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AD转换电路
A/D转换电路
导读:
A/D转换器(ADC)是将模拟信号转换成数字信号的电路。
本章将介绍A/D转换的基本概念和原理电路,重点介绍集成芯片中的常用转换方法:
逐次逼近型和V—T双积分型转换电路,常用
集成ADC芯片,并给出典型应用实例。
0.1A/D转换的基本概念
A/D转换过程包括取样、保持、量化和编码4个步骤,一般,前2个步骤在取样-保持电路中1次性完成,后2个步骤在A/D转换电路中1次性完成。
1.取样和取样定理
我们知道,要确定(表示)1条曲线,理论上应当用无穷多个点,但有时却并非如此。
比如1条直线,取2个点即可。
对于曲线,只是多取几个点而已。
将连续变化的模拟信号用多个时间点上的信号值来表示称为取样,取样点上的信号值称为样点值,样点值的全体称为原信号的取样信号。
1个取样信号示例如图1.1.1-1(b)所示。
取样时间可以是等间隔的,也可以自适应非等时间间隔取样。
问题是:
对于频率为f
的信号,应当取多少个点,或者更准确地说应当用多高的频率进行取样?
取样定理将回答这个问题:
只要取样频率fs大于等于模拟信号中的最高频率fmax的2倍,利用理想滤波器即可无
失真地将取样信号恢复为原来的模拟信号。
这就是说,对于1个正弦信号,每个周期只要
取2个样点值即可,条件是必须用理想滤波器复原信号。
这就是著名的山农(Shannon)取
样定理,用公式表示即为
fS2fmax(12.1-1)
在工程上,一般取fS(4~5)fmax。
2.取样-保持
取样后的样点值必须保存下来,并在取样脉冲结束之后到下1个取样脉冲到来之前保
持不变,以便ADC电路在此期间内将该样点值转换成数字量,这就是所谓取样-保持。
常用的取样-保持电路芯片有LF198等,其保持原理主要是依赖于电容器C上的电压不能突变而实现保持功能的。
3.量化与编码
注意,取样保持后的样点值仍是连续的模拟信号,为了用数字量表示,必须将其化成某个最小数量单位△的整数倍。
比如取样保持后的电压值为10V,如果以“1V”为最小数
量单位△,转换成的数字就是10;如果以“1mV”为单位,转换成的数字就是10000;这
个化模拟量为数字量的过程称为量化。
有只舍不入式量化和有舍有入式量化2种。
转换之后的数字可以用10进制表示(如上述的“10”),也可以用2进制数表示(如
“1010”),或用BCD码表示(如“00010000”)等,这就是所谓编码。
一般多用2进制码。
0.2基本ADC电路
模-数转换方法有直接ADC和间接ADC两种。
直接ADC中有并行比较法、反馈计数法和逐次逼近法等;间接ADC中有V—F(电压t频率)转换法和V—T(电压t时间)转换法等多种。
下面重点介绍集成芯片中用得最多的逐次逼近型和双积分型A/D转换器电
路。
2.1逐次逼近型ADC
逐次逼近型ADC的工作原理很象人们量体重的过程:
假如你的体重不超过200公斤,你会先加1个100公斤的秤砣试试看,如果发现100公斤的秤砣太大(比如实际体重是70公斤),就将此砣去掉;换1个50公斤的秤砣再试,发现50公斤的秤砣又偏小,故将其保留;然后再加1个25公斤的秤砣,发现体重不足75公斤,再将此25公斤的秤砣去掉,换1个更小一点的秤砣……如此进行,逐次逼近,直到满足要求为止。
图12.2.1-1就是按照上述构思而成的4位逐次逼近型ADC的原理电路图,由比较器、D/A转换器、寄存器、控制逻辑电路和时钟脉冲发生器5部分组成。
其工作过程大致如下:
1当启动信号(即“START”信号,图中未示出)的正边沿到达后,电路被初始化为
以下状态:
寄存器TR3〜TR0清零为d3d2d1d0=0000,从而DAC的模拟输出vo=0V;FF1〜FF6组成的环形计数器的状态为Q1Q2Q3Q4Q5Q6=100000,门H3〜H0被Q6=0封锁,数字输出D3D2D1D0=0000。
2START信号过后,即其下降边到达时,信号vc=1,A/D转换开始。
第1个CP脉冲
到达时,如果输入的取样保持信号vi工0V,则vi>vo=0V,vb=0,与门G3〜G0被封锁,TR3的R=0、S=Q1=1,而TR2〜TR0的S=0、R=1(注意,Q1=1经或门M2〜M0使TR2〜TR0的R=1),所以TR3〜TR0被置为d3d2d1d0=1000,此数码经D/A转换变为满量程电压的一半左右(这相当于上述加100公斤的秤砣!
);与此同时,环形移位寄存器状态下移1位变
为Q1Q2Q3Q4Q5Q6=010000。
3第2个CP脉冲到达时,若VI ); 与此同时TR2被置1,TR1、TR0被置0,即d3d2dido=O1OO(注意,如果第2个CP脉冲到达时vi>vo,贝Uvb=O,G3〜GO被封锁,TR3的S=R=O,将保留原状态d3=1不变,而d2dido=1OO)。 环形移位寄存器再次下移1位,变为QiQ2Q3Q4Q5Q6=OO1OOO。 4类似地,第3个CP脉冲到达后,d1dO=1O,Q1Q2Q3Q4Q5Q6=OOO1OO;第4个CP脉冲到达后,dO=1,Q1Q2Q3Q4Q5Q6ROOO1O。 5第5个CP脉冲用于输出数字码: 第5个CP脉冲到达后,]Q1Q2Q3Q4Q5Q6=OOOOO1, Q6=1使门H3〜HO开启,数字d4d3d2d1经门H3〜HO送D3D2D1DO端输出。 6第6个CP脉冲用于电路初始化,电路将返回①所述的初始状态。 1个样点值转换 7 完毕。 图12.2.1-14位逐次逼近型A/D转换器原理电路 个CP周期,n是位数),所以,在集成A/D芯片中用得最多。 Title File: 双积分型ADC是1种V—T型A/D转换器,原理电路如图比较器、计数器和部分控制电路组成。 工作过程如下: (1)平时(即A/D转换之前),转换控制信号vc=0,计数器和触发器FFc被清零,门 G1、G2输出低电平,开关So闭合使电容C完全放电,Si掷下方,比较器输出vb=0,门G3关闭。 (2)vc=1时,开关So断开,开关Si掷上方接输入信号Vi,积分器开始对Vi积分,输出电压为 1tVI vOV|dt-t(1222-1) RC0RC 显然vo是1条负向积分直线,如图12.2.2-1(b)中t=0〜T1段实线所示。 与此同时,比较器 输出vb=1(因vo<0),门G3开启,计数器开始计数。 (3)当积分到t=T1=2叮cp时(其中Tcp是时钟CP的周期),n位计数器计满2n复0,FFc置1,门G2输出高电平,开关S1掷下方接基准电压(一Vref),积分器开始对(一Vref)进行积分。 设t=T1时,vo下降到vo=Vo1,由式(12.2.2-1) 因为(—Vref)为负值,所以从V01开始向相反方向积分,即爲爲;sdns® V。 Voi-CT(VREF)dtVoiVRCF(tTi)(I2.2.2-3) RCTiRC VO波形如图12.2.2-1(b)中t=Ti〜(T1+T2)段实线所示(图中下方虚线是最大输入电压时的积分线)。 (4)当t=Ti+T2时,vo上升到vo=0V,vb=0,门G3被关闭,计数器停止计数,此时计数器中保存下来的数字就是时间T2。 由图可知,输入信号Vi越大,|Voi|越大,T2就越大。 将式(I2.2.2-2)、 t=Ti+T2和vo=0V代入式(I2.2.2-3)中,得 VlTVREFtc VOTiT20 RCRC 从而有 〒Vit T2—Ti(I2.2.2-4) Vref 显然,计数器中的数字dn-idn-2・・・dido与输入信号Vi成正比。 [例I2.2.2-I]设I0位双积分型A/D转换器的基准电压Vref=8V,时钟频率 fcp=IMHz,请问输入电压Vi=2V时A/D转换器输出的数字D(io)是多少? 解: 因为时间T2等于计数器中的数字乘以时钟周期Tcp,所以数字D(io) D(io) T2 TCP 考虑到式(I2.2.2-4)和Ti=2nTcp D(io) 代入Vi=2V、Vref=8V和n=i0,得 nV|io2 D(io)2n(」)2i0()256 Vref8 如果用2进制显示,则为0I00000000。 双积分型A/D转换器的最大优点是工作稳定,抗干扰能力强。 并且由式(I2.2.2-5) 可以看出,双积分型A/D转换器的数字输出与积分电阻R、积分电容C、时钟频率fcp无关。 双积分型A/D转换器的最大缺点是速度较慢,所以主要用于数字电压表等低速测试系统中。 双积分型A/D转换器的转换精度主要取决于位数、运算放大器和比较器的灵敏度和零 点漂移等因素的影响。 0.3常用ADC芯片及其典型应用举例 目前,常见的A/D转换器的有效位数有4、6、&10、12、14、16位以及BCD码输 111 出的3—位、4—位和5—位等多种;转换速度有低速(w1s)、中速(w1ms)、高速(w1 222 卩s)和超高速(w1ns)等;就芯片组成而言,有些芯片不但包括ADC基本电路,还包括多路转换开关、时钟电路、基准电压源或2t10转换器等,功能更加齐全。 表12.3-1中给 出了部分ADC芯片的一些特征参数,从中可了解当前ADC芯片的状况,并可供使用参考。 表12.3-1常见ADC芯片 型号 位数 电路类型 主要参数 注 ADC0804 8 CMOS 逐次逼近 单电源供电 1路8位2进 制代码输岀 ADC0809 8 CMOS 逐次逼近 时钟频率=1.26MHz转换时间=100卩s 转换误差三±1LSB 内含8路数据选择器以便进行8 路ADC 8路8位2进制码LSTTL 电平输岀, 28脚封装 ADC0816 8 CMOS逐次逼近 Vdd=5V(典型) 转换时间=90〜114gs 时钟频率=10〜1200(典型640)KHz 16路8位2 进制码 40脚封装 AD571 10 CMOS 双积分 Vdd什)=+5V、Vdd(-)=-15V转换误差三±1/2LSB AD7552 12+ 1符号位 CMOS 双积分 时钟频率=250KHz转换时间=160ms转换误差三±1LSB 2进制补码输岀 ADCICL7106/7107 ADCICL7126/7127 3丄 2 CMOS 双积分 Vdd=15V(7106/26) Vdd(+)=+6V,Vdd(-)=-9V(7107/27)内有时钟(时钟可外接,亦可外接晶体或RC元件自激产生) 建议钟频40、50、100、200KHz线性度土0.2%±1个字 3位半7段译码输出 7106/26驱动LCD 7107/27驱动LED40脚封装 MC14433(CC14433) 1 3 2 CMOS 双积分 Vdd=5V(典型),Vee=—5V线性度土0.05%±1个字 时钟频率=30〜300KHz BCD码输出 24脚 下面给出几个典型应用实例,从中你不但可以了解到一些芯片的封装信息和引脚功能,而且可以看到,不同芯片有不同的输出方式,从而电路连接不同。 [例12.3-1]画出ADC0809与单片机87C51的接口线路,实现8路A/D转换。 解: ADC0809是8路8位ADC芯片,片内有8路模拟开关、地址锁存与译码、256电阻 梯形网络、电子开关树、逐次逼近寄存器、比较器和3态输出锁存器等,特别适合与微机 接口。 87C51是8位CMOS单片微机芯片,有1个双工口P0口和2个半双工口P1口、P2口,其中P0.0〜P0.7(P0口的8个引脚号)主要用作数据和地址总线口。 87C51的引脚及 其同ADC0809的接口线路如图12.3-1所示。 8路模拟信号由ADC0809的IN0〜IN7端输入,87C51的ALE端输出的脉冲信号送ADC0809的10脚作为ADC的时钟信号(若时钟频率偏高,其间可加分频器)。 在A/D转 换时,87C51的P2.7(也可用其它引脚)发出片选信号,并由引脚37、38、39发出通道选 择信号,分别送ADC0809的通道地址输入端A、B、C,选择要进行A/D变换的模拟通道,然后发出WR信号,经或非门送ADC0809的START和ALE端,A/D转换即被启动;A/D转换完成之后,从EOC端返回87C51一个转换结束信号,单片机随即用RD信号将A/D 转换的数字输出从D0〜D7端经P0口数据总线读入自己的存储器中。 A/D转换过程全部结 束。 1234 图12.3-1用ADC0809和87C51组成8路A/D转换器 1 [例12.3-2]用双积分型A/D转换芯片CC14433组成3-位直流数字电压表。 2 解: b具体电路如图12.3-2所示,共用4块芯片,其中CC14433是A/D转换,CC4511是4t7译码/锁存,用于驱动LED数码管,MC1413是7路达林顿管驱动器,MC1403是稳压块,提供基准电源。 模拟电压从CC14433的Vi端(3脚)输入,经A/D转换后变为BCD码,从Q0、Q1、 Q2、Q3端输出,送MC4511的A、B、C、D代码输入端,转换成a〜g7段码输出,驱动LED数码管。 各位数码管由位控信号DS1、DS2、DS3、DS4控制,将依次巡回闪亮。 Title A SizeNumberRevision B Date: 22-Aug-2000Sheetof File: D: \T_sdn\t_sdn13301.schDrawnBy: 图12.3-2用CC14433组成3位半直流数字电压表 图12.3-3用CC7106或7107组成3位半直流数字电压表 Title CC7106或7107的封装及各引脚的名称、功能、主要电阻电容参数及其作用都已标在 图中,不再赘述。 模拟输入信号经1MQ限流保护电阻从CC7106或7107的IN+和IN-端输 1 入,在芯片内转换为3—位BCD码并经7显示译码/锁存后输出,其中段号仍用a、b、 2 c、d、e、f、g,其下脚标U、T、H和K分别表示个位(Unit)、十位(Ten)、百位(Hundred)和千位。 这些引脚可直接接LCD或LED数码管,不需要其它芯片或太多外接元件。 &、 C1是RC振荡器的阻容振荡元件,对于图中参数R1=100KQ,C1=100PF,主振频率为 fcp=0.45/R1C1=45kHz.。 在模拟信号输入端,一般还有1个量程切换开关(没有示出),图中的小数点切换开 关与此量程开关同步切换。 图中右侧虚线部分是使用CC7107时的电源线路。 0.4ADC的主要性能参数及芯片选用 ADC的性能参数主要有转换精度和转换速度等。 转换精度常用分辨率和转换误差来表 示。 (1)分辨率 分辨率是A/D转换器能够分辨最小信号的能力,一般用输出的2进制位数来表示。 如 ADC0809的分辨率为8位,表明它能分辨满量程输入的1/28。 (2)转换误差 转换误差是转换结果相对于理论值的误差,常用LSB的倍数表示,如AD571的转换 1 误差w1LSB等。 2 (3)转换速度 转换速度是完成1次A/D转换所需的时间,故又称为转换时间。 它是A/D转换启动时刻起到输出端输出稳定的数字信号止所经历的时间。 选用ADC芯片的主要依据是上述参数,此外还要注意其它一些特性,如输入通道数 (即A/D转换路数)、输出方式,其中包括输出编码方式(如2进制码、BCD码、7段显 示译码)、输出逻辑电平(CMOS、LSTTL)与微机接口能力等。
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