AD转换学习教程.pptx
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1、111.1 A/D11.1 A/D转换器原理转换器原理第1页/共41页模拟信号:在时间上和模拟信号:在时间上和数值上数值上连续连续的信号。的信号。数字信号:在时间上和数字信号:在时间上和数值上数值上不连续不连续的(即离的(即离散的)信号。散的)信号。uu模拟信号波形数字信号波形ttA/D转换器的基本原理1、模拟信号和数字信号A/D变换变换第2页/共41页模数转换则是将模拟电量转换为数字量,使输出的数字量模数转换则是将模拟电量转换为数字量,使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。实现这种转换功能的电路称为与输入的模拟电量成正比。实现这种转换功能的电路称为模数转换器(模数转换器(ADC)。)。2、模
2、数转换概述典型数字控制系统框图典型数字控制系统框图 A/D转换器的基本原理第3页/共41页 模拟电子开关S在采样脉冲CLKS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时,ui(t)对C充电,为采样过程;S断开时,C上的电压保持不变,为保持过程。在保持过程中,采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。3、A/D转换器的基本原理显然,模数转换一般要分采样、保持、量化和编码四个步骤进行。显然,模数转换一般要分采样、保持、量化和编码四个步骤进行。A/D转换器的基本原理第4页/共41页s(t)t 采样采样是对模拟信号进行是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程,周期性地抽取样值的过程,就是把随
3、时间连续变化的信就是把随时间连续变化的信号转换成在时间上断续、在号转换成在时间上断续、在幅度上等于采样时间内模拟幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲。信号大小的一串脉冲。1)采样、保持utts(t)ttstws(t)t采样电路示意图采样电路示意图采样采样信号信号采样采样脉冲脉冲输入模输入模拟信号拟信号采样保采样保持信号持信号 采样脉冲的频率采样脉冲的频率fs(1/Ts)越高,越高,采样越密,采样值就越多,其采样越密,采样值就越多,其取样信号取样信号vs的包络线就越接近的包络线就越接近于输入模拟信号的波形。于输入模拟信号的波形。采样定理:采样定理:为了能不失真地为了能不失真地恢复原模拟信号
4、,采样频率应恢复原模拟信号,采样频率应不小于输人模拟信号频谱中最不小于输人模拟信号频谱中最高频率的两倍,即高频率的两倍,即 fs2fimax。A/D转换器的基本原理第5页/共41页2)采样-保持电路 由于A/D转换需要一定的时间,所以在每次采样结束后,应保持采样电压值在一段时间内不变,直到下一次采样开始。这就要在采样后加上保持电路,实际采样-保持是做成一个电路。量化、编码电路也要由取样脉冲S(t)控制,使它分别在t1-t5时刻开始对Vo转换,也就是在保持时间内(Ts-tw)内完成量化和编码。A/D转换器的基本原理第6页/共41页 经经过过采采样样和和保保持持而而抽抽取取的的电电压压值值仍仍然然
5、属属模模拟拟量量的的范范畴畴,由由于于任任何何一一个个数数字字量量的的大大小小只只能能是是某某个个最最小小数数量量单单位位(1LSB)的的整整数数倍倍,因因此此用用数数字字量量表表示示取取样样电电压压值值时时,先先要要把把其其采采样样电电压压化化为为最最小小单单位位的的整数倍。整数倍。3)量化和编码量化:量化:所所取取得得的的最最小小单单位,用位,用表示,表示,1LSB1LSB。量化单位量化单位 把把量量化化后后的的电电压压值值再再转转化化成成对对应应的的代代码码,如如二二进进制、十进制码等的过程。制、十进制码等的过程。编码:编码:量化量化编码编码A/D转换器的基本原理第7页/共41页(a)采
6、用直接舍去小数点的方法,最大的量化误差是采用直接舍去小数点的方法,最大的量化误差是。量化误差:实际输入电压值与量化值之间的偏差(a)(a)(b)(b)(b)采用直接四舍五入的方法,最大的量化误差是采用直接四舍五入的方法,最大的量化误差是/2/2。A/D转换器的基本原理第8页/共41页电电路路组组成成二、逐次逼近型模数转换器 DAC:数数模模转转换换器器,作作用用是是按按照照不不同同的的输输入入数数码码产产生生一一组组相相应的比较电压应的比较电压UR:电电压压比比较较器器:将将输输入入的的电电压压信信号号UI与与UR 进进行行比比较较,当当UIUR 时时,输输出出C01(C0=0);当当UIUR
7、 时时,输输出出C00(C0=1);C0和和C0 分别连接各个边沿分别连接各个边沿JK触发器的触发器的J、K端。端。4位位脉脉冲冲发发生生器器:用用它它来来产产生生4各各的的负负向向节节拍拍脉脉冲冲CLK0-CLK3;用这;用这4个节拍脉冲来控制其他电路完成逐次比较。个节拍脉冲来控制其他电路完成逐次比较。该发生器通常由该发生器通常由4位环形计数器构成。位环形计数器构成。JK触触发发器器:作作用用是是在在4个个的的负负向向节节拍拍脉脉冲冲CP0-CP3=0的的推推动下,记忆每次比较的结果,并向动下,记忆每次比较的结果,并向DAC提供输入数码。提供输入数码。3D存存储储器器:作作用用是是在在节节拍
8、拍脉脉冲冲的的触触发发下下,记记忆忆最最后后的的比比较较结果,并行输出二进制代码。结果,并行输出二进制代码。d2d0d1A/D转换器的基本原理第9页/共41页工工作作原原理理DAC输出的比较电压输出的比较电压d2d0d1A/D转换器的基本原理第10页/共41页逐次逼近型ADCA/D转换器的基本原理第11页/共41页 相相对对精精度度是是指指A/D转转换换器器实实际际输输出出数数字字量量与与理理论论输输出出数数字字量量之之间间的的最最大大差差值值。通通常常用用最最低低有有效效位位LSB的的倍倍数数来来表表示示。如如相相对对精精度度不不大大于于(1/2)LSB,就就说说明明实实际际输输出出数数字字
9、量量与与理理论论输输出出数字量的最大误差不超过数字量的最大误差不超过(1/2)LSB。三、A/D转换器的主要技术指标1、分辨率、分辨率 A/D转转换换器器的的分分辨辨率率用用输输出出二二进进制制数数的的位位数数表表示示,位位数数越越多多,误误差差越越小小,转转换换精精度度越越高高。例例如如,输输入入模模拟拟电电压压的的变变化化范范围围为为05V,输输出出8位位二二进进制制数数可可以以分分辨辨的的最最小小模模拟拟电电压压为为5V2820mV;而而输输出出12位位二二进进制制数数可可以以分分辨辨的最小模拟电压为的最小模拟电压为5V2121.22mV。2、相对精度、相对精度A/D转换器的基本原理第1
10、2页/共41页 转转换换速速度度是是指指A/D转转换换器器完完成成一一次次转转换换所所需需的的时时间间。转转换换时时间间是是指指从从接接到到转转换换控控制制信信号号开开始始,到到输输出出端端得得到到稳稳定定的的数字输出信号所经过的这段时间。数字输出信号所经过的这段时间。3、转换速度A/D转换器的基本原理第13页/共41页A/D转换器的主要类型(1)双积分型)双积分型A/D转换器转换器 特点:电路简单、抗干扰能力强、精度高、速度慢。特点:电路简单、抗干扰能力强、精度高、速度慢。(2)逐次逼近型)逐次逼近型A/D转换器转换器 特点:转换速度快、分辨率高、抗干扰能力差。特点:转换速度快、分辨率高、抗
11、干扰能力差。A/D转换器的基本原理第14页/共41页2.05V 输入信号用8位AD采集,其1LSB代表多少电压值?转换后表示的数据范围是0 x00 。1.模数转换有哪几个步骤?3.03.3V输入信号用10位AD采集,其1LSB为多少电压值?转换后表示的数据范围是多少?练习A/D转换器的基本原理第15页/共41页16 11.2 S3C2410X A/D11.2 S3C2410X A/D转换器转换器第16页/共41页具有8通道模拟输入的10位CMOS模数转换器ADC在2.5MHz的A/D转换器时钟下,最大转化速率可达到500KSPS(每秒采样500千次)。11.2.1 A/D转换器概述转换器概述S
12、3C2410X ADC控制器接口框图控制器接口框图第17页/共41页18 采用近似比较算法(计数式)的8路10位A/D,集成零比较器,内部产生比较时钟信号;支持软件使能休眠模式,以减少电源损耗。其主要特性如下:(1)精度(Resolution):10-bit。(2)微分线性误差(DifferentialLinearityError):1.5LSB。(3)积分线性误差(IntegralLinearityError):2.0LSB。(4)最大转换速率(MaximumConversionRate):500KSPS。(5)输入电压(InputVoltageRange):0-3.3V。(6)片上采样保持
13、电路。(7)正常模式。(8)单独X,Y坐标转换模式。(9)自动X,Y坐标顺序转换模式。(10)等待中断模式。11.2.1 A/D转换器概述转换器概述第18页/共41页19 11.2.2 A/D控制器寄存器控制器寄存器(1)寄存器组:A/D控制寄存器ADCCON、A/D转换数据寄存器ADCDAT(2)A/D转换的转换时间计算。例,PCLK为50MHz,PRESCALER=49;所有10位转换时间为50MHz/(49+1)=1MHz转换时间为1/(1M/5cycles)=5us注意:完成一次A/D转换需要5个时钟周期。A/D转换器的最大工作时钟为2.5MHz,所以最大的采样率可以达到500kbit
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