數(shù)字電子技術基礎11數(shù)模與模數(shù)轉換器

1、11.1 概述概述11.2 D/A轉換器轉換器 11.3 A/D轉換器轉換器第十一章第十一章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉換數(shù)轉換11.1 11.1 概述概述將模擬量轉換成相應的數(shù)字量；將模擬量轉換成相應的數(shù)字量；將數(shù)字量轉換成相應的模擬量。將數(shù)字量轉換成相應的模擬量。實現(xiàn)實現(xiàn)A/DA/D轉換的電路轉換的電路; ;實現(xiàn)實現(xiàn)D/AD/A轉換的電路。轉換的電路。模模/數(shù)轉換：數(shù)轉換：數(shù)數(shù)/模轉換：模轉換：A/D轉換器轉換器 (ADCAnalog Digital Converter):D/A轉換器轉換器 (DAC Digital Analog Converter)：典型應用：計算機自動控制系統(tǒng)。

2、典型應用：計算機自動控制系統(tǒng)。A/D轉換器、轉換器、D/A轉換器的應用轉換器的應用放大器放大器傳感器傳感器(溫度、壓力、溫度、壓力、流量、應力流量、應力等）等）采樣采樣/保持器保持器ADC計算機計算機顯示器顯示器DAC示波器示波器打印機打印機計算機進行各種計算機進行各種數(shù)字處理（如濾數(shù)字處理（如濾波、計算）、數(shù)波、計算）、數(shù)據(jù)保存、打印等據(jù)保存、打印等顯示器顯示字符、顯示器顯示字符、曲線、圖形、圖曲線、圖形、圖象等。象等。11. 2 D / A 轉換器轉換器 ( DAC )D/A轉換器的方框圖轉換器的方框圖:n位位數(shù)數(shù)字量字量輸入輸入數(shù)數(shù)碼碼寄寄存存器器n位位模擬模擬開關開關解碼解碼網絡網絡求

3、和求和電路電路基準電壓基準電壓模擬量模擬量輸出輸出基本思想：基本思想： 將數(shù)字量的每一位代碼按權的大小轉將數(shù)字量的每一位代碼按權的大小轉換成相應的模擬量，再將各模擬量相換成相應的模擬量，再將各模擬量相加，即得到相應的模擬量輸出。加，即得到相應的模擬量輸出。D/AD/A轉換器按解碼網絡結構不同分為轉換器按解碼網絡結構不同分為: :在速度要求不高的情況可選在速度要求不高的情況可選CMOSCMOS開關開關D/AD/A轉換轉換器；如果要求較高的轉換速度則應選用雙極器；如果要求較高的轉換速度則應選用雙極型電流開關型電流開關D/AD/A轉換器。轉換器。權電阻網絡權電阻網絡 D / A 轉換器轉換器 、T

4、T形電阻網絡形電阻網絡D/AD/A轉換器、倒轉換器、倒T T形電阻網絡形電阻網絡D/AD/A轉換器、轉換器、權電流型權電流型D/AD/A轉換器等。轉換器等。D/AD/A轉換器按模擬電子開關電路不同分為：轉換器按模擬電子開關電路不同分為：CMOSCMOS開關型和雙極型開關開關型和雙極型開關D/AD/A轉換器。轉換器。11. 2. 1 權電阻網絡權電阻網絡 D / A D / A 轉換器轉換器VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR / 2(MSB)(LSB)S0S1S2S3D3D2D1D0S0S1S2S3所謂所謂“權電阻權電阻”，是指電阻值的是指電阻值的大小，

5、大小， 與有關與有關數(shù)字量數(shù)字量的的權權密密切相關。切相關。(LSB)(MSB)最低位最低位最高位最高位VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR / 2(MSB)(LSB)S0S1S2S3D3D2D1D0S0S1S2S3電子開關電子開關 ：Dn = 1 時，時，Sn 接接VREF ；Dn = 0 時，時，Sn 接地端接地端 。VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR / 2(MSB)(LSB)23R22R21R20RVREFI1 = 2I0 I2 = 4I0I3 = 8I0當當 D3D2D1D0 = 1111時時 ：S0S

6、1S2S3D3D2D1D0I = I0 + I1 + I2 + I3I0 =VREF23 R參考參考電壓電壓I =VREF23R( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 )VREF+-uoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR / 2(MSB)(LSB)uo = - IR / 2 VREF24= - ( 8 D3 + 4 D2 + 2 D1 + D0 )= - KNBD/AD/A電路輸出模擬電路輸出模擬電壓電壓U UO O與輸入的與輸入的數(shù)字量數(shù)字量D D3 3D D2 2D D1 1D D0 0成成正比正比！ VREFRRR2R2R2R2R+-Av

7、oS2S3S1S0RFI2Ri D0D1D2D311.2.2 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D / A轉換器轉換器電阻網絡電阻網絡S0S3:模擬電子開關模擬電子開關求和運算放大器求和運算放大器I1I2I3I0Di=0, Si接地；接地；Di=1, Si接運放接運放的反相端。的反相端。2R2R2R2R + VREF2RRRRABCDI0I1I2I3II=VREFRI3=VREF2RI2=VREF4RI1=VREF8RI0=VREF16R 無論模擬電子開關無論模擬電子開關S Si i 處于何種位置，與處于何種位置，與S Si i相相連的連的2R2R電阻都將接電阻都將接“地地”，因此電阻網絡可以等，因此

8、電阻網絡可以等效為：效為：I = I3 + I2 + I1 + I0VREF2R=D3VREF16RD0VREF8RD1VREF4RD2+=VREF 16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )I=VREFR VREFRRR2R2R2R2R+-AvoS2S3S1S0RFI2Ri D0D1D2D3I / 2I / 4I / 8I / 16I / 16=VREF RF16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )vo - VREFRRR2R2R2R2R+-AvoS2S3S1S0RFI2Ri D0D1D2D3I / 2I / 4I / 8I / 16I / 16vo= - I

9、RF)(DVRRviniinREFfo2210D/AD/A電路輸出模擬電壓電路輸出模擬電壓V VO O與輸與輸入的數(shù)字量入的數(shù)字量D D3 3D D2 2D D1 1D D0 0成正比成正比！倒倒T形電阻網絡單片集成形電阻網絡單片集成D / A轉換器轉換器CB7520（AD7520）圖圖11.2.5 CB7520（AD7520）的電路原理圖）的電路原理圖外接外接反饋電阻可反饋電阻可外接，也可外接，也可以用內部反以用內部反饋電阻饋電阻R。11.2.3 權電流型權電流型 D / A 轉換器轉換器+-voRf- VREFI/16I / 8I / 4I / 2S0S1S2S3i D0D1D2D3vo

10、I Rf24( 8 D3 + 4 D2 + 2 D1 + D0 )=每個支路電流每個支路電流的大小，與有的大小，與有關數(shù)字量的權關數(shù)字量的權密切相關。密切相關。集成權電流型集成權電流型 D / A 轉換器舉例轉換器舉例*T形電阻網絡形電阻網絡D / A轉換器轉換器( 以以4位為例位為例 )推導模擬輸出電壓推導模擬輸出電壓 uo 與數(shù)字量以及與數(shù)字量以及電路中其它參數(shù)的關系：電路中其它參數(shù)的關系：+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 +VREF2RRRRI3I2I1I0IABCDI2R2R2R2RR3R2R1R0 +VREF2RRRRABCDI0

11、I1I2I3II=VREFRI3=VREF2RI2=VREF4RI1=VREF8RI0=VREF16RI = I3 + I2 + I1 + I0UREF2R=D3UREF16RD0UREF8RD1UREF4RD2+=UREF16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )=UREF RF16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )uo -+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 + UREF2RRRRI3I2I1I0I ABCD= - KNB11.2.6 11.2.6 在前面介紹的在前面介紹的D/AD/A轉換器中，輸入的數(shù)字均轉

12、換器中，輸入的數(shù)字均視為正數(shù)，即二進制數(shù)的所有位都為數(shù)值位。視為正數(shù)，即二進制數(shù)的所有位都為數(shù)值位。 采用單極性輸出方式時，數(shù)字輸入量相應的采用單極性輸出方式時，數(shù)字輸入量相應的采用采用自然二進制碼自然二進制碼，8 8位位D/AD/A轉換器單極性輸出時，轉換器單極性輸出時，輸入數(shù)字量與輸出模擬量之間的關系如表輸入數(shù)字量與輸出模擬量之間的關系如表1 1所示。所示。 根據(jù)根據(jù)電路形式電路形式或或參考電壓的極性參考電壓的極性不同，輸出不同，輸出電壓為電壓為0V0V到正滿度值到正滿度值，或，或0V0V到負滿度值到負滿度值， D/AD/A轉轉換器處于換器處于單極性輸出方式單極性輸出方式。一、單極性輸出方

13、式一、單極性輸出方式D/A轉換器的輸出方式：轉換器的輸出方式：MSB 數(shù)字量 LSB模擬量 1 1 1 1 1 1 1 1 )256255(v ref 1 0 0 0 0 0 0 1)256129(vref1 0 0 0 0 0 0 0 refv210 1 1 1 1 1 1 1 )256127(vref0 0 0 0 0 0 0 1)2561(vref0 0 0 0 0 0 0 0 0表表1 1 倒倒T T形電阻網絡形電阻網絡D/AD/A轉換器單極性電壓輸出電轉換器單極性電壓輸出電路如下圖所示：路如下圖所示：RFi 倒倒T T形形電阻網電阻網絡絡D/AD/A轉換器轉換器D0D1DN-1VRE

14、FVOVO=- i RF單極性反向輸出電路單極性反向輸出電路 在二進制運算中，通常都把帶符號的數(shù)值表示為補碼在二進制運算中，通常都把帶符號的數(shù)值表示為補碼的形式，這就要求的形式，這就要求D/AD/A轉換器能將以補碼形式輸入的正、負轉換器能將以補碼形式輸入的正、負數(shù)分別轉換為正、負極性的模擬電壓，即要求數(shù)分別轉換為正、負極性的模擬電壓，即要求D/AD/A轉換器工轉換器工作于作于雙極性方式雙極性方式。二、雙極性輸出方式二、雙極性輸出方式 以輸入為以輸入為3 3位二進制補碼的情況為例，說明轉換原理。位二進制補碼的情況為例，說明轉換原理。補碼輸入補碼輸入對應的十對應的十進制數(shù)進制數(shù)要求的輸要求的輸出電

15、壓出電壓d2 d1 d00 1 10 1 00 0 10 0 01 1 11 1 01 0 11 0 0+3+2+10-1-2-3-4+3v+2v+1v0v-1v-2v-3v-4v原碼輸入原碼輸入無偏移時無偏移時的輸出的輸出偏移偏移-4v后的輸出后的輸出d2 d1 d01 1 11 1 01 0 11 0 00 1 10 1 00 0 10 0 0+7v+6v+5v+4v+3v+2v+1v0+3v+2v+1v0v-1v-2v-3v-4vRVIRVREFBB22因此因此, ,構成雙極性構成雙極性D/AD/A轉換器的一般方法：轉換器的一般方法： 只要在求和放大器的只要在求和放大器的輸入端接入一輸入

16、端接入一個偏移電流個偏移電流，使輸入最高位為，使輸入最高位為1 1而其他各而其他各位輸入為位輸入為0 0時的輸出時的輸出v vo o=0=0；同時將；同時將輸入的輸入的符號位反相符號位反相后接到一般的后接到一般的D/AD/A轉換器的輸轉換器的輸入，就得到了雙極性輸出的入，就得到了雙極性輸出的D/AD/A轉換器。轉換器。11. 2. 7 D/A轉換器的轉換精度和轉換速度轉換器的轉換精度和轉換速度一、一、 D/A轉換器的轉換器的轉換精度轉換精度 工程上習慣用輸入數(shù)字量的工程上習慣用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)有效位數(shù)n來表來表示分辨率。示分辨率。 D/A轉換器能夠分辨出來的轉換器能夠分辨出來的最小輸出電壓

17、最小輸出電壓(此時輸入的數(shù)字代碼只有最低有效位為此時輸入的數(shù)字代碼只有最低有效位為 1，其，其余各位都是余各位都是 0 ) 與與最大輸出電壓最大輸出電壓(此時輸入的數(shù)此時輸入的數(shù)字代碼所有各位全是字代碼所有各位全是 1 )之比，之比，即即1.分辨率分辨率理論轉換精度理論轉換精度轉換精度通常用轉換精度通常用分辨率分辨率和和轉換誤差轉換誤差來描述。來描述。分辨率分辨率= =121)V212/()V21(VVREFREFnnnnmLSB 當當Vm一定時，輸入數(shù)字代碼的位數(shù)一定時，輸入數(shù)字代碼的位數(shù)n越越多多，分辨率值越分辨率值越小小，分辨能力越，分辨能力越高高。2.轉換誤差轉換誤差決定實際轉換精度決

18、定實際轉換精度11. 2. 7 D/A轉換器的轉換精度和轉換速度轉換器的轉換精度和轉換速度 轉換誤差通常用輸出電壓滿刻度轉換誤差通常用輸出電壓滿刻度FSR ( Full Scale Range ) 的百分數(shù)表示的百分數(shù)表示 。 例如例如 ，給出轉換誤，給出轉換誤差為差為 LSB ，21 這就表示輸出模擬這就表示輸出模擬 電壓的絕對誤差電壓的絕對誤差等于輸入數(shù)字代碼為等于輸入數(shù)字代碼為 0001 時輸出電壓的一半時輸出電壓的一半 。 造成轉換誤差的造成轉換誤差的原因原因主要有主要有 ：參考電壓參考電壓 VREF的波動的波動 ；運算放大器的零點漂移運算放大器的零點漂移 ；模擬開關的導通內阻和導通電

19、壓模擬開關的導通內阻和導通電壓 ；電阻網絡中的電阻值偏差電阻網絡中的電阻值偏差 ；.11. 2. 7 D/A轉換器的轉換精度和轉換速度轉換器的轉換精度和轉換速度二、二、 D/A轉換器的轉換速度轉換器的轉換速度 為了便于定量地描述為了便于定量地描述D/A轉換器的轉換轉換器的轉換 速度速度 ， 定義了定義了建立時間建立時間 tS 和和轉換速率轉換速率 SR兩兩 個參數(shù)個參數(shù) 。1. 建立時間建立時間 tS 通常以大信號工作情況下通常以大信號工作情況下( ( 輸入由全輸入由全0 0變變?yōu)槿珵槿? 1或者由全或者由全1 1變?yōu)槿優(yōu)槿? )0 ),輸出電壓到達某輸出電壓到達某一規(guī)定值所需要的時一規(guī)定值

20、所需要的時 間定為建立時間間定為建立時間tS 。 這個參數(shù)的值越小越好這個參數(shù)的值越小越好 。建立時間最短建立時間最短的可達的可達0.10.1 s s 。2. 轉換速率轉換速率 SR 轉換速率轉換速率 SR 以大信號工作狀態(tài)下以大信號工作狀態(tài)下 輸出模擬電壓的變化率表示輸出模擬電壓的變化率表示 。 D/A轉換器完成一次轉換所需要的轉換器完成一次轉換所需要的 時間應包括建立時間和上升時間應包括建立時間和上升(或下降或下降)時時 間兩部分間兩部分 ， 它的最大值為它的最大值為TTR(max) = tS + VO(max) / SR其中其中 VO(max) 為輸出電壓的最大值為輸出電壓的最大值 。1

21、1. 3 A / D 轉換器轉換器 ( ADC )11. 3. 1 A/D轉換的基本原理轉換的基本原理11. 3. 2 取樣取樣-保持電路保持電路11. 3. 3 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D轉換器轉換器11. 3. 4 反饋比較型反饋比較型A/D轉換器轉換器11. 3. 7 A/D轉換器的轉換精度與轉換速度轉換器的轉換精度與轉換速度 因為輸入的模擬量在因為輸入的模擬量在時間上是連續(xù)的，時間上是連續(xù)的， 11. 3. 1 A/D轉換的基本原理轉換的基本原理 在在A / D轉換中，轉換中， 而輸出的數(shù)字信號是離而輸出的數(shù)字信號是離 散量，散量， 所以進行轉換時只能在一系列選定所以進行轉換時只能在一

22、系列選定的瞬間的瞬間 (亦即瞬間坐標軸上的一些規(guī)定點亦即瞬間坐標軸上的一些規(guī)定點) 對輸入的模擬信號采樣，對輸入的模擬信號采樣， 然后再把這些采然后再把這些采樣值轉換為輸出的數(shù)字量樣值轉換為輸出的數(shù)字量 。A / D 轉換過程應包括轉換過程應包括 ：取樣、取樣、保持、保持、量化、量化、編碼編碼 這四個步驟這四個步驟 。0tvi0tvO1. 取樣與保持取樣與保持1) 取樣取樣: 就是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉換為就是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉換為時間離散的模擬量。取樣的過程示意如下圖：時間離散的模擬量。取樣的過程示意如下圖：0tS(t)Ts采樣脈沖采樣脈沖離散模離散模擬量擬量 若采樣電路用若采樣

23、電路用傳輸門傳輸門實現(xiàn)，并用采樣脈沖實現(xiàn)，并用采樣脈沖S(t)控制傳輸門的導通與否，其電路如下圖所示?？刂苽鬏旈T的導通與否，其電路如下圖所示。vi（t）vo（t）TGS（t） 在在S S（t t）的脈寬）的脈寬 期間，傳輸門導通，輸出信號期間，傳輸門導通，輸出信號vo（t）為輸入為輸入vi（t） ，而在（，而在（T TS S- - ）期間，傳輸門）期間，傳輸門關閉，輸出信號關閉，輸出信號vo（t）=0=0。對應輸入波形。對應輸入波形vi（t） ，輸出波形輸出波形vo（t） ，如上圖所示。，如上圖所示。 由波形圖可以看出，取樣信號由波形圖可以看出，取樣信號S S（t t）的）的頻率愈頻率愈高高，

24、所取得信號經低通濾波后愈能真實地復現(xiàn)輸入，所取得信號經低通濾波后愈能真實地復現(xiàn)輸入信號。合理的取樣頻率由取樣定理確定。信號。合理的取樣頻率由取樣定理確定。取樣定理取樣定理：設取樣信號：設取樣信號S S（t t）的頻率為）的頻率為fs，輸入模，輸入模擬信號擬信號vi（t）的最高頻率分量的頻率為的最高頻率分量的頻率為fimax，則必，則必須滿足下面的關系：須滿足下面的關系：max2isff一般取一般取max)53(isff 由于將取樣電路取得的模擬信號轉換為數(shù)字信由于將取樣電路取得的模擬信號轉換為數(shù)字信號仍需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提號仍需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)

25、定值，一般應將每次取得的模擬信號供一個穩(wěn)定值，一般應將每次取得的模擬信號保持保持一段時間，以保證到下一個取樣脈沖來之前輸入信一段時間，以保證到下一個取樣脈沖來之前輸入信號不變。號不變。取樣保持電路取樣保持電路 取樣脈沖高電平期間，開關取樣脈沖高電平期間，開關S閉合，電容閉合，電容 CH采樣采樣, vo =vi ; 忽略各種漏電流，電容忽略各種漏電流，電容CF保保持持 ；vo 保持保持 。voviCHA1A2開關驅開關驅動電路動電路S 取樣脈沖低電平期間，開關取樣脈沖低電平期間，開關S斷開，電容斷開，電容 CH無放電回路，無放電回路，電電子子開開關關取樣保取樣保持電容持電容AV1 AV1=1t取

26、樣取樣-保持器輸入輸出波形圖：保持器輸入輸出波形圖：取樣取樣脈沖脈沖高電平期間高電平期間vO跟隨跟隨vi低電平期間低電平期間vO保持不變，保持不變，同時進行同時進行A/DA/D轉換轉換輸入模擬輸入模擬信號信號vi 取樣取樣- -保持器保持器輸出信號輸出信號vO2. 量化和編碼量化和編碼 而數(shù)而數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，字信號不僅在時間上是離散的， 而且在幅值上而且在幅值上也是不連續(xù)的。也是不連續(xù)的。 任何一個數(shù)字量的大小只能是任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的某個規(guī)定的最最 小數(shù)量單位的整數(shù)倍小數(shù)量單位的整數(shù)倍。 因此，在進行因此，在進行 A / D 轉換時也必須把采樣轉換時也必須把采樣

27、-保持器輸出電壓化為這個最小單位保持器輸出電壓化為這個最小單位 的整數(shù)倍。的整數(shù)倍。 這這個轉化過程就叫做個轉化過程就叫做 “量化量化”， 所取的最小數(shù)量單位所取的最小數(shù)量單位叫做叫做量化單位量化單位，用，用表示。表示。 它是數(shù)字信號最低有它是數(shù)字信號最低有效位為效位為1 時所對應的模擬量，即時所對應的模擬量，即1LSB。 采樣采樣- -保持電路的輸出信號，雖然已成為保持電路的輸出信號，雖然已成為階梯狀，但階梯信號幅值仍然是連續(xù)的，階梯狀，但階梯信號幅值仍然是連續(xù)的， 把量化的結果用代碼把量化的結果用代碼 (二進制或二十二進制或二十 進制進制 )表示出來，稱為表示出來，稱為 “ 編碼編碼 ”

28、。 經編碼后得到的代碼經編碼后得到的代碼就是就是A/DA/D轉換器轉換器輸出的數(shù)字量輸出的數(shù)字量。 在量化過程中，由于取樣電壓不一定能被在量化過程中，由于取樣電壓不一定能被 整整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，此誤差除，所以量化前后不可避免地存在誤差，此誤差稱為稱為量化誤差量化誤差，用，用 表示。量化誤差是原理性誤表示。量化誤差是原理性誤差，它是無法消除的。差，它是無法消除的。量化方式量化方式只舍不入只舍不入有舍有入有舍有入1）只舍不入：）只舍不入：取最小量化單位取最小量化單位 =Vm/2n，其中，其中Vm為模擬電壓最大值，為模擬電壓最大值，n為數(shù)字代碼的位數(shù)，將為數(shù)字代碼的位數(shù)，將0 之

29、間的模擬電壓歸并到之間的模擬電壓歸并到0 ，把，把 2 之間的模擬電之間的模擬電壓歸并到壓歸并到1 ，以此類推。，以此類推。這種方法產生的這種方法產生的量化誤差量化誤差為為 。例例：設輸入信號：設輸入信號VI 的變化范圍為的變化范圍為01V，試用，試用“只只舍不入舍不入”和和“有舍有入有舍有入”的方法量化且用的方法量化且用3 3位二進位二進制編碼。制編碼。只舍不入：只舍不入：2）有舍有入：有舍有入：取量化單位為取量化單位為 = = ，1221nmV 將將0 /2之間的模擬電壓歸并到之間的模擬電壓歸并到0 0 ，把，把 /23 /2 之間的之間的模擬電壓歸并到模擬電壓歸并到1 ，以此類推。，以此

30、類推。 即把小于即把小于 /2的信號忽略（舍去），把大于的信號忽略（舍去），把大于 /2到到 之值視為之值視為 （歸入）。（歸入）。V81 這種方法產生的這種方法產生的量化誤差量化誤差為為 /2/2。有舍有入有舍有入： v152122V1nm111110101100011010001000111110101100011010001000輸入信號1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二進制代碼輸入信號二進制代碼1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模擬電壓7=7/8（V）6=6/8（V）5=5/8（V）4=4/8（V）3=3

31、/8（V）2=2/8（V）1=1/8（V）0 =0 （V）代表的模擬電壓7=14/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4= 8/15（V）3= 6/15（V）2= 4/15（V）1= 2/15（V）0 = 0 (V）dn-1d1d0數(shù)字量輸出(n位)ADC的數(shù)字化編碼電路 CPS SCADC采樣-保持電路采樣展寬信號輸入模擬電壓ui(t)us(t)模擬電子開關模擬電子開關S在采樣脈沖在采樣脈沖CPS的控制下重復接通、斷開的過的控制下重復接通、斷開的過程。程。S接通時，接通時，ui(t)對對C充電，為采樣過程；充電，為采樣過程；S斷開時，斷開時，C上的上的電壓保持不變，為保持過程。

32、在保持過程中，采樣的模擬電電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經數(shù)字化編碼電路轉換成一組壓經數(shù)字化編碼電路轉換成一組n位的二進制數(shù)輸出。位的二進制數(shù)輸出。A/D轉換的基本原理轉換的基本原理11. 3. 3 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D轉換器轉換器 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/DA/D轉換器屬轉換器屬直接直接A/D轉轉換器，它能把輸入的模擬電壓直接轉換換器，它能把輸入的模擬電壓直接轉換為輸出的數(shù)字量而不需要經過中間變量。為輸出的數(shù)字量而不需要經過中間變量。 REF1nmV152122V電路如左圖所電路如左圖所示，示， 它由三它由三部分組成：部分組成：電電壓比較器壓比較器、寄寄存器、代

33、碼轉存器、代碼轉換電路。換電路。0VREF優(yōu)點：優(yōu)點：轉換速度快。轉換速度快。缺點：缺點：需要很多的電需要很多的電壓比較器和觸發(fā)器。壓比較器和觸發(fā)器。邏輯狀態(tài)關系表邏輯狀態(tài)關系表根據(jù)以上真值表得到代碼轉換器的組合邏輯電路根據(jù)以上真值表得到代碼轉換器的組合邏輯電路寄存器狀態(tài)寄存器狀態(tài)VREF vi 13VREF / 15 13VREF / 15 vi 11VREF / 15 11VREF / 15 vi 9VREF / 15 9VREF / 15 vi 7VREF / 15 7VREF / 15 vi 5VREF / 15 5VREF / 15 vi 3VREF / 15 3VREF / 15

34、vi VREF / 15 VREF / 15 vi 0Q7d2d0d1數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出輸入電壓輸入電壓vi1 111 11111101 11 1111100000000 00 000000100000 0 01000 011001110110000100111111111111000Q6Q5Q4Q3Q2Q1以逐次漸近型以逐次漸近型ADC為例進行介紹：為例進行介紹：11. 3. 4 反饋比較型反饋比較型A/D轉換器轉換器 轉換開始前先將所有寄存器清零。開始轉換以后，時鐘轉換開始前先將所有寄存器清零。開始轉換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為，使輸出

35、數(shù)字為1000。這。這個數(shù)碼被個數(shù)碼被D/A轉換器轉換成相應的模擬電壓轉換器轉換成相應的模擬電壓vo，送到比較器，送到比較器中與中與vi進行比較。若進行比較。若vovi，說明數(shù)字過大了，故將最高位的，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若清除；若vovi，說明數(shù)字還不夠大，應將這一位保留。然，說明數(shù)字還不夠大，應將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經過比較以后確，并且經過比較以后確定這個定這個1是否應該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位是否應該保留。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)字量輸為止。比較完畢

36、后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。出。轉換開始前，先使轉換開始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一個，第一個CP到來后，到來后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是，于是FFA被置被置1，F(xiàn)FB和和FFC被置被置0。這時。這時加到加到D/A轉換器輸入端的代碼為轉換器輸入端的代碼為100，并在，并在D/A轉換器的輸出端得轉換器的輸出端得到相應的模擬電壓輸出到相應的模擬電壓輸出vo。vo和和vi在比較器中比較，當若在比較器中比較，當若vivo時，時，比較器輸出比較器輸出vB=1；當；當vivo時，時，vB=0。第二個第二個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器右移一位，變成到來后，環(huán)形

37、計數(shù)器右移一位，變成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，這時門，這時門G1打開，若原來打開，若原來vB=1，則，則FFA被置被置0，若，若原來原來vB =0，則，則FFA的的1狀態(tài)保留。與此同時，狀態(tài)保留。與此同時，Q2的高電平將的高電平將FFB置置1。第三個第三個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器又右移一位，一方面將到來后，環(huán)形計數(shù)器又右移一位，一方面將FFC置置1，同時將門同時將門G2打開，并根據(jù)比較器的輸出決定打開，并根據(jù)比較器的輸出決定FFB的的1狀態(tài)是否應該狀態(tài)是否應該保留。保留。第四個第四個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器到來后，環(huán)形計數(shù)器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，門，門G3打開，根據(jù)比較

38、器的輸出決定打開，根據(jù)比較器的輸出決定FFC的的1狀態(tài)是否應該保留。狀態(tài)是否應該保留。第五個第五個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器到來后，環(huán)形計數(shù)器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，F(xiàn)FA、FFB、FFC的狀態(tài)作為轉換結果，通過門的狀態(tài)作為轉換結果，通過門G6、G7、G8送出。送出。 設原理電路為設原理電路為8 8位位A/DA/D轉換器，轉換器，vi=6.84V，其中，其中D/A轉換器基準電壓轉換器基準電壓VREF=10V。t5.00001000000011000000101011116.8359379876543210vO轉換時間轉換時間=80uS7.5000常用集成逐次比常用集成逐次比較型較型A

39、/DA/D轉換器有轉換器有ADC0808/0809ADC0808/0809（8 8位）、位）、AD575AD575（1010位）、位）、AD574AAD574A（1212位）位）這種這種A/DA/D轉換器具轉換器具有有轉換速度較快轉換速度較快、精度高等精度高等特點。特點。啟動脈沖啟動脈沖CPD7D6D5D4D3D2D1D010uS1010000011. 3. 5 雙積分型雙積分型A/D轉換器轉換器 這種轉換器的結構框圖如圖這種轉換器的結構框圖如圖所示。所示。它由它由積分器積分器、過零比較器過零比較器、時鐘脈沖源、控制時鐘脈沖源、控制邏輯邏輯和和計數(shù)器計數(shù)器等部分組成。等部分組成。：對輸入模擬電

40、壓和基準電壓進行兩次積分，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電壓成正比的時間間隔T1，再利用計數(shù)器測出此時間，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。壓；接著對基準電壓進行同樣的處理。COCO=10Vo0vO0 下面以輸入正極性的直流電壓下面以輸入正極性的直流電壓V VI I為例，說明電路將為例，說明電路將模擬電壓轉換為數(shù)字量的基本原理模擬電壓轉換為數(shù)字量的基本原理: :（

41、1 1）準備階段）準備階段 轉換之前，轉換控制信號轉換之前，轉換控制信號VL=0，使，使n位計數(shù)器和位計數(shù)器和附加觸發(fā)器附加觸發(fā)器FFA均置均置0，同時封鎖，同時封鎖G門，計數(shù)器不工門，計數(shù)器不工作，同時開關作，同時開關S0閉合，積分電容放電。此時，由于閉合，積分電容放電。此時，由于VL和和QA均為均為0，故，故L1輸出為輸出為0，使開關，使開關S1接至被測模接至被測模擬電壓一側。擬電壓一側。（2 2）第一次積分（采樣）階段）第一次積分（采樣）階段 積分器對積分器對vi 在固定時間在固定時間T1（由計數(shù)器的位數(shù)決（由計數(shù)器的位數(shù)決定）內進行積分，即定）內進行積分，即 當當VL=1以后以后，開關

42、，開關S0斷開，由于此時斷開，由于此時QA仍為仍為0，開關開關S1仍接至仍接至vI 一側，轉換開始。一側，轉換開始。I1IT0OvRCTdtvRC1(t)v1 式中式中V VI I為為T T1 1時間內輸入模擬電壓的平均值。因為時間內輸入模擬電壓的平均值。因為V VO O（t t）00，比較器輸出，比較器輸出V VC C=1=1，開啟門，開啟門G G1 1，周期為，周期為T TC C的的時鐘脈沖計數(shù)器從時鐘脈沖計數(shù)器從0 0開始計數(shù)，當計數(shù)到最大容量開始計數(shù)，當計數(shù)到最大容量N=2N=2n n時，計數(shù)器回到時，計數(shù)器回到0 0狀態(tài)，同時附加觸發(fā)器狀態(tài)，同時附加觸發(fā)器FFFFA A的的Q QA A=1=1，使開關，使開關S S1 1轉接到基準電壓轉接到基準電壓V VREFREF上，第一次積分上，第一次積分結束。此時結束。此時T1=NTC=2nTCICn1I1OVRCT2TRCV)(TV 因為因為2 2n nT TC C不變，所以積分器的輸出不變，所以積分器的輸出V VO O（t t）