2022-2023学年高二物理竞赛课件：电路的AD转换器(ADC)

电路的A/D转换器(ADC) 电路的A/D转换器(ADC) .1 A/D转换器的基本工作原理 A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。 1. 取样和保持 取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号，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。其过程如图 10-8 所示。图中Ui(t)为输入模拟信号，S(t)为采样脉冲， 为取样后的输出信号。 第10章 数-模转换和模-数转换 从DAC0832的内部控制逻辑分析可知，当ILE、CS和WR1同时有效时，LE1为高电平。在此期间，输入数据D7~D0进入输入寄存器。当WR2和XFER同时有效时，LE2为高电平。在此期间，输入寄存器的数据进入DAC寄存器。八位D/A转换电路随时将DAC寄存器的数据转换为模拟信号（IOUT1+IOUT2）输出。   DAC0832 的使用有双缓冲器型、单缓冲器型和直通型等三种工作方式。 第10章 数-模转换和模-数转换 .4 八位集成DAC0832 图 10-6 集成DAC0832框图与引脚图 第10章 数-模转换和模-数转换 图 10-7 DAC0832的三种工作方式 第10章 数-模转换和模-数转换 图 10-8 取样过程 第10章 数-模转换和模-数转换 在取样脉冲作用期τ内，取样开关接通，使 ， 在其它时间（TS-τ）内，输出=0。因此，每经过一个取样周期， 对输入信号取样一次，在输出端便得到输入信号的一个取样值。为了不失真地恢复原来的输入信号，根据取样定理，一个频率有限的模拟信号，其取样频率fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率fmax的两倍，即取样频率必须满足： 第10章 数-模转换和模-数转换 模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度τ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，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。图10-9（a）是一种常见的取样保持电路， 场效应管V为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。在取样脉冲S(t)到来的时间τ内，场效应管V导通，输入模拟量Ui(t)向电容充电；假定充电时间常数远小于τ，那么C上的充电电压能及时跟上Ui(t)的采样值。采样结束，V迅速截止，电容C上的充电电压就保持了前一取样时间τ的输入Ui(t)的值，一直保持到下一个取样脉冲到来为止。 当下一个取样脉冲到来，电容C上的电压 再按输入Ui(t)变化。 在输入一连串取样脉冲序列后，取样保持电路的缓冲放大器输出电压Uo（t）便得到如图10-9（b）所示的波形。 第10章 数-模转换和模-数转换 图 10-9 取样保持电路及输出波形 (a) 取样保持电原理图； (b) 输出波形图 第10章 数-模转换和模-数转换 2. 量化和编码 输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波。由于阶梯的幅度是任意的，将会有无限个数值，因此该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量。另一方面，由于数字量的位数有限，只能表示有限个数值(n位数字量只能表示2n个数值)。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。必须将取样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。指定的离散电平称为量化电平。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。两个量化电平之间的差值称为量化间隔S，位数越多，量化等级越细，S就越小。取样保持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差δ， 即δ=Uo-Uq。量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。 第10章 数-模转换和模-数转换 1) 只舍不入法 它是将取样保持信号Uo不足一个S的尾数舍去，取其原整数。如图 10-10（a）是采用了只舍不入法。区域（3）中Uo=3.6V时将它归并到Uq=3V的量化电平，因此，编码后的输出为 011。这种方法δ总为正值，δmax≈S。 第10章 数-模转换和模-数转换 图 10-10 两种量化方法的比较 (a) 只舍不入法； (b) 有舍有入法 第10章 数-模转换和模-数转换 $$