第9章數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、33 MHz33 MHz模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱(chēng)為模模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱(chēng)為模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)轉(zhuǎn)換，或稱(chēng)為或稱(chēng)為A/D（Analog to Digital）把實(shí)現(xiàn)把實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器（Analog Digital Converter ADC）從數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱(chēng)為從數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱(chēng)為D/A（Digital to Analog）轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換把實(shí)現(xiàn)把實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器（ Digital Analog Converter DAC）33 MHz 模模 擬擬 傳感器傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 數(shù)字控制數(shù)字控制計(jì)

2、計(jì) 算算 機(jī)機(jī) D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 模模 擬擬控制器控制器 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制對(duì)象工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制對(duì)象 ADC和和DAC已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。傳感器傳感器(溫度、壓力、溫度、壓力、流量、應(yīng)力等）流量、應(yīng)力等）計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計(jì)算、濾波）、（如計(jì)算、濾波）、數(shù)據(jù)保存等數(shù)據(jù)保存等用模擬量作用模擬量作為控制信號(hào)為控制信號(hào)33 MHzDAC網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電阻權(quán)電阻倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)DACADC直接直接ADC間接間接ADC權(quán)電流型權(quán)電流型DAC權(quán)電容型權(quán)電容型DAC開(kāi)關(guān)樹(shù)型開(kāi)關(guān)樹(shù)型DAC輸入輸入/輸出方式輸出方式并行

3、并行串行串行33 MHzn位位數(shù)字量數(shù)字量模擬量模擬量05V或或010V等等DAC4位位8位位10位位11位位16位等位等33 MHz33 MHz33 MHz權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開(kāi)關(guān)求和放大器0i0VV0R,0i ,AAIOIV ，且且必必有有當(dāng)當(dāng)接接成成深深度度負(fù)負(fù)反反饋饋時(shí)時(shí)，為為理理想想放放大大器器，即即設(shè)設(shè)負(fù)負(fù)反反饋饋放放大大器器：一、電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)和工作原理33 MHz權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開(kāi)關(guān)求和放大器 點(diǎn)點(diǎn)流流向向時(shí)時(shí)，時(shí)時(shí)，iiiiI1d0I0dR2VIR2VIR2VIR2VIRVI0REF31REF22REF13REF0iREFi 權(quán)權(quán)電電流流：S3S0受數(shù)字受數(shù)字d3d0

4、控制?？刂?。33 MHz權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開(kāi)關(guān)求和放大器)d2d2d2d2(2V)dR2VdR2VdR2VdRV(R)IIII(RiRV001122334REF03REF12REF2REF3REFF0123FFO 輸輸出出電電壓壓：)d2d2d2d2(2V)dR2VdR2VdR2VdRV(R)IIII(RiRV001122334REF03REF12REF2REF3REFF0123FFO 輸輸出出電電壓壓：)d2d2d2d2(2V)dR2VdR2VdR2VdRV(R)IIII(RiRV001122334REF03REF12REF2REF3REFF0123FFO 輸輸出出電電壓壓：2RRFvO Di3

5、3 MHz vO Rf +VREF 2R D0 D1 D2 D3 S0 S1 S2 S3 i 2R 2R 2R (LSB) (MSB) 8I 16I4I 2I I 2R + R R R I/16 I/8 I/4 I/2 Di=0, Si則將電阻則將電阻2R接地接地Di=1, Si接運(yùn)算放大器反相端，電流接運(yùn)算放大器反相端，電流Ii流入求和電路流入求和電路 電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開(kāi)關(guān)模擬電子開(kāi)關(guān)求和運(yùn)算放大器求和運(yùn)算放大器輸輸出出模模擬擬電電壓壓輸入輸入4位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù) 根據(jù)運(yùn)放線(xiàn)性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無(wú)論模擬開(kāi)關(guān)根據(jù)運(yùn)放線(xiàn)性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無(wú)論模擬開(kāi)關(guān)Si處于何種位置，與處于何

6、種位置，與Si相連的相連的2R電阻將接電阻將接“地地” 或虛地或虛地。 1、原理電路、原理電路33 MHz基準(zhǔn)電源基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：提供的總電流為：I =？流過(guò)各開(kāi)關(guān)支路的電流：流過(guò)各開(kāi)關(guān)支路的電流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？ 2R 2R 2R 2R 2R R R R VREF I A B C D A B C D RVIREF I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個(gè)流入每個(gè)2R電阻的電流從高位到低位按電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。的整數(shù)倍遞減。33 MHz (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O

7、D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R R R R +VREF + A II2I1I0I3流入運(yùn)放的總電流：流入運(yùn)放的總電流： 012343212222IIIIDDDDi I0 0 + I1 1 + I2 2 + I3 3REF01234321()2222VDDDDR3REFi40(2 )2iiVDR(P-461)33 MHz (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R R R R +VREF + A II2I1I0I3輸出模擬電壓：輸出模擬電壓： Ofi R 3ifREFi40(2 )2iRVD

8、R 33 MHz4 位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的的輸出模擬電壓輸出模擬電壓： Ofi R3ifREFi40(2 )2iRVDR 推廣到推廣到 n 位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC,有：有： n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR 上式表明，在電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)上式表明，在電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出vo。 若若Rf=R，并代入上式，并代入上式， 則有則有P-461 式式(9.2.5)33 MHz)5 . 2 . 9()2d2d.2d02d(2V,RR)2d2d.2d2d(RR2V00112n2n1

9、n1nnREFf00112n2n1n1nfnREF ov則則有有當(dāng)當(dāng)ov33 MHz為提高為提高D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的精度，對(duì)電路參數(shù)的要求：精度，對(duì)電路參數(shù)的要求： (1)基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；(2) 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和和2R電阻比值的精度要高；電阻比值的精度要高；(3) 每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電壓降要相等每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電壓降要相等(4)為實(shí)現(xiàn)電流從高位到低位按為實(shí)現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開(kāi)關(guān)的整數(shù)倍遞減，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。的整數(shù)倍遞增。為進(jìn)一步提高為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型轉(zhuǎn)換器

10、的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 33 MHz33 MHzD/A*將符號(hào)位反相后接至高位輸入將符號(hào)位反相后接至高位輸入*將輸出偏移使輸入為將輸出偏移使輸入為100時(shí)，輸出為時(shí)，輸出為0133 MHzV4V100V7V111V1V001V0V000ddd)2d2d2d(28VV8V.1OOOO0120011223OREF 則則則則*將符號(hào)位反相后接至高位輸入將符號(hào)位反相后接至高位輸入*將輸出偏移使輸入為將輸出偏移使輸入為100時(shí)，輸出為時(shí)，輸出為0即即可可只只需需令令時(shí)時(shí)，輸輸入入時(shí)時(shí)，使使輸輸入入偏偏移移R2V2IRViIR2V2Ii1000V100,V4. 2REFBBBREFO

11、 33 MHz1. 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 ：通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述。：通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述。 分辨率：分辨率：其定義為其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示等級(jí)數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的分辨率。換器的分辨率。 分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。之比給出。n位位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為121n33 MHz 轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差是指轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差是指D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際精度與理轉(zhuǎn)換器實(shí)

12、際精度與理論上可達(dá)到的精度之間存在誤差論上可達(dá)到的精度之間存在誤差。33 MHz 集成集成D/D/A A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器AD7520AD7520的管腳及內(nèi)的管腳及內(nèi)部電路如圖所示，它是部電路如圖所示，它是1010位倒位倒T T型電阻型電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。)2d2d.2d2d(2V,10n,RR)2d2d.2d2d(RR2V0011889910REFf00112n2n1n1nfnREF ov故故有有電電路路中中ovAD7520也叫也叫CB7520,須外加運(yùn)算放大器須外加運(yùn)算放大器,運(yùn)算放大器的反運(yùn)算放大器的反饋電阻可以使用內(nèi)設(shè)的饋電阻可以使用內(nèi)設(shè)的,也可以另選反饋電阻接到也可以另

13、選反饋電阻接到1端和端和vo之間之間。33 MHz輸入的數(shù)字量與輸出的模擬量之間的關(guān)系如表輸入的數(shù)字量與輸出的模擬量之間的關(guān)系如表9.1.19.1.1所示。所示。33 MHz 33 MHzDAC 0832 管腳圖管腳圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3VCCVREFRf bDGNDILEXFERIout2Iout11234567891019181716151413121120CS：片選端：片選端WR1、WR2：寫(xiě)入端：寫(xiě)入端D7-D0：數(shù)據(jù)輸入端：數(shù)據(jù)輸入端XFER：轉(zhuǎn)移控制端：轉(zhuǎn)移控制端ILE：鎖存使能端：鎖存使能端Iout2Iout1：電流輸出端：電流輸出端VREF：

14、參考電壓端：參考電壓端Rf b：內(nèi)部反饋電：內(nèi)部反饋電 阻輸出端阻輸出端33 MHz33 MHzn 1iREFfOin0(2 )2iVRDR REFREFnnVV102410232120 1D/A轉(zhuǎn)換器如圖所示。試問(wèn)：轉(zhuǎn)換器如圖所示。試問(wèn)： (1) 這是那種類(lèi)型的這是那種類(lèi)型的D/A轉(zhuǎn)換器，寫(xiě)出轉(zhuǎn)換器，寫(xiě)出vo的表達(dá)式；當(dāng)?shù)谋磉_(dá)式；當(dāng)Rf R時(shí)時(shí)， vo的表的表 達(dá)式又如何？達(dá)式又如何？ (2)試求輸出電壓的取值范圍和分辨率。試求輸出電壓的取值范圍和分辨率。 (3)若要求電路輸入數(shù)字量為若要求電路輸入數(shù)字量為200H時(shí)輸出電壓時(shí)輸出電壓Vo=5V，試問(wèn)，試問(wèn)VREF應(yīng)取何值？應(yīng)取何值？ D0

15、D1 D8 D9 (MSB) (LSB) Rf=R O + 2R 2R 2R R R R VREF 2R 10231121 n分分辨辨率率33 MHzADCDnD0輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量I輸入模擬電壓輸入模擬電壓1. A/D功能功能:A/D轉(zhuǎn)換器概述轉(zhuǎn)換器概述33 MHz33 MHz 并聯(lián)比較型（直接型：并聯(lián)比較型（直接型：V V D D） 特點(diǎn)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度快轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 10ns 1 s, 但但電路復(fù)雜。電路復(fù)雜。 逐次逼近型（直接型：逐次逼近型（直接型：V V D D） 特點(diǎn)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度適中轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 為幾為幾 s 100 s, 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度

16、高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡。 雙積分型（間接型：雙積分型（間接型：V -T V -T 轉(zhuǎn)換型轉(zhuǎn)換型 ） 特點(diǎn)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度慢轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 幾百幾百 s 幾幾ms,但抗干擾能力但抗干擾能力 最強(qiáng)。最強(qiáng)。33 MHz1. 1. 取樣與保持取樣與保持 0 0 0 S(t) I (t) t t t TS O (t) O(t) I(t) T G S(t) 采樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模采樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模擬量擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模擬量。 采樣信號(hào)采樣信號(hào)S(t)的頻率愈高，所采的頻率愈高，

17、所采得信號(hào)經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)得信號(hào)經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。合理的采樣頻地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。合理的采樣頻率由采樣定理確定率由采樣定理確定。 采樣定理：采樣定理：設(shè)采樣信號(hào)設(shè)采樣信號(hào)S(t)的頻的頻率為率為fs，輸入模擬信號(hào)，輸入模擬信號(hào)vI(t)的最的最高頻率分量的頻率為高頻率分量的頻率為fimax，則則 fs 2fimax(9.3.1)33 MHz t t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 電路要求：電路要求：AV1 AV2= 1， A1 的的Ri 高，高，A2 的的Ri 高，高，A2 的的Ro低低采樣采樣 I A1 A2 S CH 開(kāi)開(kāi) 關(guān)關(guān) 驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng)電電 路路

18、采采 樣樣 保保 持持 控控 制制 電電 路路 O 不能放電不能放電保持保持 （1）電路及工作原理）電路及工作原理 要將取樣電路每次采得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一要將取樣電路每次采得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取樣電路后要保加持電路，將所采樣的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間。樣電路后要保加持電路，將所采樣的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間。取樣與保持過(guò)程往往是通過(guò)采樣與保持電路同時(shí)完成的。取樣與保持過(guò)程往往是通過(guò)采樣與保持電路同時(shí)完成的。 33 MHz 為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量

19、，在A(yíng)/DA/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，必轉(zhuǎn)換過(guò)程中，必須將采樣須將采樣保持電路的輸出電量保持電路的輸出電量，按某種近似方式歸化到，按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上。這一轉(zhuǎn)化過(guò)程我們稱(chēng)為數(shù)值量化，與之相應(yīng)的離散電平上。這一轉(zhuǎn)化過(guò)程我們稱(chēng)為數(shù)值量化，簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)量化量化。量化后的數(shù)值最后還需通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)。量化后的數(shù)值最后還需通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)。經(jīng)編碼后得到的代碼就是經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/DA/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。 9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程量化量化編碼編碼任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的任何一個(gè)數(shù)字量的

20、大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的 整數(shù)倍。整數(shù)倍。33 MHz量化過(guò)程中所取最小數(shù)量單位稱(chēng)為量化過(guò)程中所取最小數(shù)量單位稱(chēng)為量化單位量化單位用用 表示。它表示。它是數(shù)字信號(hào)最低位為是數(shù)字信號(hào)最低位為1 1時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬量，即時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬量，即1LSB1LSB。任何一。任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。在量化過(guò)程中由于采樣電壓不一定能被在量化過(guò)程中由于采樣電壓不一定能被 整除，所以量化整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，此誤差我們稱(chēng)之為前后不可避免地存在誤差，此誤差我們稱(chēng)之為量化誤差量化誤差，用用 表示。表示。量化誤

21、差屬原理誤差，它是無(wú)法消除的。量化誤差屬原理誤差，它是無(wú)法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。 兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量?jī)煞N近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。化方式。 33 MHz只舍不入量化方式只舍不入量化方式: :量化中把不足量化中把不足1 1個(gè)量化單位的部分舍棄；個(gè)量化單位的部分舍棄；最大量化誤差為：最大量化誤差為：LSB1max 四舍五入量化方式四舍五入量化方式: :量化過(guò)程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于量化過(guò)程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等

22、于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。其最大量化誤差為：最大或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。其最大量化誤差為：最大量化誤差為量化誤差為2LSBmax V8701VV86V85V84V83V82V811111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v輸入信號(hào)輸入信號(hào)編碼編碼模擬電平模擬電平01VV1513V1511V159V157V155V153V151110101100011010001000輸入信號(hào)輸入信號(hào)編碼編碼模擬電平模擬電平0=0 v1=2/15 v2=4/15 v

23、3=6/15 v4=8/15 v5=10/15 v6=12/15 v7=14/15 v11133 MHz R I VREF VREF 13 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 15 VREF 1 15 R R R/2 + C7 + C6 + C5 + C4 + C3 + C2 + C1 C07 C06 C05 C04 C03 C02 C01 1D C1 Q7 1D C1 Q6 1D C1 Q5 1D C1 Q4 1D C1 Q3 1D C1 Q2 1D C1 Q1 d2 d1 d0 代代碼碼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換電電路路 (MS B)D0 (LS B)0 電壓比較器電壓比較器輸入

24、模輸入模擬電壓擬電壓精密電阻精密電阻分壓電路分壓電路精密參精密參考電壓考電壓D觸發(fā)器觸發(fā)器VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸輸出出數(shù)數(shù)字字量量9.3.3 直接型直接型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器P-481把輸入的模擬電壓直接把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量,不不經(jīng)過(guò)中間量。經(jīng)過(guò)中間量。33 MHz R I VR E F VR E F 1 3 1 5 R C P VR E F 1 1 1 5 R R R VR E F 3 1 5 VR E F 1 1 5 R R R /2 + C7 + C6 + C5

25、 + C4 + C3 + C2 + C1 C0 7 C0 6 C0 5 C0 4 C0 3 C0 2 C0 1 1 D C 1 Q7 1 D C 1 Q6 1 D C 1 Q5 1 D C 1 Q4 1 D C 1 Q3 1 D C 1 Q2 1 D C 1 Q1 d2 d1 d0 (M S B)D0 (L S B )0 代代碼碼轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換電電路路 11VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15VI=8VREF/1511110000001111100vivO33 MHz代碼轉(zhuǎn)換電路與寄存器輸出的關(guān)系：代碼轉(zhuǎn)換電路與寄存器輸出的關(guān)

26、系：d2 = Q42461QQQd 12345670QQQQQQQd 當(dāng)當(dāng)Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1=0001111則則 d2 d1 d0 =10033 MHz vI Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 d2 d1 d0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/1

27、5 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 13VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D D觸發(fā)器觸發(fā)器存儲(chǔ)，經(jīng)代碼轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字量輸出。存儲(chǔ)，經(jīng)代碼轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字量輸出。 P-48233 MHz在并行在并行A/D

28、A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓 I I同時(shí)加到所有比較同時(shí)加到所有比較器的輸入端，從器的輸入端，從VI I加入到三位數(shù)字量穩(wěn)定輸出所經(jīng)歷加入到三位數(shù)字量穩(wěn)定輸出所經(jīng)歷的時(shí)間為比較器、的時(shí)間為比較器、D D觸發(fā)器和編碼器延遲時(shí)間之和。如觸發(fā)器和編碼器延遲時(shí)間之和。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與 I I輸入輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它具有最短的轉(zhuǎn)換時(shí)間。時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它具有最短的轉(zhuǎn)換時(shí)間。 缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三位缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三位ADCADC需比較器的個(gè)數(shù)目為需比較器的個(gè)數(shù)目為7 7個(gè)個(gè)位數(shù)越多矛盾越突出。位數(shù)越多矛盾越突出。

29、單片集成并行比較型單片集成并行比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如ADAD公司的公司的AD9012 (TTLAD9012 (TTL工藝工藝8 8位位) )、AD9002 (ECLAD9002 (ECL工藝，工藝，8 8位位) )、AD9020 (TTLAD9020 (TTL工藝，工藝，1010位位) )等。等。 33 MHz！簡(jiǎn)單！簡(jiǎn)單！慢！慢CLKnT12）最最多多需需要要（ 1、計(jì)數(shù)型、計(jì)數(shù)型 基本原理：取一個(gè)基本原理：取一個(gè)“D”加到加到DAC上，得到模擬輸出上，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)整電壓，將該值與輸入電壓比較，如兩者不等，則調(diào)整

30、D的的大小，到相等為止，則大小，到相等為止，則D為所求值。為所求值。33 MHz逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用天平稱(chēng)物重非常相似逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用天平稱(chēng)物重非常相似 。所加砝碼所加砝碼重量重量第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次再加再加4克克再加再加2克克再加再加1克克8 克克砝碼總重砝碼總重 待測(cè)重量待測(cè)重量Wx ，8克砝碼保留克砝碼保留砝碼總重仍砝碼總重仍 待測(cè)重量待測(cè)重量Wx ， 2克砝碼撤除克砝碼撤除砝碼總重砝碼總重 待測(cè)重量待測(cè)重量Wx ， 1克砝碼保留克砝碼保留 結(jié)果結(jié)果8 克克12 克克12 克克13 克克 （1）. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 所用砝碼重量：所用砝碼重量：8克克、4克

31、克、2克克和和1克?？?。設(shè)待秤重量設(shè)待秤重量Wx = 13克?？?。稱(chēng)重過(guò)程稱(chēng)重過(guò)程 33 MHz10000000 7.50000 6.2500 6.8750 6.5625 6.71875 6.796875 6.835937 0.00 5.0000 10s CP 啟啟動(dòng)動(dòng)脈脈沖沖 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 O V 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換時(shí)時(shí)間間 = 80 s t /s vA=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 1 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器33 MHz控制邏輯控制邏輯電電 路路數(shù)碼寄存器數(shù)碼寄存器D/

32、A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器電電 壓壓比較器比較器輸出輸出控制控制33 MHz0 0 0 11 0 0 0 03位：5個(gè)CLKN位: ( n+2)個(gè)CLK1000 1 0 0 021D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓vO VREF/2, 送入比較器送入比較器C與與vI比較；若比較；若vI vo則比較器則比較器C 輸出輸出vB為為0，否則為，否則為1。比較結(jié)果（。比較結(jié)果（1或或0）送至數(shù)據(jù)寄存器的）送至數(shù)據(jù)寄存器的 D4D1。 110 0 1 0 033 MHz 1、 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；多轉(zhuǎn)換精度越高； 2、逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)

33、換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間為為（n+2）CP，與其位數(shù)與其位數(shù)n和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短； 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器33 MHz0N v0I iRiiI12v tdRC1tdiC1I2OvvvC tRCd1IOvv33 MHz tRCd1IOvvtRCVI 33 MHz1、雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想 對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間

34、隔，然后利用時(shí)入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。該輸出。該A/DA/D轉(zhuǎn)換器也稱(chēng)為轉(zhuǎn)換器也稱(chēng)為電壓時(shí)間數(shù)字電壓時(shí)間數(shù)字式積分器式積分器 。33 MHzIOT0I1IOI11I10LVVVRCTdtRVC1VTTVS)S(,1V.2.11 所所以以不不變變期期間間的的積積分分，積積分分器器作作固固定定時(shí)時(shí)間間第第一一步步，斷斷開(kāi)開(kāi)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換開(kāi)開(kāi)始始起起始始狀狀態(tài)態(tài)：計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器清清零零v1、起始狀態(tài)：計(jì)數(shù)器清零。、起始狀態(tài)：計(jì)數(shù)器清零。2、VL=1，轉(zhuǎn)換開(kāi)始，轉(zhuǎn)換開(kāi)始, （S0

35、斷開(kāi)）。斷開(kāi)）。第一步，第一步，S1接通接通VI,積分器積分器作固定時(shí)間作固定時(shí)間T1的積分的積分,VI保保持不變。持不變。vo VI33 MHzIREFIREFITREFOOREFVTTTRCTRCVTRCdtRVCVSvvvvv12121010102積分器作反相積分，至第二步：,VVTTfTD)f1T(fTIREFC1C2CCC2 則則脈脈沖沖計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)，頻頻率率期期間間用用固固定定的的令令計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器在在T2 vI結(jié)論：結(jié)論： 輸出數(shù)字輸出數(shù)字D正比于模擬輸入正比于模擬輸入vI,VVTTfTD)f1T(fTIREFC1C2CCC2 則則脈脈沖沖計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)，頻頻率率期期間間用用固固定定的的令令

36、計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器在在IREF121I2REF1IT0REFOOREFIVTTTRCTRCV0TRCdtRVC10VS2vvvvv 積積分分器器作作反反相相積積分分，至至第第二二步步：33 MHzIREFCIREFCCVVNDNTTVVTTfTD112若 定時(shí)積分定時(shí)積分，(計(jì)數(shù)器設(shè)定計(jì)數(shù)器設(shè)定) 定值積分定值積分，(T2 vO)33 MHzIREFnCnVVDTT221，若33 MHz優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)RC無(wú)關(guān)，從而消除了積分非線(xiàn)無(wú)關(guān)，從而消除了積分非線(xiàn) 性帶來(lái)的誤差。性帶來(lái)的誤差。2.由于雙積分由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換器在T1時(shí)間內(nèi)采的是輸入電壓的平

37、均值，時(shí)間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力。因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力。 3.對(duì)時(shí)鐘源對(duì)時(shí)鐘源穩(wěn)定性要求不高穩(wěn)定性要求不高，只要時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期時(shí)，只要時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。33 MHz 單片集成單片集成A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述的描述的。 分辨率分辨率: :說(shuō)明說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。以輸出二進(jìn)制以輸出二進(jìn)制(或十進(jìn)制或十進(jìn)制)數(shù)的位數(shù)表示數(shù)的位數(shù)表示; 轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差： 表示表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論

38、上的輸轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。通常以輸出誤差的最大值出數(shù)字量之間的差別。通常以輸出誤差的最大值形式給出，常用最低有效位的倍數(shù)表示，形式給出，常用最低有效位的倍數(shù)表示，例如轉(zhuǎn)換誤差例如轉(zhuǎn)換誤差 (1/2)LSB。 1211n 最大數(shù)對(duì)應(yīng)的電壓最大數(shù)對(duì)應(yīng)的電壓對(duì)應(yīng)的電壓對(duì)應(yīng)的電壓最低位為最低位為分辨率分辨率33 MHz 指指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始，到輸出端得到轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換電路的類(lèi)型有關(guān)轉(zhuǎn)換電路的類(lèi)型有關(guān)并行比較并行比較A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高 ,逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之轉(zhuǎn)換器次之 ,間接間接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(如雙積分如雙積分A/D)的速度最慢。的速度最慢。 并行比較并行比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(8位）位） 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 間接間接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1050 s50ns10ms1000ms33 MHz 例：某信號(hào)采集系統(tǒng)要求用一片例：某信號(hào)采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉(zhuǎn)換集成芯片在轉(zhuǎn)換集成芯片在1秒秒鐘內(nèi)對(duì)鐘內(nèi)對(duì)16個(gè)熱電偶的輸出電壓分時(shí)進(jìn)行個(gè)熱電偶的輸出電壓分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。已知熱電偶轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍為輸出電壓范圍為00.025V(對(duì)應(yīng)