1、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器概述和分類 概述本章小結(jié)A/D 轉(zhuǎn)換器D/A 轉(zhuǎn)換器 8.1 概述 主要要求： 理解數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的概念和作用。 一、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的作用 模擬電量控制操作模擬傳感器 生產(chǎn)過(guò)程控制對(duì)象 數(shù)字 量數(shù)字 量模擬電量 非電量A/D轉(zhuǎn)換器 數(shù)字控制計(jì)算機(jī) D/A轉(zhuǎn)換器 模擬控制器 由此可見(jiàn)，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器是數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)相互聯(lián)系的橋梁，是數(shù)字系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。數(shù)模轉(zhuǎn)換是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的過(guò)程。 實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 Digital - Analog Converter，簡(jiǎn)稱 D / A 轉(zhuǎn)換器。 模數(shù)轉(zhuǎn)換是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過(guò)程。

2、 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 Analog - Digital Converter，簡(jiǎn)稱 A / D 轉(zhuǎn)換器。 常見(jiàn) D / A 轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) D / A轉(zhuǎn)換器倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D / A轉(zhuǎn)換器權(quán)電流網(wǎng)絡(luò) D / A轉(zhuǎn)換器A / D 轉(zhuǎn)換器并聯(lián)比較型雙積分型逐次逼近型直接 A / D轉(zhuǎn)換器間接 A / D轉(zhuǎn)換器二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念主要要求： 理解數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理。 了解常用 D/A 轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。 理解常用 D/A 轉(zhuǎn)換器的電路組成、工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用。 8.2 D/A 轉(zhuǎn)換器 輸出模擬電壓 uO 應(yīng)正比于輸入數(shù)字量的大小，即： uO = KD = K(Dn-1 2n-

3、1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 ) 可見(jiàn)，uO D，uO 的大小反映了數(shù)字量 D 的大小。D/A轉(zhuǎn)換器D0D1Dn-2Dn-1uOn 位二進(jìn)制數(shù)輸入模擬電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理 輸入數(shù)字量 D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 比例系數(shù) K 是與電路結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。也是輸入數(shù)字量最低位 D0 = 1、其余各位均為 0 時(shí)的模擬輸出電壓。 一、 電路組成8.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) D / A 轉(zhuǎn)換器 模擬開(kāi)關(guān) Si 受各位輸入數(shù)字量控制，當(dāng) Di =1 時(shí)，開(kāi)關(guān) Si 接

4、到 1 端，電阻 Ri 與基準(zhǔn)電壓VREF相連；當(dāng) Di =0 時(shí)，開(kāi)關(guān) Si 則接到 0 端，電阻 Ri 接地。00iFS0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFVREF22R21RI020RI123RI2I3011110+-A(LSB)(MSB)模擬開(kāi)關(guān)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)求和運(yùn)算 放大器 當(dāng)電子開(kāi)關(guān) S0 S3 都接 1 端時(shí)，流入求和運(yùn)算放大器輸入端的總電流 i為 對(duì)于 n 位權(quán)電阻 D / A 轉(zhuǎn)換器，則有 i= I3+ I2+ I1+ I0=VREF20RD3+VREF21RD2+VREF22RD1+VREF23RD0VREF23R( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 )=

5、由于 i= - i F ，故運(yùn)算放大器的輸出電壓 uO為 uO= iF RF= -iRF= -RFVREF23R( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 ) uO= -iRF= -RFVREF2n-1R( 2n-1 Dn-1+ 2n-2Dn-2+ 21D1+ 20D0 ) 二、 工作原理 輸出電壓正比于輸入二進(jìn)制數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。如圖所示權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，設(shè) n=4，VREF=-10v，RF=R/2，試求：當(dāng)輸入數(shù)字量 D3D2D1D0=0001 時(shí)，輸出電壓的值；當(dāng)輸入數(shù)字量 D3D2D1D0=1001 時(shí)，輸出電壓的值；當(dāng)輸入數(shù)字量 D3D2D1D0=1111 時(shí)，輸出

6、電壓的值。解： 三、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) D / A 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點(diǎn) 權(quán)電阻 D/A 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換速度也比較快；它的缺點(diǎn)是各個(gè)電阻的阻值相差很大，而且隨著輸入二進(jìn)制代碼位數(shù)的增多，電阻的差值也隨之增加，難以保證電阻精度的要求，這給電路的轉(zhuǎn)換精度帶來(lái)很大影響，也不利于集成化。 S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR 一、 電路組成 8.2.2 R-2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器 電流電壓轉(zhuǎn)換電路(簡(jiǎn)稱 I/U 轉(zhuǎn)換電路)模擬開(kāi)關(guān) Si 打向1側(cè)時(shí)，相應(yīng) 2R 支路接虛地；打向0側(cè)時(shí)，相應(yīng) 2

7、R 支路接地。故無(wú)論開(kāi)關(guān)打向哪一側(cè)，倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖。 倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開(kāi)關(guān) 從 A、B、C 、D節(jié)點(diǎn)向左看去，各節(jié)點(diǎn)對(duì)地的等效電阻均為 R。VREFR 因此，由 VREF 流出的總電流 I 是固定不變的，其值為 I = ，并且每經(jīng)過(guò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，電流被分流一半，從數(shù)字量高位到低位的電流分別為： 、 、 、 。I3 =I2I2 =I4I1 =I8I0 =I16 二、 工作原理II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRBCDA 故流入求和運(yùn)算放大器輸入端的總電流 i為 i =I2D3+ I24VREF24R( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D

8、0 )=I8D1+ I16D0I4D2+( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 ) 對(duì)于 n 位倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器，則有 故運(yùn)算放大器的輸出電壓 uO 為 uO = iF RF= -iRF= -RFVREF24R( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 ) uO = -RFVREF2nR( 2n-1 Dn-1+ 2n-2Dn-2+ 21D1+ 20D0 ) 由于倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D / A 轉(zhuǎn)換器中各支路的電流恒定不變，直接流入運(yùn)算放大器的反相輸入端，它們之間不存在傳輸時(shí)間差，因而提高了轉(zhuǎn)換速度，所以，倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D / A 轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用非常廣泛。8

9、.2.3 權(quán)電流型 D/A轉(zhuǎn)換器 在討論倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D / A 轉(zhuǎn)換時(shí)，電子模擬 開(kāi)關(guān)看成是理想的。然而在實(shí)際上，這些開(kāi)關(guān)都存在一定的、大小不等的電阻，其上會(huì)產(chǎn)生大小不一的電壓，這就不可避免地會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤差。為了提高轉(zhuǎn)換精度，可采用權(quán)電流型 D / A 轉(zhuǎn)換器。 一、 電路組成8.2.3 權(quán)電流型 D/A轉(zhuǎn)換器 i 位電子模擬開(kāi)關(guān) Si 由相應(yīng)輸入數(shù)據(jù) Di 控制。當(dāng)Di=1時(shí)，Si接1，恒流源接運(yùn)算放大器的反向端，并提供恒流 Ii ；當(dāng)Di = 0時(shí)， Si 接0，恒流源接地。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRF-VREFI / 201111000I / 4I / 16I

10、/ 8-+(LSB)(MSB)運(yùn)算放大器 權(quán)電流恒流源模擬開(kāi)關(guān) 當(dāng)電子開(kāi)關(guān) Si 都接 1 端時(shí)，最高位代碼對(duì)應(yīng)支路的恒流源電流為 I / 2，相鄰位支路的恒流源電流依次減半。故運(yùn)算放大器的輸出電壓 uO 為 對(duì)于 n 位權(quán)電流型 D / A 轉(zhuǎn)換器，則有 uO = RF I 2n( 2n-1 Dn-1+ 2n-2Dn-2+ 21D1+ 20D0 ) uO = iRF=RFI24( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 )= RF (I2D3+I8D1+ I16D0 )I4D2+ 二、 工作原理8.2.4 D / A 轉(zhuǎn)換器主要參數(shù) 一、轉(zhuǎn)換精度 D / A 轉(zhuǎn)換器的最低位有效數(shù)字量（

11、0001）對(duì)應(yīng)輸出的模擬電壓 ULSB 與最大數(shù)字量（1111）輸出滿刻度電壓 UFSR 的比值。 由此可見(jiàn)，D / A 轉(zhuǎn)換器的位數(shù) n 越多，分辨率值就越小，能分辨的最小輸出電壓值也越小，分辨能力就越強(qiáng)。對(duì)于一個(gè) 10 位的 D/ A 轉(zhuǎn)換器，分辨率為 0.000 978。1. 分辨率 2. 轉(zhuǎn)換誤差要獲得較高精度的 D / A 轉(zhuǎn)換器，應(yīng)選用低漂移高精度的運(yùn)算放大器，采用高穩(wěn)定度的 VREF 和選用高分辨率的 D / A 轉(zhuǎn)換器。指 D / A 轉(zhuǎn)換器從輸入數(shù)字信號(hào)開(kāi)始轉(zhuǎn)換到輸出模擬電壓達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，轉(zhuǎn)換速度就越高。指 D / A 轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓與理論輸出模擬

12、電壓的最大差值。在 D / A 轉(zhuǎn)換過(guò)程中，產(chǎn)生誤差的原因很多，常見(jiàn)的原因有運(yùn)放的零點(diǎn)漂移、電子模擬開(kāi)關(guān)接通時(shí)的導(dǎo)通壓降、基準(zhǔn)電壓 VREF 的波動(dòng)、R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值的誤差等。 二、轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換誤差一般不大于ULSB/2。 常用集成 D / A 轉(zhuǎn)換器有兩類：一類內(nèi)部?jī)H含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開(kāi)關(guān)兩部分，常用于一般的電子電路。另一類內(nèi)部除含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開(kāi)關(guān)外，還帶有數(shù)據(jù)鎖存器，并具有片選控制和數(shù)據(jù)輸入控制端，便于和微處理器進(jìn)行連接，多用于微機(jī)控制系統(tǒng)中。 8.2.5 集成 D / A 轉(zhuǎn)換器 AD7520 介紹一、電路組成基準(zhǔn)電壓輸入端 VREF 可正可負(fù) 內(nèi)部

13、反饋電阻RF 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)CMOS電子模擬開(kāi)關(guān)輸出模擬電壓uO為 uO= - RFVREF210R( 29 D9 + 28D8 + + 21D1 + 20D0 )開(kāi)關(guān)管兩級(jí)反相器電平偏移電路 當(dāng) i 位數(shù)據(jù) Di =1時(shí)，V1 截止，V3 導(dǎo)通，輸出低電平0，經(jīng)V4、V5 組成的反相器后輸出高電平1，使 V9 導(dǎo)通；同時(shí)，V6、V7組成的反相器輸出低電平0，使 V8 截止。這時(shí)，2R 支路電阻經(jīng) V9 接位置1 。當(dāng) Di =0時(shí)，則 V8 導(dǎo)通，V9 截止，2R 支路電阻接位置0。從而實(shí)現(xiàn)了單刀雙擲開(kāi)關(guān)的功能。二、電子模擬開(kāi)關(guān)主要要求：了解模數(shù)轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程。了解 A / D 轉(zhuǎn)換器的

14、主要參數(shù)。 理解常用 A / D 轉(zhuǎn)換器的電路組成、工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用。8.3 A / D 轉(zhuǎn)換器 8.3.1 A / D 轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程 取樣：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為在時(shí)間斷續(xù)變化、在幅度上等于取樣期 間模擬信號(hào)大小的一串脈沖。保持：保持取樣信號(hào)，使其有充分時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。量化：把取樣保持電路輸出的樣值電壓變?yōu)榱炕瘑挝徽麛?shù)倍的 過(guò)程。編碼：把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0uI(t)S取樣保持電路輸入模擬量輸出數(shù)字量 為了能較好地恢復(fù)原來(lái)的模擬信號(hào)，根據(jù)取樣定理，要求取樣脈沖 uS 的頻率 fs 必須大于等于輸入模擬信號(hào) uI 頻譜中最高頻率 fI(max

15、) 的 2 倍，即 fs 2 fI(max)一、取樣 - 保持電路 當(dāng)取樣脈沖 uS 為高電平時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，輸入電壓uI 經(jīng)其對(duì) C 迅速充電，使電容 C 上的電壓 uC 跟隨輸入電壓 uI 變化，在 tW 期間 uC = uI。 當(dāng)取樣脈沖 uS 為低電平時(shí)，NMOS管截止，電容 C 上的電壓 uC 在 TS - tW 期間保持不變，直到下一個(gè)取樣脈沖到來(lái)。輸出電壓 uO 始終跟隨電容 C 上的電壓 uC 變化。 要將取樣-保持電路輸出的樣值電壓變換成與其成正比的數(shù)字量，還必須對(duì)樣值電壓進(jìn)行量化，通常用數(shù)字信號(hào)最低位（LSB）1 對(duì)應(yīng)的模擬電壓作為量化單位，用表示。將樣值電壓變?yōu)榱炕瘑?/p>

16、位整數(shù)倍的過(guò)程稱為量化。 在量化時(shí)，樣值電壓一般不能被 整除，非整數(shù)部分的余數(shù)被舍去，這必然會(huì)產(chǎn)生誤差，稱為量化誤差。 A / D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，量化單位越小，則量化誤差也越小。 二、量化與編碼劃分量化電平的兩種方法最大量化誤差 = = (1/8)VREF最大量化誤差 = /2 = (1/15)VREF6=(6/8)VREF1=(1/8)VREF4=(4/8)VREF0 V(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0 = 0VREF2=(2/8)VREF3=(3/8)VREF5=(5/8)VREF7=(7/8)VREF(5/8)

17、V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V1 = 2/15VREF5 = 10/15VREF6 = 12/15VREF模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0 = 0VREF2 = 4/15VREF3 = 6/15VREF4 = 8/15VREF7 =14/15VREF(13/15)V0 V000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V8.3.2 并聯(lián)比較型 A / D 轉(zhuǎn)換器 0000000000uI電阻構(gòu)成分壓器 當(dāng) 0 V uI ( 1/15 ) VREF 時(shí)， D2D1

18、D0 = 000。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF0000001001uI當(dāng) ( 1/15 ) VREF uI ( 3/15 ) VREF 時(shí)， D2D1D0 = 001。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器8.3.2 并聯(lián)比較型 A / D 轉(zhuǎn)換器 VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF8.3.2 并聯(lián)比較型 A / D 轉(zhuǎn)換器 000001

19、1010uI當(dāng) ( 3/15 ) VREF uI ( 5/15 ) VREF 時(shí)， D2D1D0 = 010。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器8.3.2 并聯(lián)比較型 A / D 轉(zhuǎn)換器 0000111011uI當(dāng) ( 5/15 ) VREF uI ( 7/15 ) VREF 時(shí)， D2D1D0 = 011。VREFVREFVR

20、EFVREFVREFVREFVREF8.3.2 并聯(lián)比較型 A / D 轉(zhuǎn)換器 0001111100uI當(dāng) ( 7/15 ) VREF uI ( 9/15 ) VREF 時(shí)， D2D1D0 = 100。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF8.3.2 并聯(lián)比較型 A / D 轉(zhuǎn)換器 0011111101uI當(dāng) ( 9/15 ) VREF uI ( 11/15 ) VREF 時(shí)， D2D1D0 = 101。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)C

21、P1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF8.3.2 并聯(lián)比較型 A / D 轉(zhuǎn)換器 0111111110uI當(dāng) ( 11/15 ) VREF uI ( 13/15 ) VREF 時(shí)， D2D1D0 = 110。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF8.3.2 并聯(lián)比較型 A / D 轉(zhuǎn)換器 1111111111uI當(dāng) ( 13/15 ) VREF uI 1 VREF

22、 時(shí)， D2D1D0 = 111。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF逐次漸近型 A / D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理與天平稱物體重量的過(guò)程相似：先放一個(gè)最重的砝碼與被稱物體重量進(jìn)行比較，如砝碼比物體輕，則砝碼保留；如砝碼比物體重，則去掉，換上一個(gè)次重量的砝碼，再與被稱物的重量進(jìn)行比較。按照此辦法，直加到最輕的一個(gè)砝碼為止。將所有留下的砝碼重量相加，就是最漸近被稱物體的重量。根據(jù)這一思路可構(gòu)成逐次漸近 A / D 轉(zhuǎn)換器。8.3.3 逐次漸近型 A / D 轉(zhuǎn)

23、換器一、電路組成VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位 D / A 轉(zhuǎn)換器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC1 電壓 比較器 3 位 D / A 轉(zhuǎn)換器 數(shù)碼寄存器 環(huán)形移位寄存器控制邏輯電路二、工作原理1 0 0 0 00 0 0000轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先進(jìn)行預(yù)置VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位 D / A 轉(zhuǎn)換器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG

24、1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC1VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位 D / A 轉(zhuǎn)換器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC10 1 0 0 01 0 0uO uI，uC=1uO uI，uC=0 1轉(zhuǎn)換控制信號(hào)uS為高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)始。 Q5 = 0，G7G9 被封鎖，無(wú)數(shù)碼輸出。二、工作原理0 0 1 0 01(0) 1 0如原來(lái)的 uC =1，則 FF6 被置 0；反之，F(xiàn)F

25、6 保留 1狀態(tài)。 2VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位 D / A 轉(zhuǎn)換器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC1Q5 = 0，無(wú)數(shù)碼輸出。二、工作原理0 0 0 1 01(0) 1(0) 1如原來(lái)的 uC =1，則FF7 被置 0；反之，F(xiàn)F7 保留 1狀態(tài)。 3VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位 D / A 轉(zhuǎn)換器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1R

26、C1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC1Q5 = 0，無(wú)數(shù)碼輸出。二、工作原理VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位 D / A 轉(zhuǎn)換器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC1二、工作原理 這時(shí)，F(xiàn)F6FF8的狀態(tài)就是所要求轉(zhuǎn)換的結(jié)果。由于Q5 = 1，故FF6FF8 的狀態(tài)通過(guò) G7 G9 輸出。0 0 0 0 11(0) 1(0) 1(0)如原來(lái)的 uC = 1，則 FF8 被

27、置 0 ；反之，F(xiàn)F8 保留 1狀態(tài)。 4Q6Q7Q81 0 0 0 00 0 0 5VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位 D / A 轉(zhuǎn)換器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC1 Q5 = 0，G7 G9重新被封鎖，輸出的數(shù)字信號(hào)消失。二、工作原理檢零比較器積分器定時(shí)觸發(fā)器G2&時(shí)鐘控制門QuOuCFFnRD基準(zhǔn)電壓計(jì)數(shù)器RS2usCPRC11J1KDn-1(MSB)D1D0 (LSB)n 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器RCPG1&-VREFS

28、1CuI8.3.4 雙積分型 A / D 轉(zhuǎn)換器 一、電路組成 積分器是 A / D 轉(zhuǎn)換器的核心部分。通過(guò)開(kāi)關(guān) S2 對(duì)被測(cè)模擬電壓 uI 和與其極性相反的基準(zhǔn)電壓 -VREF進(jìn)行兩次方向相反的積分，時(shí)間常數(shù)= RC 。 檢零比較器積分器定時(shí)觸發(fā)器G2&時(shí)鐘控制門QuOuCFFnRD基準(zhǔn)電壓計(jì)數(shù)器RS2usCPRC11J1KDn-1(MSB)D1D0 (LSB)n 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器RCPG1&-VREFS1CuI8.3.4 雙積分型 A / D 轉(zhuǎn)換器 檢零比較器在積分器之后，用以檢查積分器輸出電壓 uO 的過(guò)零時(shí)刻。當(dāng) uO 0 時(shí)，輸出 uC = 0；當(dāng) uO 0 時(shí)，輸出 uC = 1。

29、一、電路組成檢零比較器積分器定時(shí)觸發(fā)器G2&時(shí)鐘控制門QuOuCFFnRD基準(zhǔn)電壓計(jì)數(shù)器RS2usCPRC11J1KDn-1(MSB)D1D0 (LSB)n 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器RCPG1&-VREFS1CuI一、電路組成8.3.4 雙積分型 A / D 轉(zhuǎn)換器 時(shí)鐘控制門有三個(gè)輸入端，第一個(gè)接檢零比較器的輸出 uC，第二個(gè)接轉(zhuǎn)換控制信號(hào) uS，第三個(gè)接標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖源 CP。當(dāng) uC = 1， uS =1時(shí)，G1 打開(kāi)，計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖CP 計(jì)數(shù)；當(dāng) uC = 0 時(shí)，G1關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。檢零比較器積分器定時(shí)觸發(fā)器G2&時(shí)鐘控制門QuOuCFFnRD基準(zhǔn)電壓計(jì)數(shù)器RS2usCPRC11J1KD

30、n-1(MSB)D1D0 (LSB)n 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器RCPG1&-VREFS1CuI一、電路組成8.3.4 雙積分型 A / D 轉(zhuǎn)換器 當(dāng) n 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)到 2n 個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器由 111 回到 000 狀態(tài)，并送出進(jìn)位信號(hào)使定時(shí)觸發(fā)器 FFn 置1，即 Qn = 1，開(kāi)關(guān) S2 接基準(zhǔn)電壓 -VREF ，計(jì)數(shù)器由 0 開(kāi)始計(jì)數(shù)，將與輸入模擬電壓 uI 成正比的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。1. 轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備8.3.4 雙積分型 A / D 轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換控制信號(hào) uS =0，G2 輸出 1，一是使開(kāi)關(guān) S1 閉合，電容 C 充分放電；二是使計(jì)數(shù)器清零，F(xiàn)Fn 輸出 Qn = 0，使開(kāi)關(guān) S

31、2 接輸入模擬電壓 uI 。二 、工作原理8.3.4 雙積分型 A / D 轉(zhuǎn)換器 2. 第一次積分（取樣階段）二 、工作原理 在時(shí)間 t = 0 時(shí)，轉(zhuǎn)換控制信號(hào) uS 由 0 變?yōu)?1，G2 輸出 0，開(kāi)關(guān) S1 斷開(kāi)，開(kāi)關(guān) S2 接入模擬電壓 uI 。uI 經(jīng)電阻 R 對(duì)電容 C 進(jìn)行充電，積分器開(kāi)始對(duì) uI 進(jìn)行積分；積分器的輸出電壓 uO (t) 為uO (t) = = tuIRCuI dt8.3.4 雙積分型 A / D 轉(zhuǎn)換器 2. 第一次積分（取樣階段） 由于積分器 uO 0，過(guò)零比較器輸出 uC = 1，這時(shí)時(shí)鐘控制門 G1 打開(kāi)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)周期為 TC 的時(shí)鐘脈沖 CP

32、進(jìn)行計(jì)數(shù)，經(jīng)時(shí)間T1=2nTC 后，計(jì)數(shù)器計(jì)滿 2n 個(gè) CP 脈沖，各計(jì)數(shù)觸發(fā)器自動(dòng)返回 0 狀態(tài)，同時(shí)給定時(shí)觸發(fā)器 FFn 送出一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，F(xiàn)Fn 置 1 ，使開(kāi)關(guān) S2 接 -VREF。二 、工作原理2. 第一次積分（取樣階段）8.3.4 雙積分型 A / D 轉(zhuǎn)換器 第一次積分結(jié)束后，對(duì)應(yīng)時(shí)間為 t = t1= T1，這時(shí)積分器輸出電壓 uO(t1) 為 uO( t1 ) = uI = uI T1RC2nTCRC二 、工作原理8.3.4 雙積分型 A / D 轉(zhuǎn)換器 3. 第二次積分（比較階段） 在時(shí)間 t = t1 ( =T1 ) 時(shí)，第一次積分結(jié)束，開(kāi)關(guān) S2 接 VREF，電容

33、 C 開(kāi)始放電，積分器對(duì)-VREF 進(jìn)行反向積分（第二次積分）。二 、工作原理8.3.4 雙積分型 A / D 轉(zhuǎn)換器 3. 第二次積分（比較階段） 由于積分器 uO 0，檢零比較器輸出 uC = 1，計(jì)數(shù)器從 0 開(kāi)始第二次計(jì)數(shù)。當(dāng)積分器輸出電壓 uO( t ) 上升到 uO ( t ) = 0 時(shí)，由 uC = 0，G1關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。二 、工作原理二 、工作原理8.3.4 雙積分型 A / D 轉(zhuǎn)換器 3. 第二次積分（比較階段） 第二次積分的時(shí)間 T2 = t2 t1。這時(shí)輸出電壓 uO ( t2 ) 為 uO(t2) = uO(t1) + (-VREF )dt = 0 -1RC

34、t1t2 得 由此可知，第二次積分的時(shí)間間隔 T2 與輸入模擬電壓 uI 是成正比的。 T2 = uI 2nTCVREF二、工作原理8.3.4 雙積分型 A / D 轉(zhuǎn)換器 3. 第二次積分（比較階段） 如在 T2 時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)為N，由于 T2 =NTC，則 因此，計(jì)數(shù)器計(jì)了N 個(gè) CP 脈沖后所處的狀態(tài)表示了輸入 uI 的數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)了模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。計(jì)數(shù)器的位數(shù)就是 A / D 轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)。 2nVREFN = uI8.3.5 A / D 轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù) 1 . 分辨率 指 A / D 轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入模擬量的變化量。 例如 最大輸出電壓為 5V 的 8 位 A / D 轉(zhuǎn)換器的分辨 率為 5V / 28 = 19.53 mA 分辨率也可用 A / D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表示。位數(shù)越多，能分辨的最小模擬電壓值就越小。 指 A / D 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量之間的差值。通常用最低有效位 LSB 的倍數(shù)來(lái)表示。 2. 相對(duì)精度3. 轉(zhuǎn)換速度例如 相對(duì)誤差 1 LSB /2 ，即說(shuō)明實(shí)際輸出數(shù)字量 和理想上得到的輸出數(shù)字量之間的誤差不大于最低 位 1 的一半。 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指 A / D 轉(zhuǎn)換器完成一次