè)重量Wx，故保留砝碼總重>待測(cè)重量Wx，故撤除砝碼總重＝待測(cè)重量Wx，故保留暫時(shí)結(jié)果8克12克12克13克

結(jié)論10.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個(gè)砝碼共40原理框圖10.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖10.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器41－＋＋10001000D/Aux(待轉(zhuǎn)換的模擬電壓)uouc控制邏輯數(shù)碼寄存器移位寄存器時(shí)鐘清0、置數(shù)清0、置數(shù)CP、(移位命令)“1”狀態(tài)是否保留控制端原理框圖－＋＋10001000D/Aux(待轉(zhuǎn)換的模擬電壓)42轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先將所有寄存器清零。開(kāi)始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個(gè)數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進(jìn)行比較。若ui＜uo，說(shuō)明數(shù)字過(guò)大了，故將最高位的1清除；若ui＞

uo，說(shuō)明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過(guò)比較以后確定這個(gè)1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出?；驹磙D(zhuǎn)換開(kāi)始前先將所有寄存器清零。開(kāi)始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)鐘脈沖首先將寄433位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器3位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器44轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一個(gè)CP到來(lái)后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，F(xiàn)FB和FFC被置0。這時(shí)加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為100，并在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓輸出uo。uo和ui在比較器中比較，當(dāng)若ui＞uo時(shí)，比較器輸出uc=1；當(dāng)ui≤uo時(shí)，uc=0。第二個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器右移一位，變成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，這時(shí)門(mén)G1打開(kāi)，若原來(lái)uc=1，則FFA被置0，若原來(lái)uc=0，則FFA的1狀態(tài)保留。與此同時(shí)，Q2的高電平將FFB置1。第三個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器又右移一位，一方面將FFC置1，同時(shí)將門(mén)G2打開(kāi)，并根據(jù)比較器的輸出決定FFB的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第四個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，門(mén)G3打開(kāi)，根據(jù)比較器的輸出決定FFC的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第五個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，F(xiàn)FA、FFB、FFC的狀態(tài)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過(guò)門(mén)G6、G7、G8送出。工作原理轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第4510.2.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器10.2.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器46基本原理對(duì)輸入模擬電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，先對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時(shí)間間隔T1，再利用計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，則計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行同樣的處理?；驹?7將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量課件48將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量課件49將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量課件50（1）分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例如，輸