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[導(dǎo)讀]A/D轉(zhuǎn)換的基本原理在一系列選定的瞬間對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行取樣,然后再將這些取樣值轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量,并按一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換過程大致可分為取樣、量化、編碼三個(gè)過程。取樣-保持電路取樣-保持電路的基本形式如上圖,圖中T為N溝道增強(qiáng)型MOS管,作模擬開關(guān)使用。當(dāng)取樣...

A/D轉(zhuǎn)換的基本原理
在一系列選定的瞬間對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行取樣,然后再將這些取樣值轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量,并按一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。
整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換過程大致可分為取樣、量化、編碼三個(gè)過程。


取樣-保持電路


取樣-保持電路的基本形式如上圖,圖中T為N溝道增強(qiáng)型MOS管,作模擬開關(guān)使用。


當(dāng)取樣控制信號(hào)Vi為高電平時(shí)T導(dǎo)通,輸入信號(hào)Vi經(jīng)電阻R1和T向電容CH充電。若取R1=RF,且視運(yùn)算放大器為理想運(yùn)算放大器,則充電結(jié)束后,Vo=Vch=-Vi


當(dāng)Vi返回低電平以后,MOS管T截止,由于CH上的電壓在一段時(shí)間內(nèi)基本保持不變,所以Vo也保持不變,取樣結(jié)果被保存下來(CH的漏電流越小,運(yùn)算放大器的輸入阻抗越高,Vo保持的時(shí)間也越長(zhǎng))。


該電路在取樣過程中需要輸入電壓經(jīng)R1和T向電容CH充電,這就限制了取樣速度,而通過減少R1的辦法提高取樣速度又必將降低電路的輸入阻抗。


A/D轉(zhuǎn)化器分類:

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器(分為:計(jì)數(shù)型、逐次漸進(jìn)型)

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器


特性并聯(lián)比較型反饋比較型雙積分型
轉(zhuǎn)換速度
穩(wěn)定性--強(qiáng)
電路復(fù)雜度復(fù)雜簡(jiǎn)單-


并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)圖如下,它由電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換電路三部分組成。輸入為0-Vref間的模擬電壓,輸出為3位二進(jìn)制數(shù)碼d2d1d0。


電壓比較器中量化電平的方式:采用電阻鏈將參考電壓Vref分壓,得到(1/15)Vref到(3/15)Vref之間7個(gè)比較電平,量化單位為(2/15)Vref,將這7個(gè)比較電平分別接到7個(gè)電壓比較器C1-C7的輸入端作為比較基準(zhǔn),同時(shí)將輸入的模擬電壓同時(shí)加到每個(gè)比較器的另一個(gè)輸入端,與這7個(gè)比較基準(zhǔn)進(jìn)行比較。


若Vi<(1/15)Vref,則所有比較器的輸出全是低電平,CLK上升沿到來后寄存器中所有的觸發(fā)器都被置為0狀態(tài)

若(1/15)Vref以此類推,便可列出Vi為不同電壓時(shí)寄存器的狀態(tài)

  

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的最大優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快,其一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間只包括一級(jí)觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時(shí)間和三級(jí)門電路的傳輸延遲時(shí)間。但,從電路可知,輸出為n位二進(jìn)制代碼的轉(zhuǎn)換器應(yīng)當(dāng)有(2^n)-1個(gè)電壓比較器和(2^n)-1個(gè)觸發(fā)器,電路的規(guī)模隨著輸出代碼位數(shù)的增加而急劇膨脹,電路更加復(fù)雜



反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器

反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)常采用的有計(jì)數(shù)型和逐次漸近型兩種方案

1、計(jì)數(shù)型

如下圖,轉(zhuǎn)換器由比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器、脈沖源、控制門G以及輸出寄存器等幾部分組成。


步驟一:轉(zhuǎn)換前先用復(fù)位信號(hào)將計(jì)數(shù)器置零,而且轉(zhuǎn)換控制信號(hào)應(yīng)停留在VL=0的狀態(tài)。此時(shí)門G被封鎖,計(jì)數(shù)器不工作。由于此時(shí)計(jì)數(shù)器加給D/A轉(zhuǎn)換器的是全0的數(shù)字信號(hào),故Vo=0。

步驟二:當(dāng)VL變成高電平時(shí)開始轉(zhuǎn)換,脈沖源發(fā)出的脈沖經(jīng)過門G加到計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)輸入端CLK,計(jì)數(shù)器開始做加法計(jì)數(shù)。

步驟三:隨著計(jì)數(shù)的進(jìn)行,D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓Vo也不斷增加。當(dāng)Vo增加至Vo=Vi時(shí),Vb=0,將門G封鎖、計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。此時(shí)計(jì)數(shù)器中所存的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。


因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換過程中計(jì)數(shù)器中的數(shù)字不停地變化,所以不宜將計(jì)數(shù)器的狀態(tài)直接作為輸出信號(hào),為此在輸出端設(shè)置了輸出寄存器,在每次轉(zhuǎn)換完成以后,用轉(zhuǎn)換控制信號(hào)VL的下降沿將計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字置入輸出寄存器中,以輸出寄存器的狀態(tài)作為最終的輸出信號(hào)。


這種方案的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間太長(zhǎng),當(dāng)輸出為n位二進(jìn)制數(shù)碼時(shí),最初的轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)(2^n)-1倍的時(shí)鐘信號(hào)周期。該方案電路比較簡(jiǎn)單,適用于對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高的場(chǎng)合。


2、逐次漸進(jìn)型

如下圖,轉(zhuǎn)換器由比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、時(shí)鐘脈沖源、控制邏輯等5部分組成。

步驟一:轉(zhuǎn)換前先將寄存器清零,所以加給D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量也是全0;
步驟二:轉(zhuǎn)換控制信號(hào)VL變成高電平時(shí)開始轉(zhuǎn)換,時(shí)鐘信號(hào)首先將寄存器的最高位置成1,使寄存器的輸出為100...0;
步驟三:輸出的數(shù)字量被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓,并送到比較器與輸入信號(hào)Vi進(jìn)行比較。如果Vo>Vi,說明數(shù)字過大,則該1應(yīng)去掉,如果Vo步驟四:按同樣的方法將次高位置1,并比較Vo與Vi的大小以確定這一位的1是否應(yīng)該保留,這樣逐位比較下去,直到最低位比較完成為止。此時(shí)寄存器里所存的數(shù)碼就是所求的數(shù)字量。

逐次漸近型比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度比計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器速度高很多,而且在輸出位數(shù)時(shí),電路規(guī)模要比并聯(lián)比較型的小得多,因此逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中用的最多的一種電路。

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

如下圖,轉(zhuǎn)換器包括積分器、比較器、計(jì)數(shù)器、控制邏輯、時(shí)鐘信號(hào)源等部分


步驟一:轉(zhuǎn)換開始前(轉(zhuǎn)換控制信號(hào)VL=0),先將計(jì)數(shù)器清零,并接通開關(guān)S0,使積分電容C完全放電;

步驟二:令開關(guān)S1合到輸入信號(hào)電壓Vi的一側(cè),積分器對(duì)Vi進(jìn)行固定時(shí)間T1的積分,則

故可得數(shù)字量:

若取T1為Tc的整數(shù)倍,則


雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是工作性能比較穩(wěn)定,抗干擾能力強(qiáng),但由于先后進(jìn)行了兩次積分,因此其工作速度低,一般都在每次幾十次以內(nèi)。


另,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度受計(jì)數(shù)器位數(shù)、比較器的靈敏度、運(yùn)算放大器、比較器的零點(diǎn)漂移、積分電容的漏電、時(shí)鐘頻率的瞬時(shí)波動(dòng)等多種因素的影響,因此為提高轉(zhuǎn)換精度僅靠增加計(jì)數(shù)的位數(shù)是遠(yuǎn)不夠的。實(shí)用電路中為消除運(yùn)放、比較器的零點(diǎn)漂移,常增加零點(diǎn)漂移自動(dòng)補(bǔ)償電路,為防止時(shí)鐘信號(hào)頻率在轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生波動(dòng),可以使用石英晶體振蕩器作為脈沖源。


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