第8章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、電子技術(shù)電子技術(shù)（數(shù)字部分）（數(shù)字部分）第8章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器8.1 D/A轉(zhuǎn)換器8.2 A/D轉(zhuǎn)換器2A/DA/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D/AD/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 模擬模擬 控制器控制器 工業(yè)生產(chǎn)過程控制對(duì)象工業(yè)生產(chǎn)過程控制對(duì)象 模模 擬擬 傳感器傳感器 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。將溫度、壓力、流將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。轉(zhuǎn)換為模擬電量。計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計(jì)算、濾理（如計(jì)算、濾波）、保存等波）、保存等用模擬量作為用模擬量作為控制信號(hào)控制信號(hào)數(shù)字控制數(shù)字控制 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)8.

2、1 D/A轉(zhuǎn)換器8.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理8.1.2 D/A轉(zhuǎn)換器電路8.1.3 D/A轉(zhuǎn)換器主要參數(shù)3將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量 。n n位位數(shù)字量數(shù)字量DAC8.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理模擬量模擬量1.1.數(shù)數(shù) / / 模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器A = K D O = K NB 4 數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的， 對(duì)于有權(quán)碼，每位代對(duì)于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，相應(yīng)的模擬量， 然后，將這些模擬量相加

3、，即可得到與數(shù)字然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，量成正比的模擬量， 從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量-模擬量的轉(zhuǎn)換。模擬量的轉(zhuǎn)換。2.2. 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想轉(zhuǎn)換的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120將二進(jìn)制數(shù)將二進(jìn)制數(shù)ND(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。53. D/A轉(zhuǎn)換器的組成轉(zhuǎn)換器的組成 數(shù)數(shù)碼碼 寄寄存存器器 n n位位模模擬擬開開關(guān)關(guān) 解解碼碼 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) 求求和和 電電路路 基基準(zhǔn)準(zhǔn)電電壓壓 n n位位數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入 模模擬擬量量 輸輸出出 DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入

4、并行輸入也可也可串行輸入串行輸入用存放在數(shù)字用存放在數(shù)字寄存器中的數(shù)寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)字量的各位數(shù)碼碼由輸入數(shù)字量控由輸入數(shù)字量控制制產(chǎn)生權(quán)電流產(chǎn)生權(quán)電流將權(quán)電流相加將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入成產(chǎn)生與輸入成正比的模擬電正比的模擬電壓壓6 i Rf=R vO S0 VREF + S1 S2 S3 + 基基準(zhǔn)準(zhǔn)電電壓壓 電電子子開開關(guān)關(guān) R R /2 R /4 R /8 求求和和電電路路 (LSB) D2 D3 (MSBD0 D1 鎖鎖存存器器 數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入 電電阻阻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) i0 i1 I2 i2 i3 A 模模擬擬量量輸輸出出 4.4. 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路轉(zhuǎn)換的原理電路)i

5、iii (R0123O fvRDVi33REF8 RDVi224REF 112REFVDiRRDVi0REF0 iiiODV)DDDD(V222223000112233 REFREFv，, 78一、權(quán)電阻型一、權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器REF1112nnnViDRVREFvOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0 1 0 1 0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D012nRREF2222nnnViDR22nR11REFREF002 0 12nniiiiiiiVViDD, D( ,)RRiRf1fREFOf02 0 1niiiiR VviR D, D( ,)R iR22RR8.

6、1.2 D/A轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換器電路 例例1 圖所示的電路中，設(shè)圖所示的電路中，設(shè)n=4, VREF =10V, R=100k, Rf=8k, 輸入輸入二進(jìn)制數(shù)碼二進(jìn)制數(shù)碼S3S2S1S0為為1011。試問運(yùn)算放大器輸出電壓是多少？。試問運(yùn)算放大器輸出電壓是多少？解：解：331fREF08 102221 V8 8V100iOiiRVvD().R 權(quán)電阻型權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器中的解碼網(wǎng)絡(luò)所用的阻值范圍很大轉(zhuǎn)換器中的解碼網(wǎng)絡(luò)所用的阻值范圍很大, 特特別是當(dāng)分辨率較高時(shí)別是當(dāng)分辨率較高時(shí), 電阻值的范圍會(huì)大得難以實(shí)現(xiàn)。電阻值的范圍會(huì)大得難以實(shí)現(xiàn)。 VREFvOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0

7、 1 0 1 0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D0Rf12nR22nRiR22RR9二、倒二、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 vO Rf +VREF 2R D0 D1 D2 D3 S0 S1 S2 S3 i 2R 2R 2R (LSB) (MSB) 8I 16I 4I 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)模擬電子開關(guān)模擬電子開關(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

8、輸入4位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)根據(jù)運(yùn)放線性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)根據(jù)運(yùn)放線性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)Si處于處于何種位置，與何種位置，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。 4位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓 電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò) 模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān) 求和運(yùn)算放大器求和運(yùn)算放大器10D/A轉(zhuǎn)換器的倒轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)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 =？流過各開關(guān)支路的電流：流過各開關(guān)支路的電流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？ 2R 2R 2R 2R 2R R R

9、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電阻的電流從電阻的電流從高位到低位高位到低位按按2的整數(shù)倍遞減。的整數(shù)倍遞減。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1= VREF / 8R I0= VREF /16 R11流入運(yùn)放的總電流：流入運(yùn)放的總電流： i I0 + I1 + I2 + I3)2D2D2D2D(RV13223140 REF輸出模擬電壓：輸出模擬電壓： 10i)2D(RR2VniifnREFO 30i4)2D(2VRRRiiiREFffO (LSB

10、) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R 8I 16I 4I 2I R R R I +VREF + 8I 16I 4I 2I 124 4位倒位倒T T形電阻形電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓：的輸出模擬電壓： Ofi R 3ifREFi40(2 )2iRVDR n 位倒位倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有：有： n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR REFfn,2VRKR令：令：n 1iBi0(2 )iND則則 O = K NB 在電路中輸入的每一個(gè)在電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的，均能得

11、到與之成正比的模擬電壓輸出。模擬電壓輸出。 138.1.3 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)分辨率：其定義為分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。級(jí)數(shù)。n位位DAC最多有最多有2n個(gè)模擬輸出電壓。位數(shù)越多個(gè)模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。器的分辨率越高。 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。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121n1、分辨率、分辨率142、轉(zhuǎn)換精度：、轉(zhuǎn)換精度：o 轉(zhuǎn)換精度是指對(duì)給定的數(shù)字

12、量，轉(zhuǎn)換精度是指對(duì)給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的最大偏差。理論值之間的最大偏差。o 產(chǎn)生原因：由于產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各種因素的影響。種因素的影響。o 幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等性誤差等15 3輸出建立時(shí)間輸出建立時(shí)間 從送入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電壓（或電流）到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需要從送入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電壓（或電流）到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間，稱為輸出建立時(shí)間。輸出

13、建立時(shí)間也稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。的時(shí)間，稱為輸出建立時(shí)間。輸出建立時(shí)間也稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。 4輸出極性及范圍輸出極性及范圍 輸出信號(hào)的極性有單極性和雙極性兩種。輸出信號(hào)的極性有單極性和雙極性兩種。 輸出信號(hào)的形式有電流輸出和電壓輸出。對(duì)電流輸出的輸出信號(hào)的形式有電流輸出和電壓輸出。對(duì)電流輸出的DAC，常常需外接運(yùn)放將電流轉(zhuǎn)換成電壓。常常需外接運(yùn)放將電流轉(zhuǎn)換成電壓。 5溫度系數(shù)溫度系數(shù) 溫度系數(shù)是指在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化溫度系數(shù)是指在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1，輸出電，輸出電壓變化

14、的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。168.2 A/D轉(zhuǎn)換器8.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理8.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器電路8.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器主要參數(shù)17ADCDnD0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能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。1. A/D功能功能:8.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理182. A/D轉(zhuǎn)換器分類轉(zhuǎn)換器分類 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型 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, 但電路復(fù)雜。但電路復(fù)雜。 逐次逼近型逐次逼近型 特點(diǎn)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度適中轉(zhuǎn)換速度適

15、中,轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 為幾為幾 s 100 s, 轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換精度高，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。 雙積分型雙積分型 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,但抗干擾能力最強(qiáng)。但抗干擾能力最強(qiáng)。19取取樣樣時(shí)間上離散的信號(hào)時(shí)間上離散的信號(hào)保持、量化保持、量化量值上也離散的信號(hào)量值上也離散的信號(hào)編碼編碼模擬信號(hào)模擬信號(hào)時(shí)間上和量值上都連續(xù)時(shí)間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)時(shí)間上和量值上都離散時(shí)間上和量值上都離散A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程轉(zhuǎn)換的一般工作過程 A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括轉(zhuǎn)換器一般要包括取

16、樣，取樣， 保持，量化及編碼保持，量化及編碼4個(gè)過程個(gè)過程。201. 取樣與保持取樣與保持 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，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：設(shè)采樣信號(hào)采樣定理：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) I(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 2fimaxS(t

17、)=1:開關(guān)閉合開關(guān)閉合S(t)=0:開關(guān)斷開開關(guān)斷開 O(t) I(t) TG S(t) 0 0 0 O (t) S(t) I (t) t t t TS 21 I t O t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 (b) 波形圖 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)的量化編碼過程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的?；幋a過程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間。擬信號(hào)保持一段時(shí)間。采樣采樣保持保持取樣與保持取樣與保持電路及工作原理電路及工作原理 I A1 A2 S CH 開開

18、關(guān)關(guān)驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng)電電路路 采采樣樣保保持持 控控制制電電路路 O 222. 量化與編碼量化與編碼數(shù)字信號(hào)在數(shù)值上是離散的。采樣數(shù)字信號(hào)在數(shù)值上是離散的。采樣保持電路的輸出電壓還需保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個(gè)最小數(shù)量單位的能是某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍整數(shù)倍。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個(gè)代碼表示出來。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個(gè)代碼表示出來。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/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。 量化量化（歸一，小數(shù)變整數(shù)）（歸一，小數(shù)

19、變整數(shù)）3.編碼編碼23在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被 整除，所以量化前整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差量化誤差，用，用 表示。表示。量化誤差屬量化誤差屬原理誤差，原理誤差，它是無法消除的。它是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越 多多，各離散電平之間的差值越，各離散電平之間的差值越小小，量化誤差越，量化誤差越小小。 兩種近似量化方式：兩種近似量化方式：只舍不入只舍不入量化方式和量化方式和四舍五入四舍五入的量化方的量化方式。式。 4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差量化誤差：量化前

20、的電壓與量化后的電壓差5.量化方式量化方式24LSB1max V8701V86V85V84V83V82V811111101011000110100010000=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)編碼編碼量化后量化后電壓電壓a ) 只舍不入量化方式只舍不入量化方式:量化中把不足一個(gè)量化單位的部分舍棄；量化中把不足一個(gè)量化單位的部分舍棄；對(duì)于等于或大于一個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。對(duì)于等于或大于一個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最大量化誤差為：最小量化單位最小量化單位1/8V=1LSB=

21、1/8 V例：將例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼位二進(jìn)制代碼25b )四舍五入量化方式四舍五入量化方式:量化過程將不足量化過程將不足半個(gè)半個(gè)量化單位部分舍棄，量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最大量化誤差為：最小量化單位：最小量化單位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v輸入信號(hào)輸入信號(hào)編碼編碼模擬模擬電平電平V1513V1511V159V1

22、57V155V153V1512LSBmax =1LSB= 2/15 V2LSBmax 1/15V例：將例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼位二進(jìn)制代碼261.并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 R I VREF VREF 13 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 15 VREF 1 15 R R R/2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 1D C1 Q I1 1D C1 Q I2 1D C1 Q I3 1D C1 Q I4 1D C1 Q I5 1D C1 Q

23、I6 1D C1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)先編碼器優(yōu)先編碼器 (LSB(MSB)0 電壓比較器電壓比較器輸入模擬輸入模擬電壓電壓精密電阻精密電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)精密參考精密參考電壓電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)輸出數(shù)字量字量8.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換器電路27 R I VREF R CP R R R R R R/2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 1D C1 Q I1 1D C1 Q I2 1D C1 Q

24、 I3 1D C1 Q I4 1D C1 Q I5 1D C1 Q I6 1D C1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)先編碼器優(yōu)先編碼器 (LSB)D0 (MSB) VI=8VREF/15111100000128 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 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

25、0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/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)器存觸發(fā)器存儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得

26、到數(shù)字量輸出。 293、電路特點(diǎn)：、電路特點(diǎn)：在在并行并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓 I同時(shí)加到所有比較器的輸同時(shí)加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與 I輸輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時(shí)間入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。最短。 缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三三位位ADC需需7個(gè)比較器、個(gè)比較器、7個(gè)觸發(fā)器、個(gè)觸發(fā)器、8個(gè)電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。個(gè)電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級(jí)并為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級(jí)并行

27、轉(zhuǎn)換的方法。行轉(zhuǎn)換的方法。 單片集成并行比較型單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的公司的AD9012 (TTL工藝工藝8位位)、AD9002 (ECL工藝，工藝，8位位)、AD9020 (TTL工藝，工藝，10位位)等。等。 30所加砝碼重量 結(jié)果 2.逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似 。第一次8 克砝碼總重 待測(cè)重量Wx ，8克砝碼保留8 克第二次再加4克砝碼總重仍 待測(cè)重量Wx ， 2克砝碼撤除12 克第四次再加1克砝碼總重 待測(cè)重量Wx ， 1克砝碼保留13 克轉(zhuǎn)換原理

28、轉(zhuǎn)換原理 所用砝碼重量：所用砝碼重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克?？?。設(shè)待秤重量設(shè)待秤重量Wx = 13克?？?。31 I 啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)脈沖 CP 時(shí)鐘時(shí)鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數(shù)字?jǐn)?shù)字 量輸出量輸出 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1 0 0 0 1 0 0 0 5V I 5V 1 A=6.84VVREF=10V第一個(gè)第一個(gè)CP：32第二個(gè)第二個(gè)CP： I 啟啟動(dòng)動(dòng)脈脈沖沖 CP 時(shí)時(shí)鐘鐘 電電壓壓 比比較較器器 控控制制邏邏輯輯電電路路 移移位位寄寄位

29、位器器 數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)寄寄存存器器 模模擬擬 量量輸輸入入 數(shù)數(shù)字字 量量輸輸出出 D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 1 0 0 1 1 0 0 7.5V10 I 7.5V I=6.84VVREF=10V33第三個(gè)第三個(gè)CP： I 啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)脈沖 CP 時(shí)鐘時(shí)鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數(shù)字?jǐn)?shù)字 量輸出量輸出 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 0 1 0 1 0 1 0 6.25V I 6.25V 101 A=6.84VVREF=

30、10V34 7 .5 0 0 0 0 6 .2 5 0 0 6 .8 7 5 0 6 .5 6 2 5 6 .7 1 8 7 5 6 .7 9 6 8 7 5 6 .8 3 5 9 3 7 0 .0 0 5 .0 0 0 0 1 0 s C P 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 = 8 0 s t / s 10000000 A=6.84VVREF=10V101011111100000010100000101100001010100010101100101011101010111135F

31、F1 FF2 FF3 FF4 FF5QA QB QC QD QECPvI(t)vOCOCOCO1 vI vO3位碼位碼D/AC電路電路補(bǔ)償電壓補(bǔ)償電壓=（1/2）LSB=0.5V10004V3.5V4.9V0 模數(shù)為模數(shù)為5的環(huán)型計(jì)數(shù)的環(huán)型計(jì)數(shù)器。器。 例：例：vI(t)=4.9V10000G3 G2 G1RdQ3 Q2 Q1G4G5G6D2D1D03位碼位碼D/AC電路電路00036FF1 FF2 FF3 FF4 FF5QA QB QC QD QECPvI(t)uOCOCOCO1 vI vO3位碼位碼D/AC電路電路補(bǔ)償電壓補(bǔ)償電壓=（1/2）LSB=0.5VG3 G2 G1RdQ3 Q2

32、Q1G4G5G6D2D1D04.9V6V5.5V0 第二第二個(gè)時(shí)鐘脈個(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)。沖到來時(shí)。0100010001101 第三第三個(gè)時(shí)鐘脈個(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)。沖到來時(shí)。001001010 第五第五個(gè)時(shí)鐘脈個(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)。沖到來時(shí)。000011015V4.5V G4、G5、G6門門開，開，Q3、Q2、Q1數(shù)數(shù)據(jù)傳出。據(jù)傳出。37小結(jié)：小結(jié)：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)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間與其位數(shù)時(shí)間與其位數(shù)n和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)

33、，位數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短； 383.雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器（1）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，將輸入電對(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)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖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)字量輸出。雙和計(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。雙積分式積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓時(shí)間數(shù)字式積分器轉(zhuǎn)換器也稱為電壓時(shí)間數(shù)字式積分器 。39 + +

34、 + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & 數(shù)字量輸數(shù)字量輸C A B G G n 級(jí)計(jì)數(shù)器級(jí)計(jì)數(shù)器 定定時(shí)時(shí)信信號(hào)號(hào) (MSB) (LSB) Tc （2）電路組成）電路組成40 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 &

35、amp; 數(shù)字量輸數(shù)字量輸C A B G G n 級(jí)計(jì)數(shù)器級(jí)計(jì)數(shù)器 定定時(shí)時(shí)信信號(hào)號(hào) (MSB) (LSB) Tc 00000Cr信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零；開關(guān)信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零；開關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，閉合，待積分電容放電完畢后，斷開斷開S2 使電容的初始電壓為使電容的初始電壓為0。（3）工作原理）工作原理準(zhǔn)備階段：41 tdt0IO1 經(jīng)過經(jīng)過2n個(gè)個(gè)CP11TVI 第一次積分：第一次積分：t = t0時(shí)，開關(guān)時(shí)，開關(guān)S1與與A端相接，積分器開始對(duì)端相接，積分器開始對(duì) I積分。積分。經(jīng)經(jīng)2n個(gè)個(gè)CP后后,開關(guān)切換到開關(guān)切換到B， ，=VP。第一積分時(shí)間為第一積分時(shí)間為2nTC + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-D1 D0 & C A B G G n 級(jí)級(jí)計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器 定定時(shí)時(shí)信信號(hào)號(hào) 42VREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進(jìn)行第二次積分；當(dāng)t=t2時(shí)積分器輸出電壓O0，比較器輸出C=0，時(shí)鐘脈沖控制門G被