AD转换器
AD转换器及其接口设计详解
AD转换器及其接口设计详解AD转换器(Analog-to-Digital Converter，简称ADC)是将模拟信号转换为数字信号的一种设备。
在现代电子系统中，由于数字信号处理的高速、高精度和可编程性等优势，数字信号的应用广泛而且日益增多，而模拟信号则需要通过AD转换器转换为数字信号才能够被处理和分析。
在设计AD转换器的接口时，需要考虑以下几个方面：1.信号输入接口：AD转换器的输入通常是来自于外界的模拟信号，如声音、视频、温度等。
因此，设计AD转换器的接口时，首先需要提供适当的模拟输入接口，通常是通过引脚或者接口连接。
2.时钟信号接口：AD转换器需要一个时钟信号来同步转换过程。
时钟信号的频率和精度对AD转换器的性能有重要影响。
因此，设计AD转换器的接口时，需要提供一个稳定的时钟信号输入接口，并能够精确控制时钟频率。
3.控制信号接口：AD转换器通常需要一些控制信号来配置转换参数，如采样率、精度、增益等。
因此，在设计AD转换器的接口时，应提供一些控制信号输入引脚或者接口，以便用户可以灵活地配置AD转换器的性能参数。
4.数字输出接口：AD转换器的输出是数字信号，通常是二进制码。
设计AD转换器的接口时，需要提供一个数字输出接口，可以是并行接口、串行接口或者其他形式的接口，以便用户可以直接读取或者传输AD转换器的输出信号。
5.数据传输接口：AD转换器的输出信号通常需要经过处理和传输才能被其他系统使用。
因此，在设计AD转换器的接口时，应考虑提供一个数据传输接口，以便用户可以方便地将AD转换器的输出数据传输给其他系统。
在实际的AD转换器设计中，还需要考虑一些其他因素，如功耗、电磁兼容性、抗干扰能力等。
此外，根据具体应用需求，还可以考虑一些特殊功能的接口设计，如温度传感器接口、输入放大器接口、数字滤波器接口等。
总之，AD转换器的接口设计应综合考虑模拟信号输入、时钟信号输入、控制信号输入、数字输出和数据传输等因素，并根据具体应用需求，设计合适的接口形式和参数，以提高AD转换器的性能和适用性。
AD转换器
6）内部具有三态输出缓冲器，可直接与8位、 12位或16位微处理器直接相连。 7）具有＋10.000V的高精度内部基准电压源， 只需外接一只适当阻值的电阻，便可向DAC 部分的解码网络提供参考输入。内部具有 时钟产生电路，不须外部接线。 8 ） 需 三 组 电 源 ： ＋ 5 V、VCC（＋12V～＋ 15V）、VEE（－12V～－15V）。 由 于 转 换 精 度高，所提供电源必须有良好的稳定性，并 进行充分滤波，以防止高频噪声的干扰。
按输出方式分可分为：并行、串行、串并行。 按转换原理可分为：计数式、双积分式、逐次 逼近式。 按转换速度可分为：低速（转换时间≥1s）、 中速（转换时间≤lms）、高速（转换时间 ≥1μ s）和超高速（转换时间≤1ns） 按转换精度和分辨率可分为：3位、4位、8位、 10位、12位、14位、16位
能将模拟电压成正比的转换成数字量。
是模拟信号和数字信号接口的关键部件。
2、应用
雷达、通信、电子对抗、声纳、卫星、导弹、测控系统、地 震预测、医疗、仪器仪表、图像和音频等领域。
一、A/D转换的一般步骤及基本原理 3、 A/D转换的一般步骤
A/D转换过程为：采样、保持、量化和编码。
（1）采样与保持
一、A/D转换的一般步骤及基本原理
3、高于8位的并行输出A/D转换器接口
接口的一般形式
数据分两次输入，需增加一个并行接口。除此之外，其接口 形式和工作原理与8位ADC相同。
图2-32Байду номын сангаас
高于8位ADC接口的一般形式
【例2】 ADC574与8031/8051 PC机接口设计
(1)．硬件连线 接口可以采用查询和中断二种控制方式。
(2)．软件设计
AD转换器及其接口设计
AD转换器及其接口设计AD转换器（Analog-to-Digital Converter，简称ADC）是一种将模拟信号转换为数字信号的电子设备。
在现代电子系统中，ADC被广泛应用于各种领域，包括通信、娱乐、医疗、工业控制等。
本文将详细介绍AD 转换器及其接口设计。
一、AD转换器的基本原理1.采样：AD转换器将模拟信号按照一定的时间间隔进行采样，即在一段时间内获取信号的样本值。
采样定理要求采样频率必须大于信号最高频率的两倍，以保证采样后的数字信号能完整地表示模拟信号。
2.量化：采样后的信号是连续的模拟信号，需要将其离散化为一定数量的离散值。
量化过程将每个样本值映射为最接近的一个离散值，并用有限位数的二进制表示。
3.编码：量化后的离散信号是一个个数字，需要进一步进行编码以表示其大小。
常用的编码方式有二进制码、格雷码等。
二、AD转换器的接口设计1.模拟输入端口：AD转换器通常具备一个或多个模拟输入端口，用于接收模拟信号。
模拟输入端口一般要满足一定的电压范围要求，通常为0V至参考电压（通常为3.3V或5V）之间。
2.数字输出端口：AD转换器通过数字输出端口将转换后的数字信号输出给外部设备。
数字输出端口一般为并行接口或串行接口，常见的有SPI、I2C和UART等。
3.时钟信号：AD转换器需要一个时钟信号来同步采样和转换过程。
时钟信号通常由外部提供，可以是外部晶体振荡器或其他时钟源。
4.控制信号：AD转换器还可能需要一些控制信号来设置工作模式、增益、采样率等参数。
控制信号一般由微处理器或其他逻辑电路生成和控制。
三、AD转换器的接口设计要点1.采样率：为了准确地表示模拟信号，AD转换器的采样率需要满足采样定理的要求。
采样率的选择需要根据应用场景和信号频率来确定。
2.分辨率：分辨率是指AD转换器能够表示的最小量化步长。
一般分辨率越高，表示精度越大。
分辨率一般由位数来表示，如8位、10位、12位等。
3.电压范围：AD转换器的模拟输入端口需要满足一定的电压范围要求。
什么是ad转换器
什么是ad转换器将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称a/d转换器或adc,analog to digital converter）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称d/a转换器或dac,digital to analog converter）；a/d转换器和d/a转换器已成为信息系统中不可缺俚慕涌诘缏贰?br> 为确保系统处理结果的精确度，a/d转换器和d/a转换器必须具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，a/d与d/a转换器还要求具有较高的转换速度。
转换精度与转换速度是衡量a/d与d/a转换器的重要技术指标。
随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的a/d和d/a转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。
A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D 转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。
在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。
取样和保持取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。
取样过程示意图如图11.8.1所示。
图（a）为取样电路结构，其中，传输门受取样信号S(t)控制，在S(t)的脉宽τ期间，传输门导通，输出信号v O(t)为输入信号v1,而在（T s-τ）期间，传输门关闭，输出信号v O(t)=0。
电路中各信号波形如图（b）所示。
图11.8.1 取样电路结构(a)图11.8.1 取样电路中的信号波形(b)通过分析可以看到，取样信号S(t)的频率愈高，所取得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。
但带来的问题是数据量增大，为保证有合适的取样频率，它必须满足取样定理。
取样定理：设取样信号S(t)的频率为f s，输入模拟信号v1(t)的最高频率分量的频率为f imax，则f s与f imax必须满足下面的关系f s≥2f imax，工程上一般取f s>(3～5)f imax。
AD 转换器概述
则 fs ≥ 2fimax
0
TG O(t)
S(t) S(t)=1:开关闭合 S(t)=0:开关断开
t
t
t
取样与保持电路及工作原理
采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量 化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模 拟信号保持一段时间。
I
A1
采样
S
A2
O
CH
开关驱 动电路
0 1 ·0 …· ·
0
数据寄存器
11 0…
···
0
Dn-1 1
Dn-2 0 数字
···
量输出 D1
D0
D/A 转换器
O 7.5V
• 转换原理 第三个CP：
A=6.84V
模拟 量输入
I
电压 比较器
I ≥6.25V 启
动 脉 冲
CP 时钟 控制逻 辑电路
VREF=10VVREF
移位寄位器
0 0 1·…· · 0
(2) 第一次积分：
S2
+I A S1
R
–VREF B
定 时
S
–
O
–
+
1
O
1
t 0
I
dt
1
VI T1
n 级计数器
+
C
C
信
F
1
FF
1
FF
1
FF
1
号 Q Fn 1J
Qn n-1 1J
Q 1 1J
0 1J
G
n
C ＜ -1
1K R
C＜ 1K
R
1
C＜
1K R
AD和DA转换器的分类及其主要技术指标
AD和DA转换器的分类及其主要技术指标AD和DA转换器（Analog-to-Digital and Digital-to-Analog converters）是电子设备中常用的模数转换器和数模转换器。
AD转换器将连续的模拟信号转换成对应的离散数字信号，而DA转换器则将离散的数字信号转换成相应的连续模拟信号。
本篇文章将介绍AD和DA转换器的分类以及它们的主要技术指标。
一、AD转换器分类AD转换器主要分为以下几个类型：1.逐次逼近型AD转换器（Successive Approximation ADC）逐次逼近型AD转换器是一种常见且常用的AD转换器。
它采用逐渐逼近的方法逐位进行转换。
其基本原理是将模拟输入信号与一个参考电压进行比较，不断调整比较电压的大小，确保比较结果与模拟输入信号的差别小于一个允许误差。
逐次逼近型AD转换器的转换速度相对较快，精度较高。
2.模数积分型AD转换器（Sigma-Delta ADC）模数积分型AD转换器是一种利用高速和低精度的ADC与一个可编程数字滤波器相结合的技术。
它通过对输入信号进行高速取样并进行每个采样周期的累积和平均，降低了后续操作所需的带宽。
模数积分型AD转换器具有较高的分辨率和较好的线性度，适用于高精度应用。
3.并行型AD转换器（Parallel ADC）并行型AD转换器是一种通过多个比较器并行操作的AD转换器。
它的转换速度较快，但其实现成本相对较高。
并行型AD转换器适用于高速数据采集和信号处理。
4.逐渐逼近型AD转换器（Ramp ADC）逐渐逼近型AD转换器是一种通过线性递增电压与输入信号进行比较的转换器。
它利用逐渐逼近的方法寻找与输入信号最接近的电压值，然后以此电压值对应的时间来估计输入信号的值。
逐渐逼近型AD转换器转换速度较慢，但精度较高。
5.其他类型AD转换器除了上述几种常见的AD转换器类型外，还有其他一些特殊的AD转换器类型，如比例调制型AD转换器、索耳转换器等。
AD转换器
若用百分比表示，其分辨率为（1/212)×100％ =0.025％， 若允许最大输入电压为10V，则它能分辨输入模拟电压的最小 变化量为10V×1/212 = 2.4mV。
A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所以习惯上 也以BCD 码数的位数直接表示。
二、A／D转换器的技术指标
1. 分辨率与量化误差
量化误差是由A/D 转换器有限字长数字量对输入模拟量进 行离散取样（量化）引起的误差，其大小在理论上为一个单位 （1LSB ）。将实际转移曲线在零刻度处偏移1/2单位，可使得 量化误差为±1/2LSB。
A/D转换器的量化误差
二、A／D转换器的技术指标
1. 分辨率与量化误差
分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的 技术指标。A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所 以习惯上以输出二进制数或BCD 码数的位数来表示。
二、A／D转换器的技术指标
3、转换速率
转换速率是指A／D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。 转换速率也可表述为转换时间，即A／D转换从启动到结束 所需的时间，转换速率与转换时间互为倒数。 例如，某A／D转换器的转换速率为5MHz，则其转换时间 是200ns
二、A／D转换器的技术指标
4、满刻度范围
许的最大输入电压值为 4096 ×10＝9.9976V。
三、A／D转换器的分类
① 逐次比较式A／D转换器：转换时间一般在μs级，转换精 度一般在0.1％上下，适用于一般场合。
② 积分式A／D转换器：其核心部件是积分器，因此转换时 间一般在ms级或更长，但抗干扰性能强，转换精度可达0.01％
AD转换器主要技术指标
AD转换器主要技术指标AD转换器（Analog-to-Digital Converter，简称ADC）是将模拟信号转换为数字信号的电子器件或电路。
在许多应用领域中，如通信、控制系统、嵌入式电子系统等，AD转换器起着关键的作用。
下面将详细介绍AD转换器的主要技术指标，包括分辨率、采样率、动态范围、非线性和信噪比等。
1. 分辨率（Resolution）：分辨率是指ADC能够分辨的电压或电流变化的能力。
它通常以比特（Bit）来表示，用于衡量数字输出和输入之间的差异。
具有更高分辨率的AD转换器可以精确地采样和表示输入信号的细微变化。
2. 采样率（Sampling Rate）：采样率是指AD转换器每秒钟可以进行的采样次数。
它通常以赫兹（Hz）来表示，用于衡量AD转换器对模拟信号的抽样频率。
较高的采样率可以准确地重构输入信号，并捕捉到高频成分和快速变化的信号。
3. 动态范围（Dynamic Range）：4. 非线性（Nonlinearity）：非线性是指AD转换器输出与输入之间的非线性关系。
这种非线性关系可能导致一些失真，如谐波失真或由非线性转换引起的非线性误差。
AD 转换器的非线性通常通过非线性度（Linearity）参数来表示，其中最常用的是完美度（Differential Nonlinearity，DNL）和积分非线性度（Integral Nonlinearity，INL）。
5. 信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）：信噪比是指AD转换器输出信号与输入信号之间的比率。
它用于衡量AD转换器对信号的测量准确性和抗干扰性能。
较高的信噪比表示AD转换器输出的数字信号较少受到噪声的影响，从而提高了信号的可靠性和准确性。
除了以上主要技术指标之外，还有一些其他的重要参数需要考虑，如功耗、工作电压、接口类型等。
这些参数根据具体应用的要求来选择，以满足系统的需求和性能要求。
总之，AD转换器的主要技术指标包括分辨率、采样率、动态范围、非线性和信噪比等。
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111 110 101 100 VAIN ( 输入电压 ) 8 位 A/D 转换器 011 010 001 VDD (1) VREF ( 参考 电压 ) PCFG2:PCFG0 000 or 010 or 100 001 or 011 or 101 000
AN7 AN6 AN5 AN4 AN3/VREF AN2 AN1 AN0
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PICmicro 中档单片机系列
寄存器 21-2: U-0 — bit 7 bit 7:3 bit 2:0 未用：读为 '0' PCFG2:PCFG0: A/D 端口配置控制位 PCFG2:PCFG0 000 001 010 011 100 101 11x A = 模拟输入 注: AN7 A A D D D D D AN6 A A D D D D D AN5 A A D A D D D AN4 A A A A D D D AN3 A VREF A VREF A VREF D AN2 A A A A D D D AN1 A A A A A A D AN0 A A A A A A D ADCON1 寄存器 U-0 — U-0 — U-0 — U-0 — R/W-0 PCFG2 R/W-0 PCFG1 R/W-0 PCFG0 bit 0
bit 1 bit 0
保留 : 总是保持该位为 0。 ADON: A/D 模块开启位 1 = A/D 转换器模块工作 0 = A/D 转换器关闭，不消耗工作电流 图注 R = 可读位 U = 未用，读为 ‘0’
W = 可写位 - n = POR 复位值
2004 Microchip Technology Inc.
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2004 Microchip Technology Inc.
第 21 章 8 位 A/D 转换器
21.3 操作
当 A/D 转换完成之后，转换结果被载入 ADRES 寄存器， GO/DONE (ADCON0<2>) 位被清零， 且 A/D 中断标志位 ADIF 置 1。
D = 数字 I/O
当 AN3 被选作 VREF 时，A/D 的参考电压为 AN3 引脚的电压。当 AN3 被选作 模拟输入 (A) 时， A/D 的参考电压为器件的 VDD。
图注 R = 可读位 U = 未用，读为 ‘0’
W = 可写位 - n = POR 复位值
注 1:
在器件的复位时，复用为模拟功能 (ANx) 的端口引脚均被强制置为模拟输入。
注:
器件是否具有该模块，请参考附录 C.3 或器件数据手册。
2004 Microchip Technology Inc.
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PICmicro 中档单片机系列
21.1 简介
此模数转换器 (A/D) 模块有多达 8 个模拟输入通道。 A/D 转换器能将一个模拟输入信号转换成相应的 8 位数字信号。采样保持输出是转换器的输入， A/D 转换器采用逐次逼近法产生转换结果。通过软件设置，模拟参考电压可以选择为器件的正向 电源电压 (VDD) 或 VREF 引脚上的电平。 A/D 转换器具备可在休眠状态下工作的独特特性。 A/D 转换器有 3 个寄存器，它们是： • A/D 结果寄存器 (ADRES) • A/D 控制寄存器 0 (ADCON0) • A/D 控制寄存器 1 (ADCON1) ADCON0 寄存器，如图 21-1 所示，控制 A/D 模块的操作。 ADCON1 寄存器，如图 21-2 所示， 可对端口的引脚功能进行配置。 这些 I/O 引脚可被配置成模拟输入 ( 其中一个 I/O 也可作为模拟参 考电压 ) 或数字 I/O 口。 A/D 模块结构框图如图 21-1 所示。 图 21-1： 8 位 A/D 转换器结构图
21
R/W-0 CHS1 R/W-0 CHS0 R/W-0 GO/DONE R/W-0 Resv R/W-0 ADON bit 0
8 位 A/D 转换器
bit 5:3
ADCS1:ADCS0: A/D 转换时钟选择位 00 = FOSC/2 01 = FOSC/8 10 = FOSC/32 11 = FRC ( 来自内部 A/D 的 RC 振荡器的时钟 ) CHS2:CHS0: 模拟通道选择位 000 = channel 0, (AN0) 001 = channel 1, (AN1) 010 = channel 2, (AN2) 011 = channel 3, (AN3) 100 = channel 4, (AN4) 101 = channel 5, (AN5) 110 = channel 6, (AN6) 111 = channel 7, (AN7)
21
8 位 A/D 转换器
当配置好 A/D 模块后，在启动转换前必须先选择 A/D 转换的通道。模拟输入通道的相应 TRIS 位 必须设置为输入。采集时间 （acquisition time) 的确定参见 21.4 “A/D 采集时间要求 ” 小节。在 这一采集时间过去之后， A/D 转换即可开始。按照以下步骤进行 A/D 转换： 1. 配置 A/D 模块 • 对模拟引脚 / 参考电压 / 数字 I/O (ADCON1) 进行配置 • 选择 A/D 输入通道 (ADCON0) • 选择 A/D 转换时钟 (ADCON0) • 打开 A/D 转换模块 (ADCON0) 需要时，设置 A/D 中断 • 将 ADIF 位清零 • 将 ADIE 位置 1 • 将 GIE 位置 1 等待所需的采集时间 启动 A/D 转换 • 将 GO/DONE 置 1 (ADCON0) 等待 A/D 转换完成，通过以下两种方法之一可判断转换是否完成： • 轮询 GO/DONE 位是否被清零； 或 • 等待 A/D 转换的中断。 6. 7. 读取 A/D 结果寄存器 (ADRES)，需要时将 ADIF 位清零。 要再次进行 A/D 转换， 根据要求转入步骤 1 或步骤 2。 每一位的 A/D 转换时间定义为 TAD。 在下一次采集开始前至少需要等待 2TAD。
bit 2
注: 对未用满 8 个 A/D 通道的器件，未使用的选项被保留。不要选择未使用的通道。 GO/DONE: A/D 转换状态位 当 ADON = 1 时 1 = A/D 转换正在进行 ( 该位置 1 启动 A/D 转换。 A/D 转换结束后该位由硬件自动清零 ) 0 = 未进行 A/D 转换
注 (1): 在某些器件上， 该引脚是一个被称为 AVDD 的独立引脚。 这样可允许 A/D 转换器的 VDD 连接到一个精密电压源上。
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第 21 章 8 位 A/D 转换器
21.2 控制寄存器
寄存器 21-1: ADCON0 寄存器 R/W-0 R/W-0 R/W-0 ADCS1 ADCS0 CHS2 bit 7 bit 7:6
21
8 位 A/D 转换器
第 21 Hale Waihona Puke 8 位 A/D 转换器目录
本章包括以下一些主要内容： 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7 21.8 21.9 21.10 21.11 21.12 21.13 21.14 21.15 21.16 21.17 简介 ............................................................................................................................ 21-2 控制寄存器 ................................................................................................................. 21-3 操作 ............................................................................................................................ 21-5 A/D 采集时间要求 ...................................................................................................... 21-6 A/D 转换时钟的选择 ................................................................................................... 21-8 配置模拟输入端口 ...................................................................................................... 21-9 A/D 转换 ................................................................................................................... 21-10 休眠期间的 A/D 转换 ................................................................................................ 21-12 A/D 精度 / 误差 ......................................................................................................... 21-13 复位对 A/D 转换的影响 ............................................................................................ 21-13 CCP 触发器的使用 ................................................................................................... 21-14 连接注意事项 ........................................................................................................... 21-14 传递函数................................................................................................................... 21-14 初始化 ...................................................................................................................... 21-15 设计技巧................................................................................................................... 21-16 相关应用笔记 ........................................................................................................... 21-17 版本历史................................................................................................................... 21-18