數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換

1、第8章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換 隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是在自動控制、自動檢測通信等領(lǐng)域中，廣泛采用數(shù)字 電子計算機處理各種模擬信號，這樣，必須先把這些模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，計算 機系統(tǒng)才能進行分析、處理，處理后的數(shù)字信號還需再轉(zhuǎn)換為模擬信號才能實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu) 的控制。從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為模一數(shù)轉(zhuǎn)換，簡寫為A/D。把能完成A/D轉(zhuǎn)換 功能的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱為ADC ( Analog to Digital Converter)。從數(shù)字信號到模 擬信號的轉(zhuǎn)換稱為數(shù)一模轉(zhuǎn)換，簡寫為 D/A ,把能完成D/A轉(zhuǎn)換功能的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換 器，簡稱DAC ( Digital to An

2、alog Converter )。模擬信號和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換可用圖8-1所 示，由此可見，ADC和DAC就是連接模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的“橋梁”一接口電路。 圖8-1模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程 8.1數(shù)模轉(zhuǎn)換 數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本思想是，把數(shù)字量中的每一位代碼按對應(yīng)權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬 量，這些模擬量之和與數(shù)字量成正比。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器由輸入寄存器、電子模擬開關(guān)、解碼網(wǎng)絡(luò)、基準電壓源和求和電路組成，其 組成的方框圖如圖 8-2所示。 圖8-2 DAC構(gòu)成框圖 DAC電路的工作過程為：數(shù)字量以并行或串行方式輸入并存儲在輸入寄存器中，寄存 器輸出的每位數(shù)碼驅(qū)動對應(yīng)數(shù)位上的電子模擬開關(guān)，解碼網(wǎng)絡(luò)就能獲得相

3、應(yīng)的模擬量，再將 這些模擬量送到求和電路相加即得到與數(shù)字量相對應(yīng)的模擬量。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為T形及倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器，權(quán)電流 D/A轉(zhuǎn)換器等。按模擬開關(guān)電路的不同可分為CMOS開關(guān)型和雙極開關(guān)型 D/A轉(zhuǎn)換器，下面介紹常見的兩種即倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型和權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。 8.1.1倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 1. 電路組成 如圖8-3所示為4位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器，它是由電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)、模擬電子開 關(guān)和運算放大器三部分組成。 圖8-3 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)由 R和2R組成，呈倒T型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的特點是從每個節(jié)點向左看，它的

4、等效電阻值均為 R。運算放大器近似看成理想放大器，即它的開環(huán)放大倍數(shù)為無窮大，輸入 電阻為無窮大，輸出電阻為零。Rf跨接在它的輸出端和反相輸入端形成負反饋，運算放大器 和Rf構(gòu)成求和電路。 2. 工作原理 模擬電子開關(guān)S0 S3分別由輸入的二進制數(shù)碼D0 D3控制。當Di=1時，Si接運算放 大器反相端（即虛地），電流i t流入求和電路；當 Di=0時，Si接運算放大器同相端（即接 地端）。因此不論輸入的數(shù)碼 Di狀態(tài)如何，電子開關(guān)都可看作接零電位。而根據(jù)電阻解碼網(wǎng) 絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點，從每個節(jié)點向左看的等效電阻均為 R,因此，基準電源接供的電流|=肛 , R 電流I流進節(jié)點后均分為兩路相等的電流，

5、由此可推斷出流過模擬開關(guān)S3、S2、Si、So的電 流分別為 1/2、I/4、I/8 和 I/16。 而由于電子開關(guān)受二進制數(shù)碼Di控制，可推斷出流入運算放大器反相端的總電流i 2為 iD32 D2 -Di - Do 48 丄 16 U r e帀 DoDi. D2. D3) (43 2 r ) R 2222 (8-1) 這個電流i2流進運算放大器，根據(jù)虛短及虛斷概念，可推斷出Uo= i 2Rf，取Rf=R時, 可得出 Uo 二-辱（23D3 22 D2 21Di 2ODo）（8-2） 24 由此可見，輸出的模擬電壓 U。與輸入的二進進數(shù)碼 Di成正比。從而實現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換。 3. 特點 這種電路

6、工作時，在前一位二進制數(shù)碼切換到后一組二進制數(shù)碼時，各位數(shù)碼對應(yīng)的電 流同時直接到達集成運放的輸入端，這樣即能提高轉(zhuǎn)換速度，又減小了動態(tài)過程中輸出端的 尖峰效應(yīng)。常見的 CMOS開關(guān)倒T形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換且有AD752。（ 1o位）、DAC121。 （12位）、AK7546 （16位高精度）等。 在討論倒T形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器時，忽略了模擬電子開關(guān)的導通電阻，而實際中電 子開關(guān)都存在一定的導通電阻，且各導通電阻又不會完全相同，這樣勢必會引起轉(zhuǎn)換誤差。 8.1.2權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器 1 電路組成 4位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器如圖8-4所示。這種電路用一組恒流源代替T型電阻網(wǎng)絡(luò)，恒 流源的電

7、流值(即權(quán)電流值)從高位到低位依次為1/2、1/4、I/8和I/16，由于采用了恒流源， 各支路電流的大小不受電子開關(guān)導通電阻的影響，從而提高了轉(zhuǎn)換精度。 OnDiDh S 1 1 I 8 . 00 + + 圖8-4 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器 2工作原理 當輸入二進制數(shù)碼 Di=l時，對應(yīng)的電子開關(guān) Si接運算放大器的反相輸入端，相應(yīng)的權(quán) 電流流入求和電路；當 Di=0時，Si相應(yīng)接地。因此，輸出電壓為 Uo”Re D3 i D2 -D1 8 (23D222 D221 D120D0) Ub -Ube -Ue Rref Ve 圖8-5權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中的恒流源 (8-3) 即輸出模擬電壓與輸入的

8、二進制數(shù)碼成正比。 3恒流源電路 恒流源電路的結(jié)構(gòu)如圖8-5所示，由電路可分析出 (8-4 ) 即只要在電路工作時，能保證Ub和Ue恒定，則三極管的集電極電流lj也基本保持恒定。 4. 特點: 權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換精度，同時由于采用高速電子開關(guān)，還具有較快的 轉(zhuǎn)換速度。目前常用的單片集成權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器有AD1408、DAC0806、DAC0808等。 8.1.3 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標 1 .分辨率 分辨率是用于表征 D/A轉(zhuǎn)換器對輸入微小量變化敏感程度的?？梢詮膬蓚€方面來描述。 第一種是分辨率用 D/A轉(zhuǎn)換器輸入二進制的位數(shù)給出，在n位D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出的模擬 電壓應(yīng)能

9、區(qū)分出輸入代碼從00,00到11,11全部2n個不同狀態(tài)給出的 2n個不同等級 的輸出模擬電壓。第二種是用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓（對應(yīng)的輸入數(shù)字量只有最低有 效位為1，其余為0）與最大輸出電壓（對應(yīng)的輸入數(shù)字量所有有效位全為1）之比來表示。 對于n位D/A轉(zhuǎn)換器分辨率可表示為。分辨率與D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多, n77 2 -1 能分辨的最小輸出電壓變化量就越小。 2.轉(zhuǎn)換誤差 D/A轉(zhuǎn)換器中各 模擬開關(guān)的壓降等 LSB的倍數(shù)表示。 轉(zhuǎn)換誤差是指輸入模擬電壓的實際值與理想值之差。轉(zhuǎn)換誤差是由于 種元件參數(shù)值存在誤差如基準電壓偏離標準值，運算放大器的零點漂移, 原因而引起的。 轉(zhuǎn)換誤

10、差通常用輸出電壓滿刻度的百分數(shù)表示，也可用最低有效位 例某8位D/A轉(zhuǎn)換器，Uref=5V，轉(zhuǎn)換誤差為 入為二進制數(shù)00000001時輸出電壓的一半，即 _1lsb，這說明輸出電壓的絕對誤差等于輸 2 2 2n 若輸入為二進制數(shù) 10000000 （128D）,則輸出電壓為 2.59.77mV。 一般我們用分辯率和轉(zhuǎn)換誤差綜合描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。分辯率是D/A轉(zhuǎn)換器 在理論上可以達到的精度；考慮到轉(zhuǎn)換誤差，就是實際的精度。 3.建立時間 建立時間是用來定量描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度的。 當D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出的模擬量必須要經(jīng)過一定的時間才達到 所對應(yīng)的量值。建立時間

11、定義為從輸入的數(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時所需要的時間來描述。目前在不包含運算放大器的單片集成D/A轉(zhuǎn)換器中建 2 立時間最短可達到 0. 1卩s以內(nèi)，在包含運算放大器的集成D/A轉(zhuǎn)換器中，建立時間最短 也可達1 . 5卩s以內(nèi)。 8.1.4 D/A 轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器按其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)可分兩大類：一類只集成了電阻網(wǎng)絡(luò)（或恒流 源網(wǎng)絡(luò)）和電子開關(guān)；另一類還包含運算放大電路。按數(shù)字量輸入方式分并行輸入和串行輸 入兩類，下面以單片集成 D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832為例，說明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。 1內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能 DAC0832是一個8位D/A轉(zhuǎn)換器芯

12、片，單電源供電，從+5V+15V均可正常工作。內(nèi) 部無基準電壓源，需外接基準電壓源?；鶞孰妷旱姆秶鸀橥?0V，電流建立時間為1卩s,輸 出為電流形式，要獲得模擬點電壓輸出，需外接運算放大器。CMOS工藝，低功耗20mW, 基內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 8. 6所示。它由1個8位輸入寄存器，1個8位DAC寄存器和1個8位 D/A轉(zhuǎn)換器組成，引腳排列如圖8-7所示。 該D/A轉(zhuǎn)換器為20引腳雙列直插式封裝，各引腳含義如下: (1) D7Do轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入； (2) CS輸入寄存器選擇信號，低電平有效; (3) ILE 數(shù)據(jù)鎖存允許信號，高電平有效； Lsb DO DI D2 D3 D4 D6 D6 D7 亍彝碗）

13、 兩一 1 20 一 WR,一 2 19 ILE AGND 3 18 叫 4 17 5 16 Dg 叫 DAC0332 6 15 叫一 7 14 叫 S 13 一叫 際一 9 12 DGND一 10 li 打處1 圖8-6 DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖8-7 DAC0832引腳圖 (4) WR1 輸入寄存器寫選通信號，低電平有效，該信號與XFER信號共同控制輸 入寄存器，是數(shù)據(jù)直通方式還是數(shù)據(jù)鎖存方式：當ILE=1和XFER =0時，為輸入寄存器 直通方式；當ILE=1和WR1 =1時，為輸入寄存器鎖存方式； (5) WR 2 DAC寄存器寫選通信號， 低電平有效，該信號與信號合在一起控制DAC

14、 寄存器是數(shù)據(jù)直通方式還是數(shù)據(jù)鎖存方式：當WR2=0和XFER-0時，為DAC寄存器 直通方式；當 WR2 =1和XFER =0時，為DAC寄存器鎖存方式； (6) XFER 數(shù)據(jù)傳送控制信號，低電平有效； (7) Iout1 電流輸出“ 1 ”，當數(shù)據(jù)為全“ 1”時輸出電流最大；為全“ 0”時輸出電流最 ?。?(8) Iout2 電流輸出“ 2”； DAC轉(zhuǎn)換器的特性之- 是 Iout1+ I out2= 常數(shù) (9) Rf反饋電阻端，在芯片內(nèi)部與Iout1端已接有一個15K Q的電阻，此端與外部運 算放大器輸出相連接。 (10) Uref基準電壓，是外加高精度電壓源，與芯片內(nèi)的電阻網(wǎng)絡(luò)相連

15、接，該電壓可 正可負，范圍為一10V+10V ； (11) DGND 數(shù)字信號地，數(shù)字電路公共端與之相連，數(shù)字地與模擬地之間應(yīng)僅在一 點上相連接，否則會引起干擾； (12) AGND 模擬信號地，模擬電路公共端與此點相連。 2. DAC0832工作方式 DAC0832利用麗、WR2、ILE、XFER控制信號可以構(gòu)成三種不同的工作方式： (1) 直通方式一WR! = WR 2 =0時，數(shù)據(jù)可以從輸入端經(jīng)兩個寄存器直接進入D/A轉(zhuǎn) 換器； (2) 緩沖方式一兩個寄存器之一始終處于直通，即WR1 =0或WR 2 =0，另一個寄存 器處于受控狀態(tài)； (3) 緩沖方式一兩個寄存器均處于受控狀態(tài)，這種工作

16、方式適合于多模擬信號同時輸 出的應(yīng)用場合。 3. DA0832的雙極性輸出應(yīng)用 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓 U。與輸入數(shù)字量D之間的關(guān)系為 U。二 Uref.d( 8-5) 2 由此可見，輸出電壓的極性取決于基準電壓的極性，當Uref極性不變時，只能獲得單 極性的模擬電壓輸出。我們可以通過一定的電路結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)雙極性輸出。 DAC0832在Uref=+5V時，單極性輸出為 0一5V。在此基礎(chǔ)上再接一級比例加法電路如 圖8 8所示，可實現(xiàn)雙極性輸出。 1515 U。= -(U01 Ur)V = -(2U1 5)V 7.515 當 U01= 0一5V 時，U0 = 5V+5V。 圖8-8 DAC0832

17、的雙極性輸出 由于此時模擬電壓的輸出范圍比單極性時擴大一倍，因此雙極性輸出時靈敏度下降為單 極性時的一半。單極性輸出時，1LSB。雙極性輸出時，1LSB7 v。 2 28 27 表8-1表示單雙極性輸入、輸出的對比，在雙極性輸出時，輸入二進制數(shù) 0000000001111111 表示負數(shù)，對應(yīng)輸出時電壓為負值；1000000011111111表示正數(shù)，對應(yīng)輸出電壓為正值。 這是一種表示正負數(shù)的編碼方法，稱為偏移碼。 圖8-9取樣一保持電路原理 輸入數(shù)字量 輸出電壓 十進制 二進制 單極性 雙極性 255 11111111 (255/2 8) Vr (255/2 8) VR ； 129 1000

18、0001 8 (129/2 ) Vr 7 (1/2 ) Vr 128 10000000 (1/2 ) Vr 0 127 01111111 (127/2 8) Vr (1/2 7) VR ； ； 1 00000001 (1/28) Vr (255/28) Vr 0 00000000 0 Vr 8.2模數(shù)轉(zhuǎn)換 8.2.1 A/D 轉(zhuǎn)換的基本原理 在A/D轉(zhuǎn)換器中，由于輸入模擬信號在時間上是連續(xù)的，而輸出數(shù)字信號是離散的， 所以轉(zhuǎn)換只能在一系列選定的瞬間對輸入模擬信號取樣，然后再把這些取樣值轉(zhuǎn)換成輸出 數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化、編碼四個步驟，在實際電路中，取樣和保 持、量化和編碼

19、，通常在轉(zhuǎn)換過程中同時實現(xiàn)。 1. 取樣和保持 取樣是對模擬信號進行周期性地抽取樣值的過程。就是把隨時間連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn) 換成在時間上斷續(xù)，在幅值上等于取樣時間內(nèi)模擬信號大小的一串脈沖。由于A/D轉(zhuǎn)換需 要一定的時間，所以在每次取樣結(jié)束后，應(yīng)保持取樣電壓值在一段時間內(nèi)不變，直到下一次 取樣開始，這就要在取樣后加上保持電路。 為了能準確地用取樣信號表示模擬信號，取樣信號的頻率由取樣定理確定。 取樣定理：為保證從取樣信號恢復(fù)被取樣信號，必須滿足：fs _ 2fi(max)，其中fs為取 (a) 電路原理圖 V1 v$ Vo (b)波形圖 樣信號頻率，fi (max)輸入信號最高頻率。 取樣與保

20、持過程通過取樣一保持電路同時完成。簡單取樣一保持電路原理圖及輸出波形 如圖8-9所示。 2. 量化與編碼 數(shù)字信號在時間和幅值上都是離散的，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。在進行 A/D轉(zhuǎn)換時必須將采樣電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檫@個最小單位的整數(shù)倍，這個過 程稱為量化，所取的最小數(shù)量單位稱為量化單位，用表示，它是數(shù)字量最低位為 1時所代 表的模擬量，即1LSB。 量化后的數(shù)值還須用代碼表示出來，稱為編碼，經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器 輸出的數(shù)字量。 模擬電壓值是連續(xù)的，不一定能被整除， 這樣在量化過程中勢必會存在量化誤差，它屬原 理誤差，是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)越多，量

21、化誤差越小。 將模擬電壓劃分為不同的量化等級時有兩種方式：只舍不入方式和四舍五入方式。如將 01V的模擬電壓轉(zhuǎn)換成3位二進制代碼，量化電壓的方法如表8-2所示。 表8-2 兩種劃分量化電壓的方法 只舍不入法 四舍五入法 二進制編碼 輸入電壓/V 代表的模擬電壓/V ( = 1/8V) 輸入電壓/V 代表的模擬電壓/V ( =2/15) 01/8 0 =0 01/15 0 =0 000 1/82/8 = 1/8 1 /15 3/15 1 =2/15 001 2/8 3/8 2 =2/8 3/15 5/15 2 34/15 010 3/84/8 3 =3/8 5/15 7/15 3 =6/15 0

22、11 4/8 5/8 4厶=4/8 7/15 9/15 4 =8/15 100 5/86/8 5厶=5/8 9/1511/15 5 =10/15 101 6/8 7/8 6厶=6/8 11/1513/15 6 =12/15 110 7/8 8/8 1 =7/8 13/15 1 7 =14/15 111 A/D轉(zhuǎn)換器種類很多，按其工作原理可分直接 A/D轉(zhuǎn)換器和間接 A/D轉(zhuǎn)換器。直接A/D 轉(zhuǎn)換器具有較快的轉(zhuǎn)換速度，典型電路有并行比較型和逐次逼近型電路。間接A/D轉(zhuǎn)換器 的轉(zhuǎn)換速度較低，典型電路有雙積分型和電壓頻率轉(zhuǎn)換型。 8.2.2逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器 在直接A/D轉(zhuǎn)換器中，逐次逼近型A/

23、D轉(zhuǎn)換器是目前采用最多的一種。其轉(zhuǎn)換過程與 天平秤物重相似，它是將輸入模擬信號與不同的參考電壓做多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量 在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量對應(yīng)值。 N位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器給成框圖如圖8-10所示。 圖8-10 n位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器組成框圖 其工作原理是：轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零，開始轉(zhuǎn)換時時鐘脈沖首先將寄存器最 高位置成1，使輸出數(shù)字為100, 0,這個數(shù)碼被 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓Uo。送 到比較器中與Ui進行比較。若Ui Uo,說明數(shù)字過大了，應(yīng)將最高位的1清除，若UjV Uo, 說明數(shù)字不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)

24、過比較后 確定這個1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中 的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。 下面以圖8-11所示的四位逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器電路為例說明轉(zhuǎn)換的原理。電路由以 下幾部分組成： (1) 逐次逼近寄存器，由 4個RS觸發(fā)器F3Fo組成，輸出二進制數(shù) Q3Q2Q1Qo (2) 順序脈沖發(fā)生器，是一個環(huán)形計數(shù)器，輸出為Q4Q3Q2Q1 Qo (3) D/A轉(zhuǎn)換器，輸入是逐次逼近寄存器的輸出，輸出Uo為正值，送到電壓比較器同 相輸入端。 (4) 電壓比較器，需轉(zhuǎn)換的輸入電壓Ui加在反相輸入端。若Ui V Uo,則輸出Uc=1 若UiUo,則輸出Uc=o (

25、5) 控制邏輯門，其作用是控制逐次逼近寄存器的輸出。 圖8-11 四位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器電路 (6) 讀出“與”門，當讀出控制端E=1時，逐次逼近寄存器輸出Q3 Q2、Q1、Qo 即為轉(zhuǎn)換后的二進制數(shù)D3D2D1Do。 由電路圖可看出組成逐次逼近寄存器的RS觸發(fā)器各輸入端的驅(qū)動方程為： S3=Q4, R3=VcQ3S2=Q3 , R2=Q4+VcQ2 S1=Q2, R1=Q4+VcQ1 So=Q1 , R o=Q4+V cQo 轉(zhuǎn)換過程為：轉(zhuǎn)換時先將F3F2F1F0清零，并置順序脈沖 Q4Q3Q2Q1 Q0=10000 當?shù)?1 個 CP 脈沖上升沿到來時，因 S3=1 , R3=0, S

26、2=S1=So=o, R2=R1=Ro=1，故 QsQz Q1Q0=1000，加在D/A轉(zhuǎn)換器上。其輸出電壓 Vo與輸入模擬電壓 V1比較，同時順序脈沖 右移一位變?yōu)?Q4Q3Q2Q1Q0=0000 當?shù)?個CP脈沖上升沿到來時，若第一次電壓比較器輸出Uc=1，則S3=0, R3=1，說 明A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果應(yīng)小于1000 , Q3青零。將0100送D/A轉(zhuǎn)換。若Uc=0,則Q3=1，說明 A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果應(yīng)大于等于 1000,則Q3=1保留，將1100送D/A轉(zhuǎn)換器。同時Q4Q3Q2Q1Q0移位為00100。 當?shù)?個CP脈沖上升沿到來時，因 S3=0, R3=0, Q3不變，根據(jù)第2次比較器

27、的輸出， 若 UiU0, Uc=1，則 Q2=0，反之，Q2=1，同時 Q4Q3Q2Q1Q0移位為 00010。 當?shù)?、5個CP脈沖上升沿到來時，分別確定Qi、Q0為1或00Q4Q3Q2Q1Q0為10000, 準備下一次A/D轉(zhuǎn)換。最后在E端加上高電平，“與”門開啟，輸出 D3D2D1D0即為A/D轉(zhuǎn) 換的結(jié)果。 這種逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換速度比較快，轉(zhuǎn)換時間固定，易與微 機接口對接，所以應(yīng)用非常廣泛，常見的集成逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器有ADC0804/0808/0809 系列(8 位)，AD575 (10 位)，AD574A ( 12 位)等。 8.2.3雙積分式A/D

28、轉(zhuǎn)換器 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器是一種電壓一時間變換型的間接A/D轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是對 輸入模擬電壓和基準電壓進行兩次積分，先對輸入模擬電壓進行積分，將其變換成與輸入模 擬電壓成正比的時間間隔T1，再利用計數(shù)器測出此時間間隔，則計數(shù)器所計的數(shù)字量就正 比于輸入的模擬電壓，接著對基準電壓進行同樣的處理。 如圖8-12 (a)所示為雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器原理圖，它由積分器A、過零比較器 C、時 鐘脈沖控制門G和定時/計數(shù)器等幾部分組成。 數(shù)字電輸出 (a)原理圖(b )工作波形 圖8-12 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器 下面以輸入正極性的直流電壓Ui為例，說明電路把模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程。首 先，使計

29、數(shù)器清零，并使開關(guān)S2閉合，對積分電路放電，放電完畢后再斷開S20 轉(zhuǎn)換開始時開關(guān) S1與A端接通，將 Ui加到積分器輸入端。積分器從0V開始對正的 Ui值積分，其波形為斜線 0Vp段，根據(jù)積分電路可推導出 1 t1 U 0U Idt(8-6) T 0 由于Uv 0,過零比較器輸出為高電平，時鐘控制門G被打開，這時計數(shù)器在 CP低等 用下從0開始計數(shù)，當計數(shù)器計數(shù)到QnQn-1, Q1Q0=10, 00時即經(jīng)過2n個時鐘脈沖后，由 于Qn=1開關(guān)S1由A轉(zhuǎn)換到B點，第一次積分結(jié)束，所經(jīng)過的時間為t1=2nTc (Tc為脈 沖信號周期)。 令Ui為輸入電壓在T1時間間隔內(nèi)的平均值。則由 t1 U

30、o Uidt T 0 可得出第一次積分結(jié)束時積分器輸出電壓 p T (8-7) 當Si接到B點時，具有與Ui相反極性的基準電壓 Uref加到積分器的輸入端。 積分器開始 向相反方向進行第二次積分；當 t=t2時，積分器輸出電壓 Uo 0,比較器輸出Uc=0時鐘脈 沖控制門G被關(guān)閉，計數(shù)停止。此時 1 t2 Uo（t2）=Upt（-UREF）dt=0（ 8-8） T右 令 T2=t2 ti 有 U REFT2 2nTc , -Ui (8-9) T U REF 設(shè)在此期間計數(shù)器累計的時鐘脈沖個數(shù)為 N2, 即 2nTc T22n , 1 2= N 2Tc,T 2 : U | ,N2.U | (8-

31、10) U REF T-V REF 由此可見，T2與Vi成正比，T2即為雙積分A/D轉(zhuǎn)換過程中的中間變量。而計數(shù)器中所 計得的數(shù)N2與在取樣時間T1內(nèi)輸入電壓的平均值 Vi成正比。由雙積分 A/D轉(zhuǎn)換器工作原 理可知，電路工作時，第一次積分和第二次積分方向相反，而且第二次積分結(jié)束時，輸出電 壓必須過零”，因此，|U I和|U REF極性相反，且|U |V |U ref|。|U i| |U ref|則第二次積 分結(jié)束時，積分器輸出電壓不可能過零，T2不確定，則沒有轉(zhuǎn)換結(jié)果。 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點一方面由于是在T1時間內(nèi)對輸入電壓的平均值積分，因此 抗干擾能力較弱，另一方面，則于轉(zhuǎn)換結(jié)果不受

32、時間常數(shù)的影響，也與時鐘頻率無關(guān)，因此 電路的穩(wěn)定性較好。 但它主要缺點是轉(zhuǎn)換速度低。計數(shù)器的位數(shù)越多，分辨率越高，轉(zhuǎn)換速 11 度越低。常用的單片集成雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器有MC14433 （ 3 位，BCD碼）,ICL7106 （ 3 22 位，BCD碼），直接驅(qū)動7段LCD數(shù)碼管），ADC EK8B （ 8位，二進制碼），ADC EK10B （10位，二進制碼）等。 8.2.4 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標 1 分辨率 分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位變化一個數(shù)碼時對應(yīng)輸入模擬信號的變化 量。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。 例如輸

33、入模擬電壓的變化范圍為0 5V，輸出8位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V 一 8一 12 X 2 =20m V,而輸入12位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V X 2 =1 . 22mV。 2 相對精度 相對精度又稱轉(zhuǎn)換誤差，指A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出數(shù)字量與理想數(shù)字量之間的最大差值， 通常用最低有效位 LSB的倍數(shù)表示，如轉(zhuǎn)換誤差不大于1/2LSB，即說明實際輸出數(shù)字量與 理想輸出數(shù)字量之間的最大誤差不超過1/2LSB。 3. 轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號開始到輸出 端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的這段時間。轉(zhuǎn)換時間越小，轉(zhuǎn)換速度越快。在常見

34、的 A/D轉(zhuǎn)換器中，并聯(lián)比較型轉(zhuǎn)換速度最快，轉(zhuǎn)換時間小于50ns,逐次逼近型次之，轉(zhuǎn)換時 間在10卩s100卩s之間，雙積分型最低。轉(zhuǎn)換時間為數(shù)十ms至數(shù)百ms。 8.2.5集成轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用 單片集成A/D轉(zhuǎn)換器中，由于逐次逼近型具有轉(zhuǎn)換速度較快，精度高的特點而用途最 廣，下面介紹8位逐次逼近型ADC0809的應(yīng)用。 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖 8 13所示，圖中多路開關(guān)可選通 8個模擬通道，允許 8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟的多路數(shù)據(jù)采集方法， 地址鎖存與譯碼電路完成對 A、B、C三個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選 擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)

35、輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。 V V 如浮 121 16 Aoooeos Jeoc ADC* 更 AUDCS ALE盈 A Ai 20 19 18 8 15 14 17 121 io 極b Dr s ( 9) CLOCK ：時鐘信號輸入端， 這種芯片內(nèi)部沒有時鐘電路， 時鐘信號需從外界提供， 也可從單片機、微處理器的某些引腳輸出的脈沖信號分頻后獲得，通常使用頻率為500KH Z 的時鐘信號； ( 10) D0D7： 8 路數(shù)字信號輸出端。 ADc0809 廣泛用于單片微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)，可利用微機提供 cP 脈沖至 cLOcK 端， 同是微機的輸出信號對 ADC080

36、9的START, ALE , A2, Ai, Ao端進行控制，選中1NIN7 中某一個模擬輸入通道， 并對輸入的模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 通過三態(tài)輸出鎖 存器的D。 D7 輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。 小結(jié) D/A 轉(zhuǎn)換器和 A/D 轉(zhuǎn)換器作為模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)之間的接口,應(yīng)用日益廣泛。 D/A 轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的二進制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號輸出。常見的如 倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)型和權(quán)電流型。倒 T 型電阻礙網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器只要求兩種阻值的電阻( R 2R )。因此最適合于集成工藝。同時由于各支路電流流向運放反相端不存在傳輸時間,因 此轉(zhuǎn)換速度較快。權(quán)電流型 D/A 轉(zhuǎn)換器采用了恒流源結(jié)構(gòu)和高速模擬開關(guān),因此具有精度 高,速度快的優(yōu)點。 目前雙極型 D/A 轉(zhuǎn)換器中大多采用權(quán)電流型電路而 CMOS 型 D/A 轉(zhuǎn)換 器主要采用倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)電路。 A/D 轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字量的電路。并