AD转换电路.docx

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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。