2022-2023学年高二物理竞赛课件：电路AD转换器的主要电路形式

电路A/D转换器的主要电路形式  A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接A/D转换器有并行比较型、反馈比较型等。  间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f, 然后再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接A/D转换器有双积分型等。 电路A/D转换器的主要电路形式 实际上，可以根据前述真值表，设计出此组合逻辑电路（代码转换器）。<过程略> D2=Q4 D1=Q6+Q4 ' Q2 D0=Q7+Q6 ' Q5+Q4 ' Q3+Q2 ' Q1 （1）优点：转换速度很快，故又称高速A/D转换器。如果从CLK上升沿算起，前图所示电路完成一次转换所需时间只包括一级FF翻转时间和三级门电路的tpd。输出为8位的并联比较型ADC转换时间＜50ns，其他类型ADC做不到；含有寄存器的ADC兼有取样保持功能，所以它可以不用附加取样保持电路。 （2）缺点：电路复杂，一个n位二进制输出的并行比较型ADC，需2n -1个电压比较器和FF，电路规模随n的增大急剧膨胀；转换精度主要取决于量化电平划分（亦受制于电路复杂度），还受电阻链相对精度、VREF稳定度、电压比较器灵敏度的影响。 （3）应用：适用于高速， 精度较低的场合。 并行比较型A/D转换器的特点： 三、 逐次比较型ADC 设待秤重量 Wx = 13克， 逐次比较型ADC的工作原理可用天平秤重过程来说明： 若有四个砝码共重15克， 每个重量分别为 8、4、2、1克 。 可以用下表步骤来秤量 ： 第1次 加8克 砝码总重 < 待测重量Wx ， 8 克 第2次 加4克 砝码总重 < 待测重量Wx ， 12 克 第3次 加2克 砝码总重 > 待测重量Wx ， 12 克 第4次 砝码总重 ＝ 待测重量Wx ， 加1克 13 克 故保留 故保留 故撤除 故保留 砝码重 暂时结果 结 论 反馈比较型ADC分为计数器型和逐次比较(渐进、逼近)型 G≈d3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0 di 1 有效 0 无效 有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量： 继续 6 （一）电路组成 （二）A/D转换过程 ①转换前寄存器清零； ②将寄存器最高位置1； 输出数据为100…0， 该数码经DAC转换成v'O， 将vI与v'O进行比较， v'O < vI，最高位的1保留； v'O > vI ，最高位的1清除； ③将寄存器次高位置1； 输出数据为×10…0， 重复②。 ④比较完毕后，将寄存器中的数据送到输出端。 ⑤复位，回到转换前的初始状态。 D/A转换器 vI + - v'O 数据寄存器 移位寄存器 D7 D0 …… 启动脉冲 控制逻辑 VREF CP vI=6.84V时的转换示意 D/A转换器 vI + - v'O 数据寄存器 移位寄存器 D7 D0 …… 启动脉冲 控制逻辑 VREF CP －10V 5 7.5 6.25 6.875 6.5625 6.71875 6.796875 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CP 启动脉冲 1 2 3 4 5 6 7 8 9 6.8359375 输出的数字量为：10101111。 预设：D7对应5V/20 V ； D0对应5V/27 V 分辨率较高 转换误差较低 转换速度较快（比并行比较型慢） 应用较为广泛 （三）逐次比较型ADC的特点 转换速度小于并联比较型ADC，但远高于计数器型，如一个输出为10位的计数器型ADC完成一次转换所需最长时间为（210-1）TCP，而逐次比较器型ADC完成一次转换需时12个TCP；在输出位数较多时，逐次比较的规模远小于并联比较型。 逐次比较型ADC是目前集成ADC产品中用的最多的。 双积分型ADC 双积分型ADC的转换原理是先将模拟电压UI转换成与其大小成正比的时间间隔T，再利用基准时钟脉冲通过计数器将T变换成数字量。   间接A/D转换器 双 积 分 型 又称为电压－时间变换型（V－T变换型） 首先使积分电容C完全放电。 固定时间积分 反方向积分 第一步，对输入模拟电压进行固定时间T1积分;第二步，对基准电压进行反向积分，使电容放电，放光为止（vo=0）。对反向放电时间计数，它与输入幅度成正比。 $