A/D转换器(华中师范)

 

9.3 A/D转换器

　A/D转换器的基本工作原理
A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成　 1. 取样和保持
取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。其过程如图 9.3.1 所示。图中Ui(t)为输入模拟信号，S(t)为采样脉冲，为取样后的输出信号。在取样脉冲作用期τ内，取样开关接通，使 ， 在其它时间（TS-τ）内，输出=0。因此，每经过一个取样周期， 对输入信号取样一次，在输出端便得到输入信号的一个取样值。为了不失真地恢复原来的输入信号，根据取样定理，一个频率有限的模拟信号，其取样频率fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率fmax的两倍，即取样频率必须满足：模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度τ一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。图10-9（a）是一种常见的取样保持电路， 场效应管V为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。在取样脉冲S(t)到来的时间τ内，场效应管V导通，输入模拟量Ui(t)向电容充电；假定充电时间常数远小于τ，那么C上的充电电压能及时跟上Ui(t)的采样值。采样结束，V迅速截止，电容C上的充电电压就保持了前一取样时间τ的输入Ui(t)的值，一直保持到下一个取样脉冲到来为止。 当下一个取样脉冲到来，电容C上的电压再按输入Ui(t)变化。 在输入一连串取样脉冲序列后，取样保持电路的缓冲放大器输出电压Uo（t）便得到如图10-9（b）所示的波形.图 9.3.2 取样保持电路及输出波形
(a)取样保持电原理图； (b) 输出波形图2. 量化和编码
　　 输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波。由于阶梯的幅度是任意的，将会有无限个数值，因此该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量。另一方面，由于数字量的位数有限，只能表示有限个数值(n位数字量只能表示2n个数值)。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。必须将取样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。指定的离散电平称为量化电平。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。两个量化电平之间的差值称为量化间隔S，位数越多，量化等级越细，S就越小。取样保持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差δ， 即δ=Uo-Uq。量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。二、 A/D转换器的主要电路形式
 　ADC电路分成直接法和间接法两大类。 
直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较， 从而直接转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证， 调准也比较方便。 
间接法是将取样后的模拟信号先转换成时间t或频率f, 然后再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强，一般在测试仪表中用的较多。1．逐次逼近式A/D转换器图 9.3.3 逐次逼近式ADC这种转换器是将转换的模拟电压Ui与一系列的基准电压比较。比较是从高位到低位逐位进行的，并依次确定各位数码是 1 还是 0。 转换开始前， 先将逐位逼近寄存器（SAR）清 0， 开始转换后，控制逻辑将逐位逼近寄存器（SAR）的最高位置 1，使其输出为 100…000，这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压Uo，送至比较器与输入Ui比较。若Uo＞Ui，说明寄存器输出的数码大了，应将最高位改为0（去码），同时设次高位为 1；若Uo≤Ui，说明寄存器输出的数码还不够大，因此，需将最高位设置的 1 保留（加码），同时也设次高位为 1。然后，再按同样的方法进行比较，确定次高位的1是去掉还是保留（即去码还是加码）。这样逐位比较下去， 一直到最低位为止，比较完毕后，寄存器中的状态就是转化后的数字输出。例如，一个待转换的模拟电压Ui=163mV, 逐位逼近寄存器（SAR）的数字量为八位。2. 双积分型A/D转换器
　　 双积分型ADC的转换原理是先将模拟电压Ui转换成与其大小成正比的时间间隔T，再利用基准时钟脉冲通过计数器将T变换成数字量。图 9.3.4是双积分型ADC的原理框图，它由积分器，零值比较器，时钟控制门G和计数器（计数定时电路）等部分构成。　图 9.3.4 双积分ADC原理框图积分器：由运算放大器和RC积分网络组成，这是转换器的核心。它的输入端接开关S，开关S受触发器Fn的控制，当Qn=0 时，S接输入电压+Ui，积分器对输入信号电压+Ui（正极性）积分（正向积分）；当Qn=1 时，S接基准电压-UR（负极性），积分器对基准电压-UR积分（负向积分）。 因此，积分器在一次转换过程中进行两次方向相反的积分。 积分器输出Uo接零值比较器。
零值比较器：当积分器输出Uo≤0时，比较器输出UC=1；当积分器输出Uo>0时，比较器输出UC=0。零值比较器输出UC作为控制门G的门控信号。 
时钟控制门G：时钟控制门G有两个输入端，一个接标准时钟脉冲源CP，另一个接零值比较器输出UC。当零值比较器输出UC=1 时，G门开，标准时钟脉冲通过G门加到计数器；当零值比较器输出UC=0时，G门关，标准时钟脉冲不能通过G门加到计数器，计数器停止计数。
计数器（计数定时电路）： 它由n+1个触发器构成，触发器Fn-1…F1F0构成n位二进制计数器，触发器Fn实现对S的控制。 计数定时电路在启动脉冲的作用下，全部触发器被置0，触发器Fn输出Qn=0，使开关S接输入电压+Ui，同时n位二进制计数器开始计数（设电容C上初始值为0，并开始正向积分， 则此时Uo≤0，比较器输出UC=1，G门开）。当计数器计入 2n个脉冲后，触发器Fn-1…F1F0状态由 11…111回到00…000，Fn-1(Qn-1)触发Fn，使Qn=1，发出定时控制信号，使开关转接至-UR，触发器Fn-1…F1F0再从00…000开始计数，并开始负向积分，Uo逐步上升。当积分器输出Uo＞0时，零值比较器输出UC=0，G门关，计数器停止计数，完成一个转换周期，把与输入模拟信号+Ui平均值成正比的时间间隔转换为数字量。图 9.3.5 双积分ADC工作波形　　① 取样阶段。在启动脉冲作用下，将全部触发器置0，由于触发器Fn输出Qn=0，使开关S接输入电压+Ui，A/D转换开始， +Ui加到积分器的输入端后，积分器对+Ui进行正向积分。由于此时Uo≤0，比较器输出UC=1，G门开，n位二进制计数器开始计数，一直到t=T1=2nTCP（TCP为时钟周期）时，触发器Fn-1…F1F0状态回到 00…000，而触发器Fn由 0 翻转为 1，由于Qn=1，使开关转接至-UR，至此，取样阶段结束，可求其中τ=RC为积分时间常数。当+Ui为正极性不变常量时，Uo（T1）值为 ：　② 比较阶段。开关转至-UR后，积分器对基准电压进行负向积分，积分器输出为当Uo＞0 时，零值比较器输出UC=0，G门关，计数器停止计数，完成一个转换周期。假设此时计数器已记录了α个脉冲， 则　　由上式可见，计数器记录的脉冲数α与输入电压+Ui成正比， 计数器记录α个脉冲后的状态就表示了+Ui的数字量的二进制代码，实现了A/D转换。　　这种A/D转换器具有很多优点。首先，其转换结果与时间常数RC无关，从而消除了由于斜波电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围内变化，而不影响转换结果。其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值T1，而T2正比于输入信号在T1内的平均值，这对于叠加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这种A/D转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要求时钟源在一个转换周期（T1+T2）内保持稳定即可。这种转换器被广泛应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器中。三、 A/D转换器的主要技术指标　 分辨率
分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个n位二进制数输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异例如，A/D转换器的输出为 12 位二进制数，最大输入模拟信号为 10V，则其分辨率为　　2. 转换速度
转换速度是指完成一次转换所需的时间，转换时间是从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差很大。双积分型A/D转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；逐次逼近式A/D转换器的转换速度较快，转换速度在几十微秒；并联型A/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。
　　 3. 相对精度
在理想情况下，输入模拟信号所有转换点应当在一条直线上，但实际的特性不能做到输入模拟信号所有转换点在一条直线上。相对精度是指实际的转换点偏离理想特性的误差，一般用最低有效位来表示。例如，10 位二进制数输出的A/D转换器AD571，在室温（+25℃）和标准电源电压（U+=+5V，U-=-15V）的条件下，转换误差当使用环境发生变化时，转换误差也将发生变化，实际使用中应加以注意。