数字电子技术第6章数模与模数转换器.ppt

　　将取样所得信号转换为数字信号往往需要一定的时间，为了给后续的量化与编码电路提供一个稳定值，取样电路的输出必须保持一段时间。一般取样与保持过程都是同时完成的。取样与保持过程示意，如图6.2.2所示。 6.2 A/D转换器 第6章 数模与模数转换器 　　图6.2.2（a）所示为一种常见的取样保持电路，其中场效应管T是一个受取样信号S(t)控制的电子开关S，电容C为保持电容，接成跟随器的运算放大器起缓冲隔离作用。在取样脉冲信号S(t)为高电平持续时间t1段内，场效应管T导通，输入信号vI(t)经T向保持电容C充电。假定C的充电时间常数远小于t1，则电容C上的电压vC(t)在S(t)高电平持续时间t1段内，能及时跟上vI(t)的取样变化，因而跟随器的输出vO(t)也就能及时跟上vI(t)的取样变化。取样结束，当取样脉冲信号S(t)为低电平时， 场效应管T迅速截止。如果T的截止电阻和运算放大器A的输入电阻都足够大，则电容C上的电压vC(t)就能保持前一取样时间内输入vI(t)的值，一直保持到下一个取样脉冲到来之前基本不变。当下一个取样脉冲到来，电容C上的电压vC(t)又重新跟随输入信号vI(t)的变化，输出信号vO(t)也就又跟随输入信号vI(t)的变化。经过一连串取样脉冲序列作用后，取样?保持电路的输出信号vO(t) 波形如图6.2.2（b）中所示，图中幅值的若干“平台”分别等于前一取样时刻输入信号vI(t)的瞬时值，也就是转换成数字量的取样值。 6.2 A/D转换器 第6章 数模与模数转换器 2. 量化与编码 　　取样?保持电路输出的是一串大小不一的断续脉冲信号。数字量不仅在时间上离散，而且数值的大小变化也是不连续的。这就是说，任何一个数字量的大小只能是某个规定最小数量单位的整数倍。在进行A/D转换时，要把大小不一的取样电压表示为这个最小数量单位的整数倍。这个过程称为量化，所取用的最小数量单位称为量化单位，用?表示。显然，数字信号最低有效位（LSB）的1所对应的数量大小就等于?。由于取样跟随的是模拟信号某一时刻的幅值，是瞬时值，那么它就不一定正好是量化单位Δ的整数倍，因而在量化过程中不可避免地会引入误差，这种误差称为量化误差。量化误差属于原理误差，它是无法消除的。显然，A/D转换器的位数越多，1 LSB所对应的Δ值越小，量化误差的绝对值越小。 6.2 A/D转换器 第6章 数模与模数转换器 　　量化误差的大小与转换输出的二进制码的位数和基准电压VREF的大小有关，还与如何划分量化电平有关。量化的方法一般有舍尾取整法和四舍五入法两种。舍尾取整的处理方法是，如果输入电压vI(t)是在两个相邻的量化值之间时，即(n-1)Δ＜vI(t)＜nΔ时，取vI(t)的量化值为(n-1)Δ。四舍五入的处理方法是，如果vI(t)的尾数不足Δ/2时，舍去尾数取整数；如果vI(t)的尾数大于或等于Δ/2时，则其量化值在原数上加一个Δ。由于四舍五入量化方法，产生的量化误差相对较小，所以大多数A/D转换器采用的都是四舍五入量化方法。 6.2 A/D转换器 　　例如要将0～1V的模拟电压转换为3位二进制码时，取量化单位Δ=（2 /15）V，凡数值在（0～1 /15）V之间的模拟电压都当作0Δ，并用二进制数000表示；而数值在（1 /15～3 /15）V之间的模拟电压都当作1Δ，并用二进制数001表示；……。其具体划分量化电平的示意，如图6.2.3所示。 第6章 数模与模数转换器 6.2 A/D转换器 第6章 数模与模数转换器 　　显然，无论如何划分量化电平，量化误差都不可避免，量化分级越多（A/D转换器的位数越多），量化间隔越小，量化误差越小，电路越复杂。因此应当根据实际要求，合理选择A/D转换器的位数。 　　将量化后的结果用二进制码或其他代码表示出来的过程称为编码。经编码输出的代码就是A/D转换器的转换结果。 6.2 A/D转换器 第6章 数模与模数转换器 　　3位并联比较型A/D转换器原理电路如图6.2.4所示。它由基准电压VREF、电压比较器、寄存器和代码转换器等部分组成。图中按图6.2.3所示的方法，首先通过电阻分压把基准电压VREF进行电平划分量化，然后各个不同等级的量化电平分别与相应电压比较器的反相输入端相连，作为相应的参考电压与连接在电压比较器同相输入端的输入模拟信号电压vI(t)进行电压比较。根据输入模拟信号电压vI(t)的大小，各电压比较器输出不同状态的数字信号，经寄存器输入代码转换器进行二进制编码后输出3位二进制代码，从而实现了模拟量到数字量的转换。3位并联比较型A/D转换器的真值表，如表6.2.1所示。 6.2 A/D转换器 并联比较型A/D转换器 6.2.2 第6章 数模与模数转换器 6.2 A/D转换器 第6章 数模与模数转换器