第9章 數(shù)模及模數(shù)轉換器mm

1、9.1 數(shù)數(shù)/ /模轉換器（模轉換器（DAC）第第9章章 數(shù)數(shù)/ /模轉換器和模模轉換器和模/ /數(shù)轉換器數(shù)轉換器 9.2 模模/ /數(shù)轉換器（數(shù)轉換器（ADC）數(shù)數(shù)/模轉換器和模模轉換器和模/數(shù)轉換器是溝通模擬、數(shù)字領域的橋梁，數(shù)轉換器是溝通模擬、數(shù)字領域的橋梁，當今計算機廣泛用于工業(yè)控制、測量數(shù)據(jù)分析以及數(shù)字系統(tǒng)當今計算機廣泛用于工業(yè)控制、測量數(shù)據(jù)分析以及數(shù)字系統(tǒng)中的重要組成部分。對工程技術人員中的重要組成部分。對工程技術人員要求：要求： 數(shù)數(shù)/模和模模和模/數(shù)轉換的基本概念，數(shù)數(shù)轉換的基本概念，數(shù)/模轉換和模模轉換和模/數(shù)轉換電路的結構組成數(shù)轉換電路的結構組成各種類型數(shù)各種類型數(shù)/模轉換

2、電路和模模轉換電路和模/數(shù)轉換數(shù)轉換電路的工作原理電路的工作原理各種類型的數(shù)各種類型的數(shù)/模轉換電路和模模轉換電路和模/數(shù)數(shù)轉換電路的基本分析方法轉換電路的基本分析方法 數(shù)數(shù)/模與模模與模/數(shù)是計算機與外部設備的重要接口，也數(shù)是計算機與外部設備的重要接口，也是數(shù)字測量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。是數(shù)字測量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。 能將數(shù)字量轉換成模擬量的裝置稱為數(shù)能將數(shù)字量轉換成模擬量的裝置稱為數(shù)/模轉換器，模轉換器，簡稱簡稱D/A轉換器；能將模擬量轉換為數(shù)字量的裝置稱轉換器；能將模擬量轉換為數(shù)字量的裝置稱為模為模/數(shù)轉換器，簡稱數(shù)轉換器，簡稱D/A轉換器。轉換器。1、DAC的基本概念的基本概

3、念9.1 數(shù)數(shù)/ /模轉換電路（模轉換電路（DAC） 數(shù)數(shù)/模轉換器中的文字模轉換器中的文字 代表數(shù)字量，代表數(shù)字量， 代表模擬量，代表模擬量，轉換器用轉換器用 表示。目前常見的表示。目前常見的DAC中有：有權電阻網(wǎng)絡中有：有權電阻網(wǎng)絡數(shù)數(shù)/模轉換器，倒梯形電阻網(wǎng)絡數(shù)模轉換器，倒梯形電阻網(wǎng)絡數(shù)/模轉換器等。模轉換器等。構成數(shù)字代碼的每一位都具有一定的構成數(shù)字代碼的每一位都具有一定的“權重權重”。為。為了將數(shù)字量轉換成模擬量，就必須將每一位代碼按其了將數(shù)字量轉換成模擬量，就必須將每一位代碼按其“權重權重”轉換成相應的模擬量，然后再將代表各位的轉換成相應的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加，即可

4、得到與該數(shù)字量成正比的模擬量，模擬量相加，即可得到與該數(shù)字量成正比的模擬量，這就是構成這就是構成D/A變換器的基本思想。變換器的基本思想。 （1）DAC的轉換特性的轉換特性 DAC電路的作用是將輸入的數(shù)字量轉換成與輸入數(shù)字量電路的作用是將輸入的數(shù)字量轉換成與輸入數(shù)字量成正比的輸出模擬量。在轉換過程中，將輸入的二進制數(shù)字成正比的輸出模擬量。在轉換過程中，將輸入的二進制數(shù)字信號轉換成模擬信號，以電壓或電流的形式輸出。信號轉換成模擬信號，以電壓或電流的形式輸出。數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)鎖鎖存存器器電電子子開開關關電電阻阻網(wǎng)網(wǎng)絡絡求求和和放放大大 圖中數(shù)據(jù)鎖存器用來暫時存放輸入的數(shù)字信號。圖中數(shù)據(jù)鎖存器用來暫時存放輸

5、入的數(shù)字信號。n位鎖存位鎖存器的并行輸出分別控制器的并行輸出分別控制n個模擬開關的工作狀態(tài)。通過模個模擬開關的工作狀態(tài)。通過模擬開關，將參考電壓按權關系加到電阻解碼網(wǎng)絡。擬開關，將參考電壓按權關系加到電阻解碼網(wǎng)絡。 對于有權碼，先將每位代碼按其權的大小轉換成相應的模對于有權碼，先將每位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從擬量，然后相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)數(shù)字而實現(xiàn)數(shù)字/模擬轉換。當輸入的數(shù)字量是由模擬轉換。當輸入的數(shù)字量是由n位位8421BCD碼碼表示的數(shù)字信號表示的數(shù)字信號X時，其從高位到最低位的權依次為依次為時，其從高位

6、到最低位的權依次為依次為2n-1、2n-2 21、20等，其大小可表示為：等，其大小可表示為：100011221122222niiinnnnxxxxxXDAC電路的輸出模擬電壓電路的輸出模擬電壓uo（或模擬電流（或模擬電流io）為：）為： 10oo2)(niiiiuiuxRRXRRiu）（或）（或或電流轉換系數(shù)電流轉換系數(shù)電壓轉換系數(shù)電壓轉換系數(shù)01234567001010011100101110111uo/VD000 當當Ru（或（或Ri）為）為1、n時，根據(jù)上式可得時，根據(jù)上式可得DAC的的轉換特性曲線如下圖所示：轉換特性曲線如下圖所示：模擬輸出模擬輸出數(shù)字輸入數(shù)字輸入DAC的轉換特性曲線

7、的轉換特性曲線由轉換特性曲線可知，由轉換特性曲線可知，DAC電路在轉換過程中，把輸入的電路在轉換過程中，把輸入的數(shù)字量轉換成與其成正比的輸出模擬量，并以電壓或電流的數(shù)字量轉換成與其成正比的輸出模擬量，并以電壓或電流的形式輸出。形式輸出。400. 05521121DAC8100. 010231121DAC10810分辨率位分辨率位（2）DAC的主要參數(shù)的主要參數(shù) （1）分辨率）分辨率：用來說明：用來說明D/A轉換器最小輸出電壓轉換器最小輸出電壓(此時輸入此時輸入的數(shù)字代碼只有最低有效位為的數(shù)字代碼只有最低有效位為1，其余各位都是，其余各位都是 0 )與最大輸與最大輸出電壓出電壓 (此時輸入的數(shù)字

8、代碼所有各位全是此時輸入的數(shù)字代碼所有各位全是 1 )之比。之比。例 一個一個8位和一個位和一個10位的兩個位的兩個DAC，其分辨率分別為：，其分辨率分別為：從上式可看出：從上式可看出：DAC輸入數(shù)字量的輸入數(shù)字量的位數(shù)位數(shù)n越多越多，電路的，電路的。因此，有時也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來。因此，有時也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率的高低。表示分辨率的高低。 （2）絕對精度）絕對精度(或絕對誤差或絕對誤差)和非線性度和非線性度是指輸入端加對應滿刻度數(shù)字量時，是指輸入端加對應滿刻度數(shù)字量時，DAC輸出輸出的實際值與理論值之差。一般絕對誤差應低于的實際值與理論值之差。一般絕對誤差應低于uLSB/

9、2。在滿刻度范圍內(nèi)，偏離理想轉換特性的最大值稱為非線性在滿刻度范圍內(nèi)，偏離理想轉換特性的最大值稱為非線性誤差。非線性誤差與滿刻度值之比稱誤差。非線性誤差與滿刻度值之比稱度，常用百分比度，常用百分比表示。表示。（ 3）建立時間）建立時間指輸入變化后，輸出值穩(wěn)定到距最終輸出量指輸入變化后，輸出值穩(wěn)定到距最終輸出量uLSB所需的所需的時間。時間。反映了反映了DAC電路轉換的速度。電路轉換的速度。除此之外，在選用除此之外，在選用DAC器件時，還需要考慮其電源電壓、器件時，還需要考慮其電源電壓、輸出方式、輸出值范圍及輸入邏輯電平等參數(shù)。輸出方式、輸出值范圍及輸入邏輯電平等參數(shù)。2、DAC的工作原理的工作

10、原理（1）權電阻網(wǎng)絡）權電阻網(wǎng)絡DACXn-1Xn-2X2X1X0Sn-1Sn-2S2S1S0模擬模擬電子開關電子開關u0集成運放集成運放20 R21 R2n-2 R2n-1 R2n-0 R 權電阻，從最低位到權電阻，從最低位到最高位，每一個位置上最高位，每一個位置上的電阻都是相鄰高位電的電阻都是相鄰高位電阻值的阻值的2倍。倍。反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡n位二進制位二進制數(shù)字輸入數(shù)字輸入X3X2X1X0S3S2S1S020 R21 R22 R23 R 當輸入的數(shù)字信號為當輸入的數(shù)字信號為1010時，電子模擬開關的動作受此時，電子模擬開關的動作受此二進制數(shù)控制，相應為二進制數(shù)控制，相應為“ ”的開關接到位

11、置的開關接到位置1上；將基準上；將基準電壓電壓UR經(jīng)電阻引起的電流通入運放的反相輸入端，即經(jīng)電阻引起的電流通入運放的反相輸入端，即流入流入求和電路求和電路；相應數(shù)字量為；相應數(shù)字量為“ ”的權電阻的權電阻由開關由開關S直接到直接到“地地”。 權電阻網(wǎng)絡權電阻網(wǎng)絡DAC工作原理工作原理X3X2X1X0S3S2S1S020 R21 R22 R23 RRR2R31F64180802UUUIIIRRFFo078. 0645UURIu若若RF=5k，R=80k時時X3X2X1X0S3S2S1S020 R21 R22 R23 RRRRR013F6401180880480UUUUIIIIRRFFo086.

12、0640115UURIu仍有仍有RF=5k，R=80k 由于由于1011大于大于1010，所以輸出的模擬電壓由，所以輸出的模擬電壓由1010的的0.078V成正比的增加至成正比的增加至0.086V。X3X2X1X0S3S2S1S020 R21 R22 R23 RRRR23F160380280UUUIIIRRFFo094. 016035UURIu仍有仍有RF=5k，R=80k 顯然，輸出模擬電壓顯然，輸出模擬電壓的大小直接與輸入的二的大小直接與輸入的二進制數(shù)大小成正比，從進制數(shù)大小成正比，從而實現(xiàn)了數(shù)字量到模擬而實現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉換。量的轉換。 （2）倒）倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡DAC 倒

13、倒T形電阻網(wǎng)絡的形電阻網(wǎng)絡的電阻均為電阻均為R和和2R，與，與權電阻網(wǎng)絡不同。權電阻網(wǎng)絡不同。2RRRRR2R2R2R2RSn-1Sn-2S1S0S2結點結點B結點結點C結點結點D結點結點EXn-1Xn-2X2X1X0uo模擬模擬電子開關電子開關n位二進制位二進制數(shù)字輸入數(shù)字輸入基準電壓基準電壓2RRRRR2R2R2R2RSn-1Sn-2S1S0S2結點B結點C結點D結點EXn-1Xn-2X2X1X0uo輸出電壓：輸出電壓：當當R=RF時，輸出電壓：時，輸出電壓：XRRURiunFRFFo2XUunRo23、集成數(shù)、集成數(shù)/模轉換器模轉換器DA0832 DAC0832是是8位的電流輸出型位的電

14、流輸出型D/A轉換器，在對其輸入轉換器，在對其輸入8位數(shù)字量后，通過外接運放，即可獲得相應的模擬電壓。位數(shù)字量后，通過外接運放，即可獲得相應的模擬電壓。片選信號輸入端片選信號輸入端輸入鎖存允許信號端輸入鎖存允許信號端輸入數(shù)據(jù)選通信號輸入數(shù)據(jù)選通信號數(shù)據(jù)傳送選通信號數(shù)據(jù)傳送選通信號寫信號寫信號2基準電源輸入端基準電源輸入端反饋電阻反饋電阻D為數(shù)字量輸入端為數(shù)字量輸入端電流輸出端電流輸出端1和和2電源電源515V輸入端輸入端模擬模擬“地地”數(shù)字數(shù)字“地地” 當當DAC0832的控制端恒處于有效電平時，芯片為直通工的控制端恒處于有效電平時，芯片為直通工作方式。作方式。 DAC0832中無運算放大器，

15、且為電流輸出，使用中無運算放大器，且為電流輸出，使用時須外接運算放大器。芯片中已設置了時須外接運算放大器。芯片中已設置了RF，只要將，只要將9腳接到腳接到運算放大器的輸出端即可。若運算放大器增益不夠，還須運算放大器的輸出端即可。若運算放大器增益不夠，還須外加反饋電阻。外加反饋電阻。DAC0832內(nèi)部結構原理圖內(nèi)部結構原理圖XFER47D/A131619121718D7D4D3D0ILECSWR1WR281211932010URIO1IO2VCCAGNDDGNDRFLE1LE2DAC什么是什么是DAC的絕的絕對精度、非線性對精度、非線性及轉換速度及轉換速度？DAC電路轉換特性電路轉換特性的含義是

16、什么？請的含義是什么？請寫出其表達式寫出其表達式。DAC電路轉換特性是指它能將電路轉換特性是指它能將輸入的數(shù)字量轉換成與其成正輸入的數(shù)字量轉換成與其成正比的模擬量。表達式為：比的模擬量。表達式為：10oo)2()()(niiiiuxRRiu 已知某已知某DAC電路的最小電路的最小分辨電壓為分辨電壓為40mV，最大滿，最大滿刻度輸出電壓為刻度輸出電壓為10.2V, ,試試求該電路輸入二進制數(shù)字求該電路輸入二進制數(shù)字 量的位數(shù)量的位數(shù)n=？. .因為：因為： = =所以：將已知數(shù)據(jù)代入所以：將已知數(shù)據(jù)代入公式可求得公式可求得n= 8。 uLSBum12n-1 絕對精度是指輸入端給定數(shù)字量時絕對精度

17、是指輸入端給定數(shù)字量時，DAC輸出輸出的實際值與理論值之差；非線性指在滿刻度范圍的實際值與理論值之差；非線性指在滿刻度范圍內(nèi)，偏離理想轉換特性的最大值與滿刻度之比；內(nèi)，偏離理想轉換特性的最大值與滿刻度之比；轉換速度則是指從數(shù)字量輸入到模擬電壓穩(wěn)定輸轉換速度則是指從數(shù)字量輸入到模擬電壓穩(wěn)定輸出之間所需要的時間出之間所需要的時間。 R-2R倒倒T形電阻網(wǎng)絡流過各形電阻網(wǎng)絡流過各支路的電流恒定不變，在開支路的電流恒定不變，在開關狀態(tài)變化時，不需電流建關狀態(tài)變化時，不需電流建立時間，而且立時間，而且R-2R倒倒T型型電電阻網(wǎng)絡阻網(wǎng)絡DAC轉換器中采用了轉換器中采用了高速電子開關，所以轉換速高速電子開關

18、，所以轉換速度很高，在數(shù)模轉換器中被度很高，在數(shù)模轉換器中被廣泛采用。廣泛采用。 R-2R倒倒T型電型電阻網(wǎng)絡具有哪些阻網(wǎng)絡具有哪些特點？特點？DAC0832數(shù)模轉數(shù)模轉換器是采用什么換器是采用什么制造工藝制造工藝？ DAC0832數(shù)模數(shù)模轉換器采用的是轉換器采用的是CMOS工藝制成工藝制成的雙列直插式單的雙列直插式單片片8 8位數(shù)模轉換位數(shù)模轉換器，以電流形式器，以電流形式輸出。輸出。學習中一定要勤于思索主動練習，才能掌握已學知識。學習中一定要勤于思索主動練習，才能掌握已學知識。9.2 模模/ /數(shù)轉換電路（數(shù)轉換電路（ADC） 1、ADC的基本概念和轉換原理的基本概念和轉換原理 在模擬量轉

19、換為數(shù)字量的過程中，由于輸入的模擬量在在模擬量轉換為數(shù)字量的過程中，由于輸入的模擬量在時間上是連續(xù)的，而輸出的數(shù)字量是離散的，所以進行轉時間上是連續(xù)的，而輸出的數(shù)字量是離散的，所以進行轉換時只能在一系列選定的瞬間對輸入的模擬量采樣后再轉換時只能在一系列選定的瞬間對輸入的模擬量采樣后再轉換為輸出的數(shù)字量。換為輸出的數(shù)字量。 模模/數(shù)轉換器的作用就是將輸入的模擬電壓數(shù)字化。轉換數(shù)轉換器的作用就是將輸入的模擬電壓數(shù)字化。轉換過程一般通過采樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。實過程一般通過采樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。實際電路中，這些過程有的通常是合并進行的，例如，取樣際電路中，這些過程有的通常是

20、合并進行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現(xiàn)的。和保持，量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現(xiàn)的。輸入模擬電壓輸入模擬電壓uiCP采樣保持電路采樣保持電路取樣展寬信號取樣展寬信號uiSADC電子開關電子開關S受受CP控制控制 采樣過程是通過模擬電子開采樣過程是通過模擬電子開關關 實現(xiàn)的。模擬電子開關每實現(xiàn)的。模擬電子開關每隔一定的時間間隔閉合一次，隔一定的時間間隔閉合一次，當一個連續(xù)的模擬信號通過這當一個連續(xù)的模擬信號通過這個電子開關時，就會轉換成若個電子開關時，就會轉換成若干個離散的脈沖信號。干個離散的脈沖信號。.Dn-1D1D0ADC的的量化量化編碼電路編碼電路 通

21、過采樣脈沖的作用，轉通過采樣脈沖的作用，轉換成時間上離散、但幅值上換成時間上離散、但幅值上仍連續(xù)的離散模擬信號。仍連續(xù)的離散模擬信號。N位數(shù)字量位數(shù)字量輸輸 出出 量化編碼就是先將幅值連量化編碼就是先將幅值連續(xù)可變的采樣信號量化成幅續(xù)可變的采樣信號量化成幅值有限的離散信號，再將這值有限的離散信號，再將這些離散信號用對應量化電平些離散信號用對應量化電平的一組二進制代碼表示。的一組二進制代碼表示。 采樣是將時間上、幅值上都連續(xù)變化的模擬信號，通過采樣是將時間上、幅值上都連續(xù)變化的模擬信號，通過采樣脈沖的作用，轉換成時間上離散、但幅值上仍連續(xù)的采樣脈沖的作用，轉換成時間上離散、但幅值上仍連續(xù)的離散模

22、擬信號。因此采樣又稱為波形的離散化過程。離散模擬信號。因此采樣又稱為波形的離散化過程。（1）采樣保持電路）采樣保持電路CPSADCuiu0采樣保持電路采樣保持電路 CP 時，采樣開關時，采樣開關S接通，接通，ui信信號被采樣，并送到電容號被采樣，并送到電容C中暫存。中暫存。輸入的模擬信號的最高頻率分量為輸入的模擬信號的最高頻率分量為fmax，采樣信號頻率，采樣信號頻率為為fs，如果，如果fs2fmax，則可以無失真地復現(xiàn)輸入信號。，則可以無失真地復現(xiàn)輸入信號。 CP 時，采樣開關時，采樣開關S斷開，前斷開，前面采樣得到的電壓信號在電容面采樣得到的電壓信號在電容C上保持，直到下一個上保持，直到下

23、一個CP 信信號到來，再對新的電壓信號進號到來，再對新的電壓信號進行采樣。行采樣。ui采樣電路的采樣電路的輸入信號波形輸入信號波形采樣電路的采樣電路的波形波形tu采樣采樣時間時間采樣采樣時間時間 為保證采樣后的離散模擬信號能夠基本上真實地保留原為保證采樣后的離散模擬信號能夠基本上真實地保留原始模擬信號始模擬信號ui的信息，采樣信號的頻率必須至少為原信號的信息，采樣信號的頻率必須至少為原信號中最高頻率成分中最高頻率成分fimax的的2倍，這是采樣電路的基本法則，也倍，這是采樣電路的基本法則，也就是前面我們所說的就是前面我們所說的。數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，而且數(shù)值大小的數(shù)字信號不僅在時間上是

24、離散的，而且數(shù)值大小的變化也是不連續(xù)的。即任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)變化也是不連續(xù)的。即任何一個數(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。因此，在進行定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。因此，在進行A/D轉換時也必轉換時也必須須把采樣電壓化為這個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這一轉化過把采樣電壓化為這個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這一轉化過程稱為程稱為“量化量化”。兩個量化電壓之間的差值稱為兩個量化電壓之間的差值稱為量化間隔量化間隔，量化電壓的位，量化電壓的位數(shù)越多，量化等級越細，數(shù)越多，量化等級越細，的數(shù)值就越小。顯然，量化編碼的數(shù)值就越小。顯然，量化編碼電路的作用是先將幅值連續(xù)可變的采樣信號量化成幅

25、值有限電路的作用是先將幅值連續(xù)可變的采樣信號量化成幅值有限的離散信號，再將量化后的信號用對應該量化電平的一組二的離散信號，再將量化后的信號用對應該量化電平的一組二進制代碼表示。量化間隔進制代碼表示。量化間隔 是數(shù)字量最低位為是數(shù)字量最低位為1時所對應的模時所對應的模擬量，即擬量，即ULSB。將量化后的信號用對應量化電平的一組二進制代碼將量化后的信號用對應量化電平的一組二進制代碼來表示的過程稱為編碼。來表示的過程稱為編碼。（2）量化編碼電路）量化編碼電路 采樣值量化的方法通常有四舍五入法和舍尾取整法。采樣值量化的方法通常有四舍五入法和舍尾取整法。已知已知1V。當采樣電壓等于。當采樣電壓等于2.3

26、V時，小數(shù)點后的尾數(shù)時，小數(shù)點后的尾數(shù)不足不足0.5V，根據(jù)舍尾取整原則，量化電壓應等于，根據(jù)舍尾取整原則，量化電壓應等于2V。：當最小量化間隔為：當最小量化間隔為時，若采樣電壓的尾數(shù)時，若采樣電壓的尾數(shù)不足不足/2，則舍尾取整得其量化值。，則舍尾取整得其量化值。已知已知1V。當采樣電壓等于。當采樣電壓等于2.6V時，小數(shù)點后的尾數(shù)時，小數(shù)點后的尾數(shù)大于大于0.5V，根據(jù)四舍五入原則，量化電壓應等于，根據(jù)四舍五入原則，量化電壓應等于3V。：當最小量化間隔為：當最小量化間隔為時，若采樣電壓的尾數(shù)時，若采樣電壓的尾數(shù)大于大于/2，則四舍五入得其量化值。，則四舍五入得其量化值。 量化當量量化當量的數(shù)

27、值越小，量化的等級越細。但無論是用哪的數(shù)值越小，量化的等級越細。但無論是用哪一種量化方式，在量化過程中都必然存在被測輸入量與量化一種量化方式，在量化過程中都必然存在被測輸入量與量化值之間的誤差。值之間的誤差。 量化誤差用量化誤差用表示。量化誤差屬原理誤差，是無法消除的。表示。量化誤差屬原理誤差，是無法消除的。但是，各離散電平之間的差值越小，量化誤差就越小。但是，各離散電平之間的差值越小，量化誤差就越小。采用舍尾取整法時，最大量化誤差為：采用舍尾取整法時，最大量化誤差為：LSBmax1U采用四舍五入法時，最大量化誤差為：采用四舍五入法時，最大量化誤差為：21max 如果在實際量化過程中減小量化誤

28、差，需在測量范圍內(nèi)如果在實際量化過程中減小量化誤差，需在測量范圍內(nèi)減小量化間隔減小量化間隔，即增加數(shù)字量，即增加數(shù)字量X的位數(shù)和模擬電壓的最大的位數(shù)和模擬電壓的最大值值Umax。四舍五入量化方式的量化當量應按下式選?。骸Ｋ纳嵛迦肓炕绞降牧炕斄繎聪率竭x?。?221nImU比較比較LSBmax1U21max和和可以看出，可以看出，四舍五入法的量化誤差比舍尾取整法的量化誤差小，所以實四舍五入法的量化誤差比舍尾取整法的量化誤差小，所以實用中的用中的ADC多采用四舍五入法。多采用四舍五入法。將一個變化范圍為將一個變化范圍為0 1V的模擬信號電壓轉換成三位二進制數(shù)的模擬信號電壓轉換成三位二進制數(shù)字量

29、代碼。字量代碼。先把先把1V電壓分成電壓分成238個離散電平，分別是個離散電平，分別是0V、1/8V、2/8V、3/8V7/8V、1V。即量化間隔即量化間隔1/8V：模擬電壓模擬電壓0V1/8 V2/8 V3/8 V4/8 V5/8 V6/8 V7/8 V1V二進制編碼二進制編碼000001010011100101110111代碼對應的模擬離散電平代碼對應的模擬離散電平0 0V 11/8 V22/8 V3 3/8 V44/8 V55/8 V66/8 V77/8 V 此例中若采用四舍五入法時，量化誤差此例中若采用四舍五入法時，量化誤差=1/2=1/4 V。 通常用通常用ADC輸出的二進制位數(shù)來表

30、示。位數(shù)越多，誤差輸出的二進制位數(shù)來表示。位數(shù)越多，誤差越小，轉換精度越高。越小，轉換精度越高。 指指ADC完成一次對模擬量的測量到數(shù)字量的轉換完成所完成一次對模擬量的測量到數(shù)字量的轉換完成所需的時間。它反映了需的時間。它反映了ADC轉換的快慢速度。轉換的快慢速度。 指指ADC轉換后所得數(shù)字量所代表的模擬量與實際模擬輸轉換后所得數(shù)字量所代表的模擬量與實際模擬輸入值之差，通常以數(shù)字量最低位所代表的模擬輸入值入值之差，通常以數(shù)字量最低位所代表的模擬輸入值ULSB的倍數(shù)來衡量。的倍數(shù)來衡量。 2、ADC的主要技術指標的主要技術指標3、逐次比較型、逐次比較型ADC電路組成及工作原理電路組成及工作原理(

31、1)逐次比較型逐次比較型ADC的電路組成的電路組成輸出數(shù)字量經(jīng)輸出數(shù)字量經(jīng)DAC轉換后產(chǎn)生相轉換后產(chǎn)生相應的模擬電壓應的模擬電壓uF，送到比較器中與，送到比較器中與輸入信號輸入信號ui進行比較，進行比較，ui大時比較大時比較器輸出器輸出“1”，否則為，否則為“0”。輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量模擬信號輸入模擬信號輸入uF反饋電壓反饋電壓轉換開始前寄存器清零。轉轉換開始前寄存器清零。轉換后，在換后，在CP作用下，邏輯作用下，邏輯控制器首先使寄存器中最高控制器首先使寄存器中最高有效位置有效位置“1”。(2)工作原理工作原理逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器讀出讀出“與與”門門邏輯邏輯控制門控制門電壓電壓比較器比

32、較器四四 位位 DACQFF3SRQSRQSRd0 UiCPd1d2E11QSRFF2FF1FF01UAd3五位順序脈沖發(fā)生器五位順序脈沖發(fā)生器Q4Q3Q2Q1Q0d0d1d2d3 逐次比較型逐次比較型ADCADC是集成是集成ADCADC芯片中使用較多的一種，它通過對輸芯片中使用較多的一種，它通過對輸入量的多次比較，最終得到輸入模擬電壓量化編碼的輸出。入量的多次比較，最終得到輸入模擬電壓量化編碼的輸出。 當當uiuF時，比較器輸出時，比較器輸出0 0，控制器控制寄存器保留最高位的，控制器控制寄存器保留最高位的1 1，次高位置，次高位置“ ”；當；當uiuF時，比較器輸出時，比較器輸出“ ”，控

33、制器控，控制器控制寄存器最高位置制寄存器最高位置“ ”，次高位置，次高位置“ ”。寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)經(jīng)。寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)經(jīng)DAC電路后輸出反饋信號到比較器，進行第二次比較，并將比電路后輸出反饋信號到比較器，進行第二次比較，并將比較結果送入邏輯控制器，送入較結果送入邏輯控制器，送入“ ”時保留寄存器中高兩位的值時保留寄存器中高兩位的值，并將第三位置，并將第三位置“ ”，若送入，若送入1 1保留最高位，次高位置保留最高位，次高位置“ ”，第三位置第三位置“ ”，寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)經(jīng)，寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)經(jīng)DAC電路后輸出反饋信號到比電路后輸出反饋信號到比較器，較器，經(jīng)過逐次比較，直至得到寄存器中最低位的比較結經(jīng)過逐次比較

34、，直至得到寄存器中最低位的比較結果。比較完畢，寄存器中的狀態(tài)果。比較完畢，寄存器中的狀態(tài)( (即產(chǎn)生的數(shù)碼即產(chǎn)生的數(shù)碼) )就是所要求的就是所要求的ADC輸出的數(shù)字量。輸出的數(shù)字量。工作原理文字說明工作原理文字說明 雙積分型雙積分型ADC的基本的基本原理是對輸入模擬電壓原理是對輸入模擬電壓ui和參考電壓各進行一次和參考電壓各進行一次積分，先將模擬電壓積分，先將模擬電壓ui轉轉換成與其大小相對應的換成與其大小相對應的時間間隔時間間隔T，再在此時間，再在此時間間隔內(nèi)用計數(shù)頻率不變間隔內(nèi)用計數(shù)頻率不變的計數(shù)器進行計數(shù)，計的計數(shù)器進行計數(shù)，計數(shù)器所計下的數(shù)字量正數(shù)器所計下的數(shù)字量正比于輸入的模擬電壓比

35、于輸入的模擬電壓ui。 度較慢，但是它的電路不復雜，在數(shù)字萬用表等對速度要度較慢，但是它的電路不復雜，在數(shù)字萬用表等對速度要求不高的場合，常使用雙積分型求不高的場合，常使用雙積分型ADC。 雙積分型雙積分型ADC的轉換速的轉換速4、雙積分型、雙積分型ADC的結構組成及工作原理的結構組成及工作原理URuiS1RS2CUo積分器積分器比較器比較器數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出A1A2邏輯控制器邏輯控制器n位位計數(shù)器計數(shù)器（1）結構組成）結構組成S1S2Qn-1Qn-2Q1Q0積分器積分器過零比較器過零比較器uGuo2uo1uiUR 雙積分型雙積分型ADC在積分前，計數(shù)器應先清零，然后閉合電在積分前，計數(shù)器應

36、先清零，然后閉合電子開關子開關S2，隨后再把，隨后再把S2打開，把電容打開，把電容C上儲存的電荷電壓釋上儲存的電荷電壓釋放掉。時鐘脈沖源采用標準周期，作為測量時間間隔的標放掉。時鐘脈沖源采用標準周期，作為測量時間間隔的標準時間。準時間。S1S2Qn-1Qn-2Q1Q0積分器積分器過零比較器過零比較器uGuo2uo1uiUR 在采樣階段，開關在采樣階段，開關S1與被測電壓接通，與被測電壓接通，S2打開。被測電壓打開。被測電壓被送入積分器進行積分，積分器輸出電壓小于被送入積分器進行積分，積分器輸出電壓小于 ，比較器輸，比較器輸出高電平出高電平 ，邏輯控制器控制計數(shù)器開始計數(shù)，對被測電壓，邏輯控制器

37、控制計數(shù)器開始計數(shù)，對被測電壓的的積分持續(xù)到計數(shù)器由全積分持續(xù)到計數(shù)器由全1變?yōu)槿優(yōu)槿?的瞬間的瞬間。（2）工作原理）工作原理S1S2Qn-1Qn-2Q1Q0積分器積分器過零比較器過零比較器uGuo2uo1uiURiTiuRCTdtRuCu101o11 當計數(shù)器為當計數(shù)器為n位時，計數(shù)時間位時，計數(shù)時間T1=2nTC(TC是時鐘脈沖的周是時鐘脈沖的周期期)。這時積分器的輸出電壓為：。這時積分器的輸出電壓為：S1S2Qn-1Qn-2Q1Q0積分器積分器過零比較器過零比較器uGuo2uo1uiUR 當計數(shù)器由全當計數(shù)器由全1變?yōu)槿優(yōu)槿?時，進入比較階段，控制器使時，進入比較階段，控制器使S1與

38、參考電壓與參考電壓UR相接，這時積分器對相接，這時積分器對UR反向積分，電反向積分，電壓壓uo逐漸上升，計數(shù)器又從逐漸上升，計數(shù)器又從0開始計數(shù)。當積分器積分至開始計數(shù)。當積分器積分至uo=0時，比較器輸出低電平時，比較器輸出低電平0，控制器封鎖，控制器封鎖CP脈沖，使計脈沖，使計數(shù)器停止計數(shù)。數(shù)器停止計數(shù)。S1S2Qn-1Qn-2Q1Q0積分器積分器過零比較器過零比較器uGuo2uo1uiUR 若計數(shù)器的輸出數(shù)碼為若計數(shù)器的輸出數(shù)碼為D，此時積分器的輸出電壓與計，此時積分器的輸出電壓與計數(shù)器的輸出數(shù)碼之間的關系為：數(shù)器的輸出數(shù)碼之間的關系為：01112012iRTRiuTUTRCdtRUCu

39、RCTS1S2Qn-1Qn-2Q1Q0積分器積分器過零比較器過零比較器uGuo2uo1uiUR 此時此時T2=DTC，所以：所以：iRnRCiuUUTuTD21 顯然，計數(shù)器輸出的數(shù)碼與被測電壓成正比，可以用來顯然，計數(shù)器輸出的數(shù)碼與被測電壓成正比，可以用來表示模擬量的采樣值。表示模擬量的采樣值。S1S2Qn-1Qn-2Q1Q0積分器積分器過零比較器過零比較器uGuo2uo1uiUR 雙積分型雙積分型ADC的轉換精度很高，但轉換速度較慢，不適的轉換精度很高，但轉換速度較慢，不適合高速應用場合。但是雙積分型合高速應用場合。但是雙積分型ADC的電路不復雜，在數(shù)的電路不復雜，在數(shù)字萬用表等對速度要求

40、不高的場合下，仍然得到了較為廣字萬用表等對速度要求不高的場合下，仍然得到了較為廣泛的使用。泛的使用。3、集成、集成ADC0809簡介簡介 左圖是左圖是ADC0809集成芯片的引集成芯片的引腳圖。它是一個腳圖。它是一個28腳的芯片，采用腳的芯片，采用CMOS工藝制成的工藝制成的8位位ADC，內(nèi)部，內(nèi)部采用逐次比較結構形式。各引腳的采用逐次比較結構形式。各引腳的作用如下：作用如下： IN0IN7 為為8個模擬信號輸入端。個模擬信號輸入端。由地址譯碼器控制將其中一路送入由地址譯碼器控制將其中一路送入轉換器進行轉換。轉換器進行轉換。 ADDA、ADDB、ADDC 是模擬是模擬信道的地址選擇。信道的地址

41、選擇。 CP為時鐘脈沖輸入端。為時鐘脈沖輸入端。ALE是地址鎖存允許信號，高電平是地址鎖存允許信號，高電平時可進行模擬信道的地址選擇；時可進行模擬信道的地址選擇；START是啟動信號。上升沿是啟動信號。上升沿將寄存器清零，下降沿開始進行轉換；將寄存器清零，下降沿開始進行轉換；EOC為模數(shù)轉換結束為模數(shù)轉換結束，高電平有效；，高電平有效；D0D7 是數(shù)字量輸出端口；是數(shù)字量輸出端口；UR(+)為正參考電為正參考電壓輸出；壓輸出；UR(-)是負參考電壓輸出。是負參考電壓輸出。 集成集成ADC0809芯片內(nèi)部包括芯片內(nèi)部包括模擬多路轉換開關和模擬多路轉換開關和A/D轉換轉換兩大部分。兩大部分。 模擬

42、多路轉換開關由模擬多路轉換開關由8路模路模擬開關和擬開關和3位地址鎖存器與譯位地址鎖存器與譯碼器組成，地址鎖存器允許信碼器組成，地址鎖存器允許信號號ALE將三位地址信號將三位地址信號ADDC、ADDB和和ADDA進行鎖存，然進行鎖存，然后由譯碼電路選通其中一路摸后由譯碼電路選通其中一路摸信號加到信號加到A/D轉換部分進行轉轉換部分進行轉換。換。A/D轉換部分包括比較器、逐次逼近寄存器轉換部分包括比較器、逐次逼近寄存器SAR、256R電阻網(wǎng)絡、樹狀電子開關、控制與時序電路等，另外具有三電阻網(wǎng)絡、樹狀電子開關、控制與時序電路等，另外具有三態(tài)輸出鎖存緩沖器，其輸出數(shù)據(jù)線可直接連態(tài)輸出鎖存緩沖器，其輸

43、出數(shù)據(jù)線可直接連CPU的數(shù)據(jù)總線。的數(shù)據(jù)總線。ADC0809集成電路結構組成框圖集成電路結構組成框圖 ADC0809通過通過IN0IN7可輸入八路單端模擬電壓?？奢斎氚寺穯味四M電壓。ALE將將三位地址線三位地址線ADDC、ADDB和和ADDA進行鎖存，然后由譯碼進行鎖存，然后由譯碼電路選通八路模擬輸入中的某一路進行電路選通八路模擬輸入中的某一路進行A/D轉換。轉換。 ADC0809內(nèi)部由樹狀開關和內(nèi)部由樹狀開關和256R電阻網(wǎng)絡構成電阻網(wǎng)絡構成8位位D/A轉換器，輸入為逐次近似寄存器轉換器，輸入為逐次近似寄存器SAR的的8位二進制數(shù)據(jù)，位二進制數(shù)據(jù)，輸出為輸出為UST，變換器的參考電壓為，變

44、換器的參考電壓為UR(+)和和UR(-)。 USTUIN時比較器輸出邏輯時比較器輸出邏輯 1，SAR的最高位保持的最高位保持1。此后。此后SAR的次高位置的次高位置1，其余較低位仍為，其余較低位仍為0，而以前比較過的高位保，而以前比較過的高位保持原來值。再將持原來值。再將UST和和UIN進行比較。之后的過程與上述類似，進行比較。之后的過程與上述類似，直到最低位比較完為止。直到最低位比較完為止。 轉換結束后，轉換結束后，SAR的數(shù)字送三態(tài)輸出鎖存器以供讀出。的數(shù)字送三態(tài)輸出鎖存器以供讀出。 比較前，比較前，SAR全全 0，變，變換開始，先使換開始，先使SAR的最高的最高位為位為1，其余仍為，其余仍為0，此數(shù)，此數(shù)字控制樹狀開關輸出字控制樹狀開關輸出UST，UST和模擬輸入和模擬輸入UIN送比較送比較器進行比較。器進行比較。USTUIN時時比較器輸出邏輯比較器輸出邏輯0，SAR 的最高位由的最高位由1變?yōu)樽優(yōu)?；4A/D轉換器和轉換器和D/A轉換器的主要技術參數(shù)是轉換精度和轉轉換器的主要技術參數(shù)是轉換精度和轉換速度