第九章_數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、第九章第九章模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2D/AD/A轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換、A/DA/D轉(zhuǎn)換的應用轉(zhuǎn)換的應用 模模 擬擬 傳感器傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 數(shù)字控制數(shù)字控制 計算機計算機 D/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)過程控制對象工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象 ADC和和DAC已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。傳感器傳感器(溫度、壓力、溫度、壓力、流量、應力等）流量、應力等）計算機進行數(shù)字處理計算機進行數(shù)字處理（如計算、濾波）、（如計算、濾波）、數(shù)據(jù)保存等數(shù)據(jù)保存等用模擬量作為控用模擬量作為控制

2、信號制信號本章教學目標本章教學目標正確理解正確理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。掌握并行比較、逐次比較掌握并行比較、逐次比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理及的工作原理及其特點。其特點。掌握倒掌握倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(DAC)、集成、集成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器7533的工作原理及相關計算。的工作原理及相關計算。正確理解正確理解D/A轉(zhuǎn)換器的兩種輸出方式。轉(zhuǎn)換器的兩種輸出方式。9.1.2 倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.1.3 權電流型權電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式 9.1.5 D/A轉(zhuǎn)

3、換器的主要技術指標轉(zhuǎn)換器的主要技術指標 9.1.6 集成集成D/A轉(zhuǎn)換及其應用轉(zhuǎn)換及其應用 9.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1、DAC的功能的功能: 將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換與之對應的模擬量將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換與之對應的模擬量 。（設（設D/A轉(zhuǎn)換器的輸轉(zhuǎn)換器的輸 入數(shù)字量為入數(shù)字量為n位）位）n位位數(shù)字量數(shù)字量模擬量模擬量05V或或010V等等9.1.1 D/A 轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理DAC4位位8位位10位位12位位16位等位等n=2. D/A轉(zhuǎn)換器的組成轉(zhuǎn)換器的組成:9.1.1 D/A 轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 數(shù)數(shù)碼碼 寄寄存

4、存器器 n位位模模擬擬開開關關 解解碼碼 網(wǎng)網(wǎng)絡絡 求求和和 電電路路 基基準準電電壓壓 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 用來存放數(shù)用來存放數(shù)字量的各位字量的各位數(shù)碼數(shù)碼由輸入數(shù)由輸入數(shù)字量控制字量控制產(chǎn)生權電流產(chǎn)生權電流將權電流相將權電流相加產(chǎn)生與輸加產(chǎn)生與輸入成正比的入成正比的模擬電壓模擬電壓 i Rf=R vO S0 VREF + S1 S2 S3 + 基基準準電電壓壓 電電子子開開關關 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)絡絡 i0 i1 I2 i2 i3 A

5、 模模擬擬量量輸輸出出 )iii(iRvfO0123338REFVDiR224REFVDiR112REFVDiR00REFVDiRiiiREFREFODV)DDD(DVv2222230001122339.1.1 D/A 轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理3. D/A轉(zhuǎn)換器的分類轉(zhuǎn)換器的分類:9.1.1 D/A 轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理按解碼網(wǎng)絡按解碼網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)分類 T型電阻網(wǎng)絡型電阻網(wǎng)絡DAC倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡DAC權電流權電流DAC 權電阻網(wǎng)絡權電阻網(wǎng)絡DAC 按模擬電子開按模擬電子開關電路分類關電路分類 CMOS開關型開關型DAC雙極型開關型雙極型開關型DAC 電流開關

6、型電流開關型DAC ECL電流開關型電流開關型DAC D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器9.1.2 倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡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接運算放大器反相端，電流接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路流入求和電路 電阻網(wǎng)絡電阻網(wǎng)絡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輸輸出出模模擬擬電電壓壓輸入輸入4位二進制數(shù)位二進制

7、數(shù)根據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關根據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關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。 1、4位位倒倒T型電阻網(wǎng)絡型電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的倒轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡基準電源基準電源VREF提供的總電流為：提供的總電流為：I =？流過各開關支路的電流：流過各開關支路的電流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？ 2R 2R 2R 2R 2R R R R VREF I A B C D A B C D RVIREF I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/

8、16I/2I3I2I1I0流入每個流入每個2R電阻的電流從高位到低位按電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。的整數(shù)倍遞減。9.1.2 倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R R R R +VREF + A 工作原理：工作原理：II2I1I0I3流入運放的總電流：流入運放的總電流： 012343212222IIIIDDDDi I0D0 +I1D1 +I2D2 +I3D3REF01234321()2222VDDDDR3REFi40(2 )2iiVDR9.1.2 倒倒T形電阻網(wǎng)

9、絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R R R R +VREF + A 工作原理：工作原理：II2I1I0I3輸出模擬電壓：輸出模擬電壓： Ofi R 3ifREFi40(2 )2iRVDR 9.1.2 倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器工作原理：工作原理：4 位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡DAC的的輸出模擬電壓輸出模擬電壓： Ofi R 3ifREFi40(2 )2iRVDR 推廣到推廣到 n 位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡DAC,有：有： n 1iREFfOin0(2 )2

10、iVRDR REFfn,2VRKR令：令：n 1iBi0(2 )iND則則 O = K NB 上式表明，在電路中輸入的每一個二進制數(shù)上式表明，在電路中輸入的每一個二進制數(shù)NB，均能得，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。到與之成正比的模擬電壓輸出。 9.1.2 倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2 2、集成、集成 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器RF+vOA2R2R2R2R2RVREFD9D2D1D0RRR2R2RRD8D7R10KIOUT1IOUT2AD7533使用使用:1)要外接運放。要外接運放。 2)運放的反饋電阻可使用內(nèi)運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻，也可采用外接電阻。部電阻，也可采用外接電阻

11、。9010)2(2iiiREFfODVRRv9.1.2 倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器RR2RIOUT1IOUT2T1T2T3T5T4T7T6T8T9VDDDiCMOS模擬開關電路模擬開關電路9.1.2 倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器為提高為提高D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求：精度，對電路參數(shù)的要求： (1) 基準電壓穩(wěn)定性好；基準電壓穩(wěn)定性好；(2) 倒倒T形電阻網(wǎng)絡中形電阻網(wǎng)絡中R和和2R電阻比值的精度要高；電阻比值的精度要高；(3) 每個模擬開關的開關電壓降要相等；每個模擬開關的開關電壓降要相等；(4)為實現(xiàn)電流從高位到低位按為實現(xiàn)電流從高位到低

12、位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開關的整數(shù)倍遞減，模擬開關 的導通電阻也相應地按的導通電阻也相應地按2的整數(shù)倍遞增。的整數(shù)倍遞增。為進一步提高為進一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權電流型轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權電流型D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 9.1.2 倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.3 權電流型權電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + Off3210(8)1624IIIi RRDDIDD321f321040(22)222IRDDDD3fi4022iiIRDDi =1時，開

13、關時，開關Si接運放接運放的反相端的反相端; Di= 0時，開關時，開關Si接地。接地。 電電路路在恒流源電路中，各支路權電流的大小均不受開關導通電阻在恒流源電路中，各支路權電流的大小均不受開關導通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開關電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換和壓降的影響，這樣降低了對開關電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。精度。采用恒流源電路后對采用恒流源電路后對提高轉(zhuǎn)換精度有什么提高轉(zhuǎn)換精度有什么好處？好處？1、4位權電流位權電流D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 (MSB) D1 D0 (LSB) i Rf O D3 D2 S3 S2 S1 S0 8I 16I 4I 2I VREF 16I + A1 R1 + A2

14、IBB IEC IEO IE1 IE2 IE3 IREF Tr T3 T2 T1 T0 TC R 2R 2R 2R 2R 2R R R R VEE I = IREF =1RREFV 偏偏 置置 電電 流流 實際的權電流實際的權電流D/A轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換器電路REFREF1VIRREF3210O321041(2222 )2ffR Vi RDDDDRn 1iREFfOini 0122VRDR9.1.3 權電流型權電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器輸出電壓或為輸出電壓或為0 0伏到正滿度值，或為伏到正滿度值，或為0 0伏到負滿度值。伏到負滿度值。稱為單極性輸出方式。稱為單極性輸出方式。采用單極性輸出方式時，輸入

15、數(shù)字量采用自然二進制碼。采用單極性輸出方式時，輸入數(shù)字量采用自然二進制碼。對對權電流權電流D/A轉(zhuǎn)換器，如果轉(zhuǎn)換器，如果R1=Rf ,則有則有1022niiinREFODVV對對倒倒T型電阻網(wǎng)絡型電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器，如果轉(zhuǎn)換器，如果R=Rf ,則有則有1022niiinREFODVV9.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0模擬量模擬量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 09.1.4

16、D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式8位位D/A轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時的輸入轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時的輸入/輸出關系輸出關系)256255(refV )256129(refV )256128(refV )256127(refV )2561(refV )2560(refV D1 D0 i Rf vO Dn-1 VREF 倒T形 電阻網(wǎng) 絡D/A 轉(zhuǎn)換器 + A R1 R2 i vO + A R D1 D0 Dn-1 VREF 倒T形 電阻網(wǎng) 絡D/A 轉(zhuǎn)換器 倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器單極性電壓輸出的電路轉(zhuǎn)換器單極性電壓輸出的電路 反相輸出反相輸出 同相輸出同相輸出 Ofi R O21(

17、1/)i RRR9.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式在實際應用中，在實際應用中，D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 輸入的數(shù)字量有輸入的數(shù)字量有正極性也有負極性。正極性也有負極性。這就要求這就要求D/A轉(zhuǎn)換器能將不同極性的數(shù)字量轉(zhuǎn)換器能將不同極性的數(shù)字量對應轉(zhuǎn)換為正、負極性的模擬電壓，工作于對應轉(zhuǎn)換為正、負極性的模擬電壓，工作于雙極性方式。雙極性方式。雙極性雙極性D/A轉(zhuǎn)換器常用的編碼有：轉(zhuǎn)換器常用的編碼有：2的補碼、的補碼、偏移二進制碼及符號偏移二進制碼及符號-數(shù)值碼（符號位加數(shù)數(shù)值碼（符號位加數(shù)值碼）等。值碼）等。9.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式9.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸

18、出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式雙極性輸出的雙極性輸出的8位位D/A轉(zhuǎn)換器輸入與輸出關系轉(zhuǎn)換器輸入與輸出關系十進十進制數(shù)制數(shù)2的補碼的補碼偏移二進制碼偏移二進制碼模擬量模擬量 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1D0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 O/VLSB1270 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 11271260 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 012611 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 111271 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 11271281 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0

19、 0 0 0 0128256LSBREFVV注：表中比較表比較表912和表和表911可見可見，偏移二進制碼偏移二進制碼與無符號二進制碼與無符號二進制碼形式上相同，它實際上是將二進制碼對應的模擬量的形式上相同，它實際上是將二進制碼對應的模擬量的0值偏移值偏移至至80H，使偏移后的數(shù)中，只有大于，使偏移后的數(shù)中，只有大于128的才是正數(shù)，而小于的才是正數(shù)，而小于128的則為負數(shù)。的則為負數(shù)。所以，若將單極性所以，若將單極性8位位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓減去轉(zhuǎn)換器的輸出電壓減去VREF/2(80H所所對應的模擬量），就可得到極性正確的對應的模擬量），就可得到極性正確的偏移二進制碼偏移二進制碼輸出電壓輸

20、出電壓。若若D/A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量是轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量是2的補碼，則先將它轉(zhuǎn)換為的補碼，則先將它轉(zhuǎn)換為偏移二進制碼偏移二進制碼，然后輸入到上述然后輸入到上述D/A轉(zhuǎn)換電路中就可實現(xiàn)其雙轉(zhuǎn)換電路中就可實現(xiàn)其雙極性輸出。而極性輸出。而2的補碼加的補碼加80H并舍棄進位就可得到并舍棄進位就可得到偏移二進制偏移二進制碼碼。實現(xiàn)實現(xiàn)2的補碼加的補碼加80H只需將只需將2的補碼的高位求反即可。的補碼的高位求反即可。9.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式9.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式雙極性輸出的雙極性輸出的8位位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

21、 2R1 O VREF 1 Rf = R R1 R1 + + A1 A2 NB 8 位位倒倒 T 形形電電阻阻 網(wǎng)網(wǎng)絡絡 D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器 i 1 NBO1REF12V REF1B82VN 7REFB8(2 )2VNBREFREFREF8()222N VVV BREF256NV9.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標轉(zhuǎn)換器的主要技術指標2、 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 ：是指對給定的數(shù)字量，：是指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實際值與轉(zhuǎn)換器實際值與 理論值之間的最大偏差。即：轉(zhuǎn)換誤差的最大值理論值之間的最大偏差。即：轉(zhuǎn)換誤差的最大值1、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

22、的等轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。實際應用中往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示級數(shù)。實際應用中往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的分辨率。分辨率。 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121n 轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差是指轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差是指D/A轉(zhuǎn)換器實際精度與理論轉(zhuǎn)換器實際精度與理論上可達到的精度之間存在誤差。上可達到的精度之間存在誤差。 產(chǎn)生原因：由于產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準電壓不夠穩(wěn)

23、定或運算放大器的零漂等各種因素的如基準電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。影響。 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9.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標轉(zhuǎn)換器的主要技術指標9.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標轉(zhuǎn)換器的主要技術指標 比例系數(shù)誤差（由比例系數(shù)誤差（由VREF引起）；引起）； 失調(diào)誤差（由運算放大器的零點漂移引起）；失調(diào)誤差（由運算放大器的零點漂移引起）； 非線性誤差（由模擬開關和電阻網(wǎng)絡中的電阻誤差等引非線性誤差（由模擬開關和電阻網(wǎng)絡中的電阻誤差等引起）。起）。9.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技

24、術指標轉(zhuǎn)換器的主要技術指標（1 1）比例系數(shù)誤差：）比例系數(shù)誤差：是指實際轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率與理想是指實際轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率與理想特性曲線斜率的偏差。特性曲線斜率的偏差。 REFO/VV 7/8 3/4 5/8 1/2 3/8 1/4 1/8 000 001 010 011 100 101 110 111 O 理理想想 實實際際 比比例例系系數(shù)數(shù)誤誤差差 如在如在n 位倒位倒T 形電阻網(wǎng)形電阻網(wǎng)絡絡D/A轉(zhuǎn)換器中，當轉(zhuǎn)換器中，當VREF偏離標準值偏離標準值VREF時，時，就會在輸出端產(chǎn)生誤差就會在輸出端產(chǎn)生誤差電壓。電壓。 1n0iifREFo22inDRRV 由由VREF引起的誤差引起的誤差

25、屬于比例系數(shù)誤差。屬于比例系數(shù)誤差。 9.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標轉(zhuǎn)換器的主要技術指標（2）失調(diào)誤差：）失調(diào)誤差：由由運算放大器的零點漂移引起，其大運算放大器的零點漂移引起，其大小與輸入數(shù)字量無關，該誤差使輸出電壓的轉(zhuǎn)移特性曲小與輸入數(shù)字量無關，該誤差使輸出電壓的轉(zhuǎn)移特性曲線發(fā)生平移線發(fā)生平移 。 REFO/VV 7/8 3/4 5/8 1/2 3/8 1/4 1/8 000 001 010 011 100 101 110 111 O 實實際際 理理想想 三位三位D/A轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差（3 3）非線性誤差）非線性誤差: :是一種沒有一定變化規(guī)律的誤差，一般是一種沒有一

26、定變化規(guī)律的誤差，一般用在滿刻度范圍內(nèi)，用偏移理想的轉(zhuǎn)移特性的最大值來表用在滿刻度范圍內(nèi)，用偏移理想的轉(zhuǎn)移特性的最大值來表示。示。模擬開關處于不同的位置有不同的導通電壓和導通電阻，模擬開關處于不同的位置有不同的導通電壓和導通電阻，各電阻支路電阻誤差不同等都可能導致非線性誤差。各電阻支路電阻誤差不同等都可能導致非線性誤差。綜上所述，高精度的綜上所述，高精度的D/A轉(zhuǎn)換器必需是高分辨率的轉(zhuǎn)換器必需是高分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器、高穩(wěn)定度的轉(zhuǎn)換器、高穩(wěn)定度的VREF和低零點漂移的運放和低零點漂移的運放相配合才能實現(xiàn)。相配合才能實現(xiàn)。9.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標轉(zhuǎn)換器的主要技術指標9.1.5 D/

27、A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標轉(zhuǎn)換器的主要技術指標3、 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 ：是指當：是指當D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量發(fā)生變化轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時輸出的模擬量并不能立即達到所對應的量值，它要延長時輸出的模擬量并不能立即達到所對應的量值，它要延長一段時間。一段時間。4、 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：是指在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度的變化而產(chǎn)生的變化。一般用滿刻度輸出條件下溫隨溫度的變化而產(chǎn)生的變化。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高度每升高1，輸出電壓變化的百分數(shù)作為溫度系數(shù)。，輸出電壓變化的百分數(shù)作為溫度系數(shù)。建立時間（建立時間（tset)：輸入的數(shù)字量發(fā)生變

28、化時：輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時,輸出電壓變輸出電壓變化到相應穩(wěn)定值化到相應穩(wěn)定值(達到誤差達到誤差LSB/2時）所需時間。一般時）所需時間。一般用全用全0變到全變到全1需時表示需時表示轉(zhuǎn)換速率（轉(zhuǎn)換速率（SR)：大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的最大變化率。：大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的最大變化率。9.1.6 集成集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應用轉(zhuǎn)換器及其應用1. 數(shù)字式可編程增益控制器數(shù)字式可編程增益控制器 D2 D7 D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R R IOUT1 IOUT2 VREF AD7533 RF 10K 10K 20K 10位位CMOS電流開關型

29、電流開關型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.1.6 集成集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應用轉(zhuǎn)換器及其應用1. 數(shù)字式可編程增益控制器數(shù)字式可編程增益控制器根據(jù)虛地原理，由圖得根據(jù)虛地原理，由圖得 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I 2R 2R 2R + RF IOUT1 IOUT2 VREF OUT1I/IROV1110I0191222ADDD1210OOUT1019(222)IDDDR vO Q0 Q1 Q2 Q3 CPD0D1D2D3 10V & CR CEP CET PE 1 74LS163 + A Rf IOUT1 IOUT2 D0D1D2D

30、3D4D5D6D7D8D9 VREF AD7533 vO /mV D 140 100 60 20 0000 t CP 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000 74163具同步清零功能具同步清零功能74163和與非門構(gòu)成十進制計數(shù)和與非門構(gòu)成十進制計數(shù)器：器：00001001iiiREFODVv2290109.1.6 集成集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應用轉(zhuǎn)換器及其應用2. 脈沖波產(chǎn)生電路脈沖波產(chǎn)生電路9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程轉(zhuǎn)換的一般工作過程 9.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D

31、轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器*9.2.4 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 *9.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術指標轉(zhuǎn)換器的主要技術指標 9.2 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器*9.2.6 集成集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應用轉(zhuǎn)換器及其應用 A/D轉(zhuǎn)換器要將時間上連續(xù)，幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換器要將時間上連續(xù)，幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間上離散時間上離散，幅值也離散的數(shù)字信號。幅值也離散的數(shù)字信號。 它一般要包括它一般要包括取樣取樣， 保持，量化及編碼保持，量化及編碼4個過程個過程。A/D轉(zhuǎn)換器概述轉(zhuǎn)換器概述ADCDnD0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)換成對應的數(shù)字量。能將模擬電壓

32、成正比地轉(zhuǎn)換成對應的數(shù)字量。1. A/D功能功能:2. A/D轉(zhuǎn)換器分類轉(zhuǎn)換器分類 并行比較型并行比較型 特點特點: 轉(zhuǎn)換速度快轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 10ns 1 s, 但電路復雜。但電路復雜。 逐次逼近型逐次逼近型 特點特點: 轉(zhuǎn)換速度適中轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 為幾為幾 s 100 s, 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡。 雙積分型雙積分型 特點特點: 轉(zhuǎn)換速度慢轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 幾百幾百 s 幾幾ms,但抗干擾能但抗干擾能力最強。力最強。A/D轉(zhuǎn)換器概述轉(zhuǎn)換器概述9.2.1 A/D

33、轉(zhuǎn)換的一般工作過程轉(zhuǎn)換的一般工作過程 1. 取樣與保持取樣與保持 0 0 0 S(t) I (t) t t t TS O (t) O(t) I(t) T G S(t) 采樣是將隨時間連續(xù)變化的模采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量擬量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量。 采樣信號采樣信號S(t)的頻率愈高，所采的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實地復現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻地復現(xiàn)輸入信號。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：設采樣信號采樣定理：設采樣信號S(t)的頻的頻率為率為fs，輸入模擬信號，輸入模擬信號 I(t)的最的最高

34、頻率分量的頻率為高頻率分量的頻率為fimax，則則 fs 2fimax 要將取樣電路每次采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定要將取樣電路每次采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要加保持電路，將所采樣的模擬信號保持一段時間。電路后要加保持電路，將所采樣的模擬信號保持一段時間。 t t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 電路要求：電路要求：AV1 AV2= 1 ,A1 的的Ri 高，高，A2 的的Ri 高，高，A2 的的Ro低低采樣采樣 I A1 A2 S CH 開開關關驅(qū)

35、驅(qū)動動電電路路 采采樣樣保保持持控控制制電電路路 O 不能放電不能放電保持保持 （1）取樣與保持電路及工作原理）取樣與保持電路及工作原理9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程轉(zhuǎn)換的一般工作過程 2. 量化與編碼量化與編碼為將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在為將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，必須將采樣轉(zhuǎn)換過程中，必須將采樣保持電路的輸出電量保持電路的輸出電量，按某種近似方式歸化到與之相應的離散，按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上。這一轉(zhuǎn)化過程我們稱為數(shù)值量化，簡稱量化。電平上。這一轉(zhuǎn)化過程我們稱為數(shù)值量化，簡稱量化。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)任何一個數(shù)字量的大

36、小只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。倍。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。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。 量化量化編碼編碼9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程轉(zhuǎn)換的一般工作過程 (1)量化及量化誤差量化及量化誤差量化過程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位用量化過程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位用 表示。它是表示。它是數(shù)字信號最低位為數(shù)字信號最低位為1時所對應的模擬量，即時所對應的模擬量，即1LSB。任何一個。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。

37、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。在量化過程中由于采樣電壓不一定能被在量化過程中由于采樣電壓不一定能被 整除，所以量化前后整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用不可避免地存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用 表示。表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。量化誤差屬原理誤差，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，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。 兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。式。 9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的

38、一般工作過程轉(zhuǎn)換的一般工作過程 只舍不入量化方式只舍不入量化方式: :量化中把不足量化中把不足1 1個量化單位的部分舍棄；個量化單位的部分舍棄；最大量化誤差為：最大量化誤差為：LSB1max 四舍五入量化方式四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。其最大量化誤差為：最大量大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。其最大量化誤差為：最大量化誤差為化誤差為2LSBmax （2）兩種量化方式）兩種量化方式V8701VV86V85V84V83V82V81111110101100011010001

39、0000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v輸入信號輸入信號編碼編碼模擬電平模擬電平01VV1513V1511V159V157V155V153V151110101100011010001000輸入信號輸入信號編碼編碼模擬電平模擬電平0=0 v1=2/15 v2=4/15 v3=6/15 v4=8/15 v5=10/15 v6=12/15 v7=14/15 v1119.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程轉(zhuǎn)換的一般工作過程 9.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 1、電路組成、電路組成 R I VREF VREF 13

40、 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 I6 1D C1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)優(yōu)先先編編碼碼器器 (LSB(MSB)0 電壓比較器電壓比較器輸入模輸入模擬電壓擬電壓精密電阻精密電阻網(wǎng)絡（網(wǎng)絡（23個電阻）個電阻）精密參精密參考電壓考電壓D觸發(fā)器觸發(fā)器VREF/153VR

41、EF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出輸出數(shù)字數(shù)字量量 R I VR E F VR E F 1 3 1 5 R C P VR E F 1 1 1 5 R R R VR E F 3 1 5 VR E F 1 1 5 R R R /2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C0 1 C0 2 C0 3 C0 4 C0 5 C0 6 C0 7 1 D C 1 Q I1 1 D C 1 Q I2 1 D C 1 Q I3 1 D C 1 Q I4 1 D C 1 Q I5 1 D C 1 Q I6 1 D C

42、1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)優(yōu)先先編編碼碼器器 (L S B(M S B )0 9.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 2、工作原理、工作原理11VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15VI=8VREF/1511110000001111I7的優(yōu)先級最高的優(yōu)先級最高001vivO 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

43、 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 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與根據(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

44、狀態(tài)的關系。比較器的輸出狀態(tài)由各比較器輸出狀態(tài)的關系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。 9.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 2、工作原理、工作原理9.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 3、電路特點、電路特點在并行在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓 I同時加到所有比較器的輸同時加到所有比較器的輸入端，從入端，從 I加入到三位數(shù)字量穩(wěn)定輸出所經(jīng)歷的時間為比較加入到三位數(shù)字量穩(wěn)定輸出所經(jīng)歷的時間為比較器、器、D觸發(fā)器和編碼器延遲時間之和。如不考慮各器件的延觸發(fā)器和編碼器延遲時間

45、之和。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數(shù)字量是與遲，可認為三位數(shù)字量是與 I輸入時刻同時獲得的。所以它輸入時刻同時獲得的。所以它具有最短的轉(zhuǎn)換時間。具有最短的轉(zhuǎn)換時間。 缺點是電路復雜，如三位缺點是電路復雜，如三位ADC需比較器的個數(shù)目為需比較器的個數(shù)目為7個，位數(shù)個，位數(shù)越多矛盾越突出。越多矛盾越突出。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，可以采取分級并行轉(zhuǎn)換的方法。行轉(zhuǎn)換的方法。 9.2.3 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 。所加砝碼所加砝碼重量重量第一次

46、第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次再加再加4克克再加再加2克克再加再加1克克8 克克砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，8克砝碼保留克砝碼保留砝碼總重仍砝碼總重仍 待測重量待測重量Wx ， 2克砝碼撤除克砝碼撤除砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ， 1克砝碼保留克砝碼保留 結(jié)果結(jié)果8 克克12 克克12 克克13 克克 1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 所用砝碼重量：所用砝碼重量：8克克、4克克、2克克和和1克。克。設待秤重量設待秤重量Wx = 13克?？恕７Q重過程稱重過程 I 啟啟動動脈脈沖沖 CP 時時鐘鐘 電電壓壓 比比較較器器 控控制制邏邏輯輯電電路路 移移位位寄寄位位器器

47、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 1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 1 0 0 0 1 0 0 0 2/REFV I VREF/2 1 I VREF/2 09.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 I 啟啟動動脈脈沖沖 CP 時時鐘鐘 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 1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 0 1 0 0 0 1 0

48、 0 REFV4/3 I 3/4VREF 1010 I 3/4VREF 9.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 I 啟啟動動脈脈沖沖 CP 時時鐘鐘 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 1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 0 0 1 0 0 0 1 0 REFV8/5 I 5/8VREF 1010 I 5/8VREF 109.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10000000 7.50000 6.2500 6.

49、8750 6.5625 6.71875 6.796875 6.835937 0.00 5.0000 10s CP 啟啟動動脈脈沖沖 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 O V 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換時時間間 = 80 s t /s A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 19.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器四位逐次比較型四位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯電路如下圖所示。圖中五轉(zhuǎn)換器的邏輯電路如下圖所示。圖中五位移位寄存器可進行并入位移位寄存器可進行并入/并出或串入、串出操作，其并出或串入、串出操作，其F為并

50、為并行置數(shù)端，高電平有效，行置數(shù)端，高電平有效，S為高位串行輸入。數(shù)據(jù)寄存器由為高位串行輸入。數(shù)據(jù)寄存器由D邊沿觸發(fā)器組成，數(shù)字量從邊沿觸發(fā)器組成，數(shù)字量從Q4Q1輸出試分析電路的工作輸出試分析電路的工作原理。原理。1 10 00 00 00 01 11 1 1 1 02/REFV 1 1F為并行置數(shù)端，為并行置數(shù)端，高電平有效高電平有效S為高位為高位串行輸入串行輸入9.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 I O D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D1 VREF + D3 D2 D1 D0 (MSB (LSB) Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 R S C1 R S C1 1D R S C1 1D

51、 R S C1 1D R S C1 R 啟動脈沖啟動脈沖 1 & CP +5V +5V Q5 QE QD QC QB QA S A B C D E F CP 移位寄存器移位寄存器 +5V C FF0 FF1 FF2 FF3 FF4 G2 1D C1 1D D1D2D3 I O D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D1 VREF + D3 D2 D1 D0 (MSB (LSB) Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 R S C1 R S C1 1D R S C1 1D R S C1 1D R S C1 R 啟動脈沖啟動脈沖 1 & CP +5V +5V Q5 QE QD QC QB QA S A B C D E F CP 移位寄存器移位寄