A/D转换基本原理及实现方法

这篇大概介绍一下A/D转换的原理以及相应的电路连接方法 。
模拟信号的幅度一般随时间变化而连续变化 。以下就是不同性质模拟量的波形
而单片机中一般运算用的是数字量(0/1的组合) , 这就涉及到了外围电路需要有一个模数转换的过程 。顾名思义是把输入的模拟信号尽可能无失真地转化为数字量 。
如果把数字量形容成是一个个分块储存信息的模块,那模拟量这种连续的信息在转换过程中要尽可能避免信息的丧失 。处不来讲转换的思路就是把数字量分块,以数字的形式转换至数字量中 。如数字量为有六位(-),那么就可以把模拟量均等分为64份,每份中储存着转换过来的相应信息 。
但是这个只是我们的初步思路 , 从原理上讲,一般的A/D转换分为采样保持,量化和编码三个过程 。采样的量一般是电压(电流不好?。? ,通过一定的采样保持时间过后把采样的电压量转换为数字量,并按一定形式的0/1编码顺序给出转换结果,这就是得到了相应的数字信号 。框图如下:
下面分别介绍相应的理论知识 。
1.采样定理:(信号里面基本接触过 , 还可以参考无失真系统需要具备的条件等知识)
采样定理反映了采样信号频率与输入信号频率之间的制约关系,可理解为采样信号的频谱(低通滤波器)一定要包含输入信号频谱的全部内容 。

A/D转换基本原理及实现方法

文章插图
因为每次将采样电压转化为数字量需要一定的时间 , 所以采样后也必须把采样电压保持一段时间,故在采样过程中最后反应出的Vi都是采样结束时候的值 。
2.量化与编码
【A/D转换基本原理及实现方法】数字信号一定是在数值上离散的 。且任何一个数字量都会是一个基础数字量的整数倍 。
故选取一个最小的变量作为单位变量 。将模拟电压与之相除后就能得出相应的数字二进制代码,经推算也可以得出对应的模拟电平 。
上图的单位变量就为1/8V , 量化误差(每两个单位间隔中可能出现的最大误差)也是1/8.
这其中有一个小知识点 。怎么设计电路使其有采样和保持的功能 。
简单的采样保持电路如下图所示,其将MOS管作为启动和停止的开关,将信号通过反相放大器后得出输出电压 。
这里的场效应管也有反相截止的功能 。即当输入由高转低时,电流无法通过场效应管 。
A/D转换基本原理及实现方法

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对于这种采样速度低的电路,可以有以下改进
VL引脚控制着开关的闭合,当为高电平时开关打开 。模拟电压可经过两级跟随器传至Vo
当VL由高变低时 , 还有电容Ch放电提供相应电压,电平得以维持 。
当输入的电压比较大,超出了开关所能承受的最大电压时,引入一个二极管电路,通过单向导通的性质可以起到分压的作用,且当电压合适时该电路不起分压作用 。
常用的A/D转换器有直接A/D转换器(并行型/反馈比较型)以及间接A/D(需要转成T,f等中间变量后再转换)
1.直接
(1)并行A/D:由电压比较器,寄存器以及编码器三部分组成
电压比较器是对输入电压进行分类 , 如图所示,运放的负极接模拟电平大小为2n-1/15(n=1,2 , ……7)的端口,分压电阻每两个电阻之间的节点都接在VI引出的这条总线上 。进行电压比较后将比较结果数据传到寄存器 。寄存器设置的目的是因为比较结果可能会有变化,待稳定后通过译码器部分对相应的结果转化为二进制数字变量 。各种变量之间的对应关系如下
这种电路特点是传输速度较快 , 但缺点是随着二进制数字量位数的增加 , 需要比较器的数量呈指数型增长(2^n-1) , 且自带采样保持功能