第九章數(shù)/模轉(zhuǎn)換和模/數(shù)轉(zhuǎn)換9.1轉(zhuǎn)換系統(tǒng)9.2數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器9.3A/D轉(zhuǎn)換器

第九章數(shù)/模轉(zhuǎn)換和模/數(shù)轉(zhuǎn)換

隨著電子計算機高速發(fā)展，電子計算機已在國民經(jīng)濟各個部門和國防上獲得越來越廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已進入千家萬戶。而數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是數(shù)字電子計算機和各用戶之間不可缺少的接口部件。 例如語音、圖象、壓力、流量、速度、溫度、振幅等都是通過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器或傳感器變換成模擬電信號，如果要將這些模擬電信號送給計算機進行處理，必須將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器就是將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的器件。經(jīng)過數(shù)字計算機分析處理后的結(jié)果，輸出的是數(shù)字信號，必須將這些數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，才能送去控制執(zhí)行元件或者被人的感官所接受。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器就是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的器件。 本章主要介紹A/D、D/A變換的基本工作原理。9.1轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

常見的數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有以下幾種。一、數(shù)字控制系統(tǒng) 以數(shù)控為例：首先對被加工件進行攝影、測繪，這個過程可以說由傳感器完成，然后進行量化，將具體的尺寸、形狀、加工順序…，均由數(shù)碼表示，這個過程叫A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。第三步，將加工順序編寫成計算機可以識別的程序。例如進刀、退刀；前進、后退、左進、后退，用計算機進行分析處理。第四步，因執(zhí)行控制器一般只認模擬量，例如，左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，它主要取決于電感的極性(正電感、還是負電感？)速度大小是由電感或電流大小決定，運動方向和速度(例如是向前，還是退后，是向左進還是右退，進多少尺寸？退多少尺寸？)主要取決于執(zhí)行電機的型號、規(guī)格、機械安裝、機械傳動等。需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)為模擬量(即D/A變換)。最后一步由執(zhí)行機構(gòu)去完成各種操作。將被加工件生產(chǎn)出來。二、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 目前在通信(例如移動數(shù)字電話)、遙控、遙測、數(shù)據(jù)廣播、數(shù)字電視等，需要進行遠距離傳送，采用數(shù)字信號比模擬信號抗干擾性強、保密性強。其系統(tǒng)方框圖如下： 舉例： 1.手機（移動電話）、對講機 2.數(shù)據(jù)廣播（遠程教育等）三、自動測試和測量設(shè)備 （以數(shù)字頻率計為例）9.2數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器一、基本原理 所謂D/A（數(shù)模）轉(zhuǎn)換器就是將離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化模擬量的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，又稱為D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。 D/A轉(zhuǎn)換器可以看作是一個譯碼器，它是將輸入的二進制數(shù)字信號器(或稱編碼信號)轉(zhuǎn)換(翻譯)成模擬信號，并以電壓或電流形式輸出。 圖9-3表示了4位二進制代碼的數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器后的輸出模擬信號電壓的對應(yīng)關(guān)系。每一個二進制代碼的編碼數(shù)字信號，都可以翻譯成一個相對應(yīng)的十進制數(shù)值。 例如：(1010)2→(10)10，量化級到信息所能分解的最小量。 圖中為，要減少量化誤差，只要增加數(shù)字編碼信號的位數(shù)。圖9-3D/A轉(zhuǎn)換器輸出特性01511110000例如：：輸入入二進進制代代碼為為千位位數(shù)碼碼，其其輸出電壓壓可能能的最最小變變化為為等值值輸出出的1/1024。。下圖為為一個個n位位D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器的方方框圖圖。數(shù)字位位模擬開關(guān)電阻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及及求和放放大器器參考電流數(shù)字寄存器V0D0D1Dn-1數(shù)字輸入二、D/A轉(zhuǎn)換換器電電路目前使使用的的D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器，基基本上上有權(quán)權(quán)電阻阻網(wǎng)絡(luò)型、、T型型電阻阻網(wǎng)絡(luò)絡(luò)型和和權(quán)電電流型型三種種。1.權(quán)權(quán)電阻阻D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器權(quán)電阻阻D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器電路路如圖圖9-5所所示。。它由數(shù)數(shù)字寄寄存器器、模模擬電電子開開關(guān)、、電阻阻網(wǎng)絡(luò)、求求和放放大器器和參參考電電流等等幾部部分組組成。。寄存器器：在寄存器指令令作用下，將將輸入數(shù)字量量定時地存入數(shù)字寄寄存器中，一一直存放到下下一個指令到到來時為止。寄寄存器的輸出出量Dn-1…D0用來控制模擬電子開開關(guān)Sn-1…S0的狀態(tài)。模擬電子開關(guān)關(guān)：它受寄存器輸輸出D控制，，每一個位Di控制相應(yīng)的一個模擬擬開關(guān)Si。當(dāng)Di=1時，Si與參考電壓VREF與電阻網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的電阻阻Ri接通；當(dāng)Di=0時，Si將Ri接地。權(quán)電阻譯碼網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)：對于n位二進進制代碼，權(quán)權(quán)電阻譯碼網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)由n個電阻組成(R0~Rn-1)。網(wǎng)絡(luò)中各各支路的電阻阻值R0~Rn-1，接二進制位位權(quán)大小或比比例減少。對對于Di對應(yīng)的電電阻支路ki=2n-1-ik。顯然，當(dāng)i=0，D0→k0=2n-1k。當(dāng)i=n-1時，Dn-1→Rn-1=2n-1-(n-1)k=20k也就是說，二二進制代碼的的位權(quán)值越大，對應(yīng)的權(quán)電阻就越小小。運算放大器：：它是作為求和和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的緩沖器，，使輸出模擬電壓v0受負載變化的的影響，而且且可以改變Rf的大小來調(diào)節(jié)節(jié)轉(zhuǎn)換系數(shù)。。下面定量分析析一下輸出v0與輸入數(shù)字信信號D之間的關(guān)系系。當(dāng)Di=1時，對應(yīng)應(yīng)的Ri支路與參考電電位VBEF接通，則該支支路電流為：：當(dāng)Di=0時，開關(guān)關(guān)Si接地，則Ii=0。因此，對于Di位產(chǎn)生的電流流，寫成通式式為：根據(jù)疊加原理理，總的輸出出電流為：通過運放，輸輸出電壓v0為：例9-1：有有一個4位D/A轉(zhuǎn)換器器，輸入4位位二進制碼D3D2D1D0=1101，，基準(zhǔn)電位VREF=8V，轉(zhuǎn)換比例系數(shù)數(shù)為1，即2Rf/R=1。求求輸出v0。解：由于權(quán)電阻解解碼網(wǎng)絡(luò)中電電阻值的范圍圍(R~2n-1·R)的范圍圍很寬，這給給保證輸出v0的精度帶來很大困難難。為了解決決這個問題，，通常采用R~2RT型電阻解碼碼網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換器。。2.R~2R倒T形電電阻解碼網(wǎng)絡(luò)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換換器由圖9-6可可見，當(dāng)Di=1時，對應(yīng)應(yīng)的電阻支路路流過的電流，，其中且Ii流向運放(-)端。當(dāng)Di=0時，但但Ii流向運放(+)。。即流向地。。圖9-6倒倒T形電阻阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器寫成通式：于是流向(-)端總電流流為：輸出電壓為：：由于倒T形電電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中中各支流的電流直接流入入了運算放大大器輸入端，，它們之間不不存在時間差，，因而提高了了工作速度并并減少了動態(tài)態(tài)過程中輸出端端可能出現(xiàn)的的尖峰脈沖。。倒T形電阻阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器是目前前使用的D/A轉(zhuǎn)換器中中速度較快的一種，，也是用得較較多的一種。。3.權(quán)電流型型D/A轉(zhuǎn)換換器在前面分析的的R-2R倒倒T形電阻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)DAC的的過程中，將模模擬開關(guān)當(dāng)作作理想開關(guān)，，而沒有考慮慮它們的導(dǎo)電電電阻和導(dǎo)通壓壓降。而實際際上這些開關(guān)關(guān)總有一定的導(dǎo)導(dǎo)通電阻和壓壓降，且每個個開關(guān)的情況況又不完全相同同，它們的存存在無疑會引引起轉(zhuǎn)換誤差，影響轉(zhuǎn)換換精度。解決這個問題題的一種方法法即采用圖9-7所示的權(quán)電流型DAC。在DAC中有一一組恒流源，，每個恒流源電流流大小依次為為前一個1/2，和輸入入二進制數(shù)對應(yīng)位位的“權(quán)”成成正比。由于于采用了恒流流源，每個支流流的電流大小小不再受開關(guān)關(guān)內(nèi)阻和壓降降的影響，從而而降低了對開開關(guān)電路的要要求。恒流源電路經(jīng)經(jīng)常使用圖9-7右側(cè)所所示的電路結(jié)構(gòu)形式。只只要在電路工工作時保證VB和VEE保持不變，則三極極管集電極電電流即可保持持不變，不受受開關(guān)內(nèi)阻的影影響。其電流流大小近似為為：圖9-7權(quán)權(quán)電流型DAC當(dāng)輸入數(shù)字量量的某位代碼碼為1時，對對應(yīng)的開關(guān)將恒流源接接至運放的輸輸入端；當(dāng)代碼為0時時，對應(yīng)的恒恒流源接地。。故輸出電壓為為：另外，在相同同的VB和VEE取值下，為了了得到依次為1/2遞減的電電流源，就需需要一組不同同阻值的電阻。為為了減少電阻阻阻值的種類類，在實用的的權(quán)電流型DAC中經(jīng)常利利用倒T型電電阻網(wǎng)絡(luò)的分分流作用產(chǎn)生成一一組恒流源。。如圖9-9所示。由圖可見，T3、T2、、T1、T0和Tc的基基極是接在一起的的，只要這些些三極管的發(fā)發(fā)射結(jié)壓降VBE相等，則它們們的發(fā)射極處處于相同的電電位。圖9-9實實用的權(quán)電電流型DAC在計算各支路路的電流時，，可以認為2R電阻的上端都接到到了同一個電電位上，因而而流過每個2R電阻的電電流自左至右右依次減少了了1/2。為為保證所有三極管的的發(fā)射結(jié)壓降降相等，在發(fā)發(fā)射結(jié)電流較較大的三極管中中按比例加大大了發(fā)射結(jié)的的面積，在圖圖中用增加發(fā)射射極的數(shù)目來來表示。圖中中的恒流源IB0用來給TR、TC、T0~T3提供必要的的基極偏置電流。運算放大器A1、三極管TR、電阻RR、R組成了基準(zhǔn)電流流發(fā)生電路。?；鶞?zhǔn)電流IREF是由外加的基準(zhǔn)電壓VREF和電阻RR決定。由于T3和TR具有相同的VBE，而發(fā)射極回回路電阻相差差一倍，所以它們的發(fā)射射極電流也必必然相差一倍倍。故有：將式(9-4)代入式(9-3)得得:對于輸入為n位二進制數(shù)數(shù)碼的這種電電路結(jié)構(gòu)的D/A轉(zhuǎn)換換器，輸出電電壓的計算公公式可寫成：：采用這種權(quán)電電流型D/A轉(zhuǎn)換電路生生產(chǎn)的單片集成DAC有有DC0806、DAC0807、、DAC0808。4.DAC的主要技術(shù)術(shù)指標(biāo)（一）分辨率率分辨率是指對對輸出最小電電壓的分辨能能力。它是用輸入數(shù)數(shù)碼只有最低低有效位為1時的輸出電電壓與輸入數(shù)碼碼為全1時輸輸出滿量程電電壓之比來表表示。因此分辨率可可表示為（二）轉(zhuǎn)換誤誤差轉(zhuǎn)換誤差常用用滿量程FSR的百分?jǐn)?shù)數(shù)來表示。例如，一一個DAC的的線形誤差為為0.05%，就是說轉(zhuǎn)換誤差是是滿量程輸出出的萬分之五五。有時轉(zhuǎn)換誤誤差用最低有有效位LSB的倍數(shù)來表示。例如，，一個DAC的轉(zhuǎn)換誤差差是LSB/2，則表示輸出電壓壓絕對誤差是是最低有效效位（LSB）為1時輸出電電壓的1/2。DAC的轉(zhuǎn)換換誤差主要有有失調(diào)誤差和和滿值誤差。失調(diào)誤差是指指輸入數(shù)字量量全為0時，，模擬輸出值與理論輸輸出值的偏差差。滿值誤差又稱稱增益誤差，，是指輸入數(shù)數(shù)字量全為1時，實實際輸出電壓壓不等于滿值值的偏差。滿滿值誤差通過調(diào)調(diào)整運放的反反饋電阻加以以消除。DAC產(chǎn)生誤誤差的主要原原因有：參考考電壓VREF的波動、運放放的零點漂移移，電阻網(wǎng)絡(luò)絡(luò)中電阻阻值偏差等原原因。（三）轉(zhuǎn)換速速度通常用建立時時間tset來定量描述DAC的轉(zhuǎn)換換速度。tset定義：從輸入入的數(shù)字量發(fā)發(fā)生突變開始始，直到輸出電壓壓進入與穩(wěn)定定值相差±1/2LSB范圍以內(nèi)這段時間間，稱為建立立時間tset。如圖9-10所示。目前器件水平平：高達0.1μs左右。圖9-10DAC的建立時間間±1/2LSBtsettset例9-1：在在下圖所示的的倒T形電阻阻網(wǎng)絡(luò)中，VREF=-10。為為保證VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值所所引起的誤差小于1/2LSB，試試計算VREF的相對穩(wěn)定度度應(yīng)取多少？解：首先計算對應(yīng)應(yīng)于1/2LSB輸入的的電壓是多少？當(dāng)輸入代代碼只有LSB=1而其其余各位均為為0（且令R=Rf）時，輸出電電壓為：故與1/2LSB相對應(yīng)應(yīng)的輸出電壓壓絕對值為：：然后再計算由由于VREF變化△VREF所引起的輸出變化△V0，在n位輸入入的DAC中中，由△VREF引起的輸出電電壓變化應(yīng)為為：而且在輸入數(shù)數(shù)字量最大時時(所有各位位全為1)，△V0最大。這時的的輸出電壓絕絕對值為：根據(jù)題意，∣∣△V0∣必須小于等等于1/2LSB對應(yīng)的輸出電電壓，于是得得到：故得到參考電電壓相對穩(wěn)定定度為：而允許參考電電壓的變化量量為：9.3A/D轉(zhuǎn)換器所謂模數(shù)轉(zhuǎn)換就是上述數(shù)模模轉(zhuǎn)換的逆過過程，即將模擬擬電壓轉(zhuǎn)換成成與之成比例例的數(shù)字量。。實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換換的電路成為為模數(shù)轉(zhuǎn)換器器，又稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。在A/D變換換過程中，輸輸入的模擬信信號往往在時間上是連續(xù)續(xù)的，而輸出出是離散的數(shù)數(shù)字量。所以以進行轉(zhuǎn)換時必必須在一系列列選定的瞬間間對輸入的模模擬信號進行采采樣，然后再再將這些采樣樣值轉(zhuǎn)換為數(shù)數(shù)字量。因此，一般A/D轉(zhuǎn)換過過程要經(jīng)過四四個步驟：采樣保保持量量化編編碼碼不過這些步驟驟有些是合并并進行的。采樣采樣(又稱取取樣)是將一一個連續(xù)變化化的模擬量轉(zhuǎn)換成時間上上連續(xù)(離散散)的模擬量量?；蛘哒f，，采樣就是把一個個時間上連續(xù)續(xù)的模擬量一一串脈沖，這這些脈寬是等寬寬的，但其幅幅度取決于采采樣的輸入的的模擬量。如圖圖9-12所所示。圖9-12采樣保持原理圖中：?i(t)———輸入模模擬量S(t)———采采樣脈沖?0*(t)———采采樣輸出信號號因此，采樣電電路實際上是是一個受采樣樣脈沖控制的電子開開關(guān)，在S(t)采樣脈脈沖寬度tw內(nèi)，開關(guān)接通，此時時輸出?0*(t)等于于輸入?i(t)；而在在(Ts-tw)的時間內(nèi)，，開關(guān)斷開，，輸出?0*(t)為0。為了使采樣信號恢恢復(fù)成原信號號，采樣周期期應(yīng)滿足采樣樣定理。采樣定理：通常取?s=(3~5)?imax2.采樣保保持電路所謂采樣，即在一個微微小時間內(nèi)對對模擬信號進行取樣，，然后將此取取樣的模擬信信號保持一段段時間，使A/D轉(zhuǎn)換器有有充足的時間間進行A/D轉(zhuǎn)換，這就是采采樣。保持電路的作作用。圖9-13是是取樣—保持持電路的基本本形式。圖中：T——N溝道增強強型MOS管管，作為模擬擬開關(guān)。圖9-13采采樣保持持實用電路當(dāng)取樣控制信信號vL(S(t))為高電平時時，T導(dǎo)通。輸入信號號vi經(jīng)RI、T向電容CH充電。若取RI=RF，并忽略運放放的輸入電流流，則充電后后V0==VC=-VI。當(dāng)VL返回低電平以以后，MOS管截止。由由于CH上的電壓在一一段時間內(nèi)保保持不變。所所以v0也保持不變，取取樣結(jié)果被保保存下來。如如CH上電流越小，運放輸輸入阻抗越大大，v0保持時間越長長。下圖所示是單單片集成取樣樣—保持電路路LF398的的電路原理圖圖及符號圖。。當(dāng)邏輯輸入VL為高電平1時時，S閉合；；VL為低電平0時，S斷斷開。當(dāng)S閉合時時，A1和A2均工作在電電壓跟隨器器狀態(tài)，所以以v0=v0′=vi，外接電容容CH接在R2的引出端與地地之間，故故電容的電電壓也等于于vi；當(dāng)S斷開后后，CH上的電壓不不變，所以以v0的數(shù)值仍然保保留下來。。D1、D2是開關(guān)電路路的保護電電路。3.量化化與編碼從前面的采采樣——保保持電路的的分析中得得知,在采樣脈沖沖持續(xù)期tw內(nèi)，v0=vi，在兩次采采樣的間隔時間(Ts-tw)時間內(nèi)，，v0保持不變。。(Ts-tw)這段時間供量量化和編碼碼。什么叫量化化？在A/D轉(zhuǎn)化過過程中，必必須把采樣——保持持的樣值電電壓化成某某個最小單單位的整數(shù)數(shù)倍。這個過過程稱為量量化。所取取的最小單單位稱量化化單位，可以以用△表示示。什么叫編碼碼？把量化化的結(jié)果用用代碼(一一般是二進制碼)表示出來來，稱為編碼。顯然，編編碼輸出的數(shù)字信信號最低有有效位的1代表的數(shù)數(shù)量大小就就等于△。由于模擬信信號是連續(xù)續(xù)的，那么么它就不一一定能被△整除除，因此量量化過程不不可避免地地會引入誤誤差，這種誤誤差稱為量化誤差。通常在劃分分量化等級級時有兩種種方法：如圖9-15所示。。圖9-15劃分分量化等級級時的兩種種方法圖中：左邊量化方方法：只舍舍不入法量化單位：：△=1/8V，最大量化誤誤差：1/8V。右邊量化方方法：有舍舍有入法量化單位：：2/15V最大量化誤誤差：1/2△=1/15V。結(jié)論：采用有舍舍有入的方方法比只舍舍不入法量化誤差要要小。二、A/D轉(zhuǎn)換器電電路A/D轉(zhuǎn)換換器可分為為直接A/D轉(zhuǎn)換器器和間接轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器。所謂謂直接轉(zhuǎn)換換器就是把把輸入的模模擬電壓直直接轉(zhuǎn)換為輸輸出的數(shù)字字量而不需需要經(jīng)過中中間變量。。常用的電路路有并聯(lián)比比較型和反反饋比較型型兩種。直接A/D轉(zhuǎn)換器1.1并并聯(lián)比較較型A/D轉(zhuǎn)換器圖9-16為并聯(lián)比比較型A/D轉(zhuǎn)換器器電路結(jié)構(gòu)構(gòu)圖。它由電電壓比較器器、寄存器器、代碼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器三部部分組成。此此圖沒有考考慮取樣———保持電電路，并假假設(shè)取樣———保持已完完成。圖9-16并聯(lián)比較型型A/D轉(zhuǎn)換換器電路結(jié)構(gòu)圖圖（1）電壓壓比較器：：它由電阻分分壓器和電電壓比較器器組成。電電阻分壓器由8個電阻構(gòu)構(gòu)成，產(chǎn)生生不同數(shù)值值的參考電電壓，作為量量化刻度，，分別送到到各個比較較器與取樣———保持持的輸輸入模模擬電電壓vi進行比比較。。當(dāng)vi高于于量化化刻度度時，，比較較器輸輸出為為高電電平；反反之比比較器器輸出出為低低電平平。（2））積存存器它由7個D觸發(fā)發(fā)器組組成，，它在在時鐘鐘脈沖沖CP作用下，，將比比較的的結(jié)果果暫時時寄存存在寄寄存器器中，，供編編碼用。。（3））編碼碼網(wǎng)絡(luò)絡(luò)（代代碼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器）它的作作用是是將寄寄存器器輸出出信號號編譯譯成相相應(yīng)的二進進制代代碼。。編碼碼網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的函函數(shù)表表達式式為：：小結(jié)：：優(yōu)點：轉(zhuǎn)換換速度度最快快缺點：所需需硬件件數(shù)目目很多多。如如果需需要的的二進制代代碼增增加一一倍，，分壓壓電阻阻、電電壓比比較器器、寄寄存器的的硬件件數(shù)目目近似似增加加一倍倍。如如輸出出n位位二進進制代碼碼，需需2n個電阻阻，(2n-1)個電電壓比比較器器和D觸發(fā)器器以及及復(fù)雜雜的編編碼網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。。應(yīng)用場場合：適用用于高高速度度、高高精度度要求求的場合。。1.2反反饋型型A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器構(gòu)思：：取一一個數(shù)數(shù)字量量加到到D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器上，，于是得到到一個個對應(yīng)應(yīng)的輸輸出的的模擬擬電壓壓。將將這個個模擬擬電壓與與輸入入的模模擬電電壓信信號相相比較較。如如果兩兩者不不相等，，則調(diào)調(diào)整所所取的的數(shù)字字量直直到兩兩個模模擬電電壓相相等為止止，最最后所所取的的數(shù)字字量就就是所所求的的轉(zhuǎn)換換結(jié)果。固所取取的數(shù)數(shù)字量量的方方法不不同，，反饋饋比較較型A/D轉(zhuǎn)換換器又又可分分為計計數(shù)型型和逐逐次漸漸進型型兩種種方案。A.計計數(shù)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換換器圖9-17是計計數(shù)型型A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器的原原理框框圖。。它由比較較器C、DAC、計計數(shù)器器、脈脈沖源源、輸輸出寄寄存器、控控制門門G幾幾部分分組成成。轉(zhuǎn)換前前先用用復(fù)位位信號號將計計數(shù)器器置0，而而且轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換控制制信號號應(yīng)停停留在在VL=0的的狀態(tài)態(tài)。這這時門門G被被封鎖，計計數(shù)器器不工工作。。計數(shù)數(shù)加給給DAC的的全0數(shù)字字信號，所所以v0=0。。如VI>0，，則VI>V0，VB=1。。當(dāng)VL=1時時開始始轉(zhuǎn)換換。脈脈沖源源的信信號經(jīng)經(jīng)門G加到計計數(shù)器器的CP端端作加加法計計數(shù)，，隨著著計數(shù)數(shù)的進進行，DAC輸出出的模模擬信信號也也不斷斷增加加。當(dāng)當(dāng)V0=VI時，VB=0，，將G封鎖鎖，計計數(shù)器器停止止計數(shù)數(shù)。這這時計數(shù)器器中所所存的的數(shù)字字就是是所求求的輸輸出數(shù)數(shù)字信信號。。優(yōu)點：：電路路非常常簡單單。缺點：：轉(zhuǎn)換換時間間太長長，最最長的的轉(zhuǎn)換換時間間為（2n-1））×cp的的周期期。(n為為二進進制位位數(shù))圖9-17計計數(shù)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換換器的的原理理框圖圖為了提提高速速度，，在上上述基基礎(chǔ)上上出現(xiàn)現(xiàn)了逐逐次漸進型型A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器。不不同在在于輸輸入數(shù)數(shù)字量量的給給出方式有有所改改變。。B.逐逐次次漸進進ADC如圖9-18所所示。。它有有五部部分組組成(比較較器、、DAC、寄寄存器器、控控制邏邏輯及及脈沖沖源)圖9-18逐逐次次漸進進型ADC原理理框圖圖轉(zhuǎn)換前前先將將寄存存器清清0，，所以以加給給DAC的的數(shù)字量也也是全全0。。轉(zhuǎn)換換控制制信號號VL=1時時開始始轉(zhuǎn)換換，時鐘脈脈沖首首先將將寄存存器的的最高高位置置成1，是是寄存存器的輸輸出為為100...00。這這個數(shù)數(shù)字量量被D/A轉(zhuǎn)換換器轉(zhuǎn)換成成相應(yīng)應(yīng)的模模擬電電壓V0，并送送到比比較器器與VI比較。。若V0>VI，說明明數(shù)字字量取取大了了，應(yīng)應(yīng)去掉掉最高位這這個1。若V0<VI，說明明數(shù)字字量取取小了了，應(yīng)應(yīng)保留留最高位位這個個1。。然后按按同樣樣的方方法將將次高高位置置1，，并比比較V0與VI的大小小，然然后決決定該該次高高位的的1是是否保保留。。這樣逐逐位比比較下下去，，直到到V0=VI為止。。這時時，寄寄存器里里所存存的數(shù)數(shù)碼就就是所所求的的輸出出數(shù)字字量。。完成一一次轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換所所需的的時間間=CP的的周期期×(n+2)。(這里里包括括清0的一一次)顯然，，它比比并行行比較較型A/D轉(zhuǎn)換換器要要慢，，但比計數(shù)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換換器要要快。。所以逐逐次漸漸進型型A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器是目目前集集成A/D轉(zhuǎn)換器器產(chǎn)品品中用用的最最多的的一種種電路路。2.間間接接A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器目前出出現(xiàn)的的間接接A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器器大都都分為為電壓———時間間型(V——T變變換型型)或電壓———頻頻率變變換型型(V——F變變換型型)兩類。。變換思思想：在V—T變換換型A/D轉(zhuǎn)換換器中中，首先將將輸入入的模模擬電電壓信信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成成與之之成正正比例例的時間間寬度度信號號，然然后在在這個個時間間寬度度內(nèi)對對固定定已知頻率的時時鐘脈寬計數(shù)數(shù)，計數(shù)結(jié)果果就是正比于于輸入模擬電壓壓的數(shù)字量。。在V—F變換換型A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器中，首首先將輸入的模擬電壓信信號轉(zhuǎn)換成與與之成正比例例的頻率信號，然后在一一個已知的固固定的時間間間隔里對該頻頻率進行計數(shù)，，所得到的計計數(shù)結(jié)果就是是正比于輸入入模擬電壓的數(shù)數(shù)字量。2.1雙積積分型A/D轉(zhuǎn)換器（V—T型）在V—T型A/D轉(zhuǎn)換器器用得最多的的是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換換器。圖9-19就是它它的原理框圖圖。它包含積分器、比比較器、控制制邏輯、計數(shù)數(shù)器及時鐘信信號源幾個部分分。圖9-19雙雙積分型型A/D轉(zhuǎn)換換器原理框圖圖轉(zhuǎn)換開始前，，使計數(shù)器清清0，積分器器電容C完全放電(即即開關(guān)S2合上，電容C兩端電壓為為0)。下面對照圖9-19(a)、(b)來討論電路路的轉(zhuǎn)換過程：（1）0≤t＜T0，t=0時，，開關(guān)S2斷開，S1將輸入信號vi=vi1接到積分器上上，電容器C被恒流充電(設(shè)vi1在轉(zhuǎn)換過程中中保持恒定，，從而充電電電流I=vi1/R為一個不不變的值)，，積分器的輸輸出電壓v0便開始以固定定的斜率vi1/RC下降。。在積分器開開始積分的同時，，過0比較器器輸出vc=1，使控制制門G開啟，計數(shù)脈脈沖CP便送送入計數(shù)器，，開始計數(shù)。。（2）T0≤t＜T1，T0時刻，，剛好第M個個(2n個)CP脈沖到達，模模M計數(shù)器完完成了一個計計數(shù)循環(huán)。最最高位輸出1個個進位脈沖(Qn=1)，而Qn-1~Q0位輸出全為0。Qn=1使S1轉(zhuǎn)換到與輸入入信號vi極性相反的基準(zhǔn)電流流-VR上，因為-VR是一個恒定值值，故積分器又以固固定斜率VR/RC上升，，而計數(shù)器又又從0開始計數(shù)。。在0~T0時間內(nèi)，輸入入信號vi的平均值為：：T0時刻積分器的的輸出電壓v0(T0)為由于T0=2n·Tcp(Tcp為時鐘cp的的周期)，是是模M計數(shù)器完成成一次循環(huán)的的時間，故將將(1)式代代入(2)式可得可見，vi越大，在T0周期的平均值值也也越大，也即T0時的v0值也也越大；故V01正比于輸入電壓的平平均值。。（3）t=T1，T1時刻，積分器器的輸出達到到過零(0+)狀態(tài)，過零比比較器輸出vc=0，將控制制門G關(guān)閉，，計數(shù)器停止計計數(shù)，由于t＞T0后積分器以VR/RC的斜率上升，，其在T1時的輸出v0(T)=0即即∴可見，積分器器的C放電時時間(T1-T0)與積分器在T0時的輸出V01成正比。若從從T0到T1所計到的脈沖數(shù)為N，，則(T1-T0)=NTcp。將(3)式代代入(4)式式，可得由此可見，時時間間隔(T1-T0)內(nèi)計數(shù)脈沖沖的個數(shù)N與輸入入信號的平均均值成成正比比。若，，則（4）t＞T1，T1時刻，開關(guān)S2關(guān)閉，使C完完全放電，并在下一一次轉(zhuǎn)換前將將計數(shù)器清0。有上述分析可可知，在每一一次轉(zhuǎn)換過程程中都進行了兩次積積分，而且積積分斜率不同同，故稱之為為雙斜率積分ADC。優(yōu)點：精度較高，其其精度主要決決定于基準(zhǔn)電壓-VR，而元件R、、C等誤差及及電路延遲時時間造成的誤差差，均因經(jīng)過過2次積分而而自動對消了。而且抗干干擾能力很強強，能有效地地抑制對稱干干擾（積分周期期內(nèi)平均值為為0的干擾））。缺點：轉(zhuǎn)換速度低，，每轉(zhuǎn)換一個個n位數(shù)，需需要2n個時鐘周期。。應(yīng)用范圍：多多應(yīng)用于精度度要求高，且且速度要求不高且被被電壓可能混混有干擾的系系統(tǒng)中，如數(shù)數(shù)字頻率測量設(shè)設(shè)備等。2.2電壓壓—頻率轉(zhuǎn)換換器V—F變換型型A/D轉(zhuǎn)換換器的電路結(jié)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。它它由壓控振蕩蕩器（VC0）、寄存器、、計數(shù)器及時鐘鐘信號控制閘閘門G等組成成。壓控振蕩器(VCO)輸輸出的脈沖的的頻率fout隨輸入模擬電壓壓VI的變化而變化化，而且在一一定范圍內(nèi)成線形關(guān)系系。轉(zhuǎn)換過程受閘閘門信號VG控制。當(dāng)VG=1以后，VCO的的輸出脈沖通通過閘門G給給計數(shù)器計數(shù)數(shù)。由于VG是固定寬度TG的矩形脈沖信信號，所以在在TG時間內(nèi)通過閘閘門的脈沖數(shù)數(shù)與fout成正比，因此此,也就與輸入模模擬電壓vi成正比。因因此，每個VG周期結(jié)束時計數(shù)數(shù)器里的數(shù)字字就是所求的的結(jié)果。為了避免在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換過程中輸輸出的數(shù)字跳跳出，通常在電路的的輸出端設(shè)有有輸出寄存器器。每當(dāng)轉(zhuǎn)換換結(jié)束時，用VG的下降沿將計計數(shù)器