第9章.2模数转换.ppt

⒈采样与保持 采样就是按一定时间间隔采集模拟信号。 由于A/D转换需要时间，所以采样得到的“样值”在A/D转换期间就不能改变，因此对采样得到的信号“样值”就需要保持一段时间，直到下一次采样。 ⒉采样定理 采样定理：只有当采样频率大于模拟信号最高频率分量的2倍时（fS2fmax），所采集的信号样值才能不失真地反映原来模拟信号的变化规律。 因为任何一个模拟信号都可以看作是由若干个不同频率的正弦信号叠加而成，所以用图9-8所示电路说明采样定理的物理意义。 图中画出了不同频率的正弦信号用相同的频率进行采样，垂直线段表示所采集的样值。 ⒊常用的几种采样保持电路 采样保持电路种类很多，图9-9是三种常用的采样保持电路。 由采样开关T、存储信息的电容C和缓冲放大器A等几个部分组成。 采样保持电路指标主要有两个： ⑴采集时间：指发出命令后，采样保持电路的输出由原保持值变化到输入值所需的时间。采样时间越小越好。 ⑵保持电压下降速率：指在保持阶段采样保持电路输出电压在单位时间内所下降的幅值。 随着集成电路的发展，采样保持电路已制作在一个芯片上。例如LF198就是采用双极型-场效应管工艺制造的单片采样保持电路。 ⒋量化与编码 采样保持得到的信号在时间上是离散的，其幅值仍是连续的。 而数字信号在时间和幅度上都是离散的。 任何一个数字量的大小只能是规定的最小数量的整数倍，而不能是小数。 因此对采样保持得到的信号要用近似的方法进行取值。 近似的过程就是量化。 例如满刻度为15mV的模拟电压用0001表示1mV，1111表示15mV。而1.5mV是用0001还是用0010 来表示呢？这要根据量化方法而定。 两种量化方法 如果把数字量的最低有效位的1所代表的模拟量大小叫做量化单位，用△表示。 对于小于Δ的信号有两种处理方法，即两种量化方法： 只舍不入法，将不够量化单位的值舍掉。 有舍有入法（四舍五入法），将小于Δ/2的值舍去，小于Δ而大于Δ/2的值视为数字量Δ。 只舍不入法的量化误差为Δ；而有舍有入法的量化误差为Δ/2。 量化过程只是把模拟信号按量化单位作了取整处理，只有用代码表示量化后的值才能得到数字量。这一过程称之为编码。常用的编码是二进制编码。 图9-10是三位标准二进制ADC的传输特性。横坐标是理想量化后的电压输入，纵坐标是输出数字量及对应的电压值。图(a)为有舍有入量化法，图(b)是只舍不入量化法。 9.2.2并行比较ADC 图9-11为三位并行ADC的原理图，电路有电阻分压器、电压比较器和编码器组成，采用只舍不入的量化方法。 9.2.2并行比较ADC 电阻网络按量化单位把参考电压分成1～7V之间的七个比较电压分别接到七个比较器的同相输入端。 经采样保持后的输入电压接到比较器的反相输入端。当比较器的V-V+时，输出为0。否则输出为1。 经74148优先编码器编码后便得到二进制代码输出。 并行比较ADC的优点是转换速度快，精度取决于电平的划分。 量化单位越小，即ADC的位数越多，精度越高。但是，n位并行比较ADC所用比较器的个数为2n-1个，所以位数每增加一位，比较器的个数就要增加一倍。 八位并行比较ADC，需28-1=255个电压比较器，255个D触发器。这使ADC电路很复杂。所以很少采用。 9.2.3反馈比较式ADC 反馈比较式A/D转换与天平称量重物原理类似。 例如，用量程为15g的天平称一重物可以用两种方法：一是用每个重1g的15个砝码对重物进行称量，每次加一只砝码直至天平平衡为止。二是用8g、4g、2g、1g四只砝码对重物进行称量。 每次可以加8g、4g、2g或1g进行比较。 基于上述两种比较方法，ADC有计数型A/D转换（同第一种比较方法）和逐次逼近型A/D转换（同第二种比较方法）。 ⒈计数型A/D转换 图9-12是计数型A/D转换器，由一个计数器、D/A转换器及比较器等组成。 ⒉逐次逼近型ADC 逐次逼近（逐次比较）ADC与计数型ADC 工作原理类似，也是由内部产生一个数字量送给DAC，DAC输出的模拟量与输入的模拟量进行比较。 当二者匹配时，其数字量恰好与待转换的模拟信号相对应。 逐次逼近型ADC与计数型ADC的区别在于逐次逼近ADC是采用自高位到低位逐次比较计数的方法。 逐次逼近ADC具有以下特点： ⒈具有较高的转换速度。其速度主要由数字量的位数和控制电路决定。例如上例中，八个时钟脉冲完成一次转换，若时钟频率为2MHz，则完成一次转换的时间为： t=(8×106)/(2×106)=4μs 转换速度为： C=1/t=250000次/s 若考虑启动（清0）和数据送入输出寄存器的节拍（各为一个时钟周期），则n位逐次逼近ADC完成一次转换所需时间为： t=(n+2)TC ， 其中TC为时钟周