第≤节A/心转换票 AD转换器是将模拟信号转换为数字信号,转换过 程通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。 输入为时间上拟输入一模拟开关人( 采样与保持f(k 样值脉冲输出 连续变化的模 S(采样脉冲 拟量,输出为 时间断续模拟 变化的模拟重转 换为一系列等间 隔的脉冲,脉冲 的幅度取决于输 入模拟量
A/D 转换器是将模拟信号转换为数字信号，转换过 程通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。 1、采样与保持 采样是将时 间上的连续变化 的模拟量转换为 时间上断续（离 散）的模拟量。 即将时间上连续 变化的模拟量转 换为一系列等间 隔的脉冲，脉冲 的幅度取决于输 入模拟量。 模拟开关 0 0 0 F t t t O(t ) Fi (t ) S(t ) 模拟输入 f i (t)： 样值脉冲输出 f o (t)： S(t)：采样脉冲 输入为时间上 连续变化的模 拟量，输出为 时间断续模拟 量
☆采用定理 为了能正确用采样输出信号表示输入模拟量,采 样脉冲必须有足够高的频率。 为了保证能从采样信号恢复成原信号,必须满足 ∫≥2mJm:为输入模拟信号/(t)中的最高频率 在工程设计中通常取:f。=(3→5)fm ☆采样-保持电路 模拟信号经采样后,得到 系列样值脉冲,采样脉冲的宽 s(t) 度tw一般是很短暂的,在下一个 采样脉冲到来之前,应暂时保持*场效应管为采样开关 所取得的样值脉冲幅度不变,以☆电容C为保持电容。 便进行转换。因此,在采样电路 之后须加保持电路。 次运放为跟随器,起缓冲 采样保持电路组成 隔离作用。 回阿阿回同回同阿回回同同同呵≯會
为了保证能从采样信号恢复成原信号，必须满足： s 2 imax f f f imax：为输入模拟信号f i (t)中的最高频率 在工程设计中通常取： s 3 5 imax f ＝（ → ）f 模拟信号经采样后，得到 一系列样值脉冲，采样脉冲的宽 度tw一般是很短暂的，在下一个 采样脉冲到来之前，应暂时保持 所取得的样值脉冲幅度不变，以 便进行转换。因此，在采样电路 之后须加保持电路。 ☆ 场效应管为采样开关。 ☆ 电容C为保持电容。 ☆ 运放为跟随器，起缓冲 隔离作用。 为了能正确用采样输出信号表示输入模拟量，采 样脉冲必须有足够高的频率。 VO + - + VI C S(t)
采样保持电路工作过程: 在采样脉冲持续期tw内:场效应 管开关接通,输入模拟信号电压向电容ˇ C充电。 T s(t) 假定,充电时常数T=Rc巛tw, 电容C上的电压在tw期间随输入信号 变化而变化,同时运放输出也会随输入 模拟信号Ⅴi变化而变化。 采样脉冲间歇期(ts期间): 场效应开关断开,由于运放输入阻抗很高,MOS管截止 电阻也非常高,电容C上的电压无放电通路,那么电容C上 的电压就可以保持到下一个采样脉冲到来。 当下一个采样脉冲到来,场效应开关又接通,V。又随Vi 变化而变化。在输入一连串采样脉冲序列后,运放输出一连 串样值脉冲。这个样值脉冲是输入模拟量的阶梯波。 回阿回同回回回同同回回啊仆
VO + - + VI C S(t) 0 VO (t ) t TW TS 在采样脉冲持续期 t w内：场效应 管开关接通，输入模拟信号电压向电容 C充电。 假定，充电时常数τ＝RC《t w ， 电容C上的电压在 t w 期间随输入信号 变化而变化，同时运放输出也会随输入 模拟信号 Vi 的变化而变化。 采样脉冲间歇期（ t s 期间)： 场效应开关断开，由于运放输入阻抗很高，MOS管截止 电阻也非常高，电容C上的电压无放电通路，那么电容C 上 的电压就可以保持到下一个采样脉冲到来。 当下一个采样脉冲到来，场效应开关又接通，VO又随 Vi 变化而变化。在输入一连串采样脉冲序列后，运放输出一连 串样值脉冲。这个样值脉冲是输入模拟量的阶梯波
工 s(t)
0V O (t ) t TW TS V O + -+ V I C S(t)
2、量化与编码 在采样脉冲tw期间,vo=V,在两次采样的间隔时间 (Tstw)时间内,V保持不变。(Ts-tw这段时间供量 化和编码。 数字信号不仅在时间上是离散的,而且数值大小的变化 也是不连续的。因此,任何一个数字量的大小只能表示某个 规定的最小数量单位的整数倍。 什么是量化? 在A/D转换过程中,要用数字量来表示断续变化的模拟 量时,必须将采样一保持电压归化为某个最小单位的整数倍, 这个过程称为量化过程。所取得的最小单位叫做量化单位, 用Δ表示。 什么是编码? 把量化的结果用二进制或二一十进制数表示出来,称为 编码。编码输出的最低有效位(LSB)的1所代表的数量大小 就等于Δ
什么是量化？ 在采样脉冲tw期间，VO=VI，在两次采样的间隔时间 （Ts-tw)时间内，VO保持不变。 （Ts-tw)这段时间供量 化和编码。 数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化 也是不连续的。因此，任何一个数字量的大小只能表示某个 规定的最小数量单位的整数倍。 在A/D转换过程中，要用数字量来表示断续变化的模拟 量时，必须将采样－保持电压归化为某个最小单位的整数倍， 这个过程称为量化过程。所取得的最小单位叫做量化单位， 用Δ表示。 什么是编码？ 把量化的结果用二进制或二－十进制数表示出来，称为 编码。编码输出的最低有效位（LSB)的1所代表的数量大小 就等于Δ
量化误差 由于模拟信号在时间、数值大小都是连续的,不一定 被最小量化单位△整除,所以在量化过程中就可能引入量 化误差。 如果数字信号的位数越多,量化的误差就越小。 例如10位A/D最小量化单位: △ =0.1% 2101024 把输入信号分为1024层,输入信号分层越多,量化误 差越小\。 即,数字量位数越多,量化等级越细
由于模拟信号在时间、数值大小都是连续的，不一定 被最小量化单位△整除，所以在量化过程中就可能引入量 化误差。 如果数字信号的位数越多，量化的误差就越小。 例如10位A/D最小量化单位： 0.1 1024 1 2 1 10 = = = % 把输入信号分为1024层，输入信号分层越多，量化误 差越小。 即，数字量位数越多，量化等级越细
☆心啭器有两种量化方法 只舍不入法: 是将取样保持信号V不足一个量化单位v的尾数 舍去,取其原整数。 有舍有入法: 当取样保持信号v的尾数Vq/2时,用舍尾入整 法得其量化值。 例:假设最小量化单位为vq用两种量化方法求其 输入、输出关系
只舍不入法： 是将取样保持信号VO不足一个量化单位Vq的尾数 舍去，取其原整数。 有舍有入法： 当取样保持信号VO的尾数<Vq/2时，用舍尾取整法 得其量化值。 当取样保持信号VO的尾数≥Vq/2时，用舍尾入整 法得其量化值。 例：假设最小量化单位为Vq,用两种量化方法求其 输入、输出关系
只舍不法:最大量化有含有入法:最大误差 q 输入输出编码|输入输出编码 0000sV<0.5va000 vasV2/q00105ax1.5001 2Vaq≤V<3Vq 0101.5vqV25Vq010 3VqsvK4Vq 0112.5VqsVK3.5Vq01 1 4q≤V5V 100|35vqV<45q100 5Vqsvr6vq 101|14.5VqV55q101 6qV<7M1105qV65/110 7qsV8vq111165q75V111
0≤VI<Vq 输 入 输出编码 输 入 输出编码 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 Vq≤VI<2Vq 2Vq≤VI<3Vq 3Vq≤VI<4Vq 4Vq≤VI<5Vq 5Vq≤VI<6Vq 6Vq≤VI<7Vq 7Vq≤VI<8Vq 0≤VI<0.5Vq 0.5Vq≤VI<1.5Vq 1.5Vq≤VI<2.5Vq 2.5Vq≤VI<3.5Vq 3.5Vq≤VI<4.5Vq 4.5Vq≤VI<5.5Vq 5.5Vq≤VI<6.5Vq 6.5Vq≤VI<7.5Vq 最大量化 误差为Vq 最大量化误差 为±Vq/2
、AD转换电路 AD换电路1两大类间楼法 间接法: 直接法 将采样一保持的模拟信直接法: 号先转换为时间T或频率F 主要通过2个量化级 然后再将时间T或频率F转换 电压与输入采样一保持模 为数字量。通常采用频率恒 拟电压进行比较,将比较 定的时钟脉冲通过计数器来 的结果直接转换为数字量。 实现转换,因此,也称为计 数式方法。 间接法AD转换器特点:直接法AD转换器特点: 工作速度比较低,但转 工作速度快,调整方 换精度比较高,抗干扰能力便,但转换精度比间接法 强,一般在测试仪表中用的低。 较多。 回阿阿回同回同阿回回同同同呵≯會
间接法： 将采样－保持的模拟信 号先转换为时间T或频率F, 然后再将时间T或频率F转换 为数字量。通常采用频率恒 定的时钟脉冲通过计数器来 实现转换，因此，也称为计 数式方法。 间接法A/D转换器特点： 工作速度比较低，但转 换精度比较高，抗干扰能力 强，一般在测试仪表中用的 较多。 直接法： 主要通过2 n个量化级 电压与输入采样－保持模 拟电压进行比较，将比较 的结果直接转换为数字量。 直接法A/D转换器特点： 工作速度快，调整方 便，但转换精度比间接法 低
、W变换型A0转换器 VV1,Vc=1Vr:采样一保持信号 V7(基准) 信号电压B电路 与门 E 计数器 同项輪入大于基准撿出为1 比较器 线性锯齿A1 D 浪发生器 零值电压一冲并行输出代码 启动脉冲「 比较器 源*门禁止:脉冲源的脉冲不能通 ≥0.Vn=1 过门电路,计数器无计数脉冲而 停止计数 ☆在启动脉冲地作用下,线性良好 ☆计数器在单位时间T内输出的状 地锯齿波同时加到两个比较器输入 端,和输入电压Ⅴ及0电位比较。 态为记录M个计数脉冲的二进制 码,就是输入Ⅵ的数字量代码。 ☆比较的结果B、C两输出决定门电即把v→T→D 路开放还是禁止。 ☆门开放:脉冲源地脉冲加到计数器输入端,计数器开始 计数,输出为并行二进制代码。 圆
线性锯齿 波发生器 信号电压 比较器 零值电压 比较器 与门 电路 脉冲 源 计数器 并行输出代码 启动脉冲 A B C D （I 基准） E V VA 0,VB =1 ☆在启动脉冲地作用下，线性良好 地锯齿波同时加到两个比较器输入 端，和输入电压VI及0电位比较。 ☆比较的结果B、C两输出决定门电 路开放还是禁止。 ☆门开放：脉冲源地脉冲加到计数器输入端，计数器开始 计数，输出为并行二进制代码。 ☆门禁止：脉冲源的脉冲不能通 过门电路，计数器无计数脉冲而 停止计数。 VA<VI,VC=1 ☆计数器在单位时间T内输出的状 态为记录M个计数脉冲的二进制 码，就是输入VI的数字量代码。 即把VI→T→D VI :采样－保持信号