1、第九章第九章 數(shù)數(shù)-模和模模和模-數(shù)轉換數(shù)轉換Chapter 9 D/A and A/D Converter本章主要內容本章主要內容 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二節(jié)第二節(jié) D/A轉換器轉換器 9.2.1 權電阻網絡權電阻網絡D/A轉換器轉換器 9.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器 9.2.3 權電流型權電流型D/A轉換器轉換器 9.2.4 具有雙極性輸出的具有雙極性輸出的D/A轉換器轉換器 9.2.5 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度第三節(jié)第三節(jié) A/D轉換器轉換器 9.3.1 采樣采樣-保持電路保持電路 9.3.2 直接直接A/D轉換器轉換器 9

2、.3.3 間接間接A/D轉換器轉換器 9.3.4 A/D轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度9.1 概述概述DAC和和ADC的應用舉例：的應用舉例： 在過程控制和信息處理中，經常會遇到一些連續(xù)變化的在過程控制和信息處理中，經常會遇到一些連續(xù)變化的物理量，如物理量，如話音、溫度、壓力、流量話音、溫度、壓力、流量等，它們的量值都是等，它們的量值都是隨時間連續(xù)變化的。為了能使用數(shù)字電路處理模擬信號，隨時間連續(xù)變化的。為了能使用數(shù)字電路處理模擬信號，必須把模擬信號轉換成相應的數(shù)字信號，方能送入數(shù)字系必須把模擬信號轉換成相應的數(shù)字信號，方能送入數(shù)字系統(tǒng)進行處理。同時，還往往要求將處理后得

3、到的數(shù)字信號統(tǒng)進行處理。同時，還往往要求將處理后得到的數(shù)字信號再轉換為相應的模擬信號作為最后的輸出。再轉換為相應的模擬信號作為最后的輸出。 圖圖9.1.1所示即為一個典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖：所示即為一個典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖：傳感器傳感器ADC數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)或計算機系統(tǒng)或計算機系統(tǒng)DAC圖圖9.1.1 典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖模擬控模擬控制器制器0110. .1100. .DAC和和ADC架起了數(shù)字電路與模擬電路之間的橋梁。架起了數(shù)字電路與模擬電路之間的橋梁。一、基本定義一、基本定義 從從模擬信號模擬信號到到數(shù)字信號數(shù)字信號的轉換稱為的轉換稱為模模-數(shù)數(shù)轉換，簡稱

4、轉換，簡稱A/D轉換；轉換； 從從數(shù)字信號數(shù)字信號到到模擬信號模擬信號的轉換稱為的轉換稱為數(shù)數(shù)-模模轉換，簡稱轉換，簡稱D/A轉換；轉換； 實現(xiàn)實現(xiàn)A/D轉換的電路稱為轉換的電路稱為A/D轉換器（簡寫為轉換器（簡寫為ADC）；）； 實現(xiàn)實現(xiàn)D/A轉換的電路稱為轉換的電路稱為D/A轉換器（簡寫為轉換器（簡寫為DAC）。）。二、二、DAC和和ADC的轉換關系及數(shù)字編碼的轉換關系及數(shù)字編碼 理想的理想的ADC和和DAC的輸入的輸入/輸出關系如圖輸出關系如圖9.1.2所示。無論是所示。無論是ADC還是還是DAC，其輸出同輸入之間都是正比例的對應關系。，其輸出同輸入之間都是正比例的對應關系。圖圖9.1.

5、2 自然加權二進制碼三位轉換器關系圖自然加權二進制碼三位轉換器關系圖 （1）因）因ADC要將連續(xù)的模擬量轉換為離散的數(shù)字量，要將連續(xù)的模擬量轉換為離散的數(shù)字量，所以模擬量和數(shù)字量之間不是一一對應的關系。顯然，所以模擬量和數(shù)字量之間不是一一對應的關系。顯然，ADC存在著固有的轉換誤差，這種誤差稱為存在著固有的轉換誤差，這種誤差稱為量化誤差量化誤差。其量化值為其量化值為 。（2）任何）任何ADC和和DAC的使用都是同其數(shù)字編碼形式密的使用都是同其數(shù)字編碼形式密切相關的。在轉換器的應用中，通常將數(shù)字表示為滿刻切相關的。在轉換器的應用中，通常將數(shù)字表示為滿刻度（度（FSR：Full Scale Ran

6、ge）模擬值的一個分數(shù)，稱為）模擬值的一個分數(shù)，稱為歸一化表示法。數(shù)字的最低有效位常用歸一化表示法。數(shù)字的最低有效位常用LSB（Least Significant Bit)表示，其對應的模擬量輸出為表示，其對應的模擬量輸出為 ，n是數(shù)字量的位數(shù)。是數(shù)字量的位數(shù)。FSRn21LSB21三、轉換器的主要參數(shù)三、轉換器的主要參數(shù) 1）分辨率分辨率 指轉換器分辨模擬信號的靈敏度，也即對最小電壓的指轉換器分辨模擬信號的靈敏度，也即對最小電壓的分辨能力分辨能力, 一般一般S= ；或者用輸入數(shù)碼只有最低有效；或者用輸入數(shù)碼只有最低有效位為位為1時的輸出電壓與輸入數(shù)碼為全時的輸出電壓與輸入數(shù)碼為全1時輸出滿量

7、程電壓之時輸出滿量程電壓之比來表示，即比來表示，即S= ；有時也常用；有時也常用位數(shù)位數(shù)來表示轉換器的來表示轉換器的分辨率。分辨率。 2）轉換精度轉換精度 精度是轉換器實際特性曲線與理想特性曲線之間的最精度是轉換器實際特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差。大偏差。 誤差源：失調誤差、增益誤差和非線性誤差。誤差源：失調誤差、增益誤差和非線性誤差。 3）轉換速度（或時間）轉換速度（或時間）FSRn21121n四、四、DAC的分類的分類 （1）按常見類型分：）按常見類型分： * 權電阻網絡權電阻網絡DAC * 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡DAC * 權電流型權電流型DAC * 權電容網絡權電容網絡DA

8、C * 開關樹型開關樹型DAC 等等；等等； （2）按數(shù)字量的輸入方式分：）按數(shù)字量的輸入方式分： * 并行輸入并行輸入DAC * 串行輸入串行輸入DAC五、五、ADC的分類的分類 （1）按常見類型分：）按常見類型分： * 直接直接ADC * 間接間接ADC（如時間、頻率等）（如時間、頻率等） （2）按數(shù)字量的輸出方式分：）按數(shù)字量的輸出方式分： * 并行輸出并行輸出ADC * 串行輸出串行輸出ADC 9.2 D/A轉換器轉換器Digital to Analog ConverterDAC轉換的基本原理：轉換的基本原理：圖圖9.2.1 數(shù)模轉換器示意圖數(shù)模轉換器示意圖nrefOVXV2/nnnn

9、nDXXXX01211222其中： 一般的數(shù)模轉換器的基本組成可分為四部分，即：一般的數(shù)模轉換器的基本組成可分為四部分，即：電阻電阻譯碼網絡譯碼網絡、模擬開關模擬開關、基準電壓源基準電壓源和和求和運算放大器求和運算放大器。圖圖9.2.2 數(shù)模轉換器原理圖數(shù)模轉換器原理圖 簡單的說，數(shù)模轉換的基本方法是將數(shù)字信息按照每簡單的說，數(shù)模轉換的基本方法是將數(shù)字信息按照每位數(shù)碼的位數(shù)碼的“權權”轉換成相應的模擬量，然后把它們在一個轉換成相應的模擬量，然后把它們在一個求和元件中相加，而按求和元件中相加，而按“權權”的轉換通常是用電阻網絡來的轉換通常是用電阻網絡來實現(xiàn)的，所以目前使用最廣泛的實現(xiàn)的，所以目前

10、使用最廣泛的D/A轉換技術有兩種：權電轉換技術有兩種：權電阻網絡阻網絡D/A轉換和轉換和T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換。轉換。9.2.1 權電阻網絡權電阻網絡D/A轉換器轉換器 一個多位二進制數(shù)中每一位的一個多位二進制數(shù)中每一位的“1”所代表的數(shù)值大小所代表的數(shù)值大小稱為這一位的稱為這一位的“權權”。下面即以圖。下面即以圖9.2.3為例分析權電阻網為例分析權電阻網絡絡DAC的轉換原理：的轉換原理：9.2.3 4位權電阻網絡位權電阻網絡DAC基準電壓源基準電壓源求和放大器求和放大器權電阻網絡權電阻網絡模擬開關模擬開關CMOS模擬開關電路模擬開關電路idididii由電路分析可得：由電路分析可得

11、：推論：推論：對于對于n位的權電阻網絡位的權電阻網絡D/A轉換器，當反饋電轉換器，當反饋電阻取為阻取為R/2時，輸出電壓的計算公式可寫為時，輸出電壓的計算公式可寫為結論：結論：輸出電壓輸出電壓正比于正比于輸入的數(shù)字量，從而實現(xiàn)了從輸入的數(shù)字量，從而實現(xiàn)了從 數(shù)字量到模擬量的轉換。數(shù)字量到模擬量的轉換。此種電路：此種電路： 優(yōu)點：優(yōu)點：結構比較簡單，所用的電阻元件數(shù)很少；結構比較簡單，所用的電阻元件數(shù)很少； 缺點：缺點：各個電阻的阻值相差較大，尤其在位數(shù)較多時。各個電阻的阻值相差較大，尤其在位數(shù)較多時。如何求解？如何求解？改進方法（一）：改進方法（一）：采用雙級權電阻網絡。采用雙級權電阻網絡。如

12、下例：如下例：9.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器優(yōu)點：優(yōu)點：可更好地克服權電阻網絡可更好地克服權電阻網絡DAC中電阻阻值相差太中電阻阻值相差太大的缺點。大的缺點。例：例：9.2.4 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡DAC該電路電阻網絡的等效電路如下：該電路電阻網絡的等效電路如下：9.2.5 計算倒計算倒T形電阻網絡支路電流的等效電路形電阻網絡支路電流的等效電路由電路分析由電路分析,可得輸出電壓為：可得輸出電壓為：推論：推論：對對n位輸入的倒位輸入的倒T形電阻網絡形電阻網絡DAC,在求和放大器的反饋電在求和放大器的反饋電 阻阻值為阻阻值為R的條件下的條件下,輸出模擬電壓的計算公式

13、為輸出模擬電壓的計算公式為:例例: 采用倒采用倒T形電阻網絡的單片集成形電阻網絡的單片集成DAC-CB7520電路原理圖：電路原理圖：圖圖9.2.6 DACCB7520電路原理圖電路原理圖【例【例1 1】 下圖是用下圖是用CB7520CB7520和和74LS16174LS161組成的波形發(fā)生器電路。已組成的波形發(fā)生器電路。已知知CB7520CB7520的的V VREFREF=-10V=-10V，試畫出輸出電壓，試畫出輸出電壓V V0 0的波形，并標出波形圖的波形，并標出波形圖上各點電壓的幅度。上各點電壓的幅度。9.2.7 DACCB7520應用舉例應用舉例9.2.3 權電流型權電流型D/A轉換

14、器轉換器 在權電阻網絡在權電阻網絡DAC和倒和倒T形電阻網絡形電阻網絡DAC中的模擬開關在實中的模擬開關在實際應用中，總存在一定的際應用中，總存在一定的導通電阻和導通壓降導通電阻和導通壓降，而且每個開關的，而且每個開關的情況又不完全相同，所以它們的存在無疑會引起轉換誤差，影響情況又不完全相同，所以它們的存在無疑會引起轉換誤差，影響轉換精度。轉換精度。 權電流型權電流型DAC可有效的解決這一問題。其示意圖如下：可有效的解決這一問題。其示意圖如下：圖圖9.2.8 權電流型權電流型DAC恒流源電路常使用圖恒流源電路常使用圖9.2.9所示的電路結構形式：所示的電路結構形式：圖圖9.2.9 權電流型權電

15、流型DAC中的恒流源中的恒流源對應的輸出電壓為：對應的輸出電壓為： 在實際應用的權電流型在實際應用的權電流型DAC中經常利用中經常利用倒倒T形電阻網絡的形電阻網絡的分流作用分流作用產生所需要的一組恒流源，如圖產生所需要的一組恒流源，如圖9.2.10 所示所示：圖圖9.2.10 利用倒利用倒T形電阻網絡的權電流型形電阻網絡的權電流型DAC由電路分析知：由電路分析知：推論：推論：對于輸入對于輸入n位二進制數(shù)碼的這種電路結構的位二進制數(shù)碼的這種電路結構的DAC，輸出，輸出 電壓的計算公式可寫成：電壓的計算公式可寫成： 采用這種權電流型采用這種權電流型DAC電路生產的單片集成電路生產的單片集成DAC有

16、有DAC0806、DAC0807、DAC0808等。這些器件都采用雙極型工藝制作，工作速等。這些器件都采用雙極型工藝制作，工作速度很高。度很高。DAC0808電路介紹及應用舉例：電路介紹及應用舉例：圖圖9.2.11 DAC0808的電路結構框圖的電路結構框圖圖圖9.2.12 DAC0808的典型應用的典型應用9.2.4 具有雙極性輸出的具有雙極性輸出的D/A轉換器轉換器 前面講的前面講的DAC輸出電壓都是單極性的，得不到正、負極性的輸出電壓都是單極性的，得不到正、負極性的輸出電壓。而具有雙極性輸出的輸出電壓。而具有雙極性輸出的DAC能夠把能夠把以補碼形式輸入以補碼形式輸入的正的正負數(shù)分別轉換成

17、正負極性的模擬電壓。負數(shù)分別轉換成正負極性的模擬電壓。 下面以輸入為下面以輸入為3位二進制補碼的情況為例，說明轉換的原理。位二進制補碼的情況為例，說明轉換的原理。表表7-2-1 輸入為輸入為3位二進制補位二進制補碼時要求碼時要求DAC的輸出的輸出表表7-2-2 具有偏移的具有偏移的DAC的的輸出輸出符號位符號位其中，由其中，由RB和和VB組成偏移電路，門組成偏移電路，門G完成符號位的取反。完成符號位的取反。為使輸入代碼為為使輸入代碼為100時的輸出電壓等于零，需使下式成立：時的輸出電壓等于零，需使下式成立： 圖圖9.2.13 具有雙極性輸出電壓的具有雙極性輸出電壓的DAC偏移電路偏移電路符號取

18、反符號取反9.2.4 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度一、一、DAC的轉換精度的轉換精度 在在DAC中通常用中通常用分辨率分辨率和和轉換誤差轉換誤差來描述轉換精度。來描述轉換精度。 由于由于DAC的各個環(huán)節(jié)在參數(shù)和性能上和理論值之間不可避免的的各個環(huán)節(jié)在參數(shù)和性能上和理論值之間不可避免的存在著差異，所以實際能達到的轉換精度要由轉換誤差來決定。存在著差異，所以實際能達到的轉換精度要由轉換誤差來決定。 表示由各種因素引起的轉換誤差的一個綜合性指標稱為表示由各種因素引起的轉換誤差的一個綜合性指標稱為線性誤線性誤差差。線性誤差表示實際的。線性誤差表示實際的D/A轉換特性和理想

19、轉換特性之間的最大轉換特性和理想轉換特性之間的最大偏差，如圖偏差，如圖9.2.14 所示。線性誤差一般用最低有效位的倍數(shù)表示。所示。線性誤差一般用最低有效位的倍數(shù)表示。圖圖9.2.14 DAC的轉換特性曲線的轉換特性曲線造成造成DAC轉換誤差的原因有轉換誤差的原因有: * 參考電壓參考電壓VREF的波動的波動 * 運算放大器的零點漂移運算放大器的零點漂移 * 模擬開關的導通內阻和導通壓降模擬開關的導通內阻和導通壓降 * 電阻網絡中電阻阻值的偏差電阻網絡中電阻阻值的偏差 * 三極管特性的不一致三極管特性的不一致 等等。等等。由不同因素所導致的轉換誤差各有不同的特點：由不同因素所導致的轉換誤差各有

20、不同的特點： 1）若）若VREF偏離標準值偏離標準值VREF，則由，則由VREF引起的轉換誤差叫做引起的轉換誤差叫做比例比例系數(shù)誤差系數(shù)誤差，用，用VO1表示。圖表示。圖9.2.15中虛線表示出了當中虛線表示出了當VREF一定時一定時VO值值偏離理論值的情況。偏離理論值的情況。圖圖9.2.15 比例系數(shù)誤差比例系數(shù)誤差2）由運算放大器的零點漂移造成的輸出電壓誤差叫做）由運算放大器的零點漂移造成的輸出電壓誤差叫做漂移誤差漂移誤差或或平平移誤差移誤差，用，用VO2表示，如圖表示，如圖9.2.16中虛線所示：中虛線所示：圖圖9.2.16 漂移誤差漂移誤差3）由于模擬開關的導通內阻和導通壓降都不可能真

21、正等于零，因而它們的存）由于模擬開關的導通內阻和導通壓降都不可能真正等于零，因而它們的存在也必將在輸出端產生誤差電壓在也必將在輸出端產生誤差電壓VO3，這種性質的誤差叫做，這種性質的誤差叫做非線性誤差非線性誤差。4）產生非線性誤差的另一個原因是電阻網絡中電阻阻值的偏差，其中也包含）產生非線性誤差的另一個原因是電阻網絡中電阻阻值的偏差，其中也包含了模擬開關導通電阻所帶來的誤差。在輸出端產生的誤差電壓了模擬開關導通電阻所帶來的誤差。在輸出端產生的誤差電壓VO4與輸入與輸入數(shù)字量之間也是一種數(shù)字量之間也是一種非線性關系非線性關系。這兩種誤差示于圖這兩種誤差示于圖9.2.17中。中。圖圖9.2.17

22、非線性誤差非線性誤差 因為這幾種誤差電壓之間不存在固定的函數(shù)關系，所以最因為這幾種誤差電壓之間不存在固定的函數(shù)關系，所以最壞的情況下輸出總的誤差電壓等于它們的絕對值相加，即壞的情況下輸出總的誤差電壓等于它們的絕對值相加，即說明：說明：為獲得高精度的為獲得高精度的DAC，單純依靠選用高分辨率的，單純依靠選用高分辨率的DAC器器件是不夠的，還必須具有高穩(wěn)定度的參考電壓源件是不夠的，還必須具有高穩(wěn)定度的參考電壓源VREF和低漂移和低漂移的運算放大器與之配合使用，才可能獲得較高的轉換精度。的運算放大器與之配合使用，才可能獲得較高的轉換精度。 以上討論的都是靜態(tài)誤差，對于動態(tài)誤差，可在以上討論的都是靜態(tài)

23、誤差，對于動態(tài)誤差，可在DAC的輸?shù)妮敵龆烁郊映龆烁郊硬蓸硬蓸颖３蛛娐繁３蛛娐??！纠纠? 2】在圖在圖9.2.69.2.6的倒的倒T T形電阻網絡形電阻網絡(CB7520)DAC(CB7520)DAC中，外接參中，外接參考電壓考電壓V VREFREF=-10V=-10V。為保證。為保證V VREFREF偏離標準值所引起的最大誤差小偏離標準值所引起的最大誤差小于于1/2LSB1/2LSB，試計算，試計算V VREFREF的相對穩(wěn)定度應取多少的相對穩(wěn)定度應取多少? ?二、二、DAC的轉換速度的轉換速度 通常用通常用建立時間建立時間tset來定量描述來定量描述DAC的轉換速度。的轉換速度。 建立時

24、間建立時間tset是這樣定義的：是這樣定義的：從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，直到輸出電壓進入與穩(wěn)態(tài)值相差直到輸出電壓進入與穩(wěn)態(tài)值相差1/2LSB范圍以內的這段時間，范圍以內的這段時間，稱為建立時間稱為建立時間tset，如圖所示：如圖所示：圖圖9.2.18 DAC的建立時間的建立時間9.3 A/D轉換器轉換器Analog to Digital Converter A/D轉換應用舉例：轉換應用舉例：01001101ADC010111CCD陣列陣列+ADC010111 A/D轉換的基本原理：轉換的基本原理：nrefinVVX2，其中，其中BVnref2為為n位位ADC參考量

25、，則參考量，則BVXin 通常通常A/D轉換位數(shù)轉換位數(shù)n越大，誤差越小。越大，誤差越小。 要實現(xiàn)將連續(xù)變化的模擬量變?yōu)殡x散的數(shù)字量，要實現(xiàn)將連續(xù)變化的模擬量變?yōu)殡x散的數(shù)字量，需經過四個步驟：需經過四個步驟：采樣、保持、量化、編碼采樣、保持、量化、編碼，一般前，一般前兩步由采樣兩步由采樣-保持電路完成，量化和編碼由保持電路完成，量化和編碼由ADC完成。完成。圖圖9.3.1 模數(shù)轉換示意圖模數(shù)轉換示意圖一、取樣定理一、取樣定理9.3.3所示。通常取所示。通常取fs=（35）fi(max)即可滿足要求。即可滿足要求。圖圖9.3.2 對輸入模擬信號的取樣對輸入模擬信號的取樣圖圖9.3.3 還原取樣信

26、號所用濾波器的頻率特性還原取樣信號所用濾波器的頻率特性二、量化與編碼二、量化與編碼 量化量化 將采樣保持電路輸出的樣值電平歸化到與之相接近的將采樣保持電路輸出的樣值電平歸化到與之相接近的離散數(shù)字電平。離散數(shù)字電平。 量化單位量化單位 把取樣電壓表示為某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這個把取樣電壓表示為某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這個最小數(shù)量單位叫最小數(shù)量單位叫量化單位量化單位，用，用表示，顯然，表示，顯然，=1LSB。 編碼編碼 把量化的結果用代碼（可以是二進制，也可以是其他進把量化的結果用代碼（可以是二進制，也可以是其他進制）表示出來。制）表示出來。 量化誤差量化誤差 將模擬電壓信號劃分為不同的量化

27、等級時采用的方法不將模擬電壓信號劃分為不同的量化等級時采用的方法不同，其量化誤差也不同。同，其量化誤差也不同。圖圖9.3.4 劃分量化電平的兩種不同方法的比較劃分量化電平的兩種不同方法的比較只舍不入只舍不入有舍有入有舍有入9.3.1 采樣采樣-保持電路保持電路圖圖9.3.5 采樣器及波形圖采樣器及波形圖 所謂所謂采樣采樣，即將一個時間上，即將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉換為時間上連續(xù)變化的模擬量轉換為時間上離散的模擬量。采樣需遵循采樣離散的模擬量。采樣需遵循采樣定理。定理。 所謂所謂保持保持，即將樣值脈沖的，即將樣值脈沖的幅度，也就是采樣期間的幅度，也就是采樣期間的Vi（t）保持下來，直到下次

28、采樣。保持下來，直到下次采樣。 采樣采樣保持的精度及性能極保持的精度及性能極大地影響大地影響A/D轉換器的精度。轉換器的精度。 通常將采樣器和保持電路總通常將采樣器和保持電路總稱為稱為采樣采樣保持電路保持電路。圖。圖9.3.6給給出了兩種采樣出了兩種采樣保持電路及輸出保持電路及輸出波形圖。波形圖。這兩種電路的共同這兩種電路的共同缺點缺點：采樣速度比較慢。：采樣速度比較慢。圖圖9.3.6 兩種采樣兩種采樣-保持電路及輸出波形保持電路及輸出波形采樣采樣保持保持R1=R2采樣保持改進實用電路：采樣保持改進實用電路：A A1 1- -+ +A A2 2- -+ +V VI IV VO OV VS SV

29、 VT TC C電壓跟隨器電壓跟隨器實例實例：單片集成取樣：單片集成取樣保持電路保持電路LF198。圖圖9.3.7 集成采樣集成采樣-保持電路保持電路LF198（a）電路結構）電路結構 （b）典型接法）典型接法課外閱讀課外閱讀 A/D轉換器的分類：轉換器的分類：ADC直接直接ADC間接間接ADCV-T變換型變換型V-F變換型變換型并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型反饋比較型反饋比較型計數(shù)型計數(shù)型逐次漸近型逐次漸近型雙積分型雙積分型9.3.2 直接直接ADC 直接直接ADC能把輸能把輸入的模擬電壓信號入的模擬電壓信號直直接轉換接轉換為輸出的數(shù)字為輸出的數(shù)字量而不需要經過中間量而不需要經過中間變量。常用的有變量

30、。常用的有并聯(lián)并聯(lián)比較型比較型和和反饋比較型反饋比較型兩類。兩類。一、并聯(lián)比較型一、并聯(lián)比較型ADC圖圖9.3.8 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型ADC電路圖電路圖表表7-3-1 圖圖9.3.8電路的代碼轉換表電路的代碼轉換表如何設計代碼如何設計代碼轉換電路？轉換電路？影響并聯(lián)比較型影響并聯(lián)比較型A/D轉換器轉換器轉換精度的主要因素轉換精度的主要因素： * 量化電平（量化電平（）的劃分）的劃分，這是主要因素；，這是主要因素； * 參考電壓參考電壓VREF的穩(wěn)定度；的穩(wěn)定度； * 分壓電阻相對精度；分壓電阻相對精度； * 電壓比較器靈敏度，等等。電壓比較器靈敏度，等等。并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型ADC的主要的主

31、要優(yōu)點優(yōu)點： * 轉換速度快轉換速度快：如：如8位輸出的轉換時間可達位輸出的轉換時間可達50ns以下；以下； * 含有比較器和寄存器的含有比較器和寄存器的ADC可不附加可不附加采樣采樣-保持電路。保持電路。并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型ADC的主要的主要缺點缺點： * 需要用很多的電壓比較器和觸發(fā)器需要用很多的電壓比較器和觸發(fā)器：如：如n位二進制代碼轉換位二進制代碼轉換 器中應當有器中應當有2n-1個電壓比較器和個電壓比較器和2n-1個觸發(fā)器，個觸發(fā)器，電路相當龐大電路相當龐大。二、反饋比較型二、反饋比較型ADC 工作原理：取一個數(shù)字量加到工作原理：取一個數(shù)字量加到DAC上，于是得到上，于是得到一個對應

32、的輸出模擬電壓。將這個模擬電壓和輸入的一個對應的輸出模擬電壓。將這個模擬電壓和輸入的模擬電壓信號相比較。若兩者不等，則調整所取的數(shù)模擬電壓信號相比較。若兩者不等，則調整所取的數(shù)字量，直到兩個模擬電壓相等為止，最后所取的這個字量，直到兩個模擬電壓相等為止，最后所取的這個數(shù)字量就是所求的轉換結果。數(shù)字量就是所求的轉換結果。 反饋比較型反饋比較型ADC常采用常采用計數(shù)型計數(shù)型和和逐次漸近型逐次漸近型兩種兩種方案。方案。（一）計數(shù)型反饋比較型（一）計數(shù)型反饋比較型ADC圖圖9.3.9 計數(shù)型計數(shù)型ADC電路工作原理圖電路工作原理圖這種電路的這種電路的優(yōu)點優(yōu)點：電路非常簡單電路非常簡單。 缺點缺點：轉換

33、時間太長轉換時間太長。如當輸出為。如當輸出為n位二進制數(shù)碼時，位二進制數(shù)碼時，最長的轉換時間可達（最長的轉換時間可達（2n-1）倍的時鐘信號周期。）倍的時鐘信號周期。例例7-3-1 7-3-1 計數(shù)型計數(shù)型ADCADC電路分析計算電路分析計算某計數(shù)型某計數(shù)型ADCADC電路如下圖所示。其中，計數(shù)器為電路如下圖所示。其中，計數(shù)器為8 8位二進制加法計數(shù)器，位二進制加法計數(shù)器，已知時鐘已知時鐘CPCP的頻率的頻率f=100kHzf=100kHz。1 1、試問完成一次最長的、試問完成一次最長的A/DA/D轉換需要多少時間？轉換需要多少時間？2 2、若已知、若已知8 bit DAC8 bit DAC的

34、最高輸出電壓為的最高輸出電壓為9.18V9.18V，當，當V VI I=5.410V=5.410V時，電路的時，電路的輸出狀態(tài)輸出狀態(tài)D=QD=Q7 7Q Q6 6Q Q0 0是什么？完成這次轉換所需的時間是多少？是什么？完成這次轉換所需的時間是多少？（二）逐次漸近型反饋比較型（二）逐次漸近型反饋比較型ADC圖圖9.3.10 逐次漸近型逐次漸近型ADC電路工作原理圖電路工作原理圖例：例：圖圖9.3.11 3位位逐次漸近型逐次漸近型ADC的電路原理圖的電路原理圖逐次漸近型逐次漸近型ADC的的優(yōu)點優(yōu)點： * 轉換速度雖比并聯(lián)比較型轉換速度雖比并聯(lián)比較型ADC低，卻比計數(shù)型低，卻比計數(shù)型ADC快得多

35、。如快得多。如n位逐次漸近型位逐次漸近型ADC完成一次轉換所需的時間僅為（完成一次轉換所需的時間僅為（n+2）個時鐘信號周）個時鐘信號周期的時間。期的時間。 * 逐次漸近型逐次漸近型ADC的電路規(guī)模比并聯(lián)比較型小得多。的電路規(guī)模比并聯(lián)比較型小得多。 * 逐次漸近型逐次漸近型ADC是目前集成是目前集成ADC產品產品中中用得最多用得最多的一種電路。的一種電路。例例7-3-2 7-3-2 逐次漸近型逐次漸近型ADCADC電路分析計算電路分析計算某逐次漸近型某逐次漸近型ADCADC電路原理框圖如下圖（電路原理框圖如下圖（a a）所示。）所示。1 1、試說明逐次漸近型、試說明逐次漸近型ADCADC完成一

36、次轉換需要多少時間？完成一次轉換需要多少時間？2 2、若已知、若已知8 bit DAC8 bit DAC的最高輸出電壓的最高輸出電壓Vo(max)=9.945VVo(max)=9.945V，時鐘頻率，時鐘頻率f=100kHzf=100kHz，當，當V VI I=6.436V=6.436V時，電路的輸出狀態(tài)時，電路的輸出狀態(tài)D=QD=Q7 7Q Q6 6Q Q0 0是什么？完成是什么？完成這次轉換的時間是多少？這次轉換的時間是多少？3 3、V VI I和和V VO O的波形如圖中（的波形如圖中（b b）所示，對應的電路的輸出狀態(tài)是什么？）所示，對應的電路的輸出狀態(tài)是什么？（a）（b）9.3.3

37、間接間接ADC 目前使用的間接目前使用的間接ADC大多都屬于電壓大多都屬于電壓-時間變換型（時間變換型（V-T變換型變換型）和電壓）和電壓-頻率變換型（頻率變換型（V-F變換型變換型）兩類。）兩類。 在在V-T變換型變換型ADC中，首先將輸入的模擬電壓信號轉中，首先將輸入的模擬電壓信號轉換成與之成正比的換成與之成正比的時間寬度信號時間寬度信號，然后在這個時間寬度里，然后在這個時間寬度里對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)結果就是正比于輸入模對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)結果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。擬電壓的數(shù)字信號。 在在V-F變換型變換型ADC中，則首先將輸入的模擬電壓信號轉中，則首先將輸

38、入的模擬電壓信號轉換成與之成正比的換成與之成正比的頻率信號頻率信號，然后在一個固定的時間間隔里，然后在一個固定的時間間隔里對得到的頻率信號計數(shù)，所得的計數(shù)結果就是正比于輸入模對得到的頻率信號計數(shù)，所得的計數(shù)結果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。擬電壓的數(shù)字信號。一、雙積分型一、雙積分型V-T變換型變換型ADC圖圖9.3.12 雙積分型雙積分型A/D轉換器的結構框圖轉換器的結構框圖圖圖9.3.13 雙積分型雙積分型A/D轉換器的電壓波形圖轉換器的電壓波形圖 為實現(xiàn)對上述雙積分過程的控制，可用下圖所示的邏輯電路來完成。為實現(xiàn)對上述雙積分過程的控制，可用下圖所示的邏輯電路來完成。 由圖可見，控制邏輯

39、電路由一個由圖可見，控制邏輯電路由一個n位計數(shù)器、附加觸發(fā)器位計數(shù)器、附加觸發(fā)器FFA、模擬開、模擬開關關S0和和S1的驅動電路的驅動電路L0和和L1、控制門、控制門G所組成。所組成。圖圖9.3.14 雙積分型雙積分型A/D轉換器的控制邏輯電路轉換器的控制邏輯電路雙積分型雙積分型A/D轉換器的轉換器的優(yōu)點優(yōu)點： * 最突出的優(yōu)點是最突出的優(yōu)點是工作性能比較穩(wěn)定工作性能比較穩(wěn)定。 表現(xiàn)在：只要在兩次積分期間表現(xiàn)在：只要在兩次積分期間R、C的參數(shù)相同，則轉換結果的參數(shù)相同，則轉換結果與與R、C的參數(shù)無關；在取的參數(shù)無關；在取T1=NTC的情況下轉換結果與時鐘信號周的情況下轉換結果與時鐘信號周期無關

40、。所以完全可以用精度比較低的元器件制成精度很高的雙積期無關。所以完全可以用精度比較低的元器件制成精度很高的雙積分型分型A/D轉換器。轉換器。 * 另一個優(yōu)點是另一個優(yōu)點是抗干擾能力比較強抗干擾能力比較強。 因為轉換器的輸入端使用了積分器，所以對因為轉換器的輸入端使用了積分器，所以對平均值為零平均值為零的各的各種噪聲有很強的抑制能力。在積分時間等于交流電網周期的整數(shù)倍種噪聲有很強的抑制能力。在積分時間等于交流電網周期的整數(shù)倍時，能有效地抑制來自電網的工頻干擾。時，能有效地抑制來自電網的工頻干擾。雙積分型雙積分型A/D轉換器的轉換器的缺點缺點： * 主要缺點是主要缺點是工作速度低工作速度低。完成最

41、長一次轉換所需的時間。完成最長一次轉換所需的時間 Tmax=(2n+1-1)Tcp ，轉換速度一般都在每秒幾十次以內。轉換速度一般都在每秒幾十次以內。影響雙積分型影響雙積分型A/D轉換器轉換器轉換精度的主要因素轉換精度的主要因素： * 計數(shù)器的位數(shù)；計數(shù)器的位數(shù)； * 比較器的靈敏度；比較器的靈敏度； * 運算放大器和比較器的零點漂移；運算放大器和比較器的零點漂移； * 積分電容的漏電；積分電容的漏電； * 時鐘頻率的瞬時波動：多采用晶振作脈沖源；等等。時鐘頻率的瞬時波動：多采用晶振作脈沖源；等等。 現(xiàn)在已有多種單片集成的雙積分型現(xiàn)在已有多種單片集成的雙積分型A/D轉換器定型產品，如轉換器定型產品，如CB7106/7126、CB7107/7127等。使用時只需外接少量的電阻和電等。使用時只需外接少量的電阻和電容元件，用這些芯片就能很方便地接成容元件，用這些芯片就能很方便地接成A/D轉換器，并且可以直轉換器，并且可以直接驅動接驅動LCD或或LED數(shù)碼管。數(shù)碼管。例例7-3-3 7-3-3 雙積分型雙積分型ADCADC電路分析計算電路分析計算