模数转换器及其应用
本次课内容 1、ADC的转换原理； 2、ADC的主要参数。 3、模数典型芯片介绍； 4、ADC的基本应用方法。
§8.3 模数转换器（ADC）
ADC作用：将模拟量转换为数字量。 主要应用：(低速)数字万用表，电子秤等； (中速)工业控制，实验设备等；(高速)数字通 信、超高速)数字音频、视频信号变换、气象 数据分析处理。
输 b输 输 输 输 输 输 输
输 7.2.3 3输 ADC输 输 输 输 输 输
对应的输入范围
对应的输入范围
数 字 值 LSB LSB 2 数字值 LSB ~ 数字值 1 LSB
舍入量化
截断量化
量化值 量化区间中点 量化区间末端
输出00 1H
量化点误差为0 Vi=1/8V
1/16<Vi<3/16(V)
输输输输输输
7.5000 6.8750
6.2500
6.5625 6.71875 6.796875 6.8359375 6.796875
SAR ADC 转换的时序波形 （Vin=6.8V→8位二进制数）
转换时间 = 90us
Tclk=10μs Tcon=90μs
三、双积分式（双斜式）ADC
Vi<0
放电开关
基准
标准转换 值
实测值
将两组数据代入 方程y=max+b可求出
8V -8V
有了myyhla、b及实xxhl测输出m（ax实（，际实用失际y=调增m）益ax+）。b和即b可
得到消除了增益和失调误差标准输出。
三、高分辨率ADC与微处理器的接口
当ADC位数大于CPU数据宽度的接口方 法（通常ADC提供两次读出数据控制）。
二、采样/保持电路
模拟量到数字量转 换需要一定时间，在此 期间要求采样所得的样 Vi 值保持不变。这个过程 需有相应电路实现。 S(t)
-
A
Vo
+
VT
C (a) 取样保持电路
Vi ( b) 输 输 输 输 输 输
-
A
Vo
Vi
+
VT
0
t1
t2
t3
t4
t5 t
C (a) 取样保持电路
Ts
S(t)
S(t)
注意：实际应用中，在ADC完成转换后 到数据被读出之前，不允许有新的转换。
转换速率：单位时间（每秒）内ADC重
复转换的次数。
与硬件连接、
转换速率
1
编程方法等
转换时间 数据输出时间 有关。
三、ADC的接口特性
ADC与外部电路连接时的特性，包括: 输入特性：电压(电流)范围、输入极性(单、 双极性)、模拟信号最高有效频率等。 输出特性：编码方式(自然或偏移二进制 码等)、输出方式(串、并行；三态、缓冲、锁 存输出)以及电平类型(TTL、CMOS等)。 控制特性：启动转换、转换完成；片选信 号(CS)、数据读(RD)等控制信号端。
START
VREF＋
+5V
OE
VREF-
INT1
EOC
§8.4.3 ADC的应用
一、ADC的选择
1、根据分辨率确定ADC位数n
设ADC电压输入范围为FSR，位数为n，
要求分辨率为M。则
n
log2
FSR M
1
3.32
lg
FSR M
1
标称位数 8、10、12、14等
例：某ADC的FSR=10V，系统要求分辨 率M=2mV。试确定其位数。
§8.3.4 典型ADC介绍（ADC0809）
单极性0~5 V
IN0
IN1
输
输
输
8位
输IN6
模拟 开关
IN7
ADDA ADDB ADDC
ALE
地址锁存 与译码
START
CLK
定时和控制
-
+
比较器
逐次逼近寄存器
dip28封装
开关树型DAC
决定转换时间
EOC OE
三态输出 寄存器
Q7
Q6 Q5 Q4
输 输
量化误差：有限生的输出数据的等效模拟 值与实际输入模拟量之间的差值。
量化误差的大小与量化方式、量化单位、 ADC编码位数、基准电压大小有关。
常用的量化方式：舍入量化和截断量化 两种方式。
例如：FSR=1V的3位ADC，其分辨率为 1/8V（1LSB）。分别采用舍入量化和截断量 化两种方式，情况如下：
ADDA／ ADDB/ADDC
EOC
OE Q0~Q7
转换进行中
≥200ns ≤2us+8T
ADC0809工作时序图
转换结束
数据有效
ADC0809与8031的接口电路
8
P0.0～7
输
ALE
输
8031
WR
+
P2.0
RD
+
3 ADDA/ADDB/ADDC
8
D0～D7
CLK
8
IN0～IN7
ADC0809
ALE
Ts - tw
三、量化和编码
模拟信号经S/H得到的取样值仍属模拟范 畴，需经量化（将取样值表示为最小数量单位 的整数倍）处理，时间上和数值上都为离散的 数字信号。
最小数量单位称量化单位(1△=1LSB)。 编码：将量化结补码编码。
因取样值为输入信号某些时刻的瞬时值，
它们不可能都正好是化误差(ε)。
n 3.32 lg FSR 1 3.32 lg 10000 1 12.3
M
2
可选
>13位
2、根据采集速度确定ADC的转换速度
设系统转换速率为f；硬件延迟时间ty； ADC转换时间为tcon。则：T≤1/f 。
T = ty + tcon
tcon
1 f
ty
3、ADC其它方面的选择需注意事项
4V≤Vin＜5V
0000111
100
4V
5V≤Vin＜6V
0000011
101
5V
6V≤Vin＜7V
0000001
110
6V
7V≤V优in＜点8V：转换0快000（000仅一个时1钟11 周期）。7V
不足：n较大时，比较器、分压电阻数量 太大，难以保证其准确性及一致性。
二、逐次逼近式ADC
Vf Vi
t2
0
令计数脉冲周期为TC， 则t1=N1TC；t2=N2TC。
N2
Vi VR
N1
Vi VR
N1
优点：N2∝Vi，抗干扰性和精度较好。 不足：转换速度慢，≤20次/s。
§8.3.3 ADC的主要参数
一、转换精度
⑴分辨率：能分辨的最小输入变化量。可 用分辨率、相对分辨率或以数字位数表示。
设ADC位数范围FSR。
输出信号的编码方式；与其他逻辑电平 的匹配情况；控制信号是否合乎要求等。另 外， 转换时间要与应用系统匹配。
二、ADC的调整
使用ADC通常要调整
Vin +8V
其失调和增益误差。方 -8V
法：硬件、软件消除。
4选1
多路
AD1674
D
开关
(含S/H)
12位逐次逼近型ADC A0 A1 (Vin=-10V~+10V)
模拟输入 （0－8V）
A/D转换器
GND
输出
0V<000<1V 1V<001<2V 2V<010<3V 3V<011<4V 4V<100<5V 5V<101<6V 6V<110<7V 7V<111<8V
§8.3.1 ADC的基本原理
一、采样和采样定理
ADC周期性地将输入模拟值转换成与其大 小对应的数字量，该过程称为采样。
输
输
ADC输
输
输
输
输即n位数字量
3位并行比较型ADC的转换真值表
Vin
I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0
Y2 Y1 Y0
量化值
0≤Vin＜1V
1111111
000
0V
1V≤Vin＜2V
0111111
001
1V
2V≤Vin＜3V
0011111
010
2V
3V≤Vin＜4V
0001111
011
3V
优点：技术成熟，精度较高、速度较快。 不足：对Vi中入端需用S/H电路（ADC转 换期间Vi要恒定）。
100kHz 时钟
START BUSY
D7 D6 D5
开始转换 数据准备好，停止转换,SAR清零 1 0 1
D4
0
D3
1
D2
1
D1
1
D0
0
DAC Vout
10
9
8
7
6
5
5.0000
4
3
2
1 0 0.00
量化点误差为0 Vi=1/8V
1/8<Vi<2/8(V)
最大 1/8－1/16; 1/8－3/16
1/8－2/8
误差
±LSB/2
－1LSB
§8.3.2 ADC的基本原理
一、并行（闪速） ADC
Vi VR
R
R
2n
R
(2n－1)个
输输输
_
编
_
码
电
路
_
输输输输
Dn-1
锁 存 器
D0
可有输2n7种.2.2输 比较结果
输出
1.5LSB 输出