第10章數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路

1、第第10章章 數(shù)數(shù)-模和模模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路數(shù)轉(zhuǎn)換電路【本章內(nèi)容提要】【本章內(nèi)容提要】p D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理、技術(shù)指標(biāo)及集成DAC0832；p A/D轉(zhuǎn)換過程中的取樣、保持、量化與編碼；p 逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理；p 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理；p 集成ADC0809簡介。 本章內(nèi)容提要本章內(nèi)容提要重點(diǎn)：重點(diǎn)： （1）D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換原理和性能指標(biāo)；轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換原理和性能指標(biāo)；（2）A/D轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換原理和性能指標(biāo)；轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換原理和性能指標(biāo)；（3）集成）集成D/A和和A/D轉(zhuǎn)化器。轉(zhuǎn)化器。難點(diǎn)：難點(diǎn)：（1） D/A轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)的物理意義；轉(zhuǎn)換器性能指

2、標(biāo)的物理意義；（2） A/D轉(zhuǎn)換過程中的量化方法及量化誤差；轉(zhuǎn)換過程中的量化方法及量化誤差；（3） 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)化器工作原理的分析。轉(zhuǎn)化器工作原理的分析。 實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字與模擬信號的轉(zhuǎn)換：實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字與模擬信號的轉(zhuǎn)換：數(shù)字系統(tǒng)，特別是計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍越來越廣，它們處理的都是不連續(xù)的0、1數(shù)字信號，處理后的結(jié)果也是數(shù)字信號。然而實(shí)際所遇到的許多物理量，如語音、溫度、壓力、流量、亮度、速度等都是在數(shù)值和時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量，這些物理量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的電壓或電流也是連續(xù)變化的模擬信號，這些模擬信號不能直接送入數(shù)字系統(tǒng)處理，需要把它們先轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，然后才能輸入數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理

3、。處理后的數(shù)字信息也必須先轉(zhuǎn)換成電模擬量，送到執(zhí)行元件中才能對控制對象實(shí)行實(shí)時(shí)控制，進(jìn)行必要的調(diào)整。這一過程如圖10-1所示。 圖圖10-1 縮寫的含義：縮寫的含義：圖中，A/D轉(zhuǎn)換器簡稱ADC（Analog to Digital Converter），就是把輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的接口電路，而D/A轉(zhuǎn)換器簡稱DAC（Digital to Analog Converter），就是把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量（電壓或電流）輸出的接口電路。它們都是數(shù)字系統(tǒng)中必不可少的組成部分。10.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.1.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 圖10-3所示是4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換

4、器的原理圖，它由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、4個(gè)模擬開關(guān)盒1個(gè)求和放大器組成。圖圖10-3 電路組成分析：電路組成分析：圖10-3中，S3、S2、S1、S0是4個(gè)電子開關(guān)，它們的狀態(tài)分別受輸入的數(shù)字信號代碼d3、d2、d1、d0的取值控制，這里，d3是代碼的最高位（Most Significant Bit，簡寫為MSB），d0是代碼的最低位（Least Significant Bit，簡寫為LSB）。代碼為1時(shí)開關(guān)接到參考電壓UREF上，代碼為0時(shí)開關(guān)接地。故di = 1時(shí)有支路電流Ii流向求和放大器，di = 0時(shí)支路電流為零。 求和放大器是一個(gè)接成負(fù)反饋的運(yùn)算放大器。為了簡化分析計(jì)算，可以把運(yùn)算放大器近似

5、看成是理想放大器即它的開環(huán)放大倍數(shù)為無窮大，輸入電流為零（輸入電阻為無窮大），輸出電阻為零。當(dāng)同相輸入端的電位u+高于反相輸入端的電位u-時(shí)，輸出端對地的電壓uo為正；當(dāng)u-高于u+時(shí)，uo為負(fù)。 工作原理分析：工作原理分析：當(dāng)參考電壓UREF經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)加到u-時(shí)，只要u- 稍高于u+ ，便在uo產(chǎn)生很負(fù)的輸出電壓。uo經(jīng)反饋電阻RF反饋到u- 端使u- 降低，其結(jié)果必然使u-u+ = 0。 在認(rèn)為運(yùn)算放大器輸入電流為零的條件下可以得到：)(0123FFoIIIIRiRu 由于u-0，因而各支路電流分別為：3REF3dRUI （d3 = 1時(shí)， ；d3 = 0時(shí)，I3= 0）RUIREF32R

6、EF22dRUI 12REF12dRUI 03REF02dRUI （10-1） 將它們代入式（10-1）并取RF = R/2，則得到：)2222(2001122334REFoddddUu(10-2) 對于n位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取R/2時(shí)，輸出電壓的計(jì)算公式可寫成:)2222(200112211REFoddddUunnnnnnnDU2REF(10-3) 式（10-3）表明，輸出的模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量Dn，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。 當(dāng)Dn = 0時(shí)，uo = 0，當(dāng)Dn = 1111時(shí)， ，故uo的最大變化范圍是0 。 從式（10-3）中還可以看到，在UREF為正

7、電壓時(shí)輸出電壓uo始終為負(fù)值。要想得到正的輸出電壓，可以將UREF取為負(fù)值。REFo212UunnREF212Unn權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器小結(jié)：轉(zhuǎn)換器小結(jié)： 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：圖10-3所示權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，所用的電阻元件數(shù)很少。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：是各個(gè)電阻的阻值相差較大，尤其在輸入信號的位數(shù)較多時(shí)，這個(gè)問題就更加突出。要想在極為寬廣的阻值范圍內(nèi)保證每個(gè)電阻都有很高的精度是十分困難的，尤其對制作集成電路更加不利。 為了克服權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中電阻阻值相差太大的缺點(diǎn)，提出一種倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。10.1.2 倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1.

8、電路組成電路組成 圖10-4所示是一個(gè)3位二進(jìn)制倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理電路圖。由圖可見，電阻網(wǎng)絡(luò)中只有R、2R兩種阻值的電阻，這就給集成電路的設(shè)計(jì)和制作帶來了很大的方便。圖圖10-4 電路組成分析：電路組成分析：圖中，d2d1d0是輸入的3位二進(jìn)制數(shù)，它們控制著由N溝道增強(qiáng)型MOS管組成的3個(gè)電子開關(guān)S2、S1、S0，R、2R組成倒T型電阻轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)放完成求和運(yùn)算，uo是輸出模擬電壓，UREF是參考電壓（也叫作基準(zhǔn)電壓）。 S2、S1、S0與d2、d1、d0的對應(yīng)關(guān)系是：當(dāng)d2 = 1，即為高電平時(shí)， = 0為低電平，S2右邊的MOS導(dǎo)通，左邊MOS管截止，將相應(yīng)的2R電阻接到運(yùn)放

9、的反相輸入端，反之若d2 = 0， = 1，S2右邊MOS管截止，左邊MOS管導(dǎo)通，2R電阻接地。d1、d0對S1、S0的控制作用與d2對S2的控制作用相同。一般地說，輸入n位二進(jìn)制數(shù)中第i位di = 1時(shí)，Si就把網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的2R電阻接到求和運(yùn)放的反相輸入端，反之di = 0時(shí)，Si則將2R電阻接地。 2d2d2. 工作原理工作原理 下面通過具體例子進(jìn)行說明。 （1）當(dāng)d2d1d0 = 100時(shí) 圖10-5所示是d2d1d0 = 100時(shí)的等效電路。由于引入了深度電壓負(fù)反饋，集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，而其同相輸入端接地，故其反相輸入端為“虛地”。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)中，無論是從AA端、BB端還是CC端

10、向左看進(jìn)去，其等效電阻均為R，因此，由參考電壓提供的電流I = UREF /R。圖圖10-5 當(dāng)d2d1d0 = 100時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)，流入求和電路的電流為I / 2，輸出電壓為：RRURIUREF212o)202021 (220123REFREFUU（2）當(dāng)d2d1d0 = 110時(shí) 圖10-6所示是d2d1d0 = 110時(shí)的等效電路，顯然，流入求和電路的電流是I / 2 + I / 4，輸出電壓為： RRURURIIU)4121()42(REFREFo)202121 (20123REFU（3）當(dāng)d2d1d0 = 111時(shí) 利用類似方法可求得輸出電壓為：RRURURURIIIU)814121

11、()842(REFREFREFo)212121 (20123REFU（4）表達(dá)式的一般形式 根據(jù)d2d1d0為100、110、111時(shí)的分析結(jié)果，可推論得到uO的一般表達(dá)形式為:)222(20011223REFodddUU（10-4） 式（10-4）表明，圖10-4所示電路可以將輸入的3位二進(jìn)制數(shù)d2d1d0轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬輸出電壓uo。若令UREF = -8 V，那么便可得到圖10-2所示的轉(zhuǎn)換特性。 當(dāng)輸入D = dn-1d n-2d1 d0，即為n位二進(jìn)制數(shù)時(shí)，由式（10-4）不難推論出：)2222(200112211REFo ddddUUnnnnnnunDKDU2REF （10-5）

12、式（10-5） 中Ku是將二進(jìn)制數(shù)Dn轉(zhuǎn)換成模擬電壓uo的轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，也可以看成是D/A轉(zhuǎn)換器中的單位電壓：nuUK2REF（10-6） 單位電壓Ku乘上二進(jìn)制數(shù)D的數(shù)值，所得到的便是輸出模擬電壓uo。10.1.3 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)衡量D/A轉(zhuǎn)換器性能的參數(shù)主要有分辨率、轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度等。1. 分辨率分辨率 分辨率用于描述D/A轉(zhuǎn)換器對輸入量微小變化的敏感程度。它是輸入數(shù)字量在只有最低有效位（LSB，Least Significant Bit）為1（即為0001）時(shí)的輸出電壓ULSB與輸入數(shù)字量全為1（即為1111）時(shí)的輸出電壓UM之比。將0001和1111

13、代入式（10-5），可得ULSB和UM，因此對于n位的DAC，其分辨率為 分辨率 = ULSB/UM = 1/（2n 1） （10-7） 例如10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/（210 1）。如果輸出模擬電壓滿量程為10 V，那么10位DAC能夠分辨的最小電壓為10/1023 0.009 775 V；而8位D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨的最小電壓為10/255 0.039215 V?？梢娢粩?shù)越高，DAC分辨輸出電壓的能力越強(qiáng)。 分辨率表示D/A轉(zhuǎn)換器在理論上可以達(dá)到的精度。2. 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 通常，轉(zhuǎn)換精度用轉(zhuǎn)換誤差和相對精度來描述。 轉(zhuǎn)換誤差是在對應(yīng)給定的滿刻度數(shù)字量情況下，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出與理

14、論值之間的誤差。該誤差是由于D/A轉(zhuǎn)換器的增益誤差、零點(diǎn)誤差、線性誤差和噪聲等共同引起的。 相對精度指在滿刻度已校準(zhǔn)的情況下，整個(gè)刻度范圍內(nèi)，對于任一數(shù)碼的模擬量輸出與其理論值之差。對于線性的D/A轉(zhuǎn)換器，相對精度就是非線性度。相對精度有兩種方法表示，一種是用數(shù)字量最低有效位的位數(shù)LSB表示，另一種是用該偏差的相對滿刻度值的百分比表示。 某DAC精度為0.1%，滿量程UFS = 10 V，則該DAC的最大線性誤差電壓： UE = 0.1%10 V = 10 mV對于n位DAC，精度為 LSB，其最大可能的線性誤差電壓：21FS1FSE212121UUUnn 轉(zhuǎn)換精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念，即

15、使D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率很高，但由于電路的穩(wěn)定性不好等原因，也可能使電路的轉(zhuǎn)換精度不高。3. 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度由轉(zhuǎn)換時(shí)間決定，轉(zhuǎn)換時(shí)間是指數(shù)據(jù)變化量是滿度值（輸入由全0變?yōu)槿?或全1變?yōu)槿?）時(shí)，達(dá)到終值2LSB時(shí)所需的時(shí)間。10.1.4 集成集成DAC 集成DAC0832是用CMOS工藝制成的8位DAC轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)字輸入端具有雙重緩沖功能，可根據(jù)需要接成不同的工作方式，特別適用于要求幾個(gè)模擬量同時(shí)輸出的場合。它與微處理器接口很方便。1. DAC0832的主要技術(shù)指標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo) 分辨率： 8位轉(zhuǎn)換時(shí)間： 1s單電源： 515 V線性誤差： 0.2%LSB溫度靈敏度： 20 ppm/

16、oC功耗： 20mW2. DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10-7所示。 圖圖10-7 DAC0832內(nèi)部由一個(gè)8位輸入寄存器、一個(gè)8位DAC寄存器、一個(gè)8位DAC轉(zhuǎn)換器、邏輯控制電路以及輸出電路的輔助元件RFB等組成。D/A轉(zhuǎn)換器采用了倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)。由于DAC0832有兩個(gè)可以分別控制的數(shù)據(jù)寄存器，所以在使用時(shí)有較大的靈活性，可以接成雙緩沖、單緩沖或直接輸入等工作方式。 DAC0832中無運(yùn)算放大器，且是電流輸出，使用時(shí)需外接運(yùn)算放大器。3. DAC0832的引腳功能的引腳功能 DAC0832的引腳排列圖如圖10-8所示。各引腳的功能如下：圖圖10-

17、8ILE：輸入鎖存允許信號，輸入高電平有效。 ：片選信號，輸入低電平有效。它與ILE結(jié)合起來可以控制是否起作用。 ：寫信號1，低電平有效。在和ILE為有效電平時(shí)，用它將數(shù)據(jù)輸入并鎖存于輸入寄存器中。 ：寫信號2，輸入低電平有效。在為有效電平時(shí)，用它將輸入寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到8位DAC寄存器中。 ：傳輸控制信號，輸入低電平有效。用它來控制是否起作用。在控制多個(gè)DAC0832同時(shí)輸出時(shí)特別有用。CS1WR2WRXFERDI7DI0：8位數(shù)字量輸入端。VREF：基準(zhǔn)（參考）電壓輸入端。一般此端外接一個(gè)精確、穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)源。VREF可在-10 V+10 V范圍內(nèi)選擇。RFB：反饋電阻。反饋電阻被制作

18、在芯片內(nèi)，用作外接運(yùn)算放大器的反饋電阻，它與內(nèi)部的R-2R電阻相匹配。IOUT1：模擬電流輸出1，接運(yùn)算放大器反相輸入端。其大小與輸入的數(shù)字量DI7DI0成正比。IOUT2：模擬電流輸出2，接地。其大小與輸入數(shù)字取反后的數(shù)字量DI7DI0成正比，IOUT1+ IOUT2 = 常數(shù)。VCC：電源輸入端（一般為+5 V+15 V）。DGND：數(shù)字地。AGND：模擬地。4. DAC0832的工作方式的工作方式 DAC0832內(nèi)部有兩個(gè)寄存器，所以它可以有雙緩沖型、單緩沖型和直通型等幾種工作方式。如果工作在直通方式，則沒有鎖存功能；如果工作在緩沖方式，則有一級或二級鎖存能力。 雙緩沖方式：DAC083

19、2內(nèi)部有兩個(gè)8位寄存器，可以進(jìn)行雙緩沖操作，即在對某數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的同時(shí)，又可以進(jìn)行下一數(shù)據(jù)的采集，故轉(zhuǎn)換速度較高。這一特點(diǎn)特別適用于要求多片DAC0832的多個(gè)模擬量同時(shí)輸出的場合。在各片的ILE置為高電平、 和 為低電平的控制下，有關(guān)數(shù)據(jù)分別被輸入各個(gè)相應(yīng)的 DAC0832的八位輸入寄存器。當(dāng)需要進(jìn)行同時(shí)模擬輸出時(shí)，在 和 均為低電平的作用下，把各輸入寄存器中數(shù)據(jù)同時(shí)傳送給各自的DAC寄存器。各個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)轉(zhuǎn)換，同時(shí)給出模擬輸出。 單緩沖方式：在不要求多片D/A同時(shí)輸出時(shí)，可以采用單緩沖方式，使兩個(gè)寄存器之一始終處于直通狀態(tài)，這時(shí)只需一次操作，因而可以提高D/A的數(shù)據(jù)吞吐量， 直通方式：如

20、果兩級寄存器都處于常通狀態(tài)，這時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出將跟隨數(shù)字輸入隨時(shí)變化，這就是直通方式。這種情況是將DAC0832直接應(yīng)用于連續(xù)反饋控制系統(tǒng)中，作數(shù)字增量控制器使用。1WRCS XFER2WR 5. DAC0832與微機(jī)的連接與微機(jī)的連接 圖10-9所示為DAC0832與80X86計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接的典型電路，它屬于單緩沖方式。圖中的電位器用于滿量程調(diào)整。圖圖10-9 DAC0832在輸入數(shù)字量為單極性數(shù)字時(shí)，輸出電路可接成單極性工作方式；在輸入數(shù)字量為雙極性數(shù)字時(shí)，輸出電路可接成雙極性工作方式。所謂單極性輸出是指微處理機(jī)輸出到D/A轉(zhuǎn)換器的代碼為00HFFH，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓要么全

21、為負(fù)值，要么全為正值。輸出極性總與基準(zhǔn)電壓的極性相反。所謂雙極性輸出是指微處理機(jī)輸出到DAC的數(shù)字量有正負(fù)之分，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓也有正負(fù)極性之分。如控制系統(tǒng)中對電動機(jī)的控制，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)對應(yīng)正電壓和負(fù)電壓。10.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 功能：功能：A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬電壓量ui轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量D輸出，D為n位二進(jìn)制代碼dn-1d n-2d1 d0 。 分類：分類：A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，按工作原理可分為直接型和間接型兩大類。前者直接將模擬電壓轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字代碼，而后者是將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成一個(gè)中間量（如時(shí)間或頻率），然后將中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。下面首先說明A/D轉(zhuǎn)換的一般

22、原理和步驟，再分別介紹直接型中的逐次漸近比較型A/D轉(zhuǎn)換器和間接型中的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟轉(zhuǎn)換的一般步驟 ADC的輸入電壓信號ui在時(shí)間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字量D是離散的，所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)必須按一定的頻率對輸入的信號ui進(jìn)行取樣，得到取樣信號uS，并在兩次取樣之間使uS保持不變，從而保證將取樣值轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的數(shù)字量。因此，A/D轉(zhuǎn)換過程是通過取樣、保持、量化、編碼4個(gè)步驟完成的。通常取樣和保持用同一個(gè)電路實(shí)現(xiàn)，量化和編碼也是在轉(zhuǎn)換過程同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。1. 取樣與保持取樣與保持 取樣是將在時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的模擬量，如圖10-10所示?？梢钥吹?，

23、為了用取樣信號uS準(zhǔn)確地表示輸入信號ui，必須有足夠高的取樣頻率fS，取樣頻率fS越高就越能準(zhǔn)確地反映ui的變化。那么如何來確定取樣頻率呢？圖圖10-10 對任何模擬信號進(jìn)行諧波分析時(shí)，均可以表示為若干正弦信號之和，若諧波中最高頻率為fi max，則根據(jù)取樣定理，取樣頻率應(yīng)滿足： fS 2fi max （10-8） 此時(shí)，取樣信號uS就能準(zhǔn)確地反映輸入信號ui。由于取樣時(shí)間極短，取樣輸出uS為一串?dāng)嗬m(xù)的窄脈沖。而要把一個(gè)取樣信號數(shù)字化需要一定時(shí)間，因此在兩次取樣之間應(yīng)將取樣的模擬信號存儲起來以便進(jìn)行數(shù)字化，這一過程稱為保持。2. 量化與編碼量化與編碼 數(shù)字信號不僅在時(shí)間上是離散的，而且在數(shù)值上

24、的變化也是不連續(xù)的。也就是說，任何一個(gè)數(shù)字量的大小都是以某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍來表示的。因此，在用數(shù)字量表示取樣電壓時(shí)，也必須把它化成這個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，所規(guī)定的最小數(shù)量單位稱為量化單位，用表示。將量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示稱為編碼。這個(gè)二進(jìn)制代碼就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出信號。 輸入模擬電壓通過取樣保持后轉(zhuǎn)換成階梯波，其階梯幅值仍然是連續(xù)可變的，所以它就不一定能被量化單位整除，因而不可避免地會引起量化誤差。對于一定的輸入電壓范圍，輸出的數(shù)字量的位數(shù)越高，就越小，因此量化誤差也越小。而對于一定的輸入電壓范圍、一定位數(shù)的數(shù)字量輸出，不同的量化方法，量化誤差的大小也不同。量化的方法有兩種，下面將

25、分別說明。設(shè)輸入電壓ui的輸入電壓范圍為0UM，輸出為n位的二進(jìn)制代碼?，F(xiàn)取UM = 1 V，n = 3。 第一種量化方法：取= UM/2n =（1/23）V =（1/8）V，規(guī)定0表示0 Vui （1/8）V，對應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為000；1表示（1/8）Vui （2/8）V，對應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為001；7表示（7/8）Vui 1V，對應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為111，如圖10-11（a）所示。顯然，這種量化方法的最大量化誤差為。 第二種量化方法：取= 2UM/（2n+1 1）=（2/15）V，并規(guī)定0表示0 Vui （1/15）V，對應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為000；1表示（1/15）Vui （3/

26、15）V，對應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為001；7表示（13/15）Vui 1V，對應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為111，如圖10-11（b）所示。顯然，這種量化方法的最大量化誤差為/2。實(shí)際電路中多采用這種量化方法。 圖圖10-1110.2.2 取樣保持電路取樣保持電路 取樣保持電路實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的取樣和保持兩個(gè)步驟。其基本形式如圖10-12所示。它由N溝道MOS管T作為取樣開關(guān)、存儲電容 C和運(yùn)放等組成。 當(dāng)取樣控制信號uL為高電平時(shí)，T導(dǎo)通，輸入信號ui經(jīng)電阻Ri向電容C充電。取Ri = R f 且忽略運(yùn)放的凈輸入電流，則充電結(jié)束后uo = uC = - uI。 取樣控制信號uL躍變?yōu)榈碗娖胶?，MOS管T

27、截止，由于電容C上的電壓uC保持基本不變，即取樣的結(jié)果被保持下來直到下一個(gè)取樣控制信號的到來?？梢钥闯觯挥须娙軨的漏電越小，運(yùn)放的輸入阻抗越大，uo保持的時(shí)間才越長。圖圖10-12 顯然，取樣過程是一個(gè)充電過程，且 Ri越小，充電時(shí)間越短，取樣頻率可以越高；在充電過程中，電路的輸入電阻為Ri，為使電路從信號源索取的電流小些，則要求輸入電阻大；因此取樣速度與輸入阻抗產(chǎn)生了矛盾。下面介紹在圖10-12所示電路基礎(chǔ)上改進(jìn)而得的電路，如圖10-13所示。A1和A2是兩個(gè)運(yùn)放，取樣控制信號uL通過驅(qū)動電路L控制開關(guān)S。uL = 1時(shí)，開關(guān)S閉合。A1和A2工作在單位增益的電壓跟隨狀態(tài)，則ui = uo

28、/ = uC = uo；uL = 0時(shí)，開關(guān)S斷開。由于電容C沒有放電回路，uC保持ui不變，所以輸出uo也保持ui不變。圖圖10-13 開關(guān)S斷開，電路處于保持階段，如果ui變化，uo/可能變化非常大，甚至?xí)^開關(guān)電路能夠承受的電壓，因此用二極管D1、D2構(gòu)成保護(hù)電路。當(dāng)uo/比保持電壓uo高（或低）一個(gè)二極管的壓降UD時(shí)，D1（或D2）導(dǎo)通，從而使uo/ = uo + UD（或uo/ = uo - UD）。在開關(guān)S閉合時(shí)uo/ = uo，所以D1和D2不導(dǎo)通，保護(hù)電路不起作用。 由于電路在取樣開關(guān)與輸入信號之間加一級運(yùn)放A1，提高了輸入阻抗。同時(shí)由于運(yùn)放A1輸出阻抗小，使電容充、放電過程

29、加快，從而提高了取樣速度。10.2.3 逐次漸近型逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器是直接型A/D轉(zhuǎn)換器，也是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中用得最多的一種電路。其轉(zhuǎn)換過程類似于天平稱物的過程，天平的一端放物M，一端放砝碼。用天平將各種質(zhì)量的砝碼按一定規(guī)律與M進(jìn)行比較、取舍，直到天平基本平衡，這時(shí)天平托盤中砝碼的質(zhì)量之和就表示M的質(zhì)量。 圖10-14所示是逐次漸近型A/D轉(zhuǎn) 換器的原理框圖。它由比較器、n位D/A轉(zhuǎn)換器、n位寄存器、控制電路、輸出電路、時(shí)鐘信號CP以及參考電壓源等組成。輸入為ui，輸出為n位二進(jìn)制代碼。 圖圖10-14 轉(zhuǎn)換開始之前將寄存器清零（dn-1d n-2d

30、1 d0 = 0000）。開始轉(zhuǎn)換時(shí)，控制電路先將寄存器的最高位置1（dn-1 = 1），其余位全為0，使寄存器輸出為（dn-1d n-2d1 d0 = 100），這組數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uX后通過電壓比較器與ui進(jìn)行比較。若uiuX，說明寄存器中的數(shù)字不夠大，則將這一位的1保留；若uiuX，說明寄存器中的數(shù)字太，則將這一位的1清除，從而決定了dn-1的值。然后將次高位置1（dn-2= 1），再通過D/A轉(zhuǎn)換器將此時(shí)寄存器的輸出（dn-1d n-2d1 d0 = dn-1 100）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uX，通過uX與ui比較決定d n-2的取值。依此類推，逐位比較，一直到最低

31、位為止。 下面以3位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路為例，如圖10-15所示，具體說明轉(zhuǎn)換過程和轉(zhuǎn)換時(shí)間。 圖圖10-15 圖中FF2、FF1和FF0組成3位數(shù)碼寄存器；觸發(fā)器FFaFFe和門G1G5構(gòu)成控制電路，其中FFaFFe接成環(huán)形計(jì)數(shù)器，門G6G8為輸出電路。在轉(zhuǎn)換開始前使QaQbQcQdQe = 10000，且Q2 = Q1 = Q0 = 0。 第一個(gè)CP信號到達(dá)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器右移一位，使Qb = 1、Qa = Qc = Qd = Qe = 0，并且將數(shù)碼寄存器的最高位 FF2置1，F(xiàn)F1和FF0置0。這時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入代碼為d2d1d0 = 100，由此可在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到

32、相應(yīng)的模擬電壓uX。通過比較器C對ui與uX進(jìn)行比較，若uiuX，比較器輸出uC為高電平；若uiuX，則uC為低電平。 第二個(gè)CP信號到達(dá)時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器右移一位，使Qc = 1、Qa = Qb = Qd = Qe = 0。若uC為高電平（uiuX），說明寄存器中的數(shù)字太大，則將這一位的1清除，即將FF2置0；若uC = 0（uiuX），說明寄存器中的數(shù)字不夠大，則將這一位的1保留，即FF2保持1，從而確定了數(shù)碼寄存器中“Q2”的值。與此同時(shí)，Qc的高電平將次高位FF1置1。這時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入代碼為d2d1d0 = Q210，輸出為這個(gè)代碼相應(yīng)的模擬電壓uX。通過對ui與uX進(jìn)行比較決定比較

33、器C的輸出uC 。 第三個(gè)CP信號到達(dá)時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器再右移一位，使Qd = 1、Qa = Qb = Qc = Qe = 0。根據(jù)比較器的輸出uC確定FF1的值，也就是確定了數(shù)碼寄存器中“Q1”的值，同時(shí)將寄存器FF0置1。這時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入代碼為d2d1d0 = Q2Q11，輸出為這個(gè)代碼相應(yīng)的模擬電壓uX。通過對ui與uX進(jìn)行比較決定比較器C的輸出uC 。 第四個(gè)CP信號到達(dá)時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器再右移一位，使Qe = 1、Qa = Qb = Qc = Qd = 0。根據(jù)比較器的輸出uC確定FF0的值，也就是確定了數(shù)碼寄存器中“Q0”的值。Qe = 1將門G6G8打開，寄存器FF2、FF1和FF

34、0的狀態(tài)“Q2Q1Q0”作為轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。 第五個(gè)CP信號到達(dá)時(shí)，Qa = 1、Qb = Qc = Qd = Qe = 0且Q2 = Q1 = Q0 = 0，電路回到初態(tài)準(zhǔn)備下一次轉(zhuǎn)換。 可見，3位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器完成1次轉(zhuǎn)換需要5個(gè)時(shí)鐘CP周期。依此類推，n位A/D轉(zhuǎn)換器需要（n +2）個(gè)CP周期。10.2.4 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是間接型A/D轉(zhuǎn)換器中最常用的一種。它與直接型A/D轉(zhuǎn)換器相比具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器首先將輸入的模擬電壓ui轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間量T，再在時(shí)間間隔T內(nèi)對固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)的結(jié)果就

35、是一個(gè)正比于ui的數(shù)字量。 圖10-16所示為雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖，它由積分器、比較器、n位計(jì)數(shù)器、控制電路、固定頻率時(shí)鐘源CP、開關(guān)S2S0以及基準(zhǔn)電壓等組成。輸入為模擬電壓ui，輸出為n位二進(jìn)制代碼。下面結(jié)合工作波形說明它的轉(zhuǎn)換過程。圖圖10-16 電路的工作分為兩個(gè)積分階段。 轉(zhuǎn)換開始前開關(guān)S0閉合使電容C完全放電，計(jì)數(shù)器清零。第一階段為定時(shí)積分，積分時(shí)間為T1?？刂齐娐穼㈤_關(guān)S1閉合，開關(guān)S2和S0斷開。積分器對輸入模擬電壓ui積分，其輸出 RCTutuRCuT1i0iod11（10-9） 式中T1、R和C均為常數(shù)，因此uo與ui成正比。若uI1uI2，則定時(shí)積分的終值|uo1

36、|uo2|，如圖10-17所示。 第二階段為反向積分，并在積分的同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)?？刂齐娐穼㈤_關(guān)S2閉合，開關(guān)S1斷開，開關(guān)S0保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。積分器對基準(zhǔn)電壓（-UREF）進(jìn)行積分，與此同時(shí)計(jì)數(shù)器開始對固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)。由于基準(zhǔn)電壓（-UREF）與ui極性相反，因此積分器的積分方向與定時(shí)積分時(shí)相反，|uo|逐漸減小。當(dāng)uo = 0時(shí)，比較器的輸出uC產(chǎn)生躍變，且通過控制電路停止積分和計(jì)數(shù)。該過程所需時(shí)間為T2，因此)d1(20REF1iotURCRCTuuT0REF1iRCURCTuiREF12uUTT（10-10） 可見，第二階段的積分時(shí)間T2是一個(gè)與輸入電壓ui成正比的量。若時(shí)鐘脈沖的固

37、定頻率為fCP，則第二階段結(jié)束時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出為： D = T2fCP = T2/TCP （10-11）TCP為CP的周期。將式（10-8）代入式（10-10），可得REFCPi1UTuTD （10-12） 可見，數(shù)字量D與輸入模擬電壓ui成正比，如圖10-17所示波形。 圖圖10-1710.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1. 分辨率分辨率 分辨率用于描述A/D轉(zhuǎn)換器對輸入量微小變化的敏感程度。A/D轉(zhuǎn)換器的輸出是n位二進(jìn)制代碼，因此在輸入電壓范圍一定時(shí)，位數(shù)越多，量化誤差也就越小，轉(zhuǎn)換精度也越高，分辨能力也越強(qiáng)。但分辨率僅僅表示A/D轉(zhuǎn)換器在理論上可以達(dá)到的精度。2. 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度常用轉(zhuǎn)換誤差來描述。它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量的差別，通常用最低位的位數(shù)表示。轉(zhuǎn)換誤差是綜合性誤差，它是量化誤差、電源波動以及轉(zhuǎn)換電路中各種元件所造成的誤差的總和。 實(shí)際的轉(zhuǎn)換精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念。分辨率很高，但由于電路的穩(wěn)定性不好等原因，可能使電路的轉(zhuǎn)換精度并不高。3. 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度