1、1第第第第第第9 9 9章章章章章章 數模和模數轉換數模和模數轉換數模和模數轉換數模和模數轉換數模和模數轉換數模和模數轉換學習要點：學習要點：掌握倒掌握倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器(DAC)、集成集成D/A轉換器的工作原理及相關計算轉換器的工作原理及相關計算掌握并行比較、逐次比較、雙積分掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉換器轉換器(ADC)的工作原理及其特點的工作原理及其特點正確理解正確理解D/A、A/D轉換器的主要參數轉換器的主要參數2A/DA/D 轉換器轉換器 D/AD/A 轉換器轉換器 模擬模擬 控制器控制器 工業(yè)生產過程控制對象工業(yè)生產過程控制對象 模模 擬擬 傳感器

2、傳感器 ADCADC和和DACDAC已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流將溫度、壓力、流量等物理量轉換為量等物理量轉換為模擬電量。模擬電量。計算機進行數字處計算機進行數字處理（如計算、濾理（如計算、濾波）、保存等波）、保存等用模擬量作為用模擬量作為控制信號控制信號數字控制數字控制 計算機計算機概述概述9 模數與數模轉換器39 模數與數模轉換器4第第第第第第9 9 9章章章章章章 數模和模數轉換數模和模數轉換數模和模數轉換數模和模數轉換數模和模數轉換數模和模數轉換5概述概述 能將模擬量轉換為數字量的電路稱為模數轉換器，簡能將模擬量轉換為數字

3、量的電路稱為模數轉換器，簡稱稱A/D轉換器或轉換器或ADC；能將數字量轉換為模擬量的電路稱；能將數字量轉換為模擬量的電路稱為數模轉換器，簡稱為數模轉換器，簡稱D/A轉換器或轉換器或DAC。ADC和和DAC是是溝通模擬電路和數字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的溝通模擬電路和數字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。接口。 多路開關多路開關 數字控制計算機數字控制計算機 DAC ADC 功率放大功率放大 功率放大功率放大 執(zhí)行機構執(zhí)行機構 執(zhí)行機構執(zhí)行機構 加熱爐加熱爐 加熱爐加熱爐 溫度傳感器溫度傳感器 溫度傳感器溫度傳感器 信號放大信號放大 信號放大信號放大 多路開關多路開關 69.1 D/A

4、轉換器轉換器7概述概述8將數字量轉換為與之成正比模擬量。將數字量轉換為與之成正比模擬量。n n位位數字量數字量DACA = K D O = K NB 4位位 8位位 10位位 1位位 16位等位等 n=模擬量模擬量05V或或 010V等等99.1.1 D/A轉換器的基本原理轉換器的基本原理 數字量是用代碼按數位組合而成的，對于有權碼，數字量是用代碼按數位組合而成的，對于有權碼，每位代碼都有一定的權值，如能將每一位代碼按其權的每位代碼都有一定的權值，如能將每一位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，大小轉換成相應的模擬量， 然后將這些模擬量相加，即然后將這些模擬量相加，即可得到與數字量成正比的模擬

5、量，可得到與數字量成正比的模擬量， 從而實現數字量從而實現數字量-模擬模擬量的轉換。量的轉換。 NDb424b323b222b121b020 124123022021120將二進制數將二進制數ND(11001)B轉換為十進制數。轉換為十進制數。1 1、實現實現D/A轉換的基本思想轉換的基本思想10112 2、D/A轉換器的組成轉換器的組成數碼數碼寄存器寄存器n位位模擬開關模擬開關解碼解碼網絡網絡求和求和電路電路n位位數字量數字量輸入輸入模擬量模擬量輸出輸出基準電壓基準電壓DAC的數字數據可以并行輸入也可串行輸入的數字數據可以并行輸入也可串行輸入用來存放用來存放數字量的各數字量的各位數碼位數碼由

6、輸入數由輸入數字量控制字量控制產生權電流產生權電流將權電流將權電流相加產生與相加產生與輸入成正比輸入成正比的模擬電壓的模擬電壓12 i Rf=R vO S0 VREF + S1 S2 S3 + 基基準準電電壓壓 電電子子開開關關 R R /2 R /4 R /8 求求和和電電路路 (LSB) D2 D3 (MSBD0 D1 鎖鎖存存器器 數數字字量量輸輸入入 電電阻阻網網絡絡 i0 i1 I2 i2 i3 A 模模擬擬量量輸輸出出 )iii(iRvfO0123RDVi33REF8 RDVi224REF R RD D2V2V1REF 1iRDVi0REF0 iiiREFREFODV)DDD(DV

7、v2222230001122333 3、實現、實現D/A轉換的原理電路轉換的原理電路13按解碼網絡按解碼網絡結構分類結構分類 T型電阻網絡型電阻網絡DAC倒倒T形電阻網絡形電阻網絡DAC權電流權電流DAC 權電阻網絡權電阻網絡DAC 按模擬電子開按模擬電子開關電路分類關電路分類 CMOS開關型開關型DAC雙極型開關型雙極型開關型DAC 電流開關型電流開關型DAC ECL電流開關型電流開關型DAC D/A 轉轉換換器器4 4、D/A轉換器的分類轉換器的分類149.1.2 倒倒T型電阻網絡型電阻網絡D/A轉換器轉換器1、4位位倒倒T型電阻網絡型電阻網絡D/A轉換器轉換器Rf+vOA2RI/2S32

8、RI/4S22RI/8S12RI/16S02RI/16I/8I/4I/2Ii+VREF(MSB)D3D2D1(LSB)D0RRR電阻網絡電阻網絡基準電壓基準電壓模擬模擬電子開關電子開關求和運算求和運算放大器放大器輸入輸入4位位二進制數二進制數輸出輸出模擬電壓模擬電壓Di=0, Si則將電阻則將電阻2R接地接地Di=1, Si接運算放大器反相端，電流接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路流入求和電路 15不論模擬開關接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接不論模擬開關接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數字信號是到地，也就是不論輸入數字信號是1還是還是0，各支路的電流不

9、變。，各支路的電流不變。分別從每個節(jié)點處向左看的二端網絡等效電阻都是分別從每個節(jié)點處向左看的二端網絡等效電阻都是R。D/A轉換器的倒轉換器的倒T型電阻網絡型電阻網絡Rf+vOA2RI/2S32RI/4S22RI/8S12RI/16S02RI/16I/8I/4I/2Ii+VREF(MSB)D3D2D1(LSB)D0RRR16Rf+vOA2RI/2S32RI/4S22RI/8S12RI/16S02RI/16I/8I/4I/2Ii+VREF(MSB)D3D2D1(LSB)D0RRRRVIREF30413223140222222iiiREFREF)(DRV)DDDD(RVi30422iiiREFffO

10、)(DVRRRiv17關于關于D/AD/A轉換器精度的討論轉換器精度的討論(1)基準電壓穩(wěn)定性好；基準電壓穩(wěn)定性好；(2) 倒倒T形電阻網絡中形電阻網絡中R和和2R電阻比值的精度要高；電阻比值的精度要高；(4)為實現電流從高位到低位按為實現電流從高位到低位按2的整數倍遞減，模擬開關的整數倍遞減，模擬開關的導通電阻也相應地按的導通電阻也相應地按2的整數倍遞增。的整數倍遞增。為進一步提高為進一步提高D/A轉換器的精度，可采用權電流型轉換器的精度，可采用權電流型D/A轉換器。轉換器。 為提高為提高D/A轉換器的精度，對電路參數的要求：轉換器的精度，對電路參數的要求： (3) 每個模擬開關的開關電壓降

11、要相等；每個模擬開關的開關電壓降要相等；1022niiinREFfO)(DVRRv182 2、集成、集成 D/A轉換器轉換器RF+vOA2R2R2R2R2RVREFD9D2D1D0RRR2R2RRD8D7R10KIOUT1IOUT2AD7533使用使用:1):1)要外接運放，要外接運放， 2)2)運放的反饋電阻可使用內部電阻，也可采用外接電阻運放的反饋電阻可使用內部電阻，也可采用外接電阻901022iiiREFfO)(DVRRv191、4位權電流位權電流D/A轉換器轉換器權電流型權電流型D/A轉換器的原理電路轉換器的原理電路30422iiiffO)(DRIRiv9.1.3 權電流型權電流型D/

12、A轉換器轉換器在恒流源電路中，各支路權電流的大小均不受開關導通電阻和壓在恒流源電路中，各支路權電流的大小均不受開關導通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開關電路的要求，提高了轉換精度。降的影響，這樣降低了對開關電路的要求，提高了轉換精度。采用恒流源電路后對提高轉采用恒流源電路后對提高轉換精度有什么好處？換精度有什么好處？209.1.4 D/A轉換器的輸出方式轉換器的輸出方式 256255REFV 256129REFV 256128REFV 256127REFV 2561REFV 2560REFV8位位D/A轉換器在單極性輸出時的輸入轉換器在單極性輸出時的輸入/輸出關系輸出關系00000000100

13、0000011111110000000011000000111111111模擬量模擬量數數 字字 量量MSB LSB21 D1 D0 i Rf vO Dn-1 VREF 倒T形 電阻網 絡D/A 轉換器 + A R1 R2 i vO + A R D1 D0 Dn-1 VREF 倒T形 電阻網 絡D/A 轉換器 單極性輸出方式單極性輸出方式 :倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器單極性電壓輸出的電路轉換器單極性電壓輸出的電路 反相輸出反相輸出 同相輸出同相輸出 Ofi R O21(1/)i RRR22雙極性輸出的雙極性輸出的8位位D/A轉換器輸入與輸出關系轉換器輸入與輸出關系十進十進 制數制數

14、2的補碼的補碼偏移二進制碼偏移二進制碼模擬量模擬量 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 O/VLSB1270 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 11271260 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 0126 00 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 00 127 1 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 1127128 1 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0128在實際應用中，在實際應用中，D/A轉換器輸入的數字量有正極性也有負極性。這轉換器輸入的

15、數字量有正極性也有負極性。這就要求就要求D/A轉換器能將不同極性的數字量對應轉換為正負極性的模轉換器能將不同極性的數字量對應轉換為正負極性的模擬電壓，工作于雙極性方式。擬電壓，工作于雙極性方式。偏移二進制碼與無符號碼形式相同，實際上是將二進制對應的模擬偏移二進制碼與無符號碼形式相同，實際上是將二進制對應的模擬量的零值偏移至量的零值偏移至80H，使移后的數中，只有大于，使移后的數中，只有大于128的才是正數，而的才是正數，而小于小于128的則為負數。所以將單極性的則為負數。所以將單極性8位位D/A轉換器的輸出電壓減去轉換器的輸出電壓減去 （80H所對應的模擬量），就可得到極性正確的偏移二進制碼輸

16、出。所對應的模擬量），就可得到極性正確的偏移二進制碼輸出。2REFV23雙極性輸出的雙極性輸出的8位位D/A轉換器轉換器 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 2R1 O VREF 1 Rf = R R1 R1 + + A1 A2 NB 8 位位倒倒 T 形形電電阻阻 網網絡絡 D/A 轉轉換換器器 i 1 NB O1REF12V REF1B82VN 7REFB8(2 )2VNBREFREFREF8()222N VVVBREF256NV24（1）分辨率）分辨率 分辨率用輸入二進制數的有效位數表示。在分辨率為分辨率用輸入二進制數的有效位數表示。在分辨率為n位的位的D/A轉換器中，輸出電

17、壓能區(qū)分轉換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個不同的輸入二進制代碼狀態(tài)，個不同的輸入二進制代碼狀態(tài)，能給出能給出2n個不同等級的輸出模擬電壓。個不同等級的輸出模擬電壓。（2）轉換精度）轉換精度 D/A轉換器的轉換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值轉換器的轉換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉換誤差。包括：之差，即最大靜態(tài)轉換誤差。包括：比例系數誤差（由比例系數誤差（由VREF引起）；引起）；失調誤差（由運算放大器的零點漂移引起）；失調誤差（由運算放大器的零點漂移引起）；非線性誤差（由模擬開關和電阻網絡中的電阻誤差等引起）。非線性誤差（由模擬開關和電阻網絡中的電阻誤差等引起）。（3

18、）轉換速度）轉換速度 當當D/A轉換器輸入的數字量發(fā)生變化時，輸出電壓達到規(guī)定轉換器輸入的數字量發(fā)生變化時，輸出電壓達到規(guī)定誤差范圍所需要的時間。通常用建立時間誤差范圍所需要的時間。通常用建立時間 和轉換速率來描述。和轉換速率來描述。9.1.5 D/A轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標25RF+vOA2R2R2R2R2RVREFD9D2D1D0RRR2R2RRD8D7R10KIOUT1IOUT2AD7533vI數字式可編程增益控制電路數字式可編程增益控制電路)DD(DRvRvOI991100102222 991100102222DDDvvAIOV 9.1.6 D/A轉換器的應用轉換器的應

19、用26脈沖波產生電路脈沖波產生電路 vO Q0 Q1 Q2 Q3 CPD0D1D2D3 10V & CR CEP CET PE 1 74LS163 + A Rf IOUT1 IOUT2 D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9 VREF AD7533 vO /mV D 140 100 60 20 0000 t CP 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000 74163具同步清零功能具同步清零功能74163和與非門構成十進制計數器：和與非門構成十進制計數器：00001001iiiREFODVv22901027本節(jié)小結本節(jié)小結D/A

20、轉換器的功能是將輸入的二進制數字信轉換器的功能是將輸入的二進制數字信號轉換成相對應的模擬信號輸出。號轉換成相對應的模擬信號輸出。D/A轉換器根轉換器根據工作原理基本上可分為二進制權電阻網絡據工作原理基本上可分為二進制權電阻網絡D/A轉換器和轉換器和T型電阻網絡型電阻網絡D/A轉換器兩大類。由于轉換器兩大類。由于T型電阻網絡型電阻網絡D/A轉換器只要求兩種阻值的電阻，轉換器只要求兩種阻值的電阻，因此最適合于集成工藝，集成因此最適合于集成工藝，集成D/A轉換器普遍采轉換器普遍采用這種電路結構。用這種電路結構。如果輸入的是如果輸入的是n位二進制數，則位二進制數，則D/A轉換器轉換器的輸出電壓為：的輸

21、出電壓為：1022n-iiinREFfO)(DVRRv289.2 A/D轉換器轉換器29概述概述ADCDnD0輸出數字量輸出數字量I 輸入模擬電壓輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉換成對應的數字量。能將模擬電壓成正比地轉換成對應的數字量。1. A/D功能功能:302. A/D轉換器分類轉換器分類 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型 特點特點: 轉換速度快轉換速度快,轉換時間轉換時間 10ns 1 s, 但電路復雜。但電路復雜。 逐次逼近型逐次逼近型 特點特點: 轉換速度適中轉換速度適中,轉換時間轉換時間 為幾為幾 s 100 s, 轉換精度高，在轉換精度高，在轉換速度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡轉換速

22、度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡。 雙積分型雙積分型 特點特點: 轉換速度慢轉換速度慢,轉換時間轉換時間 幾百幾百 s 幾幾ms,但抗干擾能力最強。但抗干擾能力最強。31取取樣樣時間上離散的信號時間上離散的信號保持、量化保持、量化量值上也離散的信號量值上也離散的信號編碼編碼模擬信號模擬信號時間上和量值上都連續(xù)時間上和量值上都連續(xù)數字信號數字信號時間上和量值上都離散時間上和量值上都離散 A/D轉換器一般要包括轉換器一般要包括取樣，取樣， 保持，量化及編碼保持，量化及編碼4個過個過程程。9.2.1 A/D轉換器的一般工作過程轉換器的一般工作過程321. 取樣與保持取樣與保持 采樣是將隨時間連續(xù)

23、變化的模采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉換為在時間離散的模擬量擬量轉換為在時間離散的模擬量。 采樣信號采樣信號S(t)的頻率愈高，所采的頻率愈高，所采得信號經低通濾波器后愈能真實得信號經低通濾波器后愈能真實地復現輸入信號。合理的采樣頻地復現輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定率由采樣定理確定。 采樣定理：設采樣信號采樣定理：設采樣信號S(t)的頻的頻率為率為fs，輸入模擬信號，輸入模擬信號 I(t)的最的最高頻率分量的頻率為高頻率分量的頻率為fimax，則則 fs 2fimaxS(t)=1:開關閉合開關閉合S(t)=0:開關斷開開關斷開 O(t) I(t) TG S(t) 0 0 0 O (

24、t) S(t) I (t) t t t TS 9.2.1 A/D轉換器的一般工作過程轉換器的一般工作過程33 I t O t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 (b) 波形圖 采得模擬信號轉換為數字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量采得模擬信號轉換為數字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。擬信號保持一段時間。采樣采樣保持保持取樣與保持取樣與保持電路及工作原理電路及工作原理 I A1 A2 S CH 開關驅開關驅 動電路動電路 采樣采樣保持保持 控制電路控

25、制電路 O 9.2.1 A/D轉換器的一般工作過程轉換器的一般工作過程342. 量化與編碼量化與編碼量化后的數值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。量化后的數值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經編碼后得到的代碼就是經編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數字量。轉換器輸出的數字量。 編碼編碼9.2.1 A/D轉換器的一般工作過程轉換器的一般工作過程量化：量化： 將采樣電壓轉化為數字量最小數量單位的整數倍的過程。將采樣電壓轉化為數字量最小數量單位的整數倍的過程。用用 表示表示35在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被 整除，所以量化前整除，所以量化前

26、后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用 表示。表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉換器的位數越轉換器的位數越 多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。 兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。式。 3.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差4.量化方式量化方式9.2.1 A/D轉換器的一般工作過程轉換器的一般工作過程最小量化單位，是數字信號最低

27、位為最小量化單位，是數字信號最低位為1時所對應的模擬量，時所對應的模擬量，即即1LSB.36LSB1max V8701V86V85V84V83V82V811111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v輸入信號輸入信號編碼編碼量化后量化后電壓電壓a ) 只舍不入量化方式只舍不入量化方式:量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最大量化誤差為：

28、最小量化單位最小量化單位1/8V=1LSB= 1/8 V例：將例：將01V電壓轉換為電壓轉換為3位二進制代碼位二進制代碼9.2.1 A/D轉換器的一般工作過程轉換器的一般工作過程37b )四舍五入量化方式四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最大量化誤差為：最小量化單位：最小量化單位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15

29、v2=4/15v1=2/15 v輸入信號輸入信號編碼編碼模擬模擬電平電平V1513V1511V159V157V155V153V1512LSBmax =1LSB= 2/15 V2LSBmax 1/15V例：將例：將01V電壓轉換為電壓轉換為3位二進制代碼位二進制代碼9.2.1 A/D轉換器的一般工作過程轉換器的一般工作過程38間接法： 將采樣保持的模擬信采樣保持的模擬信號先轉換為時間號先轉換為時間T或頻率或頻率F,然后再將時間然后再將時間T或頻率或頻率F轉換轉換為數字量。通常采用頻率恒為數字量。通常采用頻率恒定的時鐘脈沖通過計數器來定的時鐘脈沖通過計數器來實現轉換，因此，也稱為計實現轉換，因此，

30、也稱為計數式方法。數式方法。間接法A/D轉換器特點： 工作速度比較低，但轉工作速度比較低，但轉換精度比較高，抗干擾能力換精度比較高，抗干擾能力強，一般在測試儀表中用的強，一般在測試儀表中用的較多。較多。直接法： 主要通過主要通過2n個量化級個量化級電壓與輸入采樣保持模電壓與輸入采樣保持模擬電壓進行比較，將比較擬電壓進行比較，將比較的結果直接轉換為數字量。的結果直接轉換為數字量。直接法A/D轉換器特點： 工作速度快，調整方工作速度快，調整方便，但轉換精度比間接法便，但轉換精度比間接法低。低。39 R I VREF VREF 13 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 1

31、5 VREF 1 15 R R R/2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 1D C1 Q I1 1D C1 Q I2 1D C1 Q I3 1D C1 Q I4 1D C1 Q I5 1D C1 Q I6 1D C1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)優(yōu)先先編編碼碼器器 (LSB(M SB)0 電壓比較器電壓比較器輸入模擬輸入模擬電壓電壓精密電阻精密電阻網絡網絡精密參考精密參考電壓電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數輸出

32、數字量字量1、電路組成、電路組成9.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉換器轉換器40 R I VR E F R C P R R R R R R /2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C0 1 C0 2 C0 3 C0 4 C0 5 C0 6 C0 7 1 D C 1 Q I1 1 D C 1 Q I2 1 D C 1 Q I3 1D C 1 Q I4 1D C 1 Q I5 1D C 1 Q I6 1D C 1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)優(yōu)先先編編碼碼器器 (L S B )D0 (M S B)0 VI=8VREF/1511110000019.2.2

33、并行比較型并行比較型A/D轉換器轉換器41 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1

34、 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根據各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值根據各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關系。比較器的輸出狀態(tài)由與各比較器輸出狀態(tài)的關系。比較器的輸出狀態(tài)由D D觸發(fā)器存觸發(fā)器存儲，經優(yōu)先編碼器編碼，得到數字量輸出。儲，經優(yōu)先編碼器編碼，得到數字量輸出。 9.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉換器轉換器423、電路特點：、電路特點：在并行在并行A/D轉換器中，輸入電壓轉換器中，輸入電壓 I同時加到所有比

35、較器的輸同時加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數字量是與入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數字量是與 I輸輸入時刻同時獲得的。所以它的轉換時間最短。入時刻同時獲得的。所以它的轉換時間最短。 缺點是電路復雜，如三位缺點是電路復雜，如三位ADC需需7個比較器、個比較器、7個觸發(fā)器、個觸發(fā)器、8個電阻。位數越多，電路越復雜。個電阻。位數越多，電路越復雜。為了解決提高分辨率和增加元件數的矛盾，可以采取分級并為了解決提高分辨率和增加元件數的矛盾，可以采取分級并行轉換的方法。行轉換的方法。 單片集成并行比較型單片集成并行比較型A/D轉換器的產品很多，如轉換器的產品很多，如AD公司

36、的公司的AD9012 (TTL工藝工藝8位位)、AD9002 (ECL工藝，工藝，8位位)、AD9020 (TTL工藝，工藝，10位位)等。等。 9.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉換器轉換器439.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉換器轉換器1 1、轉換原理、轉換原理所加砝碼所加砝碼重量重量 結果結果 逐次逼近轉換過程與用天平稱物重非常相似逐次逼近轉換過程與用天平稱物重非常相似 。第一次第一次8 克克砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，8克砝碼保留克砝碼保留8 克克第二次第二次再加再加4克克砝碼總重仍砝碼總重仍 待測重量待測重量Wx ， 2克砝碼撤除克砝碼撤除12 克克第四次第四

37、次再加再加1克克砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ， 1克砝碼保留克砝碼保留13 克克所用砝碼重量：所用砝碼重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克?？?。設待秤重量設待秤重量Wx = 13克?？?。44基準電壓基準電壓UREFn位位A/D轉換器轉換器45第一個第一個CP10 0010 000.5UREFuIuO1uIuO046第二個第二個CP01 00Dn-11 000.75UERF or 0.25UERF1or 0uIuOuIuO1 047 轉換開始前先將所有寄存器清零。電路由啟動脈沖啟動后，轉換開始前先將所有寄存器清零。電路由啟動脈沖啟動后，開始轉換，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成開始

38、轉換，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數字為，使輸出數字為1000。這個數碼被。這個數碼被D/A轉換器轉換成相應的模擬電壓轉換器轉換成相應的模擬電壓uO，送到，送到比較器中與比較器中與uI進行比較。若進行比較。若uIuO，說明數字過大了，則最高位，說明數字過大了，則最高位應保存應保存0；若；若uIuo，說明數字還不夠大，則最高位應保存，說明數字還不夠大，則最高位應保存1。然。然后，再按同樣的方式將次高位置成后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經過比較以后確定這，并且經過比較以后確定這個個1是否應該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比是否應該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位

39、為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數字量輸出。較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數字量輸出。CPDn-1Dn-2 Dn-3D1D0u0 (V)uIuO？11 0 0 000.5UREF1（D n-1為為1）/0（D n-1為為0）2Dn-1 1 0 000.75/0.25UREF1（D n-2為為1）/0（D n-2為為0）3Dn-1 Dn-2 1 001（D n-3為為1）/0（D n-3為為0）nDn-1Dn-2 Dn-3D111（D 0為為1）/0（D 0為為0）48例：8位A/D轉換器，輸入模擬量uI=6.84V， D/A轉換器基準電壓 UREF=10V。相對誤差僅為0.0

40、6%。轉換精度取決于位數。CPD7D6D5D4D3D2D1D0u0 (V)uIuO？110000000512110000007.503101000006.2514101100006.87505101010006. 562516101011006.7187517101011106.79687518101011116.83593751uIuO為1否則為0 498 8位逐次比較型位逐次比較型A/DA/D轉換器波形圖轉換器波形圖 501、 逐次比較型逐次比較型A/D轉換器輸出數字量的位數越轉換器輸出數字量的位數越多轉換精度越高；多轉換精度越高；2、逐次比較型、逐次比較型A/D轉換器完成一次轉換所需時轉

41、換器完成一次轉換所需時間與其位數間與其位數n和時鐘脈沖頻率有關，位數愈少，和時鐘脈沖頻率有關，位數愈少，時鐘頻率越高，轉換所需時間越短；時鐘頻率越高，轉換所需時間越短； 電路特點電路特點510Q0FF1Q1FF1nQ1nFFnQnFF+ +- -+ + +- -+ +&CPDRCVBVDVRCIVREFV 雙積分雙積分A/D轉換器是轉換器是V-T變換型的另變換型的另一種形式。雙積分一種形式。雙積分A/D又稱為雙斜率又稱為雙斜率A/D轉換器。轉換器。工作原理： 雙積分是對輸入雙積分是對輸入模擬電壓、模擬電壓、參考電壓參考電壓 進行兩次積分，是將進行兩次積分，是將輸入采樣保持電壓變換成與輸

42、入采樣保持電壓變換成與輸入電壓平均值成正比的時間輸入電壓平均值成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計間隔，然后利用時鐘脈沖和計數器測出其時間間隔，再把時數器測出其時間間隔，再把時間間隔變換成數字量。間間隔變換成數字量。電路結構： 積分器積分器：由運放和由運放和RCRC積分積分網絡組成。輸入端接開關網絡組成。輸入端接開關S,S,開關開關S S受觸發(fā)器受觸發(fā)器Q Qn n控制?？刂?。S0nQ開關開關S接輸入信號接輸入信號VI I，積分，積分器對輸入信號器對輸入信號VI I進行積分。進行積分。1nQ開關開關S接基準電壓接基準電壓VREFREF，VREF=-VR，積分器對，積分器對VR進進行積分。行積

43、分。 積分器進行兩次相反積分，積分器進行兩次相反積分，積分的結果積分的結果VB送入過零比較器。送入過零比較器。RVdtVRCVtIB01REFIVV011DDDn9.2.4 雙積分型雙積分型A/D轉換器轉換器520Q0FF1Q1FF1nQ1nFFnQnFF+ +- -+ + +- -+ +&CPDRCVBVDVRCIVREFV 過零比較器：當積分器輸出；當積分器輸出；VB0時，時， VC=0封鎖與門，封鎖與門，CP 不能加給計數器。不能加給計數器。當積分器輸出；當積分器輸出；VB0時，時，VC=1與門開放，與門開放，CP加到計數器，計數器加到計數器，計數器開始計數。開始計數。 時鐘控制

44、與門：時鐘控制與門： 計數器和定時器計數器和定時器其中其中FF0FFn-1為為M=2n典型異步加法計典型異步加法計數器。數器。CP接前級輸出。接前級輸出。FFn為定時觸發(fā)器。為定時觸發(fā)器。Q Qn nQ Qn-1n-1Q Q1 1Q Q0 00 00 00 00 00 00 00 01 10 01 11 11 11 10 00 00 01 10 00 01 11 11 11 11 11 1n級計數器級計數器定時定時S接接VI IS接接VREF=-VR工作過程：工作過程： 在清零信號在清零信號/RD的作用下，所有觸發(fā)器置的作用下，所有觸發(fā)器置0,Qn=0,開關開關S接輸入接輸入VI I, ,積分

45、器對輸入進行積分。積分器對輸入進行積分。n位計數器開始計數，當計數器計到位計數器開始計數，當計數器計到2n+1個脈沖個脈沖Qn由由01、控制開關、控制開關S接接VR，積分器對基準電，積分器對基準電壓進行二次積分。計數器又從壓進行二次積分。計數器又從0開始計數。開始計數。VASRV00 1REFIVV011DDDn=053采樣階段采樣階段以正極性以正極性VI I為例，定量說明雙積分為例，定量說明雙積分A/D工作過程。工作過程分為兩個階段。工作過程。工作過程分為兩個階段。一、采樣階段：一、采樣階段：在啟動脈沖的作用下，全部觸發(fā)在啟動脈沖的作用下，全部觸發(fā)器置器置0，由于，由于Qn=0, 開關開關S

46、接接VI I，積，積分器對分器對VI I進行積分，積分輸出為：進行積分，積分輸出為：dtVRCVtIB01由于由于VB0，零值比較器輸出，零值比較器輸出VC=1,CP通過與門加到計數器，通過與門加到計數器，n位二進制計數器從位二進制計數器從0開始計數，開始計數，一直計到一直計到2n個脈沖后：個脈沖后：CPnTTt21TCP:標準時鐘周期標準時鐘周期dtvRCtI0112nCPTTn位計數器又全部返回到位計數器又全部返回到0，定時觸，定時觸發(fā)器發(fā)器Qn由由01，使開關，使開關S接基準電壓接基準電壓VREF，VREF=-VR，采樣結束。，采樣結束。采樣結束時的積分電壓為：采樣結束時的積分電壓為：I

47、CPnITIBOBVRCTVRCTdtVRCVV21101ICPnVRCT2采樣結束時：積分器輸出電壓VB和輸入模擬電壓VI成正比關系。VI-VRtnQtAVtBVCVtDVt054二、比較階段ICPnVRCT2dtvRCtI01由于采樣結束時：由于采樣結束時：QnQn=1=1，開關，開關S S接接V VR R，積分器對，積分器對-V-VR R進行積分。（積進行積分。（積分器負向積分）積分電壓為：分器負向積分）積分電壓為：dtVRCVVtTRBOB1112TtRCVVRCTRICPn22TRCVVRCTRICPn當當V VB B積分電壓逐步上升至：積分電壓逐步上升至：VB0，過零比較器，過零比

48、較器VC=0，與門，與門封鎖，計數器停止計數。封鎖，計數器停止計數。假設二次積分時，計數器記假設二次積分時，計數器記錄了錄了M個脈沖：個脈沖：CPMTT 2二次積分結束時，二次積分結束時，V VB B=0,=0,代入代入二次積分電壓表達式：二次積分電壓表達式：022TRCVVRCTVRICPnB02CPRICPnMTRCVVRCTIRnVVM2可見M個脈沖和VI成正比，M所對應的二進制碼即為數字量輸出，這樣通過二次積分實現了對輸入信號的A/D轉換。比較階段比較階段采樣階段采樣階段nQAVBVCVDVtttttVI-VR12nCPTT2T551.由于轉換結果與時間常數由于轉換結果與時間常數RC無

49、關，從而消無關，從而消除了積分非線性帶來的誤差。除了積分非線性帶來的誤差。2.由于雙積分由于雙積分A/D轉換器在轉換器在T1時間內采的是輸時間內采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強的抗工頻干入電壓的平均值，因此具有很強的抗工頻干擾的能力。擾的能力。 3. 只要求時鐘源在一個轉換周期時間內保持穩(wěn)只要求時鐘源在一個轉換周期時間內保持穩(wěn)定即可。定即可。電路特點電路特點56（1）分辨率）分辨率 A/D轉換器的分辨率用輸出二進制數的位數表示。它說明轉換器的分辨率用輸出二進制數的位數表示。它說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。位數越多，誤差越小，轉轉換器對輸入信號的分辨能力。位數越多，誤差越小，轉換精度

50、越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為05V，輸出，輸出8位二進制數可以分辨的最小模擬電壓為位二進制數可以分辨的最小模擬電壓為5V2820mV；而輸；而輸出出12位二進制數可以分辨的最小模擬電壓為位二進制數可以分辨的最小模擬電壓為5V2121.22mV。（2）轉換誤差）轉換誤差 A/D轉換器實際輸出數字量和理論上的輸出數字量之間的轉換器實際輸出數字量和理論上的輸出數字量之間的差別。常用最低有效位的倍數表示。差別。常用最低有效位的倍數表示。（3）轉換時間）轉換時間 轉換時間是指從接到轉換控制信號開始，到輸出端得到穩(wěn)轉換時間是指從接到轉換控制信號開始，到輸出

51、端得到穩(wěn)定的數字輸出信號所經過的這段時間。它與轉換電路的類型有定的數字輸出信號所經過的這段時間。它與轉換電路的類型有關。并行比較關。并行比較A/D轉換器的轉換速度最快，逐次比較型轉換器的轉換速度最快，逐次比較型A/D轉換轉換器次之，間接器次之，間接A/D轉換器的速度最慢（如雙積分轉換器的速度最慢（如雙積分A/D轉換器）。轉換器）。9.2.5 A/D轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標579.2.6 集成集成A/D轉換器及應用轉換器及應用58引腳功能引腳功能IN0IN7:模擬輸入。模擬輸入。VR(+)和和VR(-):外輸入基準電外輸入基準電壓的正端和負端，基準電壓的壓的正端和負端，基準電壓的中心點應在中心點應在VCC/2附近，其偏附近，其偏差不應超過差不應超過0.1V0.1V。59ADDCADDC、ADDBADDB、ADDAADDA：模：模擬輸入端選通地址輸入。擬輸入端選通地址輸入。ALEALE: :地址鎖存允許信號輸地址鎖存允許信號輸入端。高有效。入端。高有效。D7D0:數碼輸出。數碼輸出。OEOE: :輸出允許信號，高有輸出允許信號，高有效。即當效。即當OE=1OE=1時，打開輸時，打開輸出鎖存器的三態(tài)門，將數出鎖存器的三態(tài)門，將數據送出。據送出。CLK:CLK:時鐘脈沖輸入端。時鐘脈沖輸入端。一般在此端加一般在此端加500KH500KH