《電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分》第五版(康華光).第9章.數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、9 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1. 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(jì)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(diǎn)；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(jì)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

2、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。溫度變送器tT 蒸汽熱電偶A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字計(jì)算機(jī)D/A轉(zhuǎn)換器電動閥溫度控制實(shí)例溫度控制實(shí)例染色鍋當(dāng)D/A輸出5V時(shí)，電動閥全部打開，蒸汽進(jìn)量最大；當(dāng)D/A輸出0V時(shí)，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概述概述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)換的基本原理數(shù)

3、 / 模( D/A )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(gè)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 /V1. 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想轉(zhuǎn)換的基本思想先分析將二進(jìn)制數(shù)ND(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。ND b424b323b222b12

4、1b020 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(shí)現(xiàn)數(shù)字量模擬量的轉(zhuǎn)換。這就是實(shí)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1. 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4位D/A轉(zhuǎn)換器原理電路RDViREF00i0i1i2i3RDV2iREF110 1 0 1RDV4iREF22RDV8iREF33i = i0 + i1 + i2 + i3vO=Rf

5、( 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2. 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3. 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

6、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)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 2R 2R 2R 2R 2R R R R VREF I A B C D A B C D 4位倒位倒

7、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(gè)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)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器流入運(yùn)放的總電流： 0110i= I0 D0 + I1 D1 + I2 D2 + I3 D3I3I2I1I0)2D2D2D2D(RV13223140REF輸出模擬電壓： 30iii4REFffO)2D(2VRR

8、Ri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4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(gè)二進(jìn)制數(shù)NB，均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2. 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：.

9、 要外接運(yùn)放。. 運(yùn)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形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R電阻比值的精度要高；(3) 每個(gè)模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等(3)為實(shí)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9.1.3 權(quán)電流權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器

10、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9.1.4 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 0

11、256255VREF256129VREF256128VREF256127VREF2561VREF2560VREFDAC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(shí)，輸入數(shù)字量采用自然二進(jìn)制數(shù)，輸出或只為正，或只為負(fù)。8位DAC單極性輸出方式如表所示當(dāng) VREF= + 10V時(shí)9.96V5.039V5V4.96V0.039V0V2561VVREFLSB255VLSB129VLSB =255LSBOV0.5VREF9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 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 255VLSB9.96V2

12、5411111110 254VLSB 9.92V12910000001 129VLSB 5.039V12810000000 128VLSB 5V12701111111 127VLSB 4.96V1 00000001 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)換器采用雙極性輸出方式時(shí)，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當(dāng) VREF= 5V時(shí) 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

13、= 5V12701111111 127VLSB4.96V12601111110 126VLSB 4.92V100000001 1VLSB 0.039V 000000000 0VLSB 0V1 11111111 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)換器十進(jìn)制 偏移二進(jìn)制碼255 11111111254 11111110 129 10000001128 10000000127 01111111126 011111111 000000010

14、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 1270111111112601111110100000001000000000111111111211111110127 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(shí)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

15、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)換器十進(jìn)制 2的補(bǔ)碼 偏移二進(jìn)制碼12701111111 1111111112601111110 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(yùn)算方法：將最高位變反。再由偏移二進(jìn)制碼實(shí)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0.5V

16、REF，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)換器雙極性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)1. 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

17、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(gè)模擬輸出電壓。 D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，分辨率越高，實(shí)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)換精度是指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的最大偏差。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(yùn)算放大器的零漂等各種因素的影響。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3. 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(shí)，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(shí)間。通常

18、用建立時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率兩個(gè)參數(shù)來描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。建立時(shí)間：輸入數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓達(dá)到規(guī)定誤差范圍所需要的時(shí)間。 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9.1.6 集成集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 在實(shí)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

19、由輸入數(shù)據(jù)控制放大電路的放大倍數(shù)(增益)，隨時(shí)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(shí)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(shí)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(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(2

20、 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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9(2). 脈沖波產(chǎn)生電路 每輸入1個(gè)CP脈沖，計(jì)數(shù)器加1，輸出的模擬電壓增加1個(gè)等級。 74163具同步清零功能，當(dāng)計(jì)數(shù)到“9”時(shí)，與非門輸出“0”到清0端，下一脈沖到來時(shí)清0，又從0開始。 輸出波形如圖，是十個(gè)階梯的階梯波，增加DAC位數(shù)，則增加階梯數(shù)量。若濾波后，輸出三角波。十進(jìn)制計(jì)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)換器概述概述1. A/D功能：模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)

21、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 并聯(lián)比較型直接A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間 10ns 1us,，但電路復(fù)雜。 逐次逼近型直接A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度適中，轉(zhuǎn)換時(shí)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(gè)很好的平衡。 雙積分型間接A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度慢，轉(zhuǎn)換時(shí)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)換的一般工作過程取樣時(shí)間上離散的信號保持幅值上也離散的信號編碼模擬信號數(shù)字信號 ADC要將時(shí)間上和幅值上都連續(xù)的模擬量，轉(zhuǎn)換為時(shí)間上和

22、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(gè)過程。量化A/D轉(zhuǎn)換9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 取樣與保持取樣與保持 取樣電路將隨時(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。 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(shí)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(shí)間上連續(xù)的模擬量時(shí)間上離散的模擬量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 采樣所得到的模擬

23、信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號需要一定時(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，取樣電路的輸出還需要保持一段時(shí)間。一般取樣和保持過程都是同時(shí)完成的。取樣和保持的原理圖及輸出波形如圖所示。t0t1時(shí)段開關(guān)S閉合，電路處于取樣階段，電容充電， vO= vI；A1A2=1t1t2時(shí)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2. 量化與編碼量化與編碼 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(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。要實(shí)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

24、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(shí)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(gè)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)換的一般工作過程9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器舍尾取整法：量化中把不足一個(gè)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=V81V8

25、7V86V85V84V83V82V811111101011000110100010000= 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)換器四舍五入法：量化過程將不足半個(gè)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=8/1

26、5V5=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9.2.2 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t vI00000110100011111101看表9.2.1和例9.2.19.2

27、.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)換器集成電路與電路特點(diǎn)集成電路與電路特點(diǎn) 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(diǎn)速度快：在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓vI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vI輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以并行A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)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(gè)比較器、7個(gè)觸發(fā)器、8個(gè)電

28、阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜，10位ADC需1023個(gè)比較器、1023個(gè)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1. 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。設(shè)待秤重量Wx = 13克。9.2.3 逐次比較型逐次比較型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

29、碼重量 分析 結(jié)果9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 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=0C9.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理若第1個(gè)CP，D=10000000，vO =5VvI vO ，C =1， D7=1第2個(gè)CP，D=11000000，vO =7.5VvI vO ，C =1， D5=1vI=6.84VVREF = 10VC第4個(gè)CP，D=10110000，vO

30、 =6.875VvI vO ，C =0， D4=09.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理10000000110000001010000010110000vI=6.84V10101000101011001010111010101111轉(zhuǎn)換結(jié)果：D = 10101111轉(zhuǎn)換時(shí)間：80usn位逐次比較A/D完成一次轉(zhuǎn)換需要n個(gè)時(shí)鐘周期。101011111 2 3 4 5 6 7 89.2.3 逐次比較型逐次比較型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 QEQ

31、DQCQBQA=11110，Q4Q3Q2Q1=1000比較的結(jié)果同時(shí)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=0000并行置數(shù)端1 1 1 1 001x309.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器010啟動脈沖轉(zhuǎn)換開始。1 1 1 010011x3第1個(gè)CP 后，QEQDQCQBQA=11101，Q3=1，Q3比較結(jié)果記入Q4 第2個(gè)CP 后，QEQDQCQBQA=11011，Q2=1，Q2比較結(jié)果記入Q3 第3個(gè)CP 后，QEQDQCQBQA=10111，Q1=1

32、，Q1比較結(jié)果記入Q2 x3x21 1 0 1 11x2x11 0 1 1 11x1x0109.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器0 x3第4個(gè)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(gè)啟動脈沖，開始下一輪轉(zhuǎn)換。1 0 1 1 1x21x1x00 1 1 1 11x00109.2.3 逐次比較型逐次比較型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

33、次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，完成一次轉(zhuǎn)換需要n個(gè)時(shí)鐘脈沖周期，位數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短； (3). 其特點(diǎn)是速度較快，精度較高，因而廣泛應(yīng)用。9.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2.4 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(shí)間時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測出此時(shí)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(shí)間為T1= 2nTC

34、，時(shí)間固時(shí)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，直至積分器直至積分器=0 ，對積分時(shí)間計(jì)數(shù)，設(shè)為計(jì)數(shù)值。vI的平均值VI越大， VP越大，第2次積分時(shí)間越長，計(jì)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)換器積分器過0比較器時(shí)鐘脈沖控制門， vC=1門開通vC=0門封鎖計(jì)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(1). 準(zhǔn)備階段：轉(zhuǎn)換開始前，CR信號將計(jì)數(shù)器清零；開關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開S2 使電容的初

35、始電壓為0。0 00 00 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(2). 第一次積分階段：t = t0時(shí)，積分器開始對vI積分。2n個(gè)CP后Qn= 1 ， S1切換到B，第一積分結(jié)束，積分時(shí)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(2). 第二次積分階段：t = t1時(shí)，積分器以VP為初值開始對VREF 積分。t = t2

36、時(shí)，vO=0，vC=0， 門G封鎖，計(jì)數(shù)停止，第二次積分結(jié)束。第二次積分時(shí)間 T2 = t2 t1 =TC ，為計(jì)數(shù)值。00dt)V(1V)t (REF2t1tP2O0VI VREF ，T2期間計(jì)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I1PVTV第二積分時(shí)間T2 =TC ，為計(jì)數(shù)值。0dt)V(1V)t (REF2t1tP2O第一積分時(shí)間T1= 2nTC2REFPTVV2REFI1TVVT2REF1ITVTVREF12IVTTV T2與VI 正比，VI 轉(zhuǎn)換成了時(shí)間間隔T2REFnIV2V特別地，若VREF=2nmV， VI = mV 讀出，則計(jì)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)換器優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)(1) 由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在T1時(shí)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(shí)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(diǎn)：缺點(diǎn)：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1. 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