adc0809的工作原理

揭秘Σ-Δ ADC的工作原理

节选自Maxim应用笔记AN1870

石忠东 整理 摘要：本文深入介绍了Σ-Δ模拟数字转换器（ADC）的理论背景，特别强调了过采样，噪声整形，

滤波和抽取等几个难于理解的有关数字信号的关键概念。 越来越多的应用，诸如过程控制、称重等，都需要高分辨率、高集成度和价格低廉的ADC。 新

型Σ-Δ转换技术恰好可以满足上述需求。然而，很多设计者并不十分了解这种AD转换技术，因

而更愿意选用传统的逐次比较（SAR）型ADC。

Σ-Δ转换器的模拟部分非常简单（类似于一个1位ADC），而数字部分要复杂得多，按照功

能可划分为数字滤波和抽取单元。由于Σ-Δ型ADC更接近于数字器件，因而其制造成本非常低廉。 Σ-Δ ADC的工作原理 要理解Σ-Δ型ADC的工作原理，首先应对以下概念有所了解：过采样、噪声成形、数字滤波

和抽取。 1. 过采样

首先，考虑一个传统ADC的频域传输特性。输入一个正弦信号，然后以频率Sf采样，按照

Nyquist定理，采样频率至少两倍于输入信号。

从FFT分析结果可以看到，一个单音和一系列频率分布于DC到S2f间的随机噪声，如图1

所示，这就是所谓的量化噪声，主要是由于有限的ADC分辨率而造成的。

图1. N位 ADC以频率fs采样单音信号的频谱分析

单音（基频）信号的功率与所有频率的噪声的RMS功率之和的比值就是信号噪声比（SNR）。

对于一个N位 ADC，SNR可由公式：SNR=6.02N+1.76dB得到。为了改善SNR和更为精确地再

现输入信号，对于传统ADC来讲，必须增加位数。

如果将采样频率提高一个过采样系数k，即采样频率为Skf，再来讨论同样的问题，如图2所

示，FFT分析显示噪声基线降低了，SNR值虽未改变，但噪声能量却分散到更宽的频率范围。Σ-Δ信号幅值

N位ADC的信噪比 SNR = 6.02N + 1.76dB 量化噪声

本底噪声平均值（基线）

功率 频域 转换器正是利用了这一原理，具体方法就是在1位 ADC之后进行数字滤波。如图3所示，由于大

揭秘Σ-Δ ADC的工作原理

节选自Maxim应用笔记AN1870

石忠东 整理 摘要：本文深入介绍了Σ-Δ模拟数字转换器（ADC）的理论背景，特别强调了过采样，噪声整形，

滤波和抽取等几个难于理解的有关数字信号的关键概念。 越来越多的应用，诸如过程控制、称重等，都需要高分辨率、高集成度和价格低廉的ADC。 新

型Σ-Δ转换技术恰好可以满足上述需求。然而，很多设计者并不十分了解这种AD转换技术，因

而更愿意选用传统的逐次比较（SAR）型ADC。

Σ-Δ转换器的模拟部分非常简单（类似于一个1位ADC），而数字部分要复杂得多，按照功

能可划分为数字滤波和抽取单元。由于Σ-Δ型ADC更接近于数字器件，因而其制造成本非常低廉。 Σ-Δ ADC的工作原理 要理解Σ-Δ型ADC的工作原理，首先应对以下概念有所了解：过采样、噪声成形、数字滤波

和抽取。 1. 过采样

首先，考虑一个传统ADC的频域传输特性。输入一个正弦信号，然后以频率Sf采样，按照

Nyquist定理，采样频率至少两倍于输入信号。 从FFT分析结果可以看到，一个单音和一系列频率分布于DC到S2f间的随机噪声，如图1

所示，这就是所谓的量化噪声，主要是由于有限的ADC分辨率而造成的。

图1. N位 ADC以频率fs采样单音信号的频谱分析

单音（基频）信号的功率与所有频率的噪声的RMS功率之和的比值就是信号噪声比（SNR）。

对于一个N位 ADC，SNR可由公式：SNR=6.02N+1.76dB得到。为了改善SNR和更为精确地再

现输入信号，对于传统ADC来讲，必须增加位数。

如果将采样频率提高一个过采样系数k，即采样频率为Skf，再来讨论同样的问题，如图2所

示，FFT分析显示噪声基线降低了，SNR值虽未改变，但噪声能量却分散到更宽的频率范围。Σ-Δ信号幅值

N位ADC的信噪比 SNR = 6.02N + 1.76dB

量化噪声

本底噪声平均值（基线） 功率 频域 转换器正是利用了这一原理，具体方法就是在1位 ADC之后进行数字滤波。如图3所示，由于大

实验六 ADC0809AD转换实验

一、实验目的

1、掌握ADC0809AD芯片的工作原理和使用方法。

2、掌握如何使用51单片机配合ADC0809AD芯片实现模拟量转换。

二、实验原理

ADC0809AD是一种8位分辨率、并行输出、单通道，3MHz 工作速率的A/D转换器。ADC有两个输入电压端子，IN+和IN-，它们之 间加入了一个内部参考电压源（RE），所以在输入模拟信号时常在IN+端连接信 号输入，而IN-端接地。当选用RE = +2.5 V时，IN+的输入范围约为0-VREF， 在本实验中选用的是RE = +5 V，所以IN+的输入范围约为0-5V。

当外部触发信号TRIGGER开启后，ADC执行转换操作。在转换时，电压采 样保持时间通常为 100 ns，最长转换时间为 200 us，当转换结束时，ADC将 数字输出置在低电平并发出一个中断请求（INTR）信号。转换结果可以通过 8个输出线路（DB0-DB7）获得。

三、实验器材

2、*1 9针座（1x9 Pin Socket）。

3、*1 51单片机学习板。

4、*1 电阻10KΩ。

5、*1 电压源。

6、*1 面包板。

7、*5 条杜邦线。

四、实验步骤

1、根据下表将ADC0809AD芯片插入到面包板中。

ADC0809AD引脚码 ADC0809AD引脚名称 功能

1 A0- A/D输入（低、多路）引脚

17 AGND 模拟地

18 VREF/2 参考电压输出 19 VCC 数字电源

2、将9脚座插入面包板的横向边缘上。

3、使用杜邦线将ADC0809AD转换器连接到学习板上，并根据原理部分对芯片引脚进行接线。

4、将一个10KΩ的电阻连接到ADC0809AD芯片的IN+引脚和GND之间。

实验三 逐次比较式A/D转换器0809的原理及编程

一、实验目的

1. 熟悉逐次逼近式A/D转换器芯片的工作原理。

2. 了解A/D转换芯片0809的接口设计方法。

3. 掌握A/D转换器0809简单的应用编程。

二、实验任务

1. 分析本实验模板的电路原理，它与EPP接口数据传送的方法，所使用的端口地址。

2. 编写出逐次逼近式A/D转换器芯片0809的转换与显示的控制程序。

三、实验原理

1．电路组成及转换原理

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关，以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件。8位A/D转换器的转换方法为逐次逼近法。在A/D转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关数组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近的寄存器。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个单边的模拟信号。其原理图如图3－1所示。

8通道多路模拟开关5432128272625242322地址锁存器和译码器W1W2逐次逼近型寄存器SAR控制逻辑开关树组256R电阻分压器610VxVc7输出缓冲锁存器三态212019188151417916111312模拟量输入ABCALE地址选择地址锁存允许VccGNDVREF(+)VREF(-)ENABLE数字量输出转换结束（中断）EOCSTARTCLOCKD7D6D5D4D3D2D1D0IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0

图3－1 ADC0809内部原理图

从图中可以看出，ADC0809由两部分组成，第一部分为八通道多路模拟开关，控制C、B、A和地址锁存允许端子，可使其中一个通道被选中。第二部分为一个逐次逼近型A/D转换器，它由比较器、控制逻辑、输出锁存缓冲器、逐次逼近寄存器以及开关数组和256R梯型解码网络组成，由后两种电路（开关数组和256R梯型电阻）组成D/A转换器。控制逻辑用来控制逐次逼近寄存器从高位到低位逐次取“1”，然后将此数字量送到开关数组（8位开关），以控制开关K7～K0是否与参考电压相连。参考电压经256R梯型电阻输出一个模拟电压Vc，Vc与输入模拟量Vx在比较器中进行比较。当Vc>Vx时，该位Di＝0；若Vc≤Vx，则Di=1。因此，从D7～D0比较8次，逐次逼近寄存器中的数字量，即与模拟量Vx所相当的数字量相等。此数字量送入输出寄存器，并同时发出转换结束信号。 2．ADC0809的引脚功能