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8.2.2 A/D转换器工作原理直接A/D转换器:并行比较型A/D转换器逐次比较型A/D转换器间接A/D转换器:双积分型A/D转换器电压转换型A/D转换器 1. 逐次比较型A/D转换器天平称重过程:砝码(从最重到最轻),依次 比较,保留/移去,相加。逐次比较思路:不同的基准电压砝码。 Date1逐次逼近型ADC电路框图 CPD n-1D n-2 D n-3D1D0u0 (V)uIuO?01 0 0 000.5UREF1(D n-1为1)/0(D n-1为0)1D n-1 1 0 000.75/0.25UREF1(D n-2为1)/0(D n-2为0)2D n-1 D n-2 1 001(D n-3为1)/0(D n-3为0)n-1D n-1D n-2 D n-3D111(D 0为1)/0(D 0为0)基准电压 UREFn位A/D转 换器 电路由启动脉冲启动后:Date2实例8位A/D转换器,输入模拟量uI=6.84V,D/A转换器基准电压 UREF=10V。相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。CPD7D6D5D4D3D2D1D0u0 (V)uIuO01000000051 1110000007.50 2101000006.251 3101100006.8750 4101010006. 56251 5101011006.718751 6101011106.7968751 7101011116.83593751uIuO为1 否则为0 Date38位逐次比较型A/D转换器波形图 Date42. 2. 双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器 基本原理:对输入模拟电压uI和基准电压-UREF分别进行积分,将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔T2,然后在这个时间间隔里对固定频率的时钟脉冲计数,计数结果N就是正比于输入模拟信号的数字量信号。 (1)电路组成Date5双积分型ADC电路 积分器: Qn=0,对被测电压uI进行积分; Qn=1,对基准电压-UREF进行积分。 检零比较器C:当uO0时,uC0;当uO0时,uC1。 计数器:为n1位异步二进制计数器。第一次计数,是从0开始直 到2n对CP脉冲计数,形成固定时间T12nTc(Tc为CP脉冲的周期), T1时间到时Qn1,使S1从A点转接到B点。第二次计数,是将时间间隔 T2变成脉冲个数N保存下来。 时钟脉冲控制门G1:当uC =1时,门G1打开, CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。 Date6 积分器: Qn=0,对被测电压uI进行积分; Qn=1,对基准电压-UREF进行积分。 检零比较器C:当uO0时,uC0;当uO 0时,uC1。 计数器:为n1位异步二进制计数器。第一 次计数,是从0开始直到2n对CP脉冲计数,形成固 定时间T12nTc(Tc为CP脉冲的周期),T1时间到 时Qn1,使S1从A点转接到B点。第二次计数,是 将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。 时钟脉冲控制门G1:当uC =1时,门G1打开 ,CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。(1)电路组成Date7(2)工作原理 双积分型ADC的工作波形 先定时(T1)对uI正 向积分,得到Up,UpuI ; 再对UREF积分,积 分器的输出将从Up线性上 升到零。这段积分时间是 T2,T2UpuI; 在T2期间内计数器对 时钟脉冲CP计得的个数为 N,NT2UpuI 。 由于这种转换需要两 次积分才能实现,因此称 该电路为双积分型ADC。 Date8工作过程:工作过程: 准备阶段:转换控制信号CR0,将计数器清0,并通过G2接通开关S2,使电容C放电;同时,Qn0使S1接通A点。 Date9 采样阶段:当t0时,CR变为高电平,开关S2断开,积分器从0开始对uI积分,积分器的输出电压从0V开始下降,即Date10与此同时,由于uO0,故uC1,G1被打开,CP 脉冲通过G1加到FF0上,计数器从0开始计数。直到当 tt1时,FF0FFn-1都翻转为0态,而Qn翻转为1态, 将S1由A点转接到B点,采样阶段到此结束。若CP脉 冲的周期为Tc,则T12nTc。 Date11设UI为输入电压在T1时间间隔内的平均值,则第一次积分结束时积分器的输出电压为 Date12 比较阶段:在t=t1时刻,S1接通B点,-UREF加到 积分器的输入端,积分器开始反向积分,uO开始从Up 点以固定的斜率回升,若以t1算作0时刻,此时有Date13当tt2时,uO正好过零,uC翻转为0,G1关闭,计数器停止计数。在T2期间计数器所累计的CP脉冲的个数为N,且有T2NTC。 Date14若以t1算作0时刻,当tT2时,积分器的输出uO0,此时则有Date15可见,T2UI。 由于T12nTc,所以有Date16结论:可见,NUIuI,实现了A/D转换,N为转换结果。 第一,如果减小uI(即图7-12中的uI),则当tT1时,uOUp,显然UpUp,从而有T2T2;第二,T1的时间长度与uI的大小无关,均为2nTc;第三,第二次积分的斜率是固定的,与Up的大小无关。由于T2NTc,所以 Date17优点1:抗干扰能力强。积分采样对交流噪声有 很强的抑制能力;如果选择采样时间T1为20ms的整数倍时,则可有效地抑制工频干扰。缺点:转换速度较慢。完成一次A/D转换至少需要(T1T2)时间,每秒钟一般只能转换几次到十几次。因此它多用于精度要求高、抗干扰能力强而转换速度要求不高的场合。 优点2:具有良好的稳定性,可实现高精度。由 于在转换过程中通过两次积分把UI和UREF之比变成了两次计数值之比,故转换结果和精度与R、C无关。Date18
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