數(shù)字電子技術(shù)第三高吉祥電子教案第九章第一頁，共90頁。信號(hào)。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器就是將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的器件。經(jīng)過數(shù)字計(jì)算機(jī)分析處理后的結(jié)果，輸出的是數(shù)字信號(hào)，必須將這些數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，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(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的器件。 本章主要介紹A/D、D/A變換的基本工作原理。第二頁，共90頁。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(jìn)行攝影、測繪，這個(gè)過程可以說由傳感器完成，然后進(jìn)行量化，將具體的尺寸、形狀、加工順序…，均由數(shù)碼表示，這個(gè)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(jì)算機(jī)可以識(shí)別的程序。例如進(jìn)刀、退刀；前進(jìn)、后退、左進(jìn)、后第三頁，共90頁。退，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。第四步，因執(zhí)行控制器一般只認(rèn)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(fù)電感？)速度大小是由電感或電流大小決定，運(yùn)動(dòng)方向和速度(例如是向前，還是退后，是向左進(jìn)還是右退，進(jìn)多少尺寸？退多少尺寸？)主要取決于執(zhí)行電機(jī)的型號(hào)、規(guī)格、機(jī)械安裝、機(jī)械傳動(dòng)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(jī)構(gòu)去完成各種操作。將被加工件生產(chǎn)出來。第四頁，共90頁。二、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 目前在通信(例如移動(dòng)數(shù)字電話)、遙控、遙測、數(shù)據(jù)廣播、數(shù)字電視等，需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送，采用數(shù)字信號(hào)比模擬信號(hào)抗干擾性強(qiáng)、保密性強(qiáng)。其系統(tǒng)方框圖如下：第五頁，共90頁。 舉例： 1.手機(jī)（移動(dòng)電話）、對講機(jī) 2.數(shù)據(jù)廣播（遠(yuǎn)程教育等）三、自動(dòng)測試和測量設(shè)備 （以數(shù)字頻率計(jì)為例）第六頁，共90頁。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(gè)譯碼器，它是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)器(或稱編碼信號(hào))轉(zhuǎn)換(翻譯)成模擬信號(hào)，并以電壓或電流形式輸出。第七頁，共90頁。 圖9-3表示了4位二進(jìn)制代碼的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器后的輸出模擬信號(hào)電壓的對應(yīng)關(guān)系。每一個(gè)二進(jìn)制代碼的編碼數(shù)字信號(hào)，都可以翻譯成一個(gè)相對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值。 例如：(1010)2→(10)10，量化級(jí)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(hào)的位數(shù)。第八頁，共90頁。圖9-3D/A轉(zhuǎn)換器輸出特性01511110000第九頁，共90頁。 例如：輸入二進(jìn)制代碼為千位數(shù)碼，其輸出電壓可能的最小變化為等值輸出的1/1024。 下圖為一個(gè)n位D/A轉(zhuǎn)換器的方框圖。數(shù)字位模擬開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)及求和放大器參考電流數(shù)字寄存器V0D0D1Dn-1數(shù)字輸入第十頁，共90頁。二、D/A轉(zhuǎn)換器電路 目前使用的D/A轉(zhuǎn)換器，基本上有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型、T型電阻網(wǎng)絡(luò)型和權(quán)電流型三種。1.權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器 權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器電路如圖9-5所示。第十一頁，共90頁。 它由數(shù)字寄存器、模擬電子開關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)、求和放大器和參考電流等幾部分組成。

寄存器： 在寄存器指令作用下，將輸入數(shù)字量定時(shí)地存入數(shù)字寄存器中，一直存放到下一個(gè)指令到來時(shí)為止。寄存器的輸出量Dn-1…D0用來控制模擬電子開關(guān)Sn-1…S0的狀態(tài)。第十二頁，共90頁。 模擬電子開關(guān)： 它受寄存器輸出D控制，每一個(gè)位Di控制相應(yīng)的一個(gè)模擬開關(guān)Si。 當(dāng)Di=1時(shí)，Si與參考電壓VREF與電阻網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的電阻Ri接通； 當(dāng)Di=0時(shí)，Si將Ri接地。第十三頁，共90頁。 權(quán)電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)： 對于n位二進(jìn)制代碼，權(quán)電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)由n個(gè)電阻組成(R0~Rn-1)。網(wǎng)絡(luò)中各支路的電阻值R0~Rn-1，接二進(jìn)制位權(quán)大小或比例減少。對于Di對應(yīng)的電阻支路ki=2n-1-ik。 顯然，當(dāng)i=0，D0→k0=2n-1k。 當(dāng)i=n-1時(shí)，Dn-1→Rn-1=2n-1-(n-1)k=20k 也就是說，二進(jìn)制代碼的位權(quán)值越大，對應(yīng)的權(quán)電阻就越小。第十四頁，共90頁。 運(yùn)算放大器： 它是作為求和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的緩沖器，使輸出模擬電壓v0受負(fù)載變化的影響，而且可以改變Rf的大小來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換系數(shù)。 下面定量分析一下輸出v0與輸入數(shù)字信號(hào)D之間的關(guān)系。第十五頁，共90頁。 當(dāng)Di=1時(shí)，對應(yīng)的Ri支路與參考電位VBEF接通，則該支路電流為： 當(dāng)Di=0時(shí)，開關(guān)Si接地，則Ii=0。 因此，對于Di位產(chǎn)生的電流，寫成通式為：第十六頁，共90頁。 根據(jù)疊加原理，總的輸出電流為： 通過運(yùn)放，輸出電壓v0為：第十七頁，共90頁。 例9-1：有一個(gè)4位D/A轉(zhuǎn)換器，輸入4位二進(jìn)制碼D3D2D1D0=1101，基準(zhǔn)電位VREF=8V，轉(zhuǎn)換比例系數(shù)為1，即2Rf/R=1。求輸出v0。 解：第十八頁，共90頁。 由于權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)中電阻值的范圍(R~2n-1·R)的范圍很寬，這給保證輸出v0的精度帶來很大困難。為了解決這個(gè)問題，通常采用R~2RT型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換器。第十九頁，共90頁。2.R~2R倒T形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 由圖9-6可見，當(dāng)Di=1時(shí)，對應(yīng)的電阻支路流過的電流，其中且Ii流向運(yùn)放(-)端。

當(dāng)Di=0時(shí)，但I(xiàn)i流向運(yùn)放(+)。即流向地。第二十頁，共90頁。圖9-6倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器第二十一頁，共90頁。寫成通式：于是流向(-)端總電流為：輸出電壓為：第二十二頁，共90頁。 由于倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中各支流的電流直接流入了運(yùn)算放大器輸入端，它們之間不存在時(shí)間差，因而提高了工作速度并減少了動(dòng)態(tài)過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖峰脈沖。倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器是目前使用的D/A轉(zhuǎn)換器中速度較快的一種，也是用得較多的一種。第二十三頁，共90頁。3.權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器 在前面分析的R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的過程中，將模擬開關(guān)當(dāng)作理想開關(guān)，而沒有考慮它們的導(dǎo)電電阻和導(dǎo)通壓降。而實(shí)際上這些開關(guān)總有一定的導(dǎo)通電阻和壓降，且每個(gè)開關(guān)的情況又不完全相同，它們的存在無疑會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤差，影響轉(zhuǎn)換精度。第二十四頁，共90頁。 解決這個(gè)問題的一種方法即采用圖9-7所示的權(quán)電流型DAC。在DAC中有一組恒流源，每個(gè)恒流源電流大小依次為前一個(gè)1/2，和輸入二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)位的“權(quán)”成正比。由于采用了恒流源，每個(gè)支流的電流大小不再受開關(guān)內(nèi)阻和壓降的影響，從而降低了對開關(guān)電路的要求。第二十五頁，共90頁。 恒流源電路經(jīng)常使用圖9-7右側(cè)所示的電路結(jié)構(gòu)形式。只要在電路工作時(shí)保證VB和VEE保持不變，則三極管集電極電流即可保持不變，不受開關(guān)內(nèi)阻的影響。其電流大小近似為：第二十六頁，共90頁。圖9-7權(quán)電流型DAC第二十七頁，共90頁。 當(dāng)輸入數(shù)字量的某位代碼為1時(shí)，對應(yīng)的開關(guān)將恒流源接至運(yùn)放的輸入端； 當(dāng)代碼為0時(shí)，對應(yīng)的恒流源接地。 故輸出電壓為：第二十八頁，共90頁。 另外，在相同的VB和VEE取值下，為了得到依次為1/2遞減的電流源，就需要一組不同阻值的電阻。為了減少電阻阻值的種類，在實(shí)用的權(quán)電流型DAC中經(jīng)常利用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用產(chǎn)生成一組恒流源。如圖9-9所示。 由圖可見，T3、T2、T1、T0和Tc的基極是接在一起的，只要這些三極管的發(fā)射結(jié)壓降VBE相等，則它們的發(fā)射極處于相同的電位。第二十九頁，共90頁。圖9-9實(shí)用的權(quán)電流型DAC第三十頁，共90頁。 在計(jì)算各支路的電流時(shí)，可以認(rèn)為2R電阻的上端都接到了同一個(gè)電位上，因而流過每個(gè)2R電阻的電流自左至右依次減少了1/2。為保證所有三極管的發(fā)射結(jié)壓降相等，在發(fā)射結(jié)電流較大的三極管中按比例加大了發(fā)射結(jié)的面積，在圖中用增加發(fā)射極的數(shù)目來表示。圖中的恒流源IB0用來給TR、TC、T0~T3提供必要的基極偏置電流。第三十一頁，共90頁。 運(yùn)算放大器A1、三極管TR、電阻RR、R組成了基準(zhǔn)電流發(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)射極回路電阻相差一倍，所以它們的發(fā)射極電流也必然相差一倍。故有：將式(9-4)代入式(9-3)得:第三十二頁，共90頁。 對于輸入為n位二進(jìn)制數(shù)碼的這種電路結(jié)構(gòu)的D/A轉(zhuǎn)換器，輸出電壓的計(jì)算公式可寫成： 采用這種權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換電路生產(chǎn)的單片集成DAC有DC0806、DAC0807、DAC0808。第三十三頁，共90頁。4.DAC的主要技術(shù)指標(biāo)（一）分辨率 分辨率是指對輸出最小電壓的分辨能力。它是用輸入數(shù)碼只有最低有效位為1時(shí)的輸出電壓與輸入數(shù)碼為全1時(shí)輸出滿量程電壓之比來表示。 因此分辨率可表示為第三十四頁，共90頁。（二）轉(zhuǎn)換誤差 轉(zhuǎn)換誤差常用滿量程FSR的百分?jǐn)?shù)來表示。例如，一個(gè)DAC的線形誤差為0.05%，就是說轉(zhuǎn)換誤差是滿量程輸出的萬分之五。 有時(shí)轉(zhuǎn)換誤差用最低有效位LSB的倍數(shù)來表示。例如，一個(gè)DAC的轉(zhuǎn)換誤差是LSB/2，則表示輸出電壓絕對誤差是最低有效位（LSB）為1時(shí)輸出電壓的1/2。第三十五頁，共90頁。 DAC的轉(zhuǎn)換誤差主要有失調(diào)誤差和滿值誤差。 失調(diào)誤差是指輸入數(shù)字量全為0時(shí)，模擬輸出值與理論輸出值的偏差。 滿值誤差又稱增益誤差，是指輸入數(shù)字量全為1時(shí)，實(shí)際輸出電壓不等于滿值的偏差。滿值誤差通過調(diào)整運(yùn)放的反饋電阻加以消除。 DAC產(chǎn)生誤差的主要原因有：參考電壓VREF的波動(dòng)、運(yùn)放的零點(diǎn)漂移，電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值偏差等原因。第三十六頁，共90頁。（三）轉(zhuǎn)換速度 通常用建立時(shí)間tset來定量描述DAC的轉(zhuǎn)換速度。 tset定義：從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，直到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)定值相差±1/2LSB范圍以內(nèi)這段時(shí)間，稱為建立時(shí)間tset。如圖9-10所示。 目前器件水平：高達(dá)0.1μs左右。第三十七頁，共90頁。圖9-10DAC的建立時(shí)間±1/2LSBtsettset第三十八頁，共90頁。例9-1：在下圖所示的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中，VREF=-10。為保證VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起的誤差小于1/2LSB，試計(jì)算VREF的相對穩(wěn)定度應(yīng)取多少？第三十九頁，共90頁。解： 首先計(jì)算對應(yīng)于1/2LSB輸入的電壓是多少？當(dāng)輸入代碼只有LSB=1而其余各位均為0（且令R=Rf）時(shí)，輸出電壓為：第四十頁，共90頁。故與1/2LSB相對應(yīng)的輸出電壓絕對值為：

然后再計(jì)算由于VREF變化△VREF所引起的輸出變化△V0，在n位輸入的DAC中，由△VREF引起的輸出電壓變化應(yīng)為：第四十一頁，共90頁。 而且在輸入數(shù)字量最大時(shí)(所有各位全為1)，△V0最大。這時(shí)的輸出電壓絕對值為： 根據(jù)題意，∣△V0∣必須小于等于1/2LSB對應(yīng)的輸出電壓，于是得到：第四十二頁，共90頁。故得到參考電壓相對穩(wěn)定度為：而允許參考電壓的變化量為：第四十三頁，共90頁。9.3A/D轉(zhuǎn)換器 所謂模數(shù)轉(zhuǎn)換就是上述數(shù)模轉(zhuǎn)換的逆過程，即將模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成比例的數(shù)字量。實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路成為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，又稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。 在A/D變換過程中，輸入的模擬信號(hào)往往在時(shí)間上是連續(xù)的，而輸出是離散的數(shù)字量。所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)必須在一系列選定的瞬間對輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，然后再將這些采樣值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。第四十四頁，共90頁。 因此，一般A/D轉(zhuǎn)換過程要經(jīng)過四個(gè)步驟： 采樣保持量化編碼不過這些步驟有些是合并進(jìn)行的。采樣 采樣(又稱取樣)是將一個(gè)連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時(shí)間上連續(xù)(離散)的模擬量?；蛘哒f，采樣就是把一個(gè)時(shí)間上連續(xù)的模擬量一串脈沖，這些脈寬是等寬的，但其幅度取決于采樣的輸入的模擬量。如圖9-12所示。第四十五頁，共90頁。圖9-12采樣保持原理第四十六頁，共90頁。圖中：?i(t)——輸入模擬量 S(t)——采樣脈沖

?0*(t)——采樣輸出信號(hào) 因此，采樣電路實(shí)際上是一個(gè)受采樣脈沖控制的電子開關(guān)，在S(t)采樣脈沖寬度tw內(nèi)，開關(guān)接通，此時(shí)輸出?0*(t)等于輸入?i(t)；而在(Ts-tw)的時(shí)間內(nèi)，開關(guān)斷開，輸出?0*(t)為0。為了使采樣信號(hào)恢復(fù)成原信號(hào)，采樣周期應(yīng)滿足采樣定理。第四十七頁，共90頁。 采樣定理：通常取?s=(3~5)?imax第四十八頁，共90頁。2.采樣保持電路 所謂采樣，即在一個(gè)微小時(shí)間內(nèi)對模擬信號(hào)進(jìn)行取樣，然后將此取樣的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間，使A/D轉(zhuǎn)換器有充足的時(shí)間進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這就是采樣。保持電路的作用。 圖9-13是取樣—保持電路的基本形式。圖中： T——N溝道增強(qiáng)型MOS管，作為模擬開關(guān)。

第四十九頁，共90頁。圖9-13采樣保持實(shí)用電路第五十頁，共90頁。 當(dāng)取樣控制信號(hào)vL(S(t))為高電平時(shí)，T導(dǎo)通。輸入信號(hào)vi經(jīng)RI、T向電容CH充電。若取RI=RF，并忽略運(yùn)放的輸入電流，則充電后V0==VC=-VI。 當(dāng)VL返回低電平以后，MOS管截止。由于CH上的電壓在一段時(shí)間內(nèi)保持不變。所以v0也保持不變，取樣結(jié)果被保存下來。如CH上電流越小，運(yùn)放輸入阻抗越大，v0保持時(shí)間越長。第五十一頁，共90頁。 下圖所示是單片集成取樣—保持電路LF398的電路原理圖及符號(hào)圖。

第五十二頁，共90頁。 當(dāng)邏輯輸入VL為高電平1時(shí)，S閉合；VL為低電平0時(shí)，S斷開。 當(dāng)S閉合時(shí)，A1和A2均工作在電壓跟隨器狀態(tài)，所以v0=v0′=vi，外接電容CH接在R2的引出端與地之間，故電容的電壓也等于vi； 當(dāng)S斷開后，CH上的電壓不變，所以v0的數(shù)值仍然保留下來。 D1、D2是開關(guān)電路的保護(hù)電路。第五十三頁，共90頁。3.量化與編碼 從前面的采樣——保持電路的分析中得知,在采樣脈沖持續(xù)期tw內(nèi)，v0=vi，在兩次采樣的間隔時(shí)間(Ts-tw)時(shí)間內(nèi)，v0保持不變。(Ts-tw)這段時(shí)間供量化和編碼。 什么叫量化？在A/D轉(zhuǎn)化過程中，必須把采樣——保持的樣值電壓化成某個(gè)最小單位的整數(shù)倍。這個(gè)過程稱為量化。所取的最小單位稱量化單位，可以用△表示。第五十四頁，共90頁。 什么叫編碼？把量化的結(jié)果用代碼(一般是二進(jìn)制碼)表示出來，稱為編碼。顯然，編碼輸出的數(shù)字信號(hào)最低有效位的1代表的數(shù)量大小就等于△。 由于模擬信號(hào)是連續(xù)的，那么它就不一定能被△整除，因此量化過程不可避免地會(huì)引入誤差，這種誤差稱為量化誤差。 通常在劃分量化等級(jí)時(shí)有兩種方法：如圖9-15所示。第五十五頁，共90頁。圖9-15劃分量化等級(jí)時(shí)的兩種方法第五十六頁，共90頁。圖中： 左邊量化方法：只舍不入法 量化單位：△=1/8V， 最大量化誤差：1/8V。

右邊量化方法：有舍有入法 量化單位：2/15V 最大量化誤差：1/2△=1/15V。

結(jié)論：采用有舍有入的方法比只舍不入法量化誤差要小。第五十七頁，共90頁。二、A/D轉(zhuǎn)換器電路 A/D轉(zhuǎn)換器可分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接轉(zhuǎn)換器。所謂直接轉(zhuǎn)換器就是把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量而不需要經(jīng)過中間變量。 常用的電路有并聯(lián)比較型和反饋比較型兩種。第五十八頁，共90頁。直接A/D轉(zhuǎn)換器1.1并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器 圖9-16為并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)圖。它由電壓比較器、寄存器、代碼轉(zhuǎn)換器三部分組成。此圖沒有考慮取樣——保持電路，并假設(shè)取樣——保持已完成。第五十九頁，共90頁。圖9-16并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)圖第六十頁，共90頁。（1）電壓比較器： 它由電阻分壓器和電壓比較器組成。電阻分壓器由8個(gè)電阻構(gòu)成，產(chǎn)生不同數(shù)值的參考電壓，作為量化刻度，分別送到各個(gè)比較器與取樣——保持的輸入模擬電壓vi進(jìn)行比較。 當(dāng)vi高于量化刻度時(shí)，比較器輸出為高電平；反之比較器輸出為低電平。（2）積存器 它由7個(gè)D觸發(fā)器組成，它在時(shí)鐘脈沖CP作用下，將比較的結(jié)果暫時(shí)寄存在寄存器中，供編碼用。第六十一頁，共90頁。（3）編碼網(wǎng)絡(luò)（代碼轉(zhuǎn)換器） 它的作用是將寄存器輸出信號(hào)編譯成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼。編碼網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)表達(dá)式為：第六十二頁，共90頁。小結(jié)： 優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度最快 缺點(diǎn)：所需硬件數(shù)目很多。如果需要的二進(jìn)制代碼增加一倍，分壓電阻、電壓比較器、寄存器的硬件數(shù)目近似增加一倍。如輸出n位二進(jìn)制代碼，需2n個(gè)電阻，(2n-1)個(gè)電壓比較器和D觸發(fā)器以及復(fù)雜的編碼網(wǎng)絡(luò)。 應(yīng)用場合：適用于高速度、高精度要求的場合。第六十三頁，共90頁。1.2反饋型A/D轉(zhuǎn)換器 構(gòu)思：取一個(gè)數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，于是得到一個(gè)對應(yīng)的輸出的模擬電壓。將這個(gè)模擬電壓與輸入的模擬電壓信號(hào)相比較。如果兩者不相等，則調(diào)整所取的數(shù)字量直到兩個(gè)模擬電壓相等為止，最后所取的數(shù)字量就是所求的轉(zhuǎn)換結(jié)果。 固所取的數(shù)字量的方法不同，反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器又可分為計(jì)數(shù)型和逐次漸進(jìn)型兩種方案。第六十四頁，共90頁。A.計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器 圖9-17是計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖。它由比較器C、DAC、計(jì)數(shù)器、脈沖源、輸出寄存器、控制門G幾部分組成。 轉(zhuǎn)換前先用復(fù)位信號(hào)將計(jì)數(shù)器置0，而且轉(zhuǎn)換控制信號(hào)應(yīng)停留在VL=0的狀態(tài)。這時(shí)門G被封鎖，計(jì)數(shù)器不工作。計(jì)數(shù)加給DAC的全0數(shù)字信號(hào)，所以v0=0。 如VI>0，則VI>V0，VB=1。第六十五頁，共90頁。 當(dāng)VL=1時(shí)開始轉(zhuǎn)換。脈沖源的信號(hào)經(jīng)門G加到計(jì)數(shù)器的CP端作加法計(jì)數(shù)，隨著計(jì)數(shù)的進(jìn)行，DAC輸出的模擬信號(hào)也不斷增加。當(dāng)V0=VI時(shí)，VB=0，將G封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這時(shí)計(jì)數(shù)器中所存的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。 優(yōu)點(diǎn)：電路非常簡單。 缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換時(shí)間太長，最長的轉(zhuǎn)換時(shí)間為（2n-1）×cp的周期。(n為二進(jìn)制位數(shù))第六十六頁，共90頁。圖9-17計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖第六十七頁，共90頁。 為了提高速度，在上述基礎(chǔ)上出現(xiàn)了逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器。不同在于輸入數(shù)字量的給出方式有所改變。B.逐次漸進(jìn)ADC 如圖9-18所示。它有五部分組成(比較器、DAC、寄存器、控制邏輯及脈沖源)第六十八頁，共90頁。圖9-18逐次漸進(jìn)型ADC原理框圖第六十九頁，共90頁。 轉(zhuǎn)換前先將寄存器清0，所以加給DAC的數(shù)字量也是全0。轉(zhuǎn)換控制信號(hào)VL=1時(shí)開始轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘脈沖首先將寄存器的最高位置成1，是寄存器的輸出為100...00。這個(gè)數(shù)字量被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓V0，并送到比較器與VI比較。 若V0

>VI，說明數(shù)字量取大了，應(yīng)去掉最高位這個(gè)1。 若V0<VI，說明數(shù)字量取小了，應(yīng)保留最高位這個(gè)1。第七十頁，共90頁。 然后按同樣的方法將次高位置1，并比較V0與VI的大小，然后決定該次高位的1是否保留。這樣逐位比較下去，直到V0=VI為止。這時(shí)，寄存器里所存的數(shù)碼就是所求的輸出數(shù)字量。 完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間=CP的周期×(n+2)。(這里包括清0的一次) 顯然，它比并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器要慢，但比計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器要快。 所以逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中用的最多的一種電路。第七十一頁，共90頁。2.間接A/D轉(zhuǎn)換器 目前出現(xiàn)的間接A/D轉(zhuǎn)換器大都分為電壓——時(shí)間型(V—T變換型)或電壓——頻率變換型(V—F變換型)兩類。 變換思想：在V—T變換型A/D轉(zhuǎn)換器中，首先將輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比例的時(shí)間寬度信號(hào)，然后在這個(gè)時(shí)間寬度內(nèi)對固定已知頻率的時(shí)鐘脈寬計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量。第七十二頁，共90頁。 在V—F變換型A/D轉(zhuǎn)換器中，首先將輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比例的頻率信號(hào)，然后在一個(gè)已知的固定的時(shí)間間隔里對該頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，所得到的計(jì)數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量。2.1雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器（V—T型） 在V—T型A/D轉(zhuǎn)換器用得最多的是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。圖9-19就是它的原理框圖。它包含積分器、比較器、控制邏輯、計(jì)數(shù)器及時(shí)鐘信號(hào)源幾個(gè)部分。第七十三頁，共90頁。圖9-19雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖第七十四頁，共90頁。 轉(zhuǎn)換開始前，使計(jì)數(shù)器清0，積分器電容C完全放電(即開關(guān)S2合上，電容C兩端電壓為0)。下面對照圖9-19(a)、(b)來討論電路的轉(zhuǎn)換過程：（1）0≤t＜T0，t=0時(shí)，開關(guān)S2斷開，S1將輸入信號(hào)vi=vi1接到積分器上，電容器C被恒流充電(設(shè)vi1在轉(zhuǎn)換過程中保持恒定，從而充電電流I=vi1/R為一個(gè)不變的值)，積分器的輸出電壓v0便開始以固定的斜率vi1/RC下降。在積分器開始積分的同時(shí)，過0比較器輸出vc=1，使控制門G開啟，計(jì)數(shù)脈沖CP便送入計(jì)數(shù)器，開始計(jì)數(shù)。第七十五頁，共90頁。（2）T0≤t＜T1，T0時(shí)刻，剛好第M個(gè)(2n個(gè))CP脈沖到達(dá)，模M計(jì)數(shù)器完成了一個(gè)計(jì)數(shù)循環(huán)。最高位輸出1個(gè)進(jìn)位脈沖(Qn=1)，而Qn-1~Q0位輸出全為0。Qn=1使S1轉(zhuǎn)換到與輸入信號(hào)vi極性相反的基準(zhǔn)電流-VR上，因?yàn)?VR是一個(gè)恒定值，故積分器又以固定斜率VR/RC上升，而計(jì)數(shù)器又從0開始計(jì)數(shù)。 在0~T0時(shí)間內(nèi)，輸入信號(hào)vi的平均值為：第七十六頁，共90頁。T0時(shí)刻積分器的輸出電壓v0(T0)為 由于T0=2n·Tcp(Tcp為時(shí)鐘cp的周期)，是模M計(jì)數(shù)器完成一次循環(huán)的時(shí)間，故將(1)式代入(2)式可得第七十七頁，共90頁。 可見，vi越大，在T0周期的平均值也越大，也即T0時(shí)的v0值也越大；故V01正比于輸入電壓的平均值。（3）t=T1，T1時(shí)刻，積分器的輸出達(dá)到過零(0+)狀態(tài)，過零比較器輸出vc=0，將控制門G關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，由于t＞T0后積分器以VR/RC的斜率上升，其在T1時(shí)的輸出v0(T)=0即第七十八頁，共90頁?！? 可見，積分器的C放電時(shí)間(T1-T0)與積分器在T0時(shí)的輸出V01成正比。若從T0到T1所計(jì)到的脈沖數(shù)為N，則(T1-T0)=NTcp。 將(3)式代入(4)式，可得第七十九頁，共90頁。 由此可見，時(shí)間間隔(T1-T0)內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)N與輸入信號(hào)的平均值成正比。 若，則（4）t＞T1，T1時(shí)刻，開關(guān)S2關(guān)閉，使C完全放電，并在下一次轉(zhuǎn)換前將計(jì)數(shù)器清0。 有上述分析可知，在每一次轉(zhuǎn)換過程中都進(jìn)行了兩次積分，而且積分斜率不同，故稱之為雙斜率積分ADC。第八十頁，共90頁。 優(yōu)點(diǎn)：精度較高，其精度主要決定于基準(zhǔn)電壓-VR ，而元件R、C等誤差及電路延遲時(shí)間造成的誤差，均因經(jīng)過2次積分而自動(dòng)對消了。而且抗干擾能力很強(qiáng)，能有效地抑制對稱干擾（積分周期內(nèi)平均值為0的干擾）。 缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度低，每轉(zhuǎn)換一個(gè)n位數(shù)，需要2n個(gè)時(shí)鐘周期。 應(yīng)用范圍：多應(yīng)用于精度要求高，且速度要求不高且被電壓可能混有干擾的系統(tǒng)中，如數(shù)字頻率測量設(shè)備等。第八十一頁，共90頁。2.2電壓—頻率轉(zhuǎn)換器 V—F變換型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。它由壓控振蕩器（VC0）、寄存器、計(jì)數(shù)器及時(shí)鐘信號(hào)控制閘門G等組成。

第八十二頁，共90頁。 壓控振蕩器(VCO)輸出的脈沖的頻率