第9章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、2022-5-3019 9 . . 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器9.1 D/A轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器2022-5-3021. 掌握倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、集成D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計算；2. 掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理及其特點；3. 理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。教學(xué)要求教學(xué)要求2022-5-303概述概述 數(shù)字系統(tǒng)只能處理數(shù)字信號。自然界中的物理量，例如溫度、壓力、位移等都是模擬量。要采用數(shù)字系統(tǒng) ( 如計算機(jī) ) 對這些物理量進(jìn)行控制、檢測等，需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起轉(zhuǎn)換作用的電路模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器：把

2、模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的器件，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。輸入為模擬量，電壓vI或電流iI ，輸出為與模擬量成比例的n位二進(jìn)制數(shù)：Dn-1Dn-2 D1D0 ，數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器：把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的器件，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。輸入為n位二進(jìn)制數(shù)D：Dn-1Dn-2 D1D0，輸出為與二進(jìn)制數(shù)D成比例模擬量，電壓vO或電流iO。2022-5-304溫度變送器tT 蒸汽熱電偶A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字計算機(jī)D/A轉(zhuǎn)換器電動閥溫度控制實例溫度控制實例染色鍋當(dāng)D/A輸出5V時，電動閥全部打開，蒸汽進(jìn)量最大；當(dāng)D/A輸出0V時，電動閥全部關(guān)閉，蒸汽進(jìn)量為0；電動閥開度與控制電壓成正比。80H2.5V概

3、述概述2022-5-3059.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.1 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理數(shù)數(shù) / 模模( D/A )轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器：將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量的電路。D/A 轉(zhuǎn)換器的框圖如圖所示輸入NB為n位二進(jìn)制數(shù)：Dn-1Dn-2 D1D0 ，輸出為電壓vO或電流iO， vO或iO是模擬量，用A表示模擬量。D與A之間的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)換特性。理想轉(zhuǎn)換特性A與D成正比。A= KD=比例系數(shù)K是常數(shù)。如圖是一個3位D/A轉(zhuǎn)換器理想轉(zhuǎn)換特性曲線，K=11n0iii2DK01234567001 010 011 100 101 110 111vo/VD000vO /V2022-5-3061.

4、 實現(xiàn)實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想轉(zhuǎn)換的基本思想先分析將二進(jìn)制數(shù)ND(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。ND b424b323b222b121b020 1 24 123 022 0 21 120 數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的， 對于有權(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)換成相應(yīng)的模擬量， 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， 從而實現(xiàn)數(shù)字量模擬量的轉(zhuǎn)換。這就是實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的指導(dǎo)思想。9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.1 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理2022-5-3071. 實現(xiàn)實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想轉(zhuǎn)換的基本思想4位D/A轉(zhuǎn)換器原理電路RDViR

5、EF00i0i1i2i3RDV2iREF110 1 0 1RDV4iREF22RDV8iREF33i = i0 + i1 + i2 + i3vO=Rf ( i0 + i1 + i2 + i3 )vO=VREF( D3 23+ D2 22+ D1 21+ D0 20 )Rf = R30iiiREF2DV虛地1n0iii2DKA9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.1 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理2022-5-3082. D/A轉(zhuǎn)換器的組成轉(zhuǎn)換器的組成 n位數(shù)字量輸入數(shù)碼寄存器n位模擬開關(guān)基準(zhǔn)電壓解碼網(wǎng)絡(luò)求和電路模擬量輸出用存放輸入數(shù)字量的各位數(shù)碼由輸入數(shù)字量控制產(chǎn)生權(quán)電流將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入

6、成正比的模擬電壓9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.1 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理2022-5-3093. D/A轉(zhuǎn)換器的分類轉(zhuǎn)換器的分類按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類 T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流DAC 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 按模擬電子開關(guān)電路分類 CMOS開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型DAC 電流開關(guān)型DAC D/A 轉(zhuǎn)換器ECL電流開關(guān)型DAC 9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.1 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理2022-5-30109.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.2 倒倒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1. 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)電壓電阻網(wǎng)

7、絡(luò)模擬電子開關(guān)輸入數(shù)據(jù)求和電路Di=0，Si使電阻2R接地；Di=1，Si使電阻2R接虛地，電流 Ii流入求和電路 2022-5-3011 2R 2R 2R 2R 2R R R R VREF I A B C D A B C D 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)換器倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)RRRRIRVIREFI/2I/2I3I/4I/4I2I/8I/8I1I/16I/16I0倒T形流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1= VREF / 8RI0= VREF /16 R9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.2 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)

8、形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3012流入運放的總電流： 0110i= I0 D0 + I1 D1 + I2 D2 + I3 D3I3I2I1I0)2D2D2D2D(RV13223140REF輸出模擬電壓： 30iii4REFffO)2D(2VRRRi輸出電壓vO與輸入數(shù)據(jù)D成正比9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.2 倒倒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2022-5-30134位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器30iii4REFfO)2D(2VRRn位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1n0iiinREFfO)2D(2VRR令：則：vO = K NB 在電路中輸入的每一個二進(jìn)制數(shù)NB，均

9、能得到與之成正比的模擬電壓vO輸出。 nREFf2VRRK1n0iiiB)2D(N9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.2 倒倒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2022-5-30142. 集成集成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器AD7533D/A轉(zhuǎn)換器10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器 AD7533使用說明：. 要外接運放。. 運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻，也可采用外接電阻。9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.2 倒倒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2022-5-3015關(guān)于關(guān)于D/A轉(zhuǎn)換器精度的討論轉(zhuǎn)換器精度的討論為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求：(1)基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；(2) 倒T

10、形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R電阻比值的精度要高；(3) 每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等 為實現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。1n0iiinREFfO)2D(2VRR9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.2 倒倒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2022-5-30169.1.3 權(quán)電流權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 4位權(quán)電流位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Di=0，Si接地；Di=1，Si接虛地。 0110)2D2D2D2D( Ii132231401n0iiif4O)2D(R2I 在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開

11、關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-30179.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式8位DAC單極性單極性輸出的輸入/輸出關(guān)系 數(shù)字量 模擬量1 1 1 1 1 1 1 11 0 0 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0 0 00 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0256255VREF256129VREF256128VREF256127VREF2561VREF2560VREFDAC的輸出方式有：單極性輸出方式和雙極性輸出方式兩種。采用單極性輸出方式時，輸入數(shù)字量采用自然二進(jìn)制數(shù)，輸出或只為正，或

12、只為負(fù)。8位DAC單極性輸出方式如表所示當(dāng) VREF= + 10V時9.96V5.039V5V4.96V0.039V0V2561VVREFLSB255VLSB129VLSB =255LSBOV0.5VREF9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3018 8位DAC單極性單極性輸出的輸入/輸出關(guān)系十進(jìn)制 2進(jìn)制 模擬量VREF= 10V25511111111 255VLSB9.96V25411111110 254VLSB 9.92V12910000001 129VLSB 5.039V12810000000 128VLSB 5V12701111111 127VLSB 4.96V1 0000000

13、1 1VLSB 0.039V0 00000000 0VLSB 0V9.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3019采用雙極性輸出方式時，輸入數(shù)字量采用帶符號的二進(jìn)制補(bǔ)碼，當(dāng)輸入數(shù)字量為正，輸出為正；輸入數(shù)字量為負(fù)，輸出也為負(fù)。8位DAC雙極性輸出方式如表所示 8位DAC雙極性雙極性輸出的輸入/輸出關(guān)系十進(jìn)制 2進(jìn)制補(bǔ)碼 模擬量 VREF= 10V12701111111 127VLSB4.96V12601111110 126VLSB 4.92V100000001 1VLSB 0.039V 000000000 0VLSB 0V1 11111111

14、1VLSB 0.039V12710000001 127VLSB 4.96V 128 10000000 128VLSB 5V 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 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3020十進(jìn)制 偏移二進(jìn)制碼255 11111111254 11111110 129 10000001128 10000000127 01111111126 011111111 000000010 00000000采用雙極性輸出方式的思路：采用雙極性輸出方式的思路：數(shù)字提升，模擬下降數(shù)字提升，模擬下降十進(jìn)制 2的補(bǔ)碼 127011111111260111111010000000100

15、0000000111111111211111110127 10000001128 10000000+80HVREF=10V9.96V9.92V5.039V5V4.96V4.92V0.039V 0V0.5VREF4.96V4.92V0.039V0V0.039V0.078V4.96V5V先將2的補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換成偏移二進(jìn)制碼。再實現(xiàn)單極性8位DA轉(zhuǎn)換單極性DA輸出電壓減去80H對應(yīng)電壓0.5VREF，即得到正確雙極性輸出電壓。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 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3021十進(jìn)制 2的補(bǔ)碼 偏移二進(jìn)制碼12701111111 111111111260111

16、1110 11111110 100000001 10000001000000000 10000000111111111 01111111127 10000001 00000001128 10000000 00000000采用雙極性輸出方式的方法：將2的補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換成偏移二進(jìn)制碼。偏移二進(jìn)制碼 =2的補(bǔ)碼+80H，并舍棄進(jìn)位。運算方法：將最高位變反。再由偏移二進(jìn)制碼實現(xiàn)單極性DAC輸出。將單極性DAC輸出電壓減去80H對于的電壓0.5VREF，得到極性正確的偏移二進(jìn)制碼輸出電壓。方法：采用模擬加法器。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 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3022雙

17、極性DAC2的補(bǔ)碼NB轉(zhuǎn)換成偏移二進(jìn)制碼NA減去0.5VREFREF1OV212V2NVREF8AREF2V)2V2NV(REFREF8BREF8BREF2NV2V2)H80N(VREF8BREF1n0iiinREFf1)2D(2VRRNA輸出與2的補(bǔ)碼NB成正比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 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-30239.1.5 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)1. 分辨率分辨率分辨率分辨率是D/A轉(zhuǎn)換器對輸入微小量敏感程度的表征。定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓能被分離的等級數(shù)。n位DAC有2n個模擬輸出電壓。 D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，分

18、辨率越高，實際應(yīng)用中，往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。 2、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度是指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實際值與理論值之間的最大偏差。產(chǎn)生原因：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，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉(zhuǎn)換誤差：幾種轉(zhuǎn)換誤差：比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等。9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-30243. 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 當(dāng)D/A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(dá)到所對應(yīng)的量值，它需要一定的延遲時間。通常用建立時間和轉(zhuǎn)換速率兩個參數(shù)來描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。建

19、立時間：建立時間：輸入數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出電壓達(dá)到規(guī)定誤差范圍所需要的時間。 轉(zhuǎn)換速率：轉(zhuǎn)換速率：指大信號工作狀態(tài)下，輸出模擬電壓的最大變化率。 4、溫度系數(shù)、溫度系數(shù) 指輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。9.1.5 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)9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-30259.1.6 集成集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 在實踐中，D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用很廣，除了典型的D/A轉(zhuǎn)換外，還可用于數(shù)字量對模擬量的處理。(1).數(shù)字式可編程增益控制電路數(shù)控增益放大器 數(shù)控增益放大器，又稱程控增益放大器，簡稱 PGA。PGA就是由輸入數(shù)據(jù)控制放大

20、電路的放大倍數(shù)(增益)，隨時可以調(diào)整增益。 考察反相比例電路 若能夠控制Rf 大小，就能夠控制放大倍數(shù)Auf。采用D/A轉(zhuǎn)換器AD7533實現(xiàn)的數(shù)控增益放大器就通過輸入數(shù)據(jù)控制倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)控制Rf的等效電阻，從而達(dá)到控制放大倍數(shù)。1fIOufRRUUAf1IORRUU9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3026(1).數(shù)字式可編程增益控制電路IOUTII虛地RIIIRIOOUTI0I9R21I21IO10OUT1000OUT101I2I22I0iOUT10iiI2I22I由虛斷：090iii90iiiII )2D()ID(IR21)2D( RO1090iiiI得：)2D2D2D

21、(2 A99110010IOV1024AmaxV1AminV9.1.6 集成集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-30270 1 2 3 4 5 6 7 8 9(2). 脈沖波產(chǎn)生電路 每輸入1個CP脈沖，計數(shù)器加1，輸出的模擬電壓增加1個等級。 74163具同步清零功能，當(dāng)計數(shù)到“9”時，與非門輸出“0”到清0端，下一脈沖到來時清0，又從0開始。 輸出波形如圖，是十個階梯的階梯波，增加DAC位數(shù)，則增加階梯數(shù)量。若濾波后，輸出鋸齒波。十進(jìn)制計數(shù)器DAC9.1.6 集成集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3028概述概述

22、1. A/D功能功能：模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量。 輸入為模擬量電壓vI，輸出為與vI成正比的n位二進(jìn)制數(shù)。2. A/D轉(zhuǎn)換器分類轉(zhuǎn)換器分類 并聯(lián)比較型直接A/D轉(zhuǎn)換器特點：轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時間 10ns 1us,，但電路復(fù)雜。 逐次逼近型直接A/D轉(zhuǎn)換器特點：轉(zhuǎn)換速度適中，轉(zhuǎn)換時間為幾u(yù)s 100 us，轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個很好的平衡。 雙積分型間接A/D轉(zhuǎn)換器特點：轉(zhuǎn)換速度慢，轉(zhuǎn)換時間 幾百us 幾ms，但抗干擾能力最強(qiáng)。9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-30299.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程轉(zhuǎn)換的一般工作過程取樣時間上離散的信號保持幅值上也離

23、散的信號編碼模擬信號數(shù)字信號 ADC要將時間上和幅值上都連續(xù)的模擬量，轉(zhuǎn)換為時間上和幅值上都離散的數(shù)字量，一般要經(jīng)過取樣， 保持，量化及編碼 4個過程。量化A/D轉(zhuǎn)換9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-30301. 取樣與保持取樣與保持 取樣電路將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量。 如圖傳輸門組成的取樣電路S(t)=1開關(guān)閉合；S(t)=0開關(guān)斷開采樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號愈能真實地復(fù)現(xiàn)輸入信號。采樣定理：設(shè)采樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號 vI(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則必須滿足下列關(guān)系：fs 2fimax 。時間上連續(xù)的模擬量時間上離散

24、的模擬量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 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3031 采樣所得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，取樣電路的輸出還需要保持一段時間。一般取樣和保持過程都是同時完成的。取樣和保持的原理圖及輸出波形如圖所示。t0t1時段開關(guān)S閉合，電路處于取樣階段，電容充電， vO= vI；A1A2=1t1t2時段開關(guān)S斷開，電路處于保持階段，vO保持不變；vO保持取樣最后的電壓不變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 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-30322. 量化與編碼量化與編碼

25、量化：數(shù)字量在數(shù)值上是離散的，任何數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。要實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，還必須將采樣保持電路的輸出電壓表示為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，此過程叫量化。最小數(shù)量單位稱為量化單位，是數(shù)字信號為1時所對應(yīng)的模擬值，即1LSB。量化誤差：被取樣電壓是連續(xù)的，其值不一定能被整除，所以量化后一定存在誤差，稱為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，無法消除。ADC位數(shù)越多，1LSB所對應(yīng)的值越小，量化誤差越小。量化的方法：一般有舍尾取整法和四舍五入法。編碼：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A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。 9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程轉(zhuǎn)

26、換的一般工作過程9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3033舍尾取整法：舍尾取整法：量化中把不足一個量化單位的部分舍棄。例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼。=1LSB=V81V87V86V85V84V83V82V811111101011000110100010000= 0V2=2/ 8V1=1/ 8V輸入電壓編碼量化后電壓0V1V3=3/ 8V4=4/ 8V5=5/ 8V6=6/ 8V7=7/ 8V最大量化誤差為：|e max |1D1LSBV819.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程轉(zhuǎn)換的一般工作過程9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3034四舍五入法：四舍五入法：量化過程將不足半

27、個量化單位部分舍棄。例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼。=1LSB=V1521111101011000110100010000= 0V2=4/15V1=2/15V輸入電壓編碼量化后電壓0V1V3=6/15V4=8/15V5=10/15V6=12/15V7=14/15V最大量化誤差為：|e max |0.5D0.5LSBV151V1513V1511V159V157V155V153V151四舍五入法量化誤差小，為大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器采用。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 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-30359.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器電路原理電

28、路原理3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的原理電路如圖所示。輸入模擬電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)精密參考電壓電壓比較器D觸發(fā)器輸出數(shù)字量REFV152D9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3036t vI00000110100011111101看表9.2.1和例9.2.19.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3037集成電路與電路特點集成電路與電路特點 單片集成電路：單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品很多，如AD公司的AD9012 (TTL工藝8位)、AD9002 (ECL工藝，8位)、AD9020 (TTL工藝，10位)等。集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器特點速

29、度快：在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓vI同時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vI輸入時刻同時獲得的。所以并行A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間最短。 電路復(fù)雜：隨著二進(jìn)制位數(shù)n增加，器件數(shù)目按幾何級數(shù)2n增加，如三位ADC需231=7個比較器、7個觸發(fā)器、8個電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜，10位ADC需1023個比較器、1023個觸發(fā)器等。應(yīng)用場合：用于要求速度快，精度不高場合。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 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-30381. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似 。所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克

30、。設(shè)待秤重量Wx = 13克。9.2.3 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器第1次 8 克 砝碼總重 待測重量Wx ，8克砝碼保留保留 8 克 第2次 再加4克 砝碼總重 待測重量Wx ， 2克砝碼撤除撤除 12 克 第4次 再加1克 砝碼總重 = 待測重量Wx ，1克砝碼保留保留 13 克 次數(shù) 砝碼重量 分析 結(jié)果9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-30391. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理基本思想：第1CP，D=10000000，若vI vO，C =1，D7=1，否則 C =0，D7=0第2CP，保留D7，使D6=1，若vI vO，C =1，D6=1，否則 C =0， D6=0C9.2 A/

31、D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2.3 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-30401. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理若第1個CP，D=10000000，vO =5VvI vO ，C =1， D7=1第2個CP，D=11000000，vO =7.5VvI vO ，C =1， D5=1vI=6.84VVREF = 10VC第4個CP，D=10110000，vO =6.875VvI vO ，C =0， D4=09.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2.3 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-30411. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理10000000110000001010000010110000vI=6.84V

32、10101000101011001010111010101111轉(zhuǎn)換結(jié)果：D = 10101111轉(zhuǎn)換時間：80usn位逐次比較A/D完成一次轉(zhuǎn)換需要n個時鐘周期。101011111 2 3 4 5 6 7 89.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2.3 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3042啟動脈沖使Q5=1 ，G2門打開，CP可開始作用，啟動期間F=1并行置數(shù)，CP QEQDQCQBQA=11110，Q4Q3Q2Q1=1000比較的結(jié)果同時送到FF4 FF1 的D端。啟動脈沖轉(zhuǎn)換開始。100011. 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路工作原理：啟動脈沖，F(xiàn)F0-FF3清0，Q0Q1Q2Q3=0

33、000并行置數(shù)端1 1 1 1 001x309.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2.3 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3043010啟動脈沖轉(zhuǎn)換開始。1 1 1 010011x3第1個CP 后，QEQDQCQBQA=11101，Q3=1，Q3比較結(jié)果記入Q4 第2個CP 后，QEQDQCQBQA=11011，Q2=1，Q2比較結(jié)果記入Q3 第3個CP 后，QEQDQCQBQA=10111，Q1=1，Q1比較結(jié)果記入Q2 x3x21 1 0 1 11x2x11 0 1 1 11x1x0109.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2.3 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3

34、0440 x3第4個CP 后，QEQDQCQBQA=01111，Q0=1，Q0比較結(jié)果記入Q1QE=0，F(xiàn)F5清0，Q5=0 ，G2門關(guān)閉，轉(zhuǎn)換結(jié)束，D3D2D1D0即轉(zhuǎn)換結(jié)果。下一個啟動脈沖，開始下一輪轉(zhuǎn)換。1 0 1 1 1x21x1x00 1 1 1 11x00109.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2.3 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3045小結(jié)小結(jié)(1). 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；(2). n位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，完成一次轉(zhuǎn)換需要n個時鐘脈沖周期，位數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短； (3). 其特點是速度較快，精度較高，因

35、而廣泛應(yīng)用。9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2.3 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-30469.2.4 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是一種常用的間接A/D轉(zhuǎn)換器，基本原理是將輸入電壓平均值輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進(jìn)而得到與輸入模擬量對應(yīng)的數(shù)字量輸出。第1次積分：積分器初值=0，對vI 積分，積分時間為T1= 2nTC ，時間固時間固定定， vI的平均值VI越大，積分電壓VP越大；第2次積分：積分器初值=VP，對VREF 積分，直至積分

36、器直至積分器=0 ，對積分時間計數(shù)，設(shè)為計數(shù)值。vI的平均值VI越大， VP越大，第2次積分時間越長，計數(shù)值越大，即與vI的平均值VI成正比。9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3047積分器過0比較器時鐘脈沖控制門， vC=1門開通vC=0門封鎖計數(shù)器Qn控制開關(guān)S1，Qn= 0 S1向上， Qn= 1 S1向下。9.2.4 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3048(1). 準(zhǔn)備階段：轉(zhuǎn)換開始前，CR信號將計數(shù)器清零；開關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，停止清零，并斷開S2 使電容的初始電壓為0。0 00 00 00 00 09.2.4 雙積分式

37、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1 12022-5-3049(2). 第一次積分階段：t = t0時，積分器開始對vI積分。2n個CP后Qn= 1 ， S1切換到B，第一積分結(jié)束，積分時間：T1= 2nTC ，設(shè)在T1內(nèi)vI的平均值為VI ， T1結(jié)束后vO=VP。t0IOdt1I1PVTV1 1根據(jù)VI和T1選擇RC參數(shù)， 保證積分器T1期間不進(jìn)入非線性區(qū)。0 00 00 09.2.4 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器vO0，開始計數(shù)。2022-5-3050(2). 第二次積分階段：t = t1時，積分器以VP為初值開始對VREF 積分。t =

38、 t2時，vO=0，vC=0， 門G封鎖，計數(shù)停止，第二次積分結(jié)束。第二次積分時間 T2 = t2 t1 =TC ，為計數(shù)值。00dt)V(1V)t (REF2t1tP2O0VI VREF ，T2期間計數(shù)器不會溢出。9.2.4 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-3051I1PVTV第二積分時間T2 =TC ，為計數(shù)值。0dt)V(1V)t (REF2t1tP2O第一積分時間T1= 2nTC2REFPTVV2REFI1TVVT2REF1ITVTVREF12IVTTV T2與VI 正比，VI 轉(zhuǎn)換成了時間間隔T2REFnIV2V特別地，若VREF=2nmV， VI = mV 讀出，則計算出VI 。9.2.4 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器比較小的VI2022-5-3052優(yōu)點優(yōu)點(1) 由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在T1時間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力。 (2) 由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)RC無關(guān)，從而消除了積分非線性帶來的誤差。缺點：缺點：轉(zhuǎn)換速度慢。9.2.4 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2022-5-30531. 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述的。 分辨率 說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的