模数A/D转换器的基本原理与转换过程解析

a/d转换的基本原理
在一系列选定的瞬间对模拟信号进行取样,然后再将这些取样值转换成输出的数字量,并按一定的编码形式给出转换结果。
整个a/d转换过程大致可分为取样、量化、编码三个过程。
取样-保持电路
取样-保持电路的基本形式如上图,图中t为n沟道增强型mos管,作模拟开关使用。
当取样控制信号vi为高电平时t导通,输入信号vi经电阻r1和t向电容ch充电。若取r1=rf,且视运算放大器为理想运算放大器,则充电结束后,vo=vch=-vi
当vi返回低电平以后,mos管t截止,由于ch上的电压在一段时间内基本保持不变,所以vo也保持不变,取样结果被保存下来(ch的漏电流越小,运算放大器的输入阻抗越高,vo保持的时间也越长)。
该电路在取样过程中需要输入电压经r1和t向电容ch充电,这就限制了取样速度,而通过减少r1的办法提高取样速度又必将降低电路的输入阻抗。
a/d转化器分类:
并联比较型a/d转换器、
反馈比较型a/d转换器(分为:计数型、逐次渐进型)
双积分型a/d转换器
并联比较型a/d转换器
并联比较型a/d转换器电路结构图如下,它由电压比较器、寄存器和代码转换电路三部分组成。输入为0-vref间的模拟电压,输出为3位二进制数码d2d1d0。
电压比较器中量化电平的方式:采用电阻链将参考电压vref分压,得到(1/15)vref到(3/15)vref之间7个比较电平,量化单位为(2/15)vref,将这7个比较电平分别接到7个电压比较器c1-c7的输入端作为比较基准,同时将输入的模拟电压同时加到每个比较器的另一个输入端,与这7个比较基准进行比较。
若vivi,说明数字过大,则该1应去掉,如果vo
步骤四:按同样的方法将次高位置1,并比较vo与vi的大小以确定这一位的1是否应该保留,这样逐位比较下去,直到最低位比较完成为止。此时寄存器里所存的数码就是所求的数字量。
逐次渐近型比较a/d转换器转换速度比计数型a/d转换器速度高很多,而且在输出位数时,电路规模要比并联比较型的小得多,因此逐次渐进型a/d转换器是目前集成a/d转换器产品中用的最多的一种电路。
双积分型a/d转换器
如下图,转换器包括积分器、比较器、计数器、控制逻辑、时钟信号源等部分
步骤一:转换开始前(转换控制信号vl=0),先将计数器清零,并接通开关s0,使积分电容c完全放电;
步骤二:令开关s1合到输入信号电压vi的一侧,积分器对vi进行固定时间t1的积分,则
故可得数字量:
若取t1为tc的整数倍,则
双积分型a/d转换器的优点是工作性能比较稳定,抗干扰能力强,但由于先后进行了两次积分,因此其工作速度低,一般都在每次几十次以内。
另,双积分型a/d转换器转换精度受计数器位数、比较器的灵敏度、运算放大器、比较器的零点漂移、积分电容的漏电、时钟频率的瞬时波动等多种因素的影响,因此为提高转换精度仅靠增加计数的位数是远不够的。实用电路中为消除运放、比较器的零点漂移,常增加零点漂移自动补偿电路,为防止时钟信号频率在转换过程中发生波动,可以使用石英晶体振荡器作为脉冲源。


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