數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器課件

1、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器1第第11章章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)或是模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)是常用數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)或是模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)是常用的信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)，在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。本章先介紹各種的信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)，在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。本章先介紹各種數(shù)模轉(zhuǎn)換器，然后介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換器，除介紹工作原理與轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器，然后介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換器，除介紹工作原理與轉(zhuǎn)換器技術(shù)參數(shù)外，還介紹幾種實(shí)際的轉(zhuǎn)換器技術(shù)參數(shù)外，還介紹幾種實(shí)際的轉(zhuǎn)換器 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器211.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)字（數(shù)字（digital）信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬（）

2、信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬（analog）信號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)為）信號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)為d/a轉(zhuǎn)換。在很多電轉(zhuǎn)換。在很多電子系統(tǒng)中，子系統(tǒng)中，d/a轉(zhuǎn)換是不可缺少的重要組成部分，。轉(zhuǎn)換是不可缺少的重要組成部分，。運(yùn)算放大器符號(hào)與電路如圖運(yùn)算放大器符號(hào)與電路如圖11-1所示。所示。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器3由圖 11-1（a）所示的符號(hào)可知運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放）具有同相輸入端、反相輸入端和一個(gè)輸出端，其放大倍數(shù)為 a，輸入電阻為 ri，放大器輸出電壓表達(dá)式為 vo=a（v+v） ，就是說(shuō)運(yùn)放放大輸入信號(hào)之差。通常運(yùn)放具有正負(fù)電源，輸出電壓vo只能在正負(fù)電源之間擺動(dòng)。 若是放大倍數(shù)a，輸入電阻 ri ，則為理

3、想運(yùn)放。因?yàn)?vo為有限值（正電源電壓或是負(fù)電源電壓） ，則由表達(dá)式 vo=a（v+v）可知兩輸入端電位 v+v0，說(shuō)明兩個(gè)輸入端電位相等，相當(dāng)于短路；又由于ri ，可知輸入電流 ii0，因此兩輸入端之間沒(méi)有真短路，習(xí)慣稱(chēng)為虛短路。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器4圖 11-1（b）所示的是反相運(yùn)算放大器，其輸出信號(hào)的相位與輸入信號(hào)相反。由圖可知，由于同相端接地，基于虛短，運(yùn)放反相端電位為地電位，稱(chēng)為虛地。由于輸入電流 ii=0，所以流過(guò)電阻 r1的電流 i1等于流過(guò)反饋電阻 rf的 if，因此有： oi1f00vvrr 得到反相放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為： foi1rv

4、vr 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器5圖 11-1（c）是同相運(yùn)算放大器，由于輸入信號(hào)vi加在同相端，由于虛短，反相端電壓也為 vi，因此有 ioi1f0vvvrr 可以得到同相放大器的輸出 vo與輸入電壓 vi之間的關(guān)系為： foi11rvvr 由于運(yùn)放的放大倍數(shù) a 很大，因此運(yùn)算放大器可以作為模擬信號(hào)比較器，例如，如果 v+v，則輸出電壓 vo近似等于正電源電壓值；若是 v+v，則輸出電壓 vo近似等于負(fù)電源電壓值。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器611.1.1 權(quán)電阻權(quán)電阻d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻數(shù)權(quán)電阻數(shù)/模轉(zhuǎn)換器電路如圖模轉(zhuǎn)換器電路如圖11-2所示。圖中開(kāi)關(guān)

5、分別受數(shù)所示。圖中開(kāi)關(guān)分別受數(shù)字信號(hào)字信號(hào)d3d0控制，當(dāng)數(shù)字控制，當(dāng)數(shù)字信號(hào)為信號(hào)為1時(shí)，開(kāi)關(guān)的動(dòng)觸點(diǎn)連時(shí)，開(kāi)關(guān)的動(dòng)觸點(diǎn)連接接vref，數(shù)字信號(hào)為，數(shù)字信號(hào)為0時(shí)，開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)的動(dòng)觸點(diǎn)連接地線(xiàn)。關(guān)的動(dòng)觸點(diǎn)連接地線(xiàn)。 由于運(yùn)算放大器同相端接地，所以反相端為虛地，電位為 0，則有： ref008vidr ref114vidr ref222vidr ref33vidr 由于運(yùn)放輸入阻抗很大，因此運(yùn)放輸入電流 ii=0，則有 refrefrefreff012301233210012303ref12ref01233210312222222222222vvvviiiiiddddrddvddvddddrr（

6、） 而運(yùn)放的輸出電壓為offvi r 。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器7*11.1.2 輸出電壓型輸出電壓型r/2r電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 圖圖11-5顯示的是顯示的是4位輸出電壓型位輸出電壓型r/2r梯形電阻梯形電阻d/a轉(zhuǎn)換器電路。轉(zhuǎn)換器電路。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器8數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器9數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器10數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器11數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器12使用的使用的r/2r電電阻網(wǎng)絡(luò)阻網(wǎng)絡(luò)d/a轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器電路如圖器電路如圖11-10所示所示 數(shù)字電子

7、技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器1311.1.3 輸出電流型輸出電流型r/2r電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器圖圖11-11所示是所示是4位輸出電流型位輸出電流型r/2r電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)d/a轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換器電路 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器14數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器15數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器16數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器1711.1.5 d/a轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)1臺(tái)階電壓臺(tái)階電壓臺(tái)階電壓是 d/a 轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)碼每位代表的電壓值。n 位 d/a 轉(zhuǎn)換器，具有滿(mǎn)度理想輸出電壓為 vfull，則臺(tái)階電壓為：v

8、step=vfull/2n。 臺(tái)階電壓也是d/a 轉(zhuǎn)換器最低位 lsb 所代表的電壓。 根據(jù)前述d/a 轉(zhuǎn)換器工作原理， d/a轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)度理想輸出電壓 vfull就是參考電壓 vref，而實(shí)際滿(mǎn)度輸出電壓與理想滿(mǎn)度輸出電壓之間相差一個(gè)臺(tái)階電壓，這是因?yàn)槔硐霛M(mǎn)度輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為 2n，而實(shí)際滿(mǎn)度輸出的數(shù)字量為 2n1。 例如對(duì)于理想滿(mǎn)度電壓為 5v 的 8 位 d/a 轉(zhuǎn)換器，其臺(tái)階電壓 vstep=5v/28=5000 mv/256=19.5 mv。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器18圖 11-14（a）顯示的是一個(gè) 8 位 d/a 轉(zhuǎn)換器的實(shí)驗(yàn)電路，圖中8 位加法計(jì)數(shù)器向 8

9、 位 d/a轉(zhuǎn)換器提供數(shù)碼，則 d/a 轉(zhuǎn)換器輸出具有臺(tái)階的鋸齒電壓如圖 11-14（b）所示。 8 位 d/a 轉(zhuǎn)換器在數(shù)碼為 0000 0000 時(shí)，輸出電壓 vo為 0 v； 當(dāng)數(shù)碼為 0000 0001 時(shí)，輸出為 19.5 mv。 當(dāng)數(shù)碼為 1111 1110 時(shí)，輸出為 4.96 v。 當(dāng)數(shù)碼為 1111 1111 時(shí)，輸出為 4.98 v。 由上所述，對(duì)于 d/a 轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，只能輸出臺(tái)階電壓值，在臺(tái)階電壓之間的模擬電壓值是不能輸出的。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器192分辨率 d/a 轉(zhuǎn)換的分辨率是每個(gè)臺(tái)階代表的模擬電壓值占理想滿(mǎn)度輸出電壓vfull的百分比，因此

10、n 位 d/a 轉(zhuǎn)換器的分辨率為： 分辨率=vstep/vfull=1/2n 因?yàn)榉直媛逝c d/a 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)成固定關(guān)系，所以有時(shí)人們也常把 d/a 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)稱(chēng)為分辨率，位數(shù)越大，分辨率越高。 例如，8 位 d/a 轉(zhuǎn)換器的分辨率約為 0.4%； 10 位 d/a 轉(zhuǎn)換器的分辨率約為 0.1%； 12 位 d/a 轉(zhuǎn)換器的分辨率約為 0.024%。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器203精度 d/a 轉(zhuǎn)換器的精度是實(shí)際輸出與理想輸出之間的偏差，通常用 d/a 轉(zhuǎn)換器滿(mǎn)度輸出電壓的百分比誤差表示。例如，如果d/a 轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)度輸出電壓為10 v，實(shí)際輸出是9.990 v，誤差為1

11、0 mv，則精度用百分比誤差表示為（10 v9.990 v）/10 v=0.1%。 影響d/a 轉(zhuǎn)換器精度的因素主要為分辨率、單調(diào)性、偏移誤差、增益誤差、微分非線(xiàn)性誤差與線(xiàn)性誤差等。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器21（1）偏移誤差 偏移誤差又稱(chēng)為零點(diǎn)誤差或失調(diào)誤差。當(dāng) d/a 轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字為全 0 時(shí)，則 d/a 轉(zhuǎn)換器輸出電壓應(yīng)該為 0 v，但是由于偏移誤差的存在，d/a 轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字為 0 時(shí)，輸出電壓不為 0 v，這個(gè)差別就是偏移誤差。偏移誤差示意圖如圖 11-15（a）所示。 在一定溫度下偏移誤差可以用在模擬輸出電壓上疊加一個(gè)可調(diào)整電壓的方法消除。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)

12、第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器22（2）增益誤差 實(shí)際 d/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換函數(shù)（直線(xiàn)）與理想轉(zhuǎn)換函數(shù)（直線(xiàn)）之間的角度差引起的誤差。常由參考電壓 vref引起。因?yàn)?vo=（vref/2n）輸入數(shù)字，因此 vref/2n是增益系數(shù)。增益誤差示意圖如圖 11-15（b）所示。在消除偏移誤差后，向 d/a 轉(zhuǎn)換器輸入全 1 數(shù)碼，其實(shí)際輸出與理想輸出之間的偏差就是增益誤差，一般以 lsb 為單位表示，或是相對(duì)于滿(mǎn)度輸出的百分比表示。當(dāng)溫度固定時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整參考電壓 vref來(lái)校正增益誤差。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器23（3）線(xiàn)性誤差 線(xiàn)性誤差是 d/a 轉(zhuǎn)換器實(shí)際傳輸特性與理想傳輸

13、特性之間的最大偏差， 并以該偏差相對(duì)于滿(mǎn)度輸出電壓的百分?jǐn)?shù)表示。又稱(chēng)為積分非線(xiàn)性誤差，因此線(xiàn)性誤差描述的是傳遞函數(shù)的形狀。該誤差示意圖如圖 11-16（a）所示。 d/a 轉(zhuǎn)換器的非線(xiàn)性誤差不容易用外部校正方法補(bǔ)償，但是可以通過(guò)調(diào)整零點(diǎn)和滿(mǎn)度輸出點(diǎn)使該誤差均勻分布在理想直線(xiàn)的兩側(cè)，而使非線(xiàn)性誤差最小，這種情況如圖 11-15（b）所示。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器24（4）單調(diào)性 以加法計(jì)數(shù)器輸出作為輸入的d/a 轉(zhuǎn)換器，如果輸出像樓梯一樣梯形的遞升電壓，則稱(chēng)為單調(diào) d/a 轉(zhuǎn)換器。 但有時(shí)由于模擬開(kāi)關(guān)內(nèi)阻、電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻值不一致、制作工藝等問(wèn)題，d/a 轉(zhuǎn)換器會(huì)出現(xiàn)非單調(diào)性引

14、起的誤差，圖 11-17 所示的是單調(diào)性輸出與具有誤差的非單調(diào)性輸出的情況。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器25（5）微分非線(xiàn)性誤差 兩相鄰輸入數(shù)字對(duì)應(yīng)模擬量之差，減去 1 個(gè) lsb 對(duì)應(yīng)的模擬量，就是微分非線(xiàn)性誤差。例如，輸入數(shù)字 001與010之間的模擬量之差為1.5lsb， 則誤差為0.5lsb。 該誤差主要由 d/a轉(zhuǎn)換器電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻、 切換開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻等誤差引起。 該誤差示意圖如圖 11-17 （b） 和圖11-17（c）所示。 如果用 lsb 來(lái)描述微分非線(xiàn)性誤差，則1lsb 表示轉(zhuǎn)換器的輸出出現(xiàn)了丟碼，也就是轉(zhuǎn)換器輸出不隨數(shù)字量的增加而增加，而是數(shù)字量增加一個(gè)

15、lsb，但是輸出沒(méi)有跟著增加一個(gè) lsb 的電壓。轉(zhuǎn)換器不丟碼是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。 4建立時(shí)間 建立時(shí)間是完成一次轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間，就是從數(shù)字量加到 d/a 轉(zhuǎn)換器的輸入端，到輸出達(dá)到該數(shù)字量產(chǎn)生模擬量 99.95%所需要的時(shí)間。 該時(shí)間越短說(shuō)明轉(zhuǎn)換速度越快， 或者說(shuō)轉(zhuǎn)換頻率越高，通常建立時(shí)間的范圍為 50 ns20 s 之間。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器2611.1.6 d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器0832 d/a 轉(zhuǎn)換器 0832 是采用 cmos工藝的 8 位 d/a 轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器內(nèi)有兩級(jí)輸入寄存器，使 d/a 轉(zhuǎn)換器 0832 芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以適用

16、于各種電路的需要（如要求多路 d/a 異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等） 。該轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果可采用電流或電壓形式輸出。引腳兼容 ttl 電平，可直接與 ttl 電路或單片機(jī)電路連接。 主要參數(shù)如下： 8 位分辨率； 在零點(diǎn)與滿(mǎn)度調(diào)整后，最大非線(xiàn)性誤差 0.2% fsr（滿(mǎn)度） ； 在零點(diǎn)與滿(mǎn)度調(diào)整后，最大微分非線(xiàn)性誤差 0.4% fsr（滿(mǎn)度） ； 最大增益誤差1% fsr（滿(mǎn)度） ； 電流建立時(shí)間：1 s。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器271內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11-18所示。所示。1內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11-18所

17、示，圖中所示，圖中8位輸入寄存器用位輸入寄存器用8d觸發(fā)器構(gòu)成，常用于連接觸發(fā)器構(gòu)成，常用于連接單片機(jī)，接收單片機(jī)送來(lái)的數(shù)字信號(hào)；單片機(jī)，接收單片機(jī)送來(lái)的數(shù)字信號(hào)；8位位d/a轉(zhuǎn)換寄存器也是用轉(zhuǎn)換寄存器也是用8d觸發(fā)器構(gòu)成的，觸發(fā)器構(gòu)成的，該寄存器接收輸入寄存器送來(lái)的數(shù)字信號(hào)，鎖存后直接送到該寄存器接收輸入寄存器送來(lái)的數(shù)字信號(hào)，鎖存后直接送到8位位d/a實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)d/a轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換； 雙緩沖的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以按照數(shù)據(jù)源的時(shí)序隨時(shí)更新雙緩沖的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以按照數(shù)據(jù)源的時(shí)序隨時(shí)更新d/a轉(zhuǎn)換器輸入寄存器的數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入寄存器的數(shù)據(jù)，第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)可以使一個(gè)系統(tǒng)中用一個(gè)觸發(fā)信號(hào)同時(shí)更新多個(gè)據(jù)，第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)

18、可以使一個(gè)系統(tǒng)中用一個(gè)觸發(fā)信號(hào)同時(shí)更新多個(gè)d/a轉(zhuǎn)換器輸出的模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓。擬電壓。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器28d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器0832內(nèi)部電路如圖內(nèi)部電路如圖11-19所示所示 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器292控制信號(hào) ile：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)，高電平時(shí)寄存器跟隨輸入數(shù)據(jù)，低電平鎖存數(shù)據(jù)。 cs：片選信號(hào)輸入信號(hào)，低電平有效。 1wr：寫(xiě)輸入寄存器信號(hào)。 上述 3 個(gè)信號(hào)形成控制 8 位輸入寄存器的輸入信號(hào)11le = ile cs wr（）。le1高電平時(shí)，數(shù)據(jù)進(jìn)入輸入寄存器；le1低電平時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存在輸入寄存器中。 xfer：數(shù)據(jù)傳送控制信

19、號(hào)，低電平有效。 2wr：寫(xiě) d/a 轉(zhuǎn)換寄存器信號(hào)。 上述2個(gè)信號(hào)形成控制 8位d/a轉(zhuǎn)換寄存器的輸入信號(hào)22lexref wrg（）。 le2高電平時(shí)，數(shù)據(jù)進(jìn)入 d/a 轉(zhuǎn)換寄存器；le1低電平時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存在 d/a 轉(zhuǎn)換寄存器中。 d0d7：數(shù)據(jù)輸入引腳。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器30iout1電流輸出引腳 1。當(dāng)輸入全為 1 時(shí) iout1最大，當(dāng)輸入全為 0 時(shí)，iout1為 0。 iout2電流輸出引腳 2。iout2與 iout1之和為一常數(shù)。 rfb連接芯片內(nèi)部的反饋電阻rf的引腳。 該電阻的阻值與梯形網(wǎng)絡(luò)電阻r相等， 阻值為15 k。由于該電阻在芯片內(nèi)部，

20、具有和梯形網(wǎng)絡(luò)相同的溫度系數(shù)， 因此可以部分消除溫度引起的誤差。 vref:參考電源引腳(-10 v+10 v)，高精度參考電壓源通過(guò)該引腳連接 r/2r 梯形網(wǎng)絡(luò)。 vcc:電源引腳(+5 v+15 v)。 gnd：地線(xiàn)引腳 10。在電流輸出情況下，該引腳與 iout1、iout2引腳之間的電平偏移 vos將引起線(xiàn)性誤差增加，誤差可用公式 vos/3vref計(jì)算。例如，在 vref=10 v，若引腳 10 與iout1、iout2的電動(dòng)勢(shì)差 vos為 9 mv 時(shí)，則線(xiàn)性誤差增加 0.03%，因此應(yīng)該保證 vos為最小。 gnd：地線(xiàn)引腳 3。該引腳的電壓偏移可使邏輯輸入閾值變化。 數(shù)字電子

21、技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器313信號(hào)時(shí)序 該轉(zhuǎn)換器的信號(hào)時(shí)序如圖 11-20 所示。 ts 電流建立時(shí)間：1 s。 tw 最小寫(xiě)信號(hào)1wr、2wr和傳輸信號(hào)xfer的寬度：900 ns。 tds 最小數(shù)據(jù)建立時(shí)間：900 ns。 tdh 最小數(shù)據(jù)保持時(shí)間：50 ns。 tcs 最小片選信號(hào)建立時(shí)間：1100 ns。 tch 最小片選信號(hào)保持時(shí)間：0 ns。 通常情況下，wr的脈沖寬度 tw為 900 ns，但是在 15v 電源電壓時(shí)，tw為 200 ns 就可以正常工作。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器324. 工作模式 （1）雙緩沖模式 在雙緩沖模式，需要兩次寫(xiě)操作才能更

22、新 d/a 轉(zhuǎn)換器的輸出，第一次寫(xiě)操作更新輸入寄存器，第二次寫(xiě)操作更新 d/a 轉(zhuǎn)換寄存器。雙緩沖模式時(shí)序圖如圖11-21 所示。雙緩沖模式常用于一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)中有多個(gè) d/a 轉(zhuǎn)換器的情況。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器33（2）單緩沖模式 當(dāng)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)中只有一個(gè) d/a 轉(zhuǎn)換器時(shí)，可以使用單緩沖模式，在單緩沖模式中，輸入寄存器鎖存輸入數(shù)據(jù)，d/a 轉(zhuǎn)換寄存器直通。單緩沖模式的時(shí)序圖如圖 11-22 所示。 （3）直通模式 在直通模式，單片機(jī)的 i/o 接口連接在 d/a 轉(zhuǎn)換器 0832 的數(shù)據(jù)輸入端，直接向 d/a 轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)， 而不輸出任何控制信號(hào)。d/a 轉(zhuǎn)換器

23、 0832 的控制信號(hào) ile 連接高電平，cs、1wr、xfer、2wr信號(hào)接地就可以使 d/a 轉(zhuǎn)換器 0832 工作在直通模式。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器345輸入數(shù)字與輸出電流之間的關(guān)系 d/a 轉(zhuǎn)換器 0832 的輸入數(shù)字與輸出電流之間的關(guān)系如下： refout115kvig256數(shù)字輸入 refout215kvig255256數(shù)字輸入 6減小誤差的措施 為保證轉(zhuǎn)換精度，應(yīng)該使 iout1、iout2與地電平越接近越好，因?yàn)榕c地電平之間的電位差，將引起非線(xiàn)性誤差。另外還要選擇偏置電流小的運(yùn)放，因?yàn)槠秒娏鞒艘苑答侂娮杩梢砸疠敵鲭妷赫`差。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章

24、數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器357實(shí)際應(yīng)用電路 （1）輸出電流型 r/2r 網(wǎng)絡(luò)連接方式 d/a 轉(zhuǎn)換器 0832 按照輸出電流型 r/2r 網(wǎng)絡(luò)連接的電路如圖 11-23 所示。 圖中的 d/a 轉(zhuǎn)換器 0832 與單片機(jī)連接， 由單片機(jī)提供 d/a 轉(zhuǎn)換器 0832 工作在單緩沖模式所需的數(shù)據(jù)與控制信號(hào)， 采用基準(zhǔn)源電路 tl431 的參考電源使 vref=-2.5 v， 利用內(nèi)部電阻 rfb， 運(yùn)放 lm258連接成反相放大器，輸出電壓為： vout=vref/28（數(shù)字輸入）=2.5 v/256（數(shù)字輸入）=0.0097656（數(shù)字輸入） 。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器36（2）輸

25、出電壓型 r/2r 網(wǎng)絡(luò)連接方式 d/a 轉(zhuǎn)換器 0832按照輸出電壓型 r/2r網(wǎng)絡(luò)連接的電路如圖11-24所示。 如圖所示， iout1引腳連接采用基準(zhǔn)源電路 tl431 的參考電源，有 iout1=+2.5 v，iout2引腳接地，vref引腳輸出正比例于輸入數(shù)字的電壓， 該電壓經(jīng)過(guò)放大倍數(shù)為 2的同相放大器放大輸出。輸出電壓表達(dá)式為： vout=vref/28（1+r3/r2）（數(shù)字輸入）=2.5 v/256（1+10/10）（數(shù)字輸入） =0.01953 v（數(shù)字輸入） 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器3711.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器模擬（模擬（analog）信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)

26、字（）信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字（digital）信號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)為）信號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)為a/d轉(zhuǎn)換。在很多系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換。在很多系統(tǒng)中，a/d轉(zhuǎn)換是不可缺少的重要組成部分，本節(jié)將介紹幾種常用的轉(zhuǎn)換是不可缺少的重要組成部分，本節(jié)將介紹幾種常用的a/d轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。11.2.1 并行 a/d 轉(zhuǎn)換器 利用比較器和優(yōu)先編碼器可以組成速度最快的模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 圖11-25 是 3 位并行 a/d 轉(zhuǎn)換器。由圖可知，比較器反相端電壓是參考電壓 vr通過(guò)串聯(lián)電阻分擋的電壓，加在比較器同相端的輸入電壓通過(guò)與各個(gè)比較器反相端電壓比較，輸入電壓比哪些分擋電壓高，則哪些比較器就輸出高電平，但是由于比較器后連接優(yōu)先編碼器，所以只有最高分擋電

27、壓比較器輸出的高電平被編碼。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器38該轉(zhuǎn)換器每個(gè)采樣脈沖輸出一次編碼，因此采樣脈沖速率越高，則轉(zhuǎn)換速度就越高。 若需要 n 位 a/d 轉(zhuǎn)換器，則需要 2n-1 個(gè)比較器，所以對(duì)于位數(shù)多的 a/d 轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部比較器的數(shù)量是巨大的，這是并行 a/d 轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器39*11.2.2 流水線(xiàn)型流水線(xiàn)型a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 流水線(xiàn) a/d 轉(zhuǎn)換器工作原理如下。 圖 11-27 所示的是 8 位兩級(jí)流水線(xiàn) a/d 轉(zhuǎn)換器的原理圖，每級(jí)由 4 位并行 a/d 轉(zhuǎn)換器組成。 如圖所示，首先對(duì)輸入信號(hào)的高 4 位進(jìn)行 a/

28、d 轉(zhuǎn)換， 其轉(zhuǎn)換結(jié)果由數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓與輸入信號(hào)相減后，輸入第 2 級(jí)繼續(xù)進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器40例如，對(duì)于 8 位 a/d 轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，參考電壓 vref為 5 v，則每個(gè)二進(jìn)制數(shù)字代表19.53 mv，如果對(duì) 4.2 v 的輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則轉(zhuǎn)換結(jié)果為 d7（16）。 若流水線(xiàn)型 a/d 轉(zhuǎn)換器的高 4 位并行轉(zhuǎn)換器的參考電壓為 5 v，則最低二進(jìn)制數(shù)字代表 0.3125 v，高 4 位轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字 d（16），輸入到第 2 級(jí)的電壓為 4.2 vd（16）0.3125= 4.2 v4.0625 v=0.1375 v；在第 2 級(jí)的低

29、 4 位并行轉(zhuǎn)換器的參考電壓為 0.3125，最低二進(jìn)制數(shù)字代表 19.53 mv，低 4 位轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字 7（16）。 若是將第 2 級(jí)輸入電壓 0.1375 v 經(jīng)過(guò)放大器放大 16 倍，則第 2 級(jí)可以采用與第 1 級(jí)相同的 5 v 參考電壓完成轉(zhuǎn)換。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器41a/d 轉(zhuǎn)換過(guò)程在時(shí)鐘 clk 的作用下順序完成，時(shí)序圖如圖11-28 所示。第1 級(jí)轉(zhuǎn)換器在第1個(gè)時(shí)鐘的前半周期，完成第 1 個(gè)采樣點(diǎn)的高 4 位轉(zhuǎn)換，隨后的時(shí)鐘對(duì)第 2 個(gè)采樣點(diǎn)實(shí)施高 4位轉(zhuǎn)換；第 2 級(jí)轉(zhuǎn)換器在第 1 級(jí)完成轉(zhuǎn)換后，在第 1 個(gè)時(shí)鐘的后半周期，實(shí)施低 4 位轉(zhuǎn)換，當(dāng)兩

30、級(jí)轉(zhuǎn)換完成后，第 2 個(gè)時(shí)鐘周期輸出 8 位結(jié)果。由于每級(jí)在不同的時(shí)間得到變換結(jié)果，因此需要用移位寄存器對(duì)兩級(jí)的轉(zhuǎn)換結(jié)果實(shí)現(xiàn)時(shí)間校準(zhǔn)。只要第 1 級(jí)完成了第 1 個(gè)采樣的轉(zhuǎn)換，得到結(jié)果并把模擬電壓差值送給下一級(jí)，它就可以處理第 2 個(gè)采樣。整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程就像流水一樣，因此流水線(xiàn)操作提高了轉(zhuǎn)換速度。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器4211.2.3 雙斜率雙斜率a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器在數(shù)字儀表或其他測(cè)量?jī)x器中，例如數(shù)字萬(wàn)用表，經(jīng)常使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是雙積在數(shù)字儀表或其他測(cè)量?jī)x器中，例如數(shù)字萬(wàn)用表，經(jīng)常使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是雙積分分a/d轉(zhuǎn)換器。雙積分轉(zhuǎn)換器。雙積分a/d轉(zhuǎn)換器原理框圖如圖轉(zhuǎn)換器原理

31、框圖如圖11-29所示。所示。該轉(zhuǎn)換器由切換開(kāi)關(guān)、積分器、比較器、計(jì)數(shù)器和控制邏輯等電路組成。下面分析該轉(zhuǎn)換器工作原理。 該轉(zhuǎn)換器的工作原理分為兩個(gè)階段， 第一階段是定時(shí)積分階段， 第二階段是定電壓積分階段。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器43定時(shí)積分階段的工作情況如圖 11-30 所示。 在該階段，首先對(duì)電容放電、積分器輸出 0 v 電壓，并使計(jì)數(shù)器復(fù)位。隨后控制邏輯發(fā)出信號(hào)使開(kāi)關(guān) sw 接通輸入模擬正電壓 vin，由于積分器的反相端是虛地，所以電容 c 的充電電流 i 是常數(shù)，積分器的輸出電壓按照某個(gè)斜率向負(fù)方向線(xiàn)性變化。在積分器輸出負(fù)電壓的期間，比較器輸出高電平，與門(mén)打開(kāi)，計(jì)

32、數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿(mǎn) n 個(gè)數(shù)，計(jì)數(shù)器歸 0。這一階段的時(shí)間為1ctnt，這里 tc是計(jì)數(shù)脈沖的周期。在這段時(shí)間結(jié)束時(shí)，積分器的輸出電壓為 1in11in01dtvtvtvcrrc 計(jì)數(shù)器歸 0 后，發(fā)出信號(hào)到控制邏輯，使開(kāi)關(guān) sw 接通參考負(fù)電壓，開(kāi)始第二階段。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器44第二階段的工作情況如圖 11-32 所示。 當(dāng)積分器在對(duì)負(fù)參考電壓 vr積分時(shí)，如果積分器的輸出電壓上升到 0 v 時(shí)所需的時(shí)間為t2，則有 2r11in01dtvtvtvcrrc 電壓 v1為 0 v 時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，所以有 21rinttvvrcrc 由上式有 12inrtt

33、vv 由于第二階段，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值是 nx，所以令2x ctn t。 所以有 cx cinrntn tvv 最后得到 xinrnnvv 由于 n 是常數(shù)，所以 nx是與輸入電壓 vin成正比的數(shù)。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器45第二階段的工作情況如圖 11-32 所示。 當(dāng)積分器在對(duì)負(fù)參考電壓 vr積分時(shí)，如果積分器的輸出電壓上升到 0 v 時(shí)所需的時(shí)間為t2，則有 2r11in01dtvtvtvcrrc 電壓 v1為 0 v 時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，所以有 21rinttvvrcrc 由上式有 12inrttvv 由于第二階段，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值是 nx，所以令2xctn t。 所以有

34、 cxcinrntn tvv 最后得到 xinrnnvv 由于 n 是常數(shù)，所以 nx是與輸入電壓 vin成正比的數(shù)。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器46*11.2.4 -型型a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器圖圖11-34顯示的是顯示的是delta-sigma型型a/d轉(zhuǎn)換器原理框圖。工作原理介紹如下。轉(zhuǎn)換器原理框圖。工作原理介紹如下。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器47t1周期： 若假設(shè)輸入信號(hào) vin=1.28 v，在 d 觸發(fā)器輸出 q=0 的控制下，參考電壓 vr接地線(xiàn)。 由于差動(dòng)放大器同相端為輸入信號(hào) vin，反相端連接的參考電壓 vr=vr=0 v，差動(dòng)放大器輸出電壓 v

35、d=1.28 v 輸入積分器；隨時(shí)間推移，積分器輸出端電壓 vo不斷上升，經(jīng)過(guò)積分器后輸出至比較器同相端，與比較器反相端的地線(xiàn)電平比較，若是比較器輸出為 1，則在時(shí)鐘脈沖 clk 的上升沿觸發(fā)器 q=1，差動(dòng)放大器反相端連接的參考電壓vr=vr+=+2.56 v。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器48t2周期： 由于差動(dòng)放大器反相端連接的參考電壓 vr=vr+=+2.56 v，因此差動(dòng)放大器輸出電壓vd=vin（+vr+）=1.28 v，該電壓送入積分器后，積分器輸出電壓 vo不斷降低，當(dāng)小于0 v 時(shí)，比較器輸出為 0，在時(shí)鐘脈沖 clk 的上升沿，使 d 觸發(fā)器輸出q 為 0，再

36、次使參考電壓 vr=vr=0 v 加在差動(dòng)放大器反相輸入端，進(jìn)入 t1周期，該過(guò)程不斷重復(fù)。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器49由于積分器電容 c 上的電荷處于平衡狀態(tài)，充電電荷與放電電荷量相等。 q充=q放 t1i充= t2i放 t1 （vinvr）/r=t2 (vinvr+)/r 這里 vr=0。設(shè)一個(gè)充放電周期為 t=t1+t2，則有 vin（tt2）=vint2+vr+t2 vin（tt2）+vint2=+vr+t2 vin（tt2+t2）=vr+t2 最后得到 vin=vr+ （t2/t） 該式說(shuō)明輸入電壓與充放電周期的占空比成正比， 也就是與放電時(shí)間 t2成正比。 從以

37、上分析可知，一次充放電，就相當(dāng)于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行一次測(cè)量。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器50實(shí)際上，每一次的充放電周期是不確定的，但是每次輸入電壓總是與充放電周期的占空比成正比，為此可以進(jìn)行多次充放電，采用多次累加的方法，用多次充放電周期之和與多次放電周期之和的比值來(lái)確定輸入電壓： 2(1)2(2)2( )2zinrr(1)(2)( )zkkttttvvvttttll 這里 k 是充放電次數(shù)，t2z是總放電時(shí)間，tz是總測(cè)量時(shí)間。 圖 11-34 中使用計(jì)數(shù)器 1 來(lái)對(duì)時(shí)鐘脈沖 clk 計(jì)數(shù)來(lái)控制總的轉(zhuǎn)換時(shí)間 tz，在這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，有多個(gè)充放電周期。計(jì)數(shù)器 2 對(duì)多個(gè)放電時(shí)間 t

38、2z內(nèi)的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，若已知時(shí)鐘脈沖周期，則計(jì)數(shù)值與輸入電壓成正比。 若設(shè) clk 周期是 t0，取總測(cè)量時(shí)間 tz=mt0，取總放電時(shí)間 t2z=nt0，則有 rrin00vvvn tnm tm 若是取 m=256，取參考電壓是 2.56 v，則每個(gè)時(shí)鐘代表 0.01 v，有 vin=0.01n，例如對(duì)于輸入電壓 vin=0.6 v，則計(jì)數(shù)器 2 輸出 n=60。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器51例如，若參考電壓 vr+=2.56 v，對(duì)于輸入電壓為 1.28 v 和 1.92 v 的積分器輸出 vo、d 觸發(fā)器輸出 q、時(shí)鐘 clk 三者之間的關(guān)系如圖 11-35 所示。圖中

39、每個(gè)充放電周期內(nèi)有 4 個(gè)時(shí)鐘沿，對(duì)于輸入電壓為 1.28 v，充電與放電期間內(nèi)時(shí)鐘沿各為 2 個(gè)；對(duì)于輸入電壓為1.92 v，充電期間內(nèi) 1 個(gè)時(shí)鐘沿，放電期間內(nèi) 3 個(gè)時(shí)鐘沿，若每個(gè)時(shí)鐘代表 0.01 v，則一次測(cè)量需要 256 個(gè)時(shí)鐘，充放電 64 個(gè)周期。對(duì)于 1.28 v 電壓，計(jì)數(shù)器 2 輸出 n=128，對(duì)于 1.92 v 電壓，計(jì)數(shù)器 2 輸出 n=192。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器5211.2.5 逐次比較式 a/d 轉(zhuǎn)換器 逐次比較式 a/d 轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)在較為普遍使用的 a/d 轉(zhuǎn)換技術(shù)。該轉(zhuǎn)換方式的轉(zhuǎn)換速度是除并行、流水線(xiàn)轉(zhuǎn)換外最快的一種，而且轉(zhuǎn)換時(shí)間固

40、定不變。 4 位逐次比較式 a/d 轉(zhuǎn)換器方框圖如圖 11-36 所示。 從圖中可以看出，它由逐次近似寄存器、d/a轉(zhuǎn)換器和比較器組成。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器53如果在轉(zhuǎn)換器的輸入端加5.1 v的模擬電壓，則工作過(guò)程如下。 逐次近似寄存器23位置位，同時(shí)d/a轉(zhuǎn)換器的23位置1，d/a轉(zhuǎn)換器輸出8 v電壓，由于比較器的反相端電壓（8 v）高于同相端電壓（5.1 v），所以輸出低電平，逐次近似寄存器中該位被復(fù)位，輸出0000。 逐次近似寄存器22位置位，同時(shí)d/a轉(zhuǎn)換器的22位置1，d/a轉(zhuǎn)換器輸出4 v電壓，由于比較器的反相端電壓（4 v）低于同相端電壓（5.1 v），所

41、以輸出高電平，逐次近似寄存器中該位被保留，輸出0100。 逐次近似寄存器21位置位，同時(shí)d/a轉(zhuǎn)換器的21位置1，這時(shí)d/a轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量為0110，所以輸出6 v電壓，由于比較器的反相端電壓（6 v）高于同相端電壓（5.1 v），所以輸出低電平，逐次近似寄存器中該位被復(fù)位，輸出0100。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器54 逐次近似寄存器20位置位，同時(shí)d/a轉(zhuǎn)換器的最低位（lsb）置1，這時(shí)d/a轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量為0101，所以輸出5 v電壓，由于比較器的反相端電壓（5 v）低于同相端電壓（5.1 v），所以輸出高電平，逐次近似寄存器中該位被保留，輸出0101。當(dāng)逐次近似寄

42、存器的4位觸發(fā)器都置過(guò)1以后，轉(zhuǎn)換完成，這時(shí)逐次近似寄存器中存有二進(jìn)制數(shù)據(jù)0101，這就是5.1 v輸入模擬電壓的近似二進(jìn)制數(shù)表示。一個(gè)轉(zhuǎn)換周期完成后，將逐次近似寄存器清零，開(kāi)始下一次轉(zhuǎn)換。逐次比較式a/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于轉(zhuǎn)換中數(shù)字位數(shù)n的多少，完成每位數(shù)字的轉(zhuǎn)換需要一個(gè)時(shí)鐘周期，由前面分析可知，第n個(gè)時(shí)鐘脈沖作用后，轉(zhuǎn)換完成，所以該轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換最小時(shí)間是ntc，這里tc是時(shí)鐘脈沖的周期。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器5511.2.6 a/d轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)1分辨率分辨率分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量，也是輸出數(shù)字量的最低位（l

43、sb）代表的電壓量。例如，8 位 a/d 轉(zhuǎn)換器能夠分辨滿(mǎn)度輸入的 1/28，若是滿(mǎn)度輸入電壓為 5 v，則可以分辨輸入電壓的最小值為 5 v/28=19.53 mv。而 10 位 a/d 轉(zhuǎn)換器，若是滿(mǎn)度輸入電壓為 5 v，那么這個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出能區(qū)分輸入模擬電壓的最小值為5 v/210=4.88 mv。 還可以用百分?jǐn)?shù)表示分辨率：1/2n100%，例如，對(duì)于 12 位 a/d 轉(zhuǎn)換器，則百分比分辨率為：1/4096100%=0.0244%。有些雙積分 a/d 轉(zhuǎn)換器，分辨率用位數(shù)表示，如 3 位半，滿(mǎn)度數(shù)字為 1999，則百分比分辨率為（1/1999）100%=0.05% 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第

44、11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器562量化誤差 量化誤差是由于有限數(shù)字對(duì)模擬電壓值進(jìn)行離散取值（量化）而引起的誤差，是由于 a/d轉(zhuǎn)換器位數(shù)有限引起的，如圖11-37所示，量化誤差是理想轉(zhuǎn)換直線(xiàn)與實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)之間的偏差。 圖中，當(dāng)輸入電壓未達(dá)到 a/d 轉(zhuǎn)換器分辨率的 1/2 時(shí)，輸出數(shù)字是 000，因此有 1/2lsb的誤差。當(dāng)輸入電壓達(dá)到分辨率的 1/2 時(shí)，輸出數(shù)字為 001，因此也有 1/2lsb 的誤差。提高分辨率可以減少量化誤差。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器573偏移誤差偏移誤差偏移誤差是指理想轉(zhuǎn)換直線(xiàn)原點(diǎn)與實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)原點(diǎn)之間的距離，該誤差示意如圖偏移誤差是指理想轉(zhuǎn)換直線(xiàn)

45、原點(diǎn)與實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)原點(diǎn)之間的距離，該誤差示意如圖11-38所示所示 。由圖可以看出，當(dāng)由圖可以看出，當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換器的輸入電壓逐步增加，使轉(zhuǎn)換器的輸入電壓逐步增加，使a/d轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字從轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字從000跳跳到到001，這時(shí)的輸入電壓與，這時(shí)的輸入電壓與1/2 lsb代表電壓之差就是偏移誤差，偏移誤差可以通過(guò)代表電壓之差就是偏移誤差，偏移誤差可以通過(guò)移動(dòng)輸入電壓范圍的方法消除。移動(dòng)輸入電壓范圍的方法消除。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器584增益誤差 增益誤差又稱(chēng)為滿(mǎn)度誤差，是滿(mǎn)度輸出數(shù)字時(shí)，實(shí)際輸入電壓與理想輸入電壓之差。增益誤差示意如圖 11-39 所示。 由于a/d 轉(zhuǎn)換

46、器的數(shù)字輸出d 為：inr2ndvv，所以參考電壓vr可以影響a/d 轉(zhuǎn)換器增益，引起增益誤差。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器595非線(xiàn)性誤差非線(xiàn)性誤差積分非線(xiàn)性、微分非線(xiàn)性與增益非線(xiàn)性等都是非線(xiàn)性誤差，如果不詳細(xì)區(qū)分誤差原積分非線(xiàn)性、微分非線(xiàn)性與增益非線(xiàn)性等都是非線(xiàn)性誤差，如果不詳細(xì)區(qū)分誤差原因，則非線(xiàn)性誤差是實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)與理想轉(zhuǎn)換直線(xiàn)之間的最大縱向偏移。非線(xiàn)性誤因，則非線(xiàn)性誤差是實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)與理想轉(zhuǎn)換直線(xiàn)之間的最大縱向偏移。非線(xiàn)性誤差示意圖如圖差示意圖如圖11-40所示。所示。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器606絕對(duì)精度與相對(duì)精度絕對(duì)精度與相對(duì)精度對(duì)于某對(duì)于某a

47、/d轉(zhuǎn)換器輸出的任何數(shù)字，其對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入轉(zhuǎn)換器輸出的任何數(shù)字，其對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之間差別的最大值稱(chēng)為絕對(duì)精度。電壓之間差別的最大值稱(chēng)為絕對(duì)精度。對(duì)應(yīng)某對(duì)應(yīng)某a/d轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字的實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之間差別的轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字的實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之間差別的最大值除以滿(mǎn)度模擬輸入電壓稱(chēng)為相對(duì)精度。最大值除以滿(mǎn)度模擬輸入電壓稱(chēng)為相對(duì)精度。7a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率a/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率是每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)，主要取決于轉(zhuǎn)換器的類(lèi)型，不同的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率是每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)，主要取決于轉(zhuǎn)換器的類(lèi)型，不同的轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率相

48、差很多。換器的轉(zhuǎn)換速率相差很多。并聯(lián)型與流水線(xiàn)并聯(lián)型與流水線(xiàn)a/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率最快，如轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率最快，如8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出的并聯(lián)型位二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出的并聯(lián)型a/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率可達(dá)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率可達(dá)50 ns以?xún)?nèi)。以?xún)?nèi)。逐次比較式逐次比較式a/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率排第二，多數(shù)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換速率都在轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率排第二，多數(shù)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換速率都在10100 s以以?xún)?nèi)。個(gè)別內(nèi)。個(gè)別8位轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間小于位轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1 s。雙積分與雙積分與delta-sigma型型a/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率很慢，一般在數(shù)十毫秒至數(shù)百毫秒轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率很慢，一般在數(shù)十毫秒至數(shù)百毫秒之間。之間。 數(shù)字電子技術(shù)

49、基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器6111.2.7 a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器0804a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器0804是一個(gè)是一個(gè)8位逐次比較式位逐次比較式a/d轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的符號(hào)如圖器的符號(hào)如圖11-41所示。所示。該轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)：該轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)： 電源電壓為電源電壓為5 v，范圍為，范圍為4.56.3 v，極限為，極限為6.5 v。 分辨率為分辨率為8位，在位，在vref/2=2.5 v時(shí)的最大不可調(diào)整誤差時(shí)的最大不可調(diào)整誤差1lsb。 典型時(shí)鐘頻率為典型時(shí)鐘頻率為640 khz，典型轉(zhuǎn)換時(shí)間，典型轉(zhuǎn)換時(shí)間100 s。 邏輯接口電平兼容邏輯接口電平兼容ttl，灌電流能力，灌電流能力

50、1.6 ma，拉電流能，拉電流能力力360 a。芯片自帶時(shí)鐘發(fā)生電路（需要外接電阻和電容）。為與單芯片自帶時(shí)鐘發(fā)生電路（需要外接電阻和電容）。為與單片機(jī)的總線(xiàn)進(jìn)行連接，該芯片的數(shù)據(jù)輸出端具有三態(tài)輸出片機(jī)的總線(xiàn)進(jìn)行連接，該芯片的數(shù)據(jù)輸出端具有三態(tài)輸出功能。功能。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器62引腳號(hào) 名稱(chēng) 功 能 說(shuō) 明 1 cs 芯片選擇引腳 2 rd 讀數(shù)據(jù)引腳，cs=0 與rd=0，則可讀取 a/d 轉(zhuǎn)換結(jié)果 3 wr a/d 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換控制引腳，在cs=0 時(shí)，wr送低電平脈沖，a/d 轉(zhuǎn)換器開(kāi)始轉(zhuǎn)換 4 clk 轉(zhuǎn)換時(shí)鐘輸入引腳 5 intr 轉(zhuǎn)換完成引腳。 開(kāi)始轉(zhuǎn)換后，

51、 當(dāng)intr=0 表示轉(zhuǎn)換完成， 當(dāng)數(shù)據(jù)讀出后，intr=1，為下次轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備 6 vin+ 模擬差動(dòng)輸入正端 7 vin 模擬差動(dòng)輸入負(fù)端。a/d 轉(zhuǎn)換器輸入電壓為 vin+vin 8 agnd 模擬地 9 vref/2 參考電壓 10 dgnd 數(shù)字地 1118 d7d0 數(shù)據(jù)輸出 19 clkr 產(chǎn)生 a/d 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的外接電阻引腳 20 vcc 電源電壓引腳，也是參考電壓端 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器63芯片內(nèi)部的 d/a 轉(zhuǎn)換器逐次輸出電壓與輸入電壓 （vin+vin）進(jìn)行比較以決定逐次比較寄存器中每一位數(shù)據(jù)的復(fù)位與保留。從 msb 開(kāi)始，在 8 次比較（64

52、個(gè)時(shí)鐘周期）后，8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳送到輸出鎖存器中，同時(shí)intr端輸出低電平，表示轉(zhuǎn)換完成。 若是把intr端與wr連接，同時(shí)cs接低電平，則該轉(zhuǎn)換器可以自由進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 在 a/d 轉(zhuǎn)換過(guò)程中，若再次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，則終止正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換，開(kāi)始新的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)寄存器仍保存上次轉(zhuǎn)換結(jié)果。 輸入電壓范圍為 vin+vin， 由 vref/2 引腳的電壓確定，vref/2 引腳的電壓應(yīng)該為輸入電壓的 1/2，例如輸入電壓范圍為 14 v，則 vref/2 引腳電壓應(yīng)該為 1.5 v。若是輸入電壓范圍與 a/d 轉(zhuǎn)換器的電源電壓相等，則不需要在 vref/2 引腳連接外電源，這時(shí) vref/2 由內(nèi)部對(duì)電源分壓

53、產(chǎn)生，數(shù)值等于 vcc/2。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器64a/d 轉(zhuǎn)換器 0804 的輸出數(shù)字 dout=(vin+ vin)256/vref。其中vin可用于移動(dòng)輸入電平，例如，vin=0 v，則vin+就是輸入電壓；若vin=1 v，則輸入電壓為 vin+1 v，這時(shí)vin+應(yīng)該大于1 v。 如果 a/d 轉(zhuǎn)換器 0804 按照?qǐng)D 11-42 所示連接，則轉(zhuǎn)換頻率 f 為 1/（1.1rc） 。 圖 11-43 所示的是 a/d 轉(zhuǎn)換器 0804 組成的 a/d 轉(zhuǎn)換電路接線(xiàn)圖。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器65圖中 intr 引腳與wr引腳連接， 可以在a

54、/d 轉(zhuǎn)換器0804轉(zhuǎn)換完成、 intr=0 時(shí)， 使wr=0，再次進(jìn)行轉(zhuǎn)換。oc 輸出緩沖器 7417 與 r1和 c1組成的啟動(dòng)電路用于上電后第1 次轉(zhuǎn)換。電阻 r2與 c2組成了 a/d 轉(zhuǎn)換器 0804 的時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率為： f=1/（1.1r2c2）=1/（1.110 k150 pf）=606 khz 由于 vin接地，在 vin+引腳連接的電位器，用于調(diào)節(jié)模擬輸入電壓。vref/2 引腳未連接外部參考電壓，所以該引腳電壓為 vcc/2=2.5 v，由于 vref=5 v，所以該轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為 5 v。 rd端接地，使轉(zhuǎn)換結(jié)果可直接輸出到數(shù)據(jù)端 d7d0連接的發(fā)光二極管。cs

55、端接地，使a/d 轉(zhuǎn)換器 0804 可進(jìn)行轉(zhuǎn)換與輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器66*11.2.8 a/d轉(zhuǎn)換器組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成a/d轉(zhuǎn)換器常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，圖轉(zhuǎn)換器常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，圖11-44所示的就是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖。所示的就是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器672采樣采樣/保持電路保持電路（1）采樣定理）采樣定理a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換是需要時(shí)間的，在轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換是需要時(shí)間的，在a/d轉(zhuǎn)換過(guò)程中，需要轉(zhuǎn)換過(guò)程中，需要a/d輸入端的電壓保持穩(wěn)定，輸入端的電壓保持穩(wěn)定，但是實(shí)

56、際上輸入信號(hào)經(jīng)常是變化的，為在但是實(shí)際上輸入信號(hào)經(jīng)常是變化的，為在a/d轉(zhuǎn)換期間保持輸入到轉(zhuǎn)換期間保持輸入到a/d轉(zhuǎn)換器的輸轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)電壓穩(wěn)定，常采用的方法就是入信號(hào)電壓穩(wěn)定，常采用的方法就是a/d轉(zhuǎn)換與輸入信號(hào)之間增加采樣轉(zhuǎn)換與輸入信號(hào)之間增加采樣/保持電路。保持電路。每采樣一次，實(shí)現(xiàn)一次每采樣一次，實(shí)現(xiàn)一次a/d轉(zhuǎn)換，因此采樣時(shí)間反映了采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，采樣轉(zhuǎn)換，因此采樣時(shí)間反映了采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，采樣時(shí)間由模擬信號(hào)頻率、輸入通道數(shù)和每個(gè)周期的采樣數(shù)確定。時(shí)間由模擬信號(hào)頻率、輸入通道數(shù)和每個(gè)周期的采樣數(shù)確定。由奈奎斯特（由奈奎斯特（nyquist）采樣定理，采樣頻率至少是輸入信號(hào)

57、最高有效頻率的）采樣定理，采樣頻率至少是輸入信號(hào)最高有效頻率的2倍。倍。實(shí)際中，通常取采樣頻率為信號(hào)頻率的實(shí)際中，通常取采樣頻率為信號(hào)頻率的710倍。倍。 在在a/d轉(zhuǎn)換器與模擬輸入信號(hào)接通的時(shí)間（稱(chēng)為孔徑時(shí)間）里，輸入模擬信號(hào)值是轉(zhuǎn)換器與模擬輸入信號(hào)接通的時(shí)間（稱(chēng)為孔徑時(shí)間）里，輸入模擬信號(hào)值是變化的，因此使轉(zhuǎn)換結(jié)果包含孔徑誤差。就像用秤稱(chēng)東西時(shí)，當(dāng)所稱(chēng)東西不斷變化，變化的，因此使轉(zhuǎn)換結(jié)果包含孔徑誤差。就像用秤稱(chēng)東西時(shí)，當(dāng)所稱(chēng)東西不斷變化，無(wú)法稱(chēng)準(zhǔn)一樣。為消除孔徑誤差，需要在無(wú)法稱(chēng)準(zhǔn)一樣。為消除孔徑誤差，需要在a/d轉(zhuǎn)換器與輸入模擬信號(hào)之間串聯(lián)采樣轉(zhuǎn)換器與輸入模擬信號(hào)之間串聯(lián)采樣/保持電路。

58、若是輸入信號(hào)變化緩慢，則可以不用采樣保持電路。若是輸入信號(hào)變化緩慢，則可以不用采樣/保持電路。保持電路。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器68（2）基本的采樣/保持電路基本的采樣/保持電路如圖11-45所示。圖中運(yùn)放a接成電壓跟隨器，目的是提高輸入阻抗，減小輸入電流。圖中s是由場(chǎng)效應(yīng)管組成的模擬開(kāi)關(guān)，ch是保持電容，a是緩沖放大器。當(dāng)控制信號(hào)vl為采樣電平時(shí)，開(kāi)關(guān)s導(dǎo)通，保持電容ch充電，這時(shí)輸出電壓vo跟隨輸入電壓vin變化；當(dāng)控制信號(hào)vl為保持電平時(shí)，開(kāi)關(guān)s斷開(kāi)，保持電容ch保存輸入電壓vin值，使放大器輸出電壓vo等于s斷開(kāi)瞬間時(shí)的輸入電壓值。采樣階段，電容ch電壓達(dá)到穩(wěn)定值所需

59、要的時(shí)間稱(chēng)為捕捉時(shí)間，只有采樣周期大于捕捉時(shí)間，才能保證在采樣階段采集到輸入模擬信號(hào)vin。保持階段，輸出電壓vo的下降是由于流過(guò)電容ch的漏電流引起的，這些漏電流包括緩沖放大器的輸入電流、模擬開(kāi)關(guān)的漏電流以及電容自身的泄漏電流。若要減少輸出電壓vo的下降率vo/t，則要選擇高輸入阻抗的緩沖放大器、優(yōu)質(zhì)電容器與漏電流小的模擬開(kāi)關(guān)。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器69（3）實(shí)際的采樣/保持電路圖11-46所示的是采樣/保持芯片lf398內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖與應(yīng)用電路。 圖圖11-46（a）中，）中，s是模擬開(kāi)關(guān)，是模擬開(kāi)關(guān)，l是模擬開(kāi)關(guān)是模擬開(kāi)關(guān)s的控制電路，在輸入的控制電路，在輸入vref引腳

60、接地引腳接地時(shí)，采樣時(shí)，采樣/控制引腳控制引腳vl與與ttl電平兼容。電平兼容。在圖在圖11-46（b）中，若）中，若ch為為0.01 f的低泄漏電容時(shí)，電壓下降率為的低泄漏電容時(shí)，電壓下降率為10 3mv/s。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器703多通道模擬信號(hào)采集多通道模擬信號(hào)采集如圖如圖11-47所示，多路模擬開(kāi)關(guān)用于實(shí)現(xiàn)所示，多路模擬開(kāi)關(guān)用于實(shí)現(xiàn)“多選一多選一”，就是輸入為多路模擬信號(hào)，就是輸入為多路模擬信號(hào)，只有一個(gè)公共輸出端連接采樣保持器或是只有一個(gè)公共輸出端連接采樣保持器或是a/d轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。實(shí)際的多路模擬開(kāi)關(guān)實(shí)際的多路模擬開(kāi)關(guān)cd4051：cd4051是是8通道輸