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8.2.2 A/D 转换器工作原理

8.2.2 A/D 转换器工作原理. 直接 A/D 转换器：并行比较型 A/D 转换器 　　　　　 逐次比较型 A/D 转换器 间接 A/D 转换器：双积分型 A/D 转换器 　　　　　　　　 电压转换型 A/D 转换器. 1. 逐次比较型 A/D 转换器. 天平称重过程：砝码（从最重到最轻），依次比较，保留 / 移去，相加。 　 逐次比较思路：不同的基准电压－－砝码。. CP. D n-1 D n-2 D n-3 …D 1 D 0. u 0 (V). u I > u O ？. 0. 1 0 0… 00.

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8.2.2 A/D 转换器工作原理

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  1. 8.2.2 A/D转换器工作原理 直接A/D转换器：并行比较型A/D转换器 　　　　　 逐次比较型A/D转换器 间接A/D转换器：双积分型A/D转换器 　　　　　　　　 电压转换型A/D转换器 1. 逐次比较型A/D转换器 天平称重过程：砝码（从最重到最轻），依次比较，保留/移去，相加。 　 逐次比较思路：不同的基准电压－－砝码。

  2. CP D n-1D n-2 D n-3…D1D0 u0 (V) uI>uO？ 0 1 0 0… 00 0.5UREF 1（D n-1为1）/0（D n-1为0） 1 D n-1 1 0… 00 0.75/0.25UREF 1（D n-2为1）/0（D n-2为0） 2 D n-1 D n-2 1… 00 … 1（D n-3为1）/0（D n-3为0） … … … … n-1 D n-1D n-2 D n-3…D11 … 1（D 0为1）/0（D 0为0） n位A/D转换器 基准电压UREF 逐次逼近型ADC电路框图 电路由启动脉冲启动后:

  3. CP D7D6D5D4D3D2D1D0 u0 (V) uI>uO 0 10000000 5 1 1 11000000 7.5 0 2 10100000 6.25 1 3 10110000 6.875 0 4 10101000 6. 5625 1 5 10101100 6.71875 1 6 10101110 6.796875 1 7 10101111 6.8359375 1 实例 uI>uO为1否则为0 8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V， D/A转换器基准电压UREF=10V。 相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。

  4. 8位逐次比较型A/D转换器波形图

  5. 2. 双积分型A/D转换器 基本原理：对输入模拟电压uI和基准电压-UREF分别进行积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔T2，然后在这个时间间隔里对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果N就是正比于输入模拟信号的数字量信号。　　 （1）电路组成

  6. 双积分型ADC电路 ① 积分器： Qn=0，对被测电压uI进行积分；　　　 　　　 　 Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。 ② 检零比较器C：当uO≥0时，uC＝0； 当uO＜0时，uC＝1。 ④　时钟脉冲控制门G1：当uC =1时，门G1打开，CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。 ③ 计数器：为n＋1位异步二进制计数器。第一次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固定时间T1＝2nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到时Qn＝1，使S1从A点转接到B点。第二次计数，是将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。

  7. （1）电路组成 　　①　积分器： Qn=0，对被测电压uI进行积分；Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。 　　②　检零比较器C：当uO≥0时，uC＝0；当uO＜0时，uC＝1。 　　③ 计数器：为n＋1位异步二进制计数器。第一次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固定时间T1＝2nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到时Qn＝1，使S1从A点转接到B点。第二次计数，是将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。 　　④　时钟脉冲控制门G1：当uC =1时，门G1打开，CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。

  8. （2）工作原理 　　先定时（T1）对uI正向积分，得到Up，Up∝uI； 　　再对－UREF积分，积分器的输出将从Up线性上升到零。这段积分时间是T2，T2∝Up∝uI； 　　在T2期间内计数器对时钟脉冲CP计得的个数为N，N∝T2∝Up∝uI。 　　由于这种转换需要两次积分才能实现，因此称该电路为双积分型ADC。 双积分型ADC的工作波形

  9. 工作过程： ① 准备阶段：转换控制信号CR＝0，将计数器清0，并通过G2接通开关S2，使电容C放电；同时，Qn＝0使S1接通A点。　

  10. 　 ② 采样阶段：当t＝0时，CR变为高电平，开关S2断开，积分器从0开始对uI积分，积分器的输出电压从0V开始下降，即

  11. 与此同时，由于uO＜0，故uC＝1，G1被打开，CP脉冲通过G1加到FF0上，计数器从0开始计数。直到当t＝t1时，FF0～FFn-1都翻转为0态，而Qn翻转为1态，将S1由A点转接到B点，采样阶段到此结束。若CP脉冲的周期为Tc，则T1＝2nTc。

  12. 　　设UI为输入电压在T1时间间隔内的平均值，则第一次积分结束时积分器的输出电压为

  13. ③ 比较阶段：在t=t1时刻，S1接通B点，-UREF加到积分器的输入端，积分器开始反向积分，uO开始从Up点以固定的斜率回升，若以t1算作0时刻，此时有

  14. 　　当t＝t2时，uO正好过零，uC翻转为0，G1关闭，计数器停止计数。在T2期间计数器所累计的CP脉冲的个数为N，且有T2＝NTC。

  15. 　　 若以t1算作0时刻，当t＝T2时，积分器的输出uO＝0，此时则有

  16. 　　由于T1＝2nTc，所以有 　　可见，T2∝UI。

  17. 结论： 　 第一，如果减小uI（即图7-12中的uI′），则当t＝T1时，uO＝Up′，显然Up′＜Up，从而有T2′＜T2； 第二，T1的时间长度与uI的大小无关，均为2nTc； 第三，第二次积分的斜率是固定的，与Up的大小无关。 由于T2＝NTc，所以 可见，N∝UI∝uI，实现了A/D转换，N为转换结果。

  18. 优点1：抗干扰能力强。积分采样对交流噪声有很强的抑制能力；如果选择采样时间T1为20ms的整数倍时，则可有效地抑制工频干扰。优点1：抗干扰能力强。积分采样对交流噪声有很强的抑制能力；如果选择采样时间T1为20ms的整数倍时，则可有效地抑制工频干扰。 　 优点2：具有良好的稳定性，可实现高精度。由于在转换过程中通过两次积分把UI和UREF之比变成了两次计数值之比，故转换结果和精度与R、C无关。 缺点：转换速度较慢。完成一次A/D转换至少需要（T1＋T2）时间，每秒钟一般只能转换几次到十几次。因此它多用于精度要求高、抗干扰能力强而转换速度要求不高的场合。

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