A/D转换器

一、实验目的

1、  研究A/D转换器（ADC）模拟输入与输出之间的关系。

2、  研究怎样设置A/D转换器的输入电压范围。

3、  进一步理解A/D转换器量化误差（即分辨率）的概念。

4、  观察ADC—DAC转换电路的工作情况。

二、实验仪器

5V、7V、15V直流电源                           各1个

5V/60Hz正弦波信号源                             1个

逻辑开关                                        1个

逻辑探头                                        8个

A/D转换器                                       1个

D/A转换器                                       1个

三端运算放大器                                  1个

带译码器的七段数码管                            2个

2KΩ电位器                                      2个

5KΩ电阻                                        3个

10V电压表                                       2个

蜂鸣器                                          1个

三、实验原理

A/D转换器用来将模拟电压转换成一组相应二进制数码输出。由于A/D转换器的输入量是随时间连续变化的模拟信号，而输出随时间断续变化的离散数字信号，因此在转换过程中，首先要对模拟信号进行采样、保持、再进行量化、编码。

所谓采样，就是在一个微小时间内对模拟信号进行取样，把一个时间上是连续的信号变换为对时间离散的信号。采样结束后，再将此取样的模拟信号保持保持一段时间，使A/D转换器有充分时间进行A/D转换。这就是采样、保持电路的基本作用。

任何一个数字量的大小都是以某个最小数量单位的整数倍来表示。因此，再用数字量表示采样电压时，也必须把他化成这个最小数量单位的整数倍，这个转化过程就叫做量化。所规定的最小数量单位叫做量化单位，用Δ表示。显然，数字信号最低有效位中的“1”所表示的数量大小，就等于Δ。一般被转化的模拟电压不可能被Δ整除，这种因素引起的误差称为量化误差。

量化误差又称为分辨率。ADC输出二进制数位越多，则分辨率越高，转换精度也越高，分辨率常以数字信号最低有效位中的“1”所对应的电压值表示。

例如10位ADC，当满度输入模拟电压为5V，则最低有效位“1”所对应的输入电压为 ；8位ADC为 。显然，10为ADC的分辨率比8位ADC高。因此，分辨率有时也可用A/D转换器的输出位数n表示。

把量化的数值用一组相应的二进制代码表示出来，称为编码。这些代码就是A/D转换的输出数字量，而量化及编码电路即为A/D转换器电路。

图1 A/D转换器电路

图1为8位ADC电路，可用来研究模/数转化器模拟输入与数值输出之间的关系。调整2KΩ电位器Range 与参考电压V_REF的分压比，可设置ADC满度输入电压。为了设置模拟输入电压V_in，则须调整另一个2KΩ电位器Input,可设变化范围为0—5V。如果在SOC输入端加上大小为“1”的窄脉冲，则ADC开始转换，转换结束时EOC端输出“1”。使能端OE节高电平有效，OE为“1”时ADC有数字信号输出。在图1所示的电路中，OE一直接5V电源，使ADC能够连续输出。当ADC与微处理器或计算机数据总线接口时，EOC和OE可当作同步控制端来使用。

四、实验内容

1、  在EWB平台上建立如图1所示的实验电路，这是一个8位A/D转换器。2KΩ电位器Range用来设置ADC满度输入电压（即输入电压范围）；另一个2KΩ电位器Input用来改变模拟输入电压，范围是0—5V。

2、  转换控制开关Start  Convet 应该处于往下打的位置。单击仿真开关进行动态分析。调整2KΩ电位器Range,使输入电压范围可能接近0—5V，也就是将ADC的满度输入电压设置为5V。调整电位器的方法为，双击这个电位器，在弹出的设置对话框Potentiometer中，改变设置项Setting的百分比，然后单击接受Accept .

3、  调整2KΩ电位器Input,使模拟输入电压V_in尽可能接近2.0V.按计算机键盘上的空格键，使转换控制开关Start Convert 置1，ADC开始转换。再按一次空格键使转换开关往下打。在表5—29中记录于2.0V模拟输入电压的对应的ADC数字输出。重复上述操作，输入其余的模拟电压V_in，在表中记录相应的数字输出。

表1  ADC二进制输出

4、  计算表1中与每个输出二进制数对应的十进制数，并把计算结果记录到表中。

5、  根据表1中的数据，计算图2中ADC的量化误差。

6、  单击仿真开关停止动态分析。将EOC与SOC连接起来（保留SOC与Start Convert 开关的连线。再按一次空格键使Start Convert 开关返回原来的位置。每次转换结束后EOC端将有信号输出，ADC又马上开始新一轮的转换，使转换工作连续进行下去。在0—5V之间继续改变模拟输入电压V_in以后，数字输出会随之变化，而不需要按键盘上的空格键。

图2 ADC与DAC转换

7、  调整2KΩ电位器Range ,使满度输入电压尽可能接近2.5V。调整电位器Input ,改变模拟输入电压V_in直至数字输出达到最大值11111111，计下这个模拟输入电压值。

                  模拟输入电压值V_in=              V。

8、  单击仿真开关停止仿真。在EWB平台上下拉文件菜单File,选中打开命令Open,在弹出的对话框Open Circuit File 中双击Complex文件夹，再双击adc-dac2.ca4电路文件，将ADC与DAC电路打开，如图2所示。

9、  这个电路先用一个A/D转换器将模拟输入电压转换为数字输出，然后将转换结束时，蜂鸣器都会发出响声。

10、单击仿真开关运行动态分析。注意观察数码管及示波器屏幕的变化，并注意听蜂鸣器的响声。

五、思考与分析

1、  根据表1的实验数据，说明图1所示的ADC电路的满度输入电压等于多少？ADC数字输出的大小与模拟输入电压的大小成比例吗？

2、  根据步骤7的实验结果，说明ADC满度输入电压的新值等于多少？这个新值与期望值相符吗?

3、  对于图2所示的电路，当蜂鸣器发出响声时，数码管显示的十六进制是多少？输入信号波形与输出信号波形有什么差别？

4、  在图2所示的电路中，当信号发生器输出方波的频率改为1KHz时，示波器所示的输出波形有什么变化？

5、  在图2所示的电路中，当信号发生器输出波形的频率改为4KHz时，示波器所显示的输出波形有什么变化？