高分辨率AD转换电路的设计_大学生电子设计竞赛

2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛

1. 2. 3 创新部分

? 仿照WINDOWS菜单，操作方法一目了然，界面友好美观 ? 考虑到控制系统的智能化和完整性，又增加了播放语音功能 ? 选择AD不工作时，LED实时显示当前时间 ? 自制电源

2 设计原理及方案选择

2.1 总体设计思想

根据题目的要求，系统可划分为控制模块、AD转换模块、电源模块、显示模块、键盘模块、信号源模块，另外增加了语音模块、时钟模块。系统框图如图2：

信号源模块 显示模块 键盘模块 控 制 器 模 块 时钟模块 AD转换模块 语音模块 直流电源模块

图２系统总体框图

2.2 模块设计原理与选择

其中AD转换为设计的核心部分，因此分AD转换模块和其他模块两部分进行讨论。

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2 .2. 1 AD转换原理

模数转换器（简称A/D转换器或ADC, Analog to Digital Converter）的功能是将输入的模拟电压转换为输出的数字信号，为此模块的设计是整个作品的核心部分，即将模拟量转换成与其成比例的数字量。一个完整的AD转换过程，必须包括采样、保持、量化、编码四部分电路。在具体实施时，常把这四个步骤合并进行。例如，采样和保持是利用同一电路连续完成的。量化和编码是在转换过程中同步实现的，而且所用的时间又是保持的一部分。具体过程如图3所示

CPSv（It）Sv（It）ADC的量化编码电路...Dn-1D1D0ADC输入模拟电压取样保持电路取样展宽信号数字量输出（n位）

图3 AD转换过程 采样过程

如图4所示是某一输入模拟信号经采样后得出的波形。为了保证能从采样信号中将原信号恢复，必须满足条件

fs≥2 fi(max) （1）

其中fs为采样频率，fi(max)为信号ui中最高次谐波分量的频率。这一关系称为采样定理。

AD转换器工作时的采样频率必须大于等于式（1）所规定的频率。采样频率越高，留给每次进行转换的时间就越短，这就要求AD转换电路必须具有更高的工作速度。因此，采样频率通常取fs =(3~5) fi(max) 已能满足要求。

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usui采样点保持O图4模拟信号采样

t

采样过程即通过采样保持电路完成。 量化与编码过程

为了使采样得到的离散的模拟量与n位二进制码的2n个数字量一一对应，还必须将采样后离散的模拟量归并到2n个离散电平中的某一个电平上，这样的一个过程称之为量化。

量化后的值再按数制要求进行编码，以作为转换完成后输出的数字代码。量化和编码是所有AD转换器不可缺少的核心部分之一。

数字信号具有在时间上离散和幅度上断续变化的特点。这就是说，在进行AD转换时，任何一个被采样的模拟量只能表示成某个规定最小数量单位的整数倍，所取的最小数量单位叫做量化单位，用△表示。若数字信号最低有效位用LSB表示，1LSB所代表的数量大小就等于△，即模拟量量化后的一个最小分度值。把量化的结果用二进制码，或是其他数制的代码表示出来，称为编码。这些代码就是AD转换的结果。

2.2.2 AD转换方案

? 方案一：计数器式A/D转换。其工作原理为D/A转换后的电压依次与计数器中的计数数值所对用的电压进行比较，并随之调节计数器中数值。计数器式AD转换线路比较简单，但转换速度比较慢，所以很少使用。

? 方案二：双积分式A/D转换。它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时器、计数器（FF0～FFn）等几部分组成。其转换原理如图5所示：

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S2VREF+vIABS1VS1RACvOCvCn级计数器QnFFn1JC11KRCRDn-1（MSB）1Qn-1FFn-11JC11KR1Q1FF11JC11KRD1数字量输出D0（LSB）1Q0FF01JC11KR1vG&CP...TC 图5双积分A/D转换原理

双积分转换器把待转换的输入模拟电压先转换为中间变量时间T，然后再对中间变量量化编码，得出转换结果

D?T1NUi?1UI （2）

TCPVREFVREF其中N1 、VREF均为常量，故计数结果与模拟电压有较好的线性度。因有积分器的存在，积分器的输出只对输入信号的平均值有所响应，所以，它突出优点是工作性能比较稳定且抗干扰能力强；计数器的计数结果与RC无关，所以，该电路对RC精度的要求不高，而且电路的结构也比较简单。只要两次积分过程中积分器的时间常数相等，所用于数据采集及精度要求比较高的场合。在本题目中，我们考虑作为发挥部分，采用了速度较快的转换模式，作为双积分式转换其转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低，再三考虑后，我们放弃了此方案。

? 方案三：采用V/F转换方案。压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换，而且其转换速度较低。

? 方案四：逐次逼近型A/D转换。逐次逼近型AD转换器属于直接型AD转换器，它能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码，而不需要经过中间变量。

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