第8章數(shù)模和模數(shù)轉換電路內(nèi)容提要:本章主要介紹數(shù)－模轉換（D/A)和模－數(shù)轉換（A/D)的基本原理和常見的典型電路。在數(shù)－模轉換電路中，主要介紹權電阻網(wǎng)絡型數(shù)－模轉換器、倒梯形電阻網(wǎng)絡型數(shù)－模轉換器，另外也介紹了權電流型數(shù)－模轉換器、開關樹型數(shù)－模轉換器以及權電容型網(wǎng)絡型數(shù)－模轉換器。在模－數(shù)轉換電路中，首先介紹模－數(shù)轉換器一般框圖原理和步驟，然后介紹采樣－保持電路和模－數(shù)轉換器的主要類型。在介紹數(shù)－模轉換器和模－數(shù)轉換器電路的基礎上，也講述它們的轉換精度和速度等主要參數(shù)。8.1概述在計算機控制系統(tǒng)中，被控量一般為非電量，如溫度、壓力、位移等，首先由傳感器將它們轉化成連續(xù)變化的模擬量，再由模/數(shù)轉換器轉換成數(shù)字量，送到計算機中進行處理和計算。處理后要經(jīng)過數(shù)/模轉換器將計算機輸出的數(shù)字量轉換成模擬量，加到執(zhí)行機構，以調(diào)節(jié)被控對象的大小。一個計算機控制系統(tǒng)的框圖如圖8.1.1所示。1.用途：8.1概述圖8.1.2為一個溫度控制系統(tǒng)：傳感器放大器A/D轉換微型計算機控制對象D/A轉換電加熱爐熱電偶執(zhí)行機構圖8.1.2溫度時間2、主要性能指標為了保證數(shù)據(jù)處理結果的準確性，A/D轉換器和D/A轉換器必須有足夠的轉換精度，另外對于過程控制和檢測需求，A/D轉換器和D/A轉換器必須有足夠的轉換速度。故轉換精度和轉換速度是A/D轉換器和D/A轉換器的主要性能指標。8.1概述3、概念及分類（1）D/A轉換器：目前常用的D/A轉換器有權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器、倒梯形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器、權電流型D/A轉換器、權電容型D/A轉換器以及開關樹型D/A轉換器等幾種類型。將數(shù)字信號轉換成模擬信號的過程稱為數(shù)/模轉換（DigitaltoAnalog），實現(xiàn)的電路稱為D/A轉換器，簡寫成DAC（Digital－AnalogConverter）。（2）A/D轉換器：A/D轉換器的類型可分成直接A/D轉換器和間接A/D轉換器。在直接A/D轉換器中，輸入的模擬電壓信號直接被轉換成相應的數(shù)字信號；而在間接A/D轉換器中，輸入的模擬信號首先被轉換成某種中間變量（如時間、頻率等），然后再將這個中間量轉換成輸出的數(shù)字量。8.1概述將模擬信號轉換成數(shù)字信號的過程稱為模/數(shù)轉換（AnalogtoDigital），實現(xiàn)的電路稱為A/D轉換器，簡寫為ADC（Analog－DigitalConverter）。注：根據(jù)數(shù)字量的輸入輸出方式可以將D/A轉換器分成并行輸入和串行輸入兩種類型，將A/D轉換器分成并行輸出和串行輸出兩種類型。由于D/A轉換器電路的工作原理較A/D轉換器簡單，且是A/D轉換器電路的組成部分，故先介紹D/A轉換器。8.2D/A轉換器數(shù)字量是用代碼按位數(shù)組合起來表示的，對于有權碼，每位代碼都有一定的權。為了將數(shù)字量轉換成模擬量，必須將每一位的代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后相加，即可得與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)數(shù)字－模擬的轉換。D111101…D/AA(電壓或電流)

D/A轉換器的目的為：圖8.2.1為n位D/A轉換器的原理框圖8.2D/A轉換器D/A轉換器是由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關電路、解碼電路、求和電路及基準電壓及部分組成。數(shù)字量是以串行或并行方式輸入并存儲在數(shù)碼寄存器中，寄存器輸出的每位數(shù)碼驅動對應數(shù)位上的電子開關將電阻解碼網(wǎng)絡中獲得的相應數(shù)位權值送入求和電路中，求和電路將各位權值相加就得到與數(shù)字量相應的模擬量。*按解碼網(wǎng)絡結構不同把D/A分為：如權電阻網(wǎng)絡型、倒梯形電阻網(wǎng)絡型、權電流型、權電容型以及開關樹型。*按模擬開關電路的不同把D/A分為：CMOS開關型和雙極型開關型，其中雙極型開關D/A轉換器又分為電流開關型和ECL電流開關型。其中CMOS型功耗低，但速度慢。雙極型的轉換速度快。8.2D/A轉換器8.2.1權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器一個多位二進制數(shù)可表示為其中：2n-1、2n－2．．．21、20稱為最高位（MostSignificantBit，簡稱MSB）到最低位（LeastSignificantBit，簡稱LSB）的權。圖8.2.2圖8.2.2是4位權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器的原理圖，它是由權電阻網(wǎng)絡、4個電子模擬開關和1個求和放大器組成。8.2.1權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器1.組成：8.2.1權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器（1）S3~S0:為電子開關，其狀態(tài)受輸入數(shù)碼d3~d0的取值控制。當di＝1時開關接到參考電壓VREF上，有支路電流Ii流向求和放大器；當di＝0時開關接地，支路電流Ii為零。（2）求和放大器A：為一個接成負反饋的理想運算放大器。即：AV＝∞，iI＝0，Ro＝0。由于負反饋，存在虛短和虛斷，即V－≈V＋＝0，iI＝0。（3）VREF：基準電壓8.2.1權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器2.輸出電壓的計算：由于V－≈V＋＝0，故各電流為輸出電壓為8.2.1權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器取RF＝R/2，則輸出電壓為8.2.1權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器上式標明，輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量Dn成正比。注：1.若VREF取正值，則輸出電壓為負值。若想輸出電壓為正值，可以將VREF取負值。8.2.1權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器2.此電路的優(yōu)點是電路結構簡單，所用的電阻元件少。缺點是各個電阻的阻值相差較大，輸入數(shù)字量的位數(shù)越多，差別就越大，故很難保證電阻的精確度。為了克服這個缺點，在輸入數(shù)字量較多時可采用圖8.2.3所示的電路。8.2.1權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器其輸出電壓為8.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器

為了克服權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器電阻阻值相差太大的缺點，改進電路為倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器，如圖8.2.4所示。圖8.2.4根據(jù)“虛短”“虛地”，有V－≈V＋，無論開關打在哪一面，流過每個支路的電流始終不變。故可等效成圖8.2.5所示電路。RRRR圖8.2.58.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器總的電流為RRRR圖8.2.58.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器由于：故輸出電壓為：8.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器對于n位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器，在求和放大器的反饋電阻為R時，其輸出的模擬電壓為上式說明輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量成正比，其其輸出公式與權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器相同。8.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器圖8.2.6為采用倒T型電阻網(wǎng)絡的單片集成D/A轉換器CB7520(AD7520)的電路。圖8.2.6其輸入為10位二進制數(shù)，采用CMOS電路構成的模擬開關。8.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器輸出電壓為圖8.2.68.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器注：在使用CB7520時需要外接運算放大器，反饋電阻可以采用內(nèi)部的電阻R，也可以外接反饋電阻接到Iout1和vo之間。外接參考電壓VREF必須有足夠的精度，才能確保應有的轉換精度。圖8.2.68.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器CB7520(AD7520)的應用：CB7520(AD7520)可用作單極性電壓輸出，其連接電路如圖8.2.7所示。8.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器其中反相輸入的電壓輸出為：同相輸入的電壓輸出為：8.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器注：在圖8.2.7電路中，RW1可調(diào)節(jié)反饋電阻的阻值，使得運算放大器的放大比例系數(shù)增加，從而達到提高滿量程輸出電壓的目的；8.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器*RW2起到減小滿量程的目的，因為它是和內(nèi)部電阻網(wǎng)絡的等效電阻串聯(lián)，從而改變電流I；*RW3是運算放大器的調(diào)零電阻。*在實際應用中，D/A轉換器輸入的數(shù)字量可能是正數(shù)，也可能是負數(shù)，這就要求D/A轉換器能將不同極性的數(shù)字量轉換成正、負極性的模擬電壓，工作在雙極性方式，這個內(nèi)容在下面介紹8.2.3權電流型D/A轉換器

在前面介紹的權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器和倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器中，都沒有考慮開關的導通電阻和導通壓降，而是當成理想開關處理，這無疑會引起轉換誤差，影響轉換精度。

解決這個問題采用的一種方法是利用一組恒流源構成“權”，其原理電路如圖8.2.8所示。由于采用恒流源，每個支路電流的大小不再受開關內(nèi)阻合壓降的影響，故而降低了對開關電路的要求。圖8.2.9是常采用的恒流源電路。其電流為：當輸入的數(shù)字量為1時，相應的開關將恒流源接到運算放大器的輸入端；當輸入的數(shù)字量為0時，相應的開關將恒流源接地8.2.3權電流型D/A轉換器由圖8.2.8可得8.2.3權電流型D/A轉換器圖8.2.10為權電流型D/A轉換器的原理電路此電路中利用倒T形電阻網(wǎng)絡，目的是為了減少電阻的種類。8.2.3權電流型D/A轉換器其中：

(1)各個管子的基極接到一起，若各管的VBE相同，則各發(fā)射極處于相同的電位，各支路電流的計算和倒T形電阻網(wǎng)絡一樣，即流過每個電阻的電流依次減少1/2。為了保證發(fā)射結壓降相等，發(fā)射極電流較大的管子增加了發(fā)射結的面積。8.2.3權電流型D/A轉換器(2)恒流源IBO用來給各管提供必須的偏置電流。(3)運算放大器A1、三極管TR、電阻RR、R構成基準電流發(fā)生電路。其基準電流為：則輸出電壓為：采用權電流型單片集成D/A轉換器有DAC0806、DAC0807、DAC0808等，它們都采用雙極型三極管，工作速度較高。DAC0808為8位D/A轉換器，其典型應用電路如圖8.2.11所示。8.2.3權電流型D/A轉換器其中d0~d8為8位數(shù)字量輸入端，Io是求和電流輸出端。VR＋、VR－接基準電流發(fā)生電路中運算放大器的反相輸入端和同相輸入端。COMP供外接補償電容的，VCC和VEE為正負電源輸入端。8.2.3權電流型D/A轉換器8.2.4D/A轉換器的轉換精度與轉換速度一、D/A轉換器的轉換精度在D/A轉換器中，通常用分辨率和轉換誤差來描述轉換精度。分辨率用于表示D/A轉換器對輸入微小量變化敏感程度的，定義為D/A轉換器模擬輸出電壓可能分成的等級數(shù)，從00…00到11…11全部2n個不同的狀態(tài)，給出2n個不同的輸出電壓，位數(shù)越多，等級越多，意味著分辨率越高。所以在實際應用中，往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉換器的分辨率。1.分辨率：（理論精度）另外也用D/A轉換器能夠分辨出的最小電壓與最大電壓之比表示分辨率，即如10位D/A轉換器的分辨率為2.轉換誤差（實際精度）由于D/A轉換器的各個環(huán)節(jié)在參數(shù)及性能上和理論值存在著差異，如基準電壓不夠穩(wěn)定、運算放大器的零點漂移、模擬開關的導通內(nèi)阻和導通壓降、電阻網(wǎng)絡中電阻阻值的偏差以及三極管特性不一致等等因素，都會使得實際精度與轉換誤差有關系。轉換誤差是表示由各種因素引起誤差的一個綜合性的指標，它表示實際的D/A轉換器特性和理論轉換特性之間的最大偏差，如圖8.2.12所示圖8.2.128.2.4D/A轉換器的轉換精度與轉換速度轉換誤差一般用最低有效位的倍數(shù)表示，如1LSB，即為輸出的模擬電壓和理論值之間的絕對誤差小于等于輸入為00…01時的輸出電壓。有時也用絕對誤差與輸出電壓滿刻度的百分數(shù)來表示3、轉換誤差分析轉換誤差包括比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等。由不同因素引起的轉換誤差各有不同的特點。下面以4位倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器來介紹各種因素引起誤差的情況。a.比例系數(shù)誤差：當基準電壓VREF偏離標準值△VREF時，會在輸出端產(chǎn)生誤差電壓△v01

。由△VREF引起的轉換誤差，叫做比例系數(shù)誤差。8.2.4D/A轉換器的轉換精度與轉換速度由于4位倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器的輸出電壓為則由△VREF產(chǎn)生的誤差為上式標明，由VREF引起的誤差和輸入數(shù)字量的大小成正比的，故稱為比例系數(shù)誤差。圖8.2.13中的虛線為在一定的△VREF時，vo偏離理論值的情況。圖8.2.138.2.4D/A轉換器的轉換精度與轉換速度b.失調(diào)誤差（漂移誤差或平移誤差）

由于運算放大器的零點漂移所造成的誤差，其誤差電壓△vo2的大小與輸入的數(shù)字量無關，輸出電壓特性曲線將發(fā)生平移。如圖8.2.14所示。圖8.2.148.2.4D/A轉換器的轉換精度與轉換速度由于模擬開關的導通電阻和導通壓降都不能為零，故而它們的存在肯定會引起輸出產(chǎn)生誤差電壓△vo3

。由于每個開關的導通電阻不一定相等，接地時和接VREF的壓降也不一定相同，故△vo3即非常數(shù)，也不和輸入數(shù)字量成正比,這種誤差就是非線性誤差，它沒有一定的規(guī)律。還有電阻網(wǎng)絡的電阻阻值得偏差，也會產(chǎn)生非線性誤差△vo4

。如圖8.2.15所示c.非線性誤差圖8.2.158.2.4D/A轉換器的轉換精度與轉換速度故為了獲得高精度的D/A轉換器，不僅要有高的分辨率，還要選用高穩(wěn)定度的參考電壓VREF和低漂移地運算放大器與之配合，才可能獲得較高的轉換精度。注：目前常用的有兩類D/A轉換器：一類只包含電阻網(wǎng)絡（或恒流源電路）和模擬開關；另一類除此之外還包含運算放大器及參考電源發(fā)生電路。對于第一類必須外接參考電壓和運算放大器，應該注意合理確定參考電壓源穩(wěn)定度和運算放大器的零點漂移的要求。二、D/A轉換器的轉換速度

當D/A轉換器輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出的模擬量并不能立即達到所對應的輸出電壓，它需要一段建立時間。通常用建立時間tset來定量描述D/A轉換器的轉換速度。8.2.4D/A轉換器的轉換精度與轉換速度注意：建立時間tset：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±1LSB/2范圍以內(nèi)所用的時間。如圖8.2.16所示。由于數(shù)字量的變化越大，建立的時間就越長，故一般產(chǎn)品給出的是輸入從全0跳變到全1(或反之）時的建立時間。目前在不包含運算放大器的D/A轉換器中，tset最小為0.1μs以內(nèi)；在包含運算放大器的集成D/A轉換器中，tset最小為1.5μs以內(nèi)。8.2.4D/A轉換器的轉換精度與轉換速度在外加運算放大器的D/A轉換器中，由于運算放大器的轉換速度會影響D/A轉換器的轉換速率，故應選用轉換速率高的運算放大器，以縮短運算放大器的建立時間。8.2.4D/A轉換器的轉換精度與轉換速度例8.2.1在10位倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器CB7520中，外接參考電壓VREF＝10V，為保證VREF偏離標準值所引起的誤差小于（1/2）LSB，試計算VREF的相對穩(wěn)定度應取多少？解：a.計算1LSB/2所對應的輸出電壓：當LSB＝1,其余為0時，輸出電壓為故（1/2）LSB的輸出電壓絕對值為n位倒T形電阻網(wǎng)絡的輸出電壓為對于CB75208.2.4D/A轉換器的轉換精度與轉換速度b.計算由于VREF的變化△VREF所引起的輸出電壓的變化△vo在n位D/A轉換器中，△VREF引起的輸出電壓的變化為：則當輸入的數(shù)字量全為1時，誤差最大，但應小于等于1LSB/2，故對于CB7520則有8.2.4D/A轉換器的轉換精度與轉換速度則參考電壓的相對穩(wěn)定度為而允許參考電壓的變化量僅為注：上面計算為輸入、輸出處于穩(wěn)態(tài)下得出的，輸入靜態(tài)誤差。在動態(tài)時，還有附加的動態(tài)轉換誤差。8.2.4D/A轉換器的轉換精度與轉換速度例8.2.2某一測量儀器中有一個D/A轉換器，若要求該D/A轉換器的精度小于0.05%，試問應選多少位的D/A轉換器？解：若要求D/A轉換器的精度小于0.05%，也是要求D/A轉換器的實際輸出值和理論值之間的誤差（絕對誤差），一般應低于1LSB/2，即兩邊同除輸入為全為1時的最大電壓得：即8.2.4D/A轉換器的轉換精度與轉換速度由于10位D/A轉換器的分辨率也可表示為故由于10位D/A轉換器分辨率為故應取十位或十位以上的D/A轉換器。8.2.4D/A轉換器的轉換精度與轉換速度由于輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)的，輸出的數(shù)字信號在時間和幅值都是是離散的，因此轉換時一般要經(jīng)過取樣、保持、量化和編碼四個過程。實際中有時取樣和保持、量化和編碼會同時實現(xiàn)。8.3A/D轉換器8.3.1A/D轉換的基本原理D111101…A/DA(電壓或電流)A/D轉換器是將模擬量轉換成數(shù)字量

所以A/D轉換過程是首先對輸入模擬電壓信號進行取樣，然后保持并將取樣電壓量化為數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉換結果。一、取樣定理取樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉換為時間離散的模擬量。

為了使得取樣信號能逼近輸入模擬信號，則取樣信號應該有足夠高的頻率。為了保證取樣信號將被取樣信號恢復，其頻率關系必須滿足取樣定理。圖8.3.1為對某個輸入信號進行采樣的波形。其中vs為取樣信號，vI

表示輸入的模擬信號。8.3.1A/D轉換的基本原理圖8.3.1取樣定理為：一般取注：在取樣電路每次取得的模擬信號轉換為數(shù)字信號時都需要一定的時間,而且為了給后續(xù)的量化編碼提供一個穩(wěn)定值，則每次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時間。一般取樣和保持過程往往是通過取樣－保持電路同時完成的。8.3.1A/D轉換的基本原理若fs為取樣信號的頻率，fi（max）為輸入模擬信號的最高頻率分量的頻率，則它們必須滿足二、量化和編碼8.3.1A/D轉換的基本原理1.量化

數(shù)字量不僅時間上是離散的，而且數(shù)值上也是離散的，所以任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。將采樣電壓表示為最小數(shù)量單位（Δ）的整數(shù)倍，稱為量化。所取得最小數(shù)量單位叫做量化單位，用△表示，它是數(shù)字信號最低位（LSB）為1,其它位為0時所對應的模擬量，即1LSB。如圖8.3.2所示

將量化的結果用代碼（可以是二進制，也可以是其他進制）表示出來，這個過程稱為編碼，這些代碼也是A/D轉換器的輸出數(shù)字量。3.量化誤差：由于模擬電壓是連續(xù)的，那么不可能所有的電壓都能被量化單位△整除，所以量化過程不可避免地會引入誤差，這種誤差就叫做量化誤差。量化誤差屬于原理性誤差，無法消除。A/D轉換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值就越小，量化誤差也越小。2.編碼：8.3.1A/D轉換的基本原理4.量化方式：a.只舍不入量化方式以3位A/D轉換器為例設輸入電壓vI為0~1V，取量化單位△＝1/8V，量化中把不足量化單位部分舍棄，如0~1/8V都當成0V處理，用000表示；在1/8~2/8V都當成1△處理，即當成1/8V處理，用001表示，依此類推，如圖8.3.2（a）所示，其最大量化誤差為△。8.3.1A/D轉換的基本原理注：由于后者的量化誤差比前者小，所以大多數(shù)A/D轉換器采用四舍五入的量化方式。取量化單位為△＝2/15V，量化中將不足半個量化單位部分舍去，對于等于或大于半個量化單位的部分按一個量化單位處理。如0~1/15V當0V處理，用000表示；在1/15～3/15V當成1△處理，即2/15V，用001表示，依此類推，如圖8.3.2(b）所示，其最大量化誤差為1/2△。b.四舍五入量化方式8.3.1A/D轉換的基本原理當輸入的模擬電壓為正負范圍內(nèi)變化時，一般采用二進制補碼的形式編碼。8.3.2取樣－保持電路取樣－保持電路的原理圖及輸出波形如圖8.3.3所示1.原理電路：圖8.3.3該電路是由放大器A、保持電容CH和開關驅動電路組成。其中vI為輸入的模擬電壓，vL為取樣控制信號,T為N溝道增強型MOS管，做為模擬開關2.工作原理：8.3.2取樣－保持電路圖8.3.3a.當取樣控制電壓vL為高電平時，NMOS管導通，輸入電壓vI通過R1和T給電容CH充電。若取R1＝RF，并設運放為理想的，則vo＝vc＝－vIb.當取樣電壓vL為低電平時，NMOS管截止，CH上的電壓在這段時間內(nèi)基本不變，則輸出電壓也不變，取樣結果被保存下來，即vo＝vc＝－vI。CH漏電越小，運放的輸入阻抗越高，則保持的時間也越長。注：圖8.3.4的電路由于充電時通過R1和T，它們將影響取樣速度。而若減小R1則會降低電路的輸入電阻。采取得措施是在電路的輸入端增加一級隔離放大器。3.單片集成取樣－保持電路LF398圖8.3.48.3.2取樣－保持電路

圖11.3.5（a）是LF398的電路結構圖，圖11.3.5（b）是其典型接法。圖8.3.5A1、A2是兩個運算放大器，S是模擬開關，L是控制開關S的邏輯單元，vL和VREF是邏輯單元的兩個輸入電壓信號。圖8.3.58.3.2取樣－保持電路當vL>VREF＋VTH時，S接通；當vL<VREF＋VTH時，S斷開，VTH為閾值電壓，約為1.4V。D1和D2構成保護電路，當保持時總有一個二極管是導通的，保護開關電路不受過高的電壓；當取樣時，兩個二極管都截止，保護電路不起作用圖8.3.58.3.2取樣－保持電路VOS是失調(diào)電壓輸入端，此段可以通過外接電阻調(diào)整輸出電壓的零點，使得vI=0時,vo=0。8.3.3并聯(lián)比較型A/D轉換器并聯(lián)比較型屬于直接A/D轉換器，它把輸入的模擬電壓直接轉換為輸出的數(shù)字量，而不需要經(jīng)過中間量。直接A/D轉換器還有反饋比較型。圖8.3.6為并聯(lián)比較型A/D轉換器的電路結構圖.1.組成：并聯(lián)比較型A/D轉換器是由電壓比較器、寄存器和代碼轉換電路三部分組成。圖8.3.68.3.3并聯(lián)比較型A/D轉換器輸入為0~VREF間的模擬電壓，輸出為3位二進制代碼d2d1d0。此A/D轉換器不包括取樣－保持電路，即假定輸入的模擬電壓vI為取樣－保持電路的輸出電壓。2.量化方式：取量化單位為其比較器中量化電平的劃分如圖8.3.7所示。3、工作原理：由圖8.3.7可寫出輸出端的邏輯式為8.3.3并聯(lián)比較型A/D轉換器由上述邏輯式畫出電路圖8.3.3并聯(lián)比較型A/D轉換器8.3.3并聯(lián)比較型A/D轉換器則比較器輸出均為低電平，當CLK上升沿到來后，所有的觸發(fā)器狀態(tài)置成0，即d2d1

d0＝000若若則比較器C1輸出為高電平，其他為低電平。當CLK上升沿到來后，觸發(fā)器的狀態(tài)置成0000001，則d2d1

d0＝001，依此類推。1.并聯(lián)比較型A/D轉換器的優(yōu)點是轉換速度快，轉換時間可達50ns以下。另外此電路可不用取樣－保持電路，因為比較器和寄存器有這樣的功能。8.3.3并聯(lián)比較型A/D轉換器特點：2.并聯(lián)比較型A/D轉換器的缺點是需要較多的電壓比較器和觸發(fā)器,n位需要2n-1比較器3.并聯(lián)比較型A/D轉換器的轉換精度主要取決于量化電平的劃分，劃分越細，精度越高，但所用的比較器和觸發(fā)器的數(shù)目越多。另外轉換精度與參考電壓、電阻及運放也有關。原理：取一個數(shù)字量加到D/A轉換器上，則可得到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。如果兩者不相等，則調(diào)整所取得數(shù)字量，直到兩個模擬電壓相等為止，最后所取得數(shù)字量即為所求的轉換結果。在反饋比較型A/D轉換器中經(jīng)常采用的有計數(shù)型和逐次漸進型兩種。1.計數(shù)型A/D轉換器圖8.3.8為計數(shù)型A/D轉換器的原理框圖。它是由比較器C、D/A轉換器、計數(shù)器、脈沖源、控制門G以及輸出寄存器等幾部分構成。8.3.4反饋比較型A/D轉換器圖8.3.8工作原理：8.3.4反饋比較型A/D轉換器

取一個“D”加到DAC上，得到模擬輸出電壓，將該值與輸入電壓比較，如兩者不等，則調(diào)整D的大小，到相等為止，則D為所求值圖8.3.88.3.4反饋比較型A/D轉換器a.將計數(shù)器清零，且vL＝0。此時門G被封鎖，計數(shù)器不工作，計數(shù)器輸出為0，則vo＝0；如果vI>0，則vI>vo

，比較器的輸出電壓vB＝1；圖8.3.8b.當vL為高電平時，開始進行轉換，脈沖源發(fā)出的脈沖經(jīng)過門G加到計數(shù)器時鐘脈沖輸入端CLK，計數(shù)器開始加法計數(shù)。隨著計數(shù)的進行，D/A轉換器的輸出電壓不斷增加。

圖8.3.88.3.4反饋比較型A/D轉換器c.當增加到vI＝vo時，比較器輸出vB變成低電平，并將門G封鎖，計數(shù)器停止計數(shù)，此時計數(shù)器的狀態(tài)就是所求的輸出數(shù)字信號。圖8.3.88.3.4反饋比較型A/D轉換器注：a.由于轉換過程中計數(shù)器的數(shù)字不斷變化，所以不能將計數(shù)器的狀態(tài)做為輸出的數(shù)字信號，而是在輸出端設置可輸出寄存器，并在vL的下降沿的控制下，寄存器的狀態(tài)為最終的輸出數(shù)字信號。圖8.3.88.3.4反饋比較型A/D轉換器b.此方案的缺點是轉換時間長。當輸出為n位二進制數(shù)碼時，最長的轉換時間是2n－1倍的時鐘脈沖信號周期。由于此電路結構簡單，常用在對轉換速度要求不高的場合。圖8.3.88.3.4反饋比較型A/D轉換器2.逐次漸近型A/D轉換器

為了提高轉換速度，在計數(shù)型A/D轉換器的基礎上，產(chǎn)生逐次漸近型A/D轉換器。雖然也是反饋比較型A/D轉換器，但D/A轉換器的數(shù)字量的給出方式不同。原理：逐次漸近就如稱重物，如13g的重物，有砝碼8g、4g、2g、1g。比較過程如表8.3.1所示8.3.4反饋比較型A/D轉換器圖8.3.9逐次漸近型A/D轉換器的工作原理框圖如圖8.3.9所示。組成:比較器C、D/A轉換器、寄存器、時鐘脈沖源和控制邏輯等。工作原理：a.逐次漸近寄存器清零；b.先設寄存器狀態(tài)為最高位為1,其他位為0（如4位A/D轉換器為1000），經(jīng)過D/A轉換器后，送到比較器比較。8.3.4反饋比較型A/D轉換器若vo>vI

，則去掉這個1;若vo<vI

，則保留這個1.然后再將次高位設置成1,再進行比較，逐位比較下去，直到最低位為止。這是寄存器所存的數(shù)碼即為輸出的數(shù)字量。圖8.3.9特點：電路不太復雜，速度較快8.3.4反饋比較型A/D轉換器8.3.4反饋比較型A/D轉換器圖8.3.108.3.4反饋比較型A/D轉換器

雙積分型A/D轉換器屬于間接A/D轉換器，雙積分型簡稱為V－T變換型，它首先把輸入的模擬電壓信號轉換成與之成正比的時間寬度信號，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)的結果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。最常用的間接A/D轉換器還有電壓－頻率變換型（簡稱V－F變換型）兩類。V－F變換型A/D轉換器首先是把輸入的模擬電壓信號轉換成與之成正比的頻率信號，然后在一個固定的時間間隔里對得到的頻率信號計數(shù)，計數(shù)的結果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。8.3.5雙積分型A/D轉換器圖8.3.11是雙積分型A/D轉換器的原理性框圖。它包含積分器、比較器、計數(shù)器、邏輯控制和時鐘信號源幾部分。8.3.5雙積分型A/D轉換器圖8.3.11a.組成：轉換開始前（轉換控制信號vL＝0）先將計數(shù)器清零，并接通開關So，使電容完全放電。當vL＝1轉換開始（S0斷開），其步驟如下a.使開關S1合到輸入信號vI

一側:積分器對vI在固定時間T1進行積分，其輸出電壓為8.3.5雙積分型A/D轉換器上式說明，在固定時間T1的條件下，積分器的輸出電壓vo與輸入電壓vI

成正比。

b.開關S1打在－VREF一側:此時積分器反向積分8.3.5雙積分型A/D轉換器若設積分器輸出電壓到零時所需時間為T2，則即由此可見，T2與輸入信號vI成正比。8.3.5雙積分型A/D轉換器圖8.3.12其電壓輸出波形如圖8.3.12所示。若計數(shù)器在時間T2內(nèi)對固定頻率fC（fC＝1/TC）的時鐘脈沖進行計數(shù)，則計數(shù)結果也一定與vI

成正比。即設T1=NTC，則上式可變成即輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電壓成正比。而且輸入電壓與反向積分的時間成正比。8.3.5雙積分型A/D轉換器

對于雙積分過程的控制，可由圖8.3.13所示的邏輯電路來完成。圖8.3.138.3.5雙積分型A/D轉換器此電路是由n位計數(shù)器（異步）、附加觸發(fā)器FFA、模擬開關So和S1的驅動電路L0、L1、控制門G組成?？刂七^程為：a.轉換開始前：轉換控制信號vL＝0，門G輸出為1,各觸發(fā)器被置零，同時，S0被關閉，C完全放電。8.3.5雙積分型A/D轉換器b.轉換開始：轉換控制信號vL＝1，S0斷開，S1接到輸入信號vI一側，積分器開始對輸入電壓vI進行積分。由于積分器A輸出為負電壓，故比較器C輸出為高電平，門G打開，計數(shù)器對vG

端的脈沖計數(shù)。8.3.5雙積分型A/D轉換器c.當計數(shù)器計滿2n個脈沖（T1時間）后，自動返回全0狀態(tài)，同時給FFA一個進位信號，使FFA置1。L1動作使得S1打在VREF一側，開始反向積分。當積分器的輸出到0時，比較器輸出為低電平，將門G封鎖，一次轉換結束。由于T1=2nTC（TC為時鐘脈沖的周期），即N＝2n，故輸出的數(shù)字量為：圖8.3.148.3.5雙積分型A/D轉換器例11.3.1在雙積分A/D電路中，設基準電壓VREF＝－10V，計數(shù)器的位數(shù)為n＝10，計數(shù)脈沖的頻率為10kHz則完成一次轉換最長需要多長時間？若輸入的模擬電壓vI＝5V，試求轉換時間和輸出的數(shù)字量各為多少？解：（1）完成一次的時間為T＝T1＋T2，當T1＝

T2時，完成的一次轉換的時間最長，故8.3.5雙積分型A/D轉換器（2）若輸入的模擬電壓vI＝5V，所用的轉換時間輸出的數(shù)字量為8.3.5雙積分型A/D轉換器1.分辨率：A/D轉換器的分辨率是輸出二進制數(shù)或十進制數(shù)的位數(shù)表示。它表示A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。從理論上講，n位二進制數(shù)字輸出的A/D轉換器能區(qū)分2n不同等級的輸入模擬電壓，能區(qū)分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/2n（FSR/2n,FSR－輸入電壓滿量程刻度）。分辨率所描述的為A/D轉換器的固有誤差－量化誤差△，在最大輸入電壓一定時，其