模数转换电路

uo
模拟电压输入
D/A转换器
VREF
数字输出 （Dn－1～D0）
ui
+ －
比较器
逐次逼近寄存器 （SAR） … 逻辑控制电路
CP
启动信号
转换结束
逐次逼近型A/D转换器电路
收到启动信号→寄存器置零→第一个CP到来→寄存器的最 高位Dn－1置1→D/A转换器输出模拟电压uO→uO与ui进行比较， 若ui≥uO，则保留这一位，否则将该位置0→第二个CP到→使寄 存器的次高位Dn－2置1→并与Dn－1一起送入D/A转换器，再次转 换成模拟电压uO→uO与ui进行比较，若ui≥uO，则保留该位，否则 将该位置0→此过程依次进行下去，直到最后一位D0比较完毕。
3位并行比较型A/D转换器真值表 寄存器状态 代码输出 Q2 0 0 1 1 1 1 1 1 Q1 0 1 1 1 1 1 1 1 D2 0 0 0 0 1 1 1 1 D1 0 0 1 1 0 0 1 1 D0 0 1 0 1 0 1 0 1
输入模拟电压
0≤ui≤(1/15)VREF (1/15)VREF< ui≤(3/15)VREF (3/15)VREF< ui≤(5/15)VREF (5/15)VREF< ui≤(7/15)VREF (7/15)VREF< ui≤(9/15)VREF (9/15)VREF< ui≤(11/15)VREF (11/15)VREF< ui≤(13/15)VREF (13/15)VREF< ui≤VREF
O
CP
t
O
uo
t
O
t
保持——由于A/D转换需要一定的时间，所以在每次采样结束 后，应保持采样电压值在一段时间内不变，直到下一 次采样开始。采样-保持电路一般合二为一。
－ － +
A1
∞
+
S
开关驱 动电路
uC
+
A2 +
∞
ui
CH
uo
采样脉冲
u
uiuoO源自t2．量化和编码 量化——将采样-保持电路输出的阶梯电压，用某个规定最小单 位（ ）的整数倍表示， 称： 为 “量化单位”。 编码——将量化后的信号数值用二进制码表示。经编码后的结 果就是A/D转换器的输出。
5-5-1 A/D转换器的基本原理
A/D转换器一般包括——1）采样-保持电路；
2）量化编码电路两部分组成。
其工作原理如图所示：
CP us (t) C D0 D1 … D n －1
数字量 输出 （n位）
ui (t)
S
量化及 编码电 路
输入模拟电压
采样-保持电路
采样展宽信号
A/D转换器的工作原理示意图
1．采样-保持电路 采样——把随时间连续变化的信号转换为时间上断续、幅度上 等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲。 ui
5-5-3 逐次逼近型A/D转换器
——是一种反馈比较型A/D转换器。它进行A/D转换的过程类似 于用天平称质量。把砝码从大到小依次置于天平上，与被称 物体比较，若砝码比物体轻，则保留该砝码，否则去掉，直 至称出物体质量为止。例如，设砝码质量分别为8g、4g、 2g、1g，要称量质量为11g的物体，如果砝码保留记为1，去 掉记为0，则被称量物体的质量可表示为二进制数1011。
2 3 当 2
1 2
时，uo的量化值取0；
3 2 5 2
当 1 ≤ uo< ≤ uo<
时，uo的量化值取 ；
时，uo的量化值取 2 。
例如，将0～1V之间的模拟电压转换为3位二进制代码。 采用两种不同方法，量化结果如图所示
1V 7/8V 6/8V 5/8V 4/8V 3/8V 2/8V 1/8V 0V
量化误差——采样得到的电压不可能正好是整数倍，在量化时 要取近似值，因此，必然产生一定的误差。 量化方法—— （1）只舍不入法。当0≤ uo< 时，uo的量化值取0； 当 ≤ uo< 2 时，uo的量化值取 ； 当2 ≤ uo< 3 时，uo的量化值取2
（2）有舍有入法。当0≤ uo<
+
D
FF4
D1
R
－
C3
∞
+
+
D
FF3
D0
R
C2
－
∞
+
+
D
FF2
R
+
C1
－
∞
+
D
FF1
R
电路主要由三部分组成： （1）电阻分压器——将VREF分别送到各电压比较器的反相端。 且各比较器参考电压分别为 VREF /15 、3VREF /15，… 13VREF /15。 （2）电压比较器——同相端电压高于反相端时，输出高电平， 反之输出低电平。 三位ADC用7个比较器，并且将同相端共 同接输入电压，ui取不同值时，各比较器 的输出也不同。 （3）寄存器及编码电路——7个D触发器在时钟脉冲CP的作用 下，将比较器的输出结果暂存，供 代码转换电路进行编码，实现模拟 量到数字量的转换。 真值表如下表：
5-5-2 并行比较型A/D转换器
VREF ui R C7
－ ∞
13 15
VREF
+
+
D
FF7
R
+
11 V REF 15 9 VREF 15 7 V REF 15 5 VREF 15
3 V 15 REF 1V REF 15
C6
－ ∞
+
D
FF6
R
+
C5
－ ∞
+
D
FF5
代 码 转 换 器
D2
R
+
C4
－ ∞
Q7 0 0 0 0 0 0 0 1
Q6 0 0 0 0 0 0 1 1
Q5 0 0 0 0 0 1 1 1
Q4 0 0 0 0 1 1 1 1
Q3 0 0 0 1 1 1 1 1
并行比较型A/D转换器特点—— 1）优点：是并行转换，则速度快（ns级），因此在高速 ADC中应用广泛。 2）缺点：所用的硬件数量多。二进制代码每增加一位， 分压电阻、比较器、寄存器的数量要加倍。
量化电压
111 110 101 100 011 010 001 000
代码输出
1V 13/15V 11/15V 9/15V 7/15V 5/15V 3/15V 1/15V 0V
量化电压
111 110 101 100 011 010 001 000
代码输出
(a)
(b)
量化和编码电路是A/D转换器的核心。 ADC分类——1）并行比较型A/D转换； 2）逐次逼近型A/D转换； 3）双积分型A/D转换。
§5-5 模/数转换电路(ADC)
学习要点：
•A/D转换器的一般构成部件
•并行比较型和逐次逼近型ADC结构和
特点
模/数转换电路
5-5-1 A/D转换器的基本原理 5-5-2 并行比较型A/D转换器 5-5-3 逐次逼近型A/D转换器 5-5-4 A/D 转换器的主要参数 退出
A/D——将模拟信号转换为数字信号的过程称为模-数 (A/D)转 换，能够完成这种转换的电路称为ADC)