數模轉換和模數轉換原理

1、第第8 8章章 數模和模數轉換數模和模數轉換 8.1 概述概述 8.2 數模轉換器數模轉換器 8.3 模數轉換器模數轉換器傳感器傳感器(溫度、壓力、流溫度、壓力、流量等量等模擬量模擬量）A/D計算機計算機（數字量）（數字量）顯示器顯示器D/A執(zhí)行部件執(zhí)行部件（模擬量控制）（模擬量控制）打印機打印機8.1 8.1 概述概述能夠將模擬量轉換為能夠將模擬量轉換為數字量的器件稱為模數字量的器件稱為模數轉換器，簡稱數轉換器，簡稱A/DA/D轉轉換器或換器或ADCADC。能夠將數字量轉換為能夠將數字量轉換為模擬量的器件稱為數模擬量的器件稱為數模轉換器，簡稱模轉換器，簡稱D/AD/A轉轉換器或換器或DACD

2、AC。 ADC ADC和和DACDAC是溝通模擬電路和數字電是溝通模擬電路和數字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口. .ADCADC和和DACDAC的應用：的應用： D/A D/A轉換器實質上是一個轉換器實質上是一個譯碼器譯碼器（解碼器）。一般常（解碼器）。一般常用的線性用的線性D/AD/A轉換器，其輸出模擬電壓轉換器，其輸出模擬電壓uO O和輸入數字量和輸入數字量D Dn n之間成之間成正比關系正比關系。U UREFREF為參考電壓。為參考電壓。一、一、D/AD/A轉換器的基本工作原理轉換器的基本工作原理8.2 8.2 數模轉換器數模轉換器 D/A D/A

3、轉換器是將輸入的轉換器是將輸入的二進制數字量轉換成模擬量二進制數字量轉換成模擬量，以電壓或電流的形式輸出。以電壓或電流的形式輸出。 uo或或 io 輸出輸出 D/A d0 d1 dn1 輸入輸入 Dn (LSB) (MSB) uODnUREF 將輸入的每一位二進制代碼將輸入的每一位二進制代碼按按其其權值權值大小大小轉換轉換成相應成相應的模擬量，然后將代表各位的的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加模擬量相加，則所得的總模，則所得的總模擬量就與數字量成正比，這樣便實現了從數字量到模擬量擬量就與數字量成正比，這樣便實現了從數字量到模擬量的轉換。的轉換。 1-n0iREFiiREF00REF11REF

4、2n2nREF1n1nREFnoU2d U2dU2dU2dU2d UDu8.2 8.2 數模轉換器數模轉換器 1-n0iii00112n2n1n1nn2d2d2d2d2dD即：即：D/AD/A轉換器的輸出電壓轉換器的輸出電壓u uO O，等于代碼為，等于代碼為1 1的各位所對應的各位所對應的各分模擬電壓之和。的各分模擬電壓之和。 D/A D/A轉換器一般由轉換器一般由數碼緩沖寄存器數碼緩沖寄存器、模擬電子開關模擬電子開關、參考電壓參考電壓、解碼網絡解碼網絡和和求和電路求和電路等組成。等組成。 8.2 8.2 數模轉換器數模轉換器數碼緩沖數碼緩沖寄存器寄存器n位數控位數控模擬開關模擬開關解碼網絡

5、解碼網絡n位數字位數字量輸入量輸入模擬量模擬量輸出輸出求和電路求和電路參考電壓參考電壓n n 位位D/AD/A轉換器方框圖轉換器方框圖 數字量以串行或并行方式輸入，并存儲在數碼緩沖寄數字量以串行或并行方式輸入，并存儲在數碼緩沖寄存器中；寄存器輸出的每位數碼驅動對應數位上的電子開存器中；寄存器輸出的每位數碼驅動對應數位上的電子開關，將在解碼網絡中獲得的相應數位權值送入求和電路；關，將在解碼網絡中獲得的相應數位權值送入求和電路；求和電路將各位權值相加，便得到與數字量對應的模擬量。求和電路將各位權值相加，便得到與數字量對應的模擬量。 Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I

6、1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R/2) u0 UREF + I 1. 權電阻網絡權電阻網絡D/A轉換器轉換器 權電阻網絡權電阻網絡DAC原理圖原理圖 8.2 8.2 數模轉換器數模轉換器二、二、D/AD/A轉換器的主要電路形式轉換器的主要電路形式權電阻權電阻雙向模擬開關雙向模擬開關數字量輸入數字量輸入 模模擬擬量量輸輸出出 權電阻的排列順序和權值的排列順序相反。權電阻的排列順序和權值的排列順序相反。運算放大器運算放大器 集成運算放大器，作為集成運算放大器，作為求和求和權電阻網絡的緩沖，并將

7、電流權電阻網絡的緩沖，并將電流轉換為電壓輸出。轉換為電壓輸出。8.2 8.2 數模轉換器數模轉換器 Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R/2) u0 UREF + I 0I0d2R2UR2UI1diii1nREFi1nREFii時，時，時，時，權電阻網絡權電阻網絡DACDAC的原理分析的原理分析 開關開關S Si i的位置受數據鎖存器輸出的數碼的位置受數據鎖存器輸出的數碼d di i控制：控制：當當d di i=1=1時，時，S

8、 Si i將對將對應的權電阻接到參考電壓應的權電阻接到參考電壓U UREFREF上；當上；當d di i=0=0時，時，S Si i將對應的權電阻接地將對應的權電阻接地。i1nREFii1nREFii2R2UdR2UdI 虛短虛短8.2 8.2 數模轉換器數模轉換器 1-n0iii1-nREFi -1-nREF1-n0ii1-n0ii0122n1n2dR2UR2UdI IIIIII虛斷虛斷運算放大器總的輸入電流為運算放大器總的輸入電流為 運算放大器輸出電壓為運算放大器輸出電壓為 1n0iii1nREFFFO2dR2URIRu令令 R RF F=R/2 =R/2 ，則，則nnREF1n0iiin

9、REFOD2U2d2Uu 即：輸出的模擬電壓即：輸出的模擬電壓u uO O正比正比于輸入的數字量于輸入的數字量D Dn n，從而實現，從而實現了從數字量到模擬量的轉換。了從數字量到模擬量的轉換。因而因而u uO O的變化范圍是的變化范圍是 REFnnU2120 8.2 8.2 數模轉換器數模轉換器當當Dn=Dn-1D0=0時，時，uO=0；當當Dn=Dn-1D0=111時，時， 。REFnnOU212u 權電阻網絡權電阻網絡D/AD/A轉換器的特點轉換器的特點優(yōu)點：結構簡單，電阻元件數較少；優(yōu)點：結構簡單，電阻元件數較少；缺點：阻值相差較大，制造工藝復雜。缺點：阻值相差較大，制造工藝復雜。8.

10、2 8.2 數模轉換器數模轉換器 A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R) u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R R + 2. 倒倒T型電阻網絡型電阻網絡D/A轉換器轉換器 數字量輸入數字量輸入 模模擬擬量量輸輸出出 電阻解碼網絡中，電阻只有電阻解碼網絡中，電阻只有R R和和2R2R兩種，并構成倒兩種，并構成倒T T型電阻網型電阻網絡。當絡。當d di i=1=1時，相應的開關時，相應的開關S Si i接到求和點；當接到求和點；當d di i=0=0時，相應的開時，相應的開關關S Si i接地

11、。但由于接地。但由于虛短虛短，求和點和地相連，所以不論開關如何轉，求和點和地相連，所以不論開關如何轉向，電阻向，電阻2R2R總是與地相連總是與地相連。這樣，倒。這樣，倒T T型網絡的各節(jié)點型網絡的各節(jié)點向上看向上看和和向右看向右看的等效電阻都是的等效電阻都是2R2R，整個網絡的等效輸入電阻為整個網絡的等效輸入電阻為R R。求和點求和點倒倒T型電阻網絡型電阻網絡D/A轉換器原理圖轉換器原理圖 8.2 8.2 數模轉換器數模轉換器 A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R) u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2I 2I 2I 2I 2I n1

12、-n2-n21 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R R n1-n2-n212I 2I 2I 2I 2I I + I 參考電壓參考電壓UREF供出的總電流為：供出的總電流為：RUIREF 0I0d2R2U2II1diiinREFinii時，時，時，時，inREFiinii2R2Ud2IdI 分流：分流：流入求和點的各支路電流為：流入求和點的各支路電流為： 1n0iiinREF1n0iiin00112n2n1n1nnn01n122n11n012-n1-n2dR2U2d2I2d2d2d2d2I2Id2Id2Id2IdIIIII)(8.2 8.2 數模轉換器數模轉換器流入求和點的電流為：流

13、入求和點的電流為：虛斷虛斷，運算放大器的輸出電壓為：，運算放大器的輸出電壓為： 1n0iiinREFFFO2dR2URIRu倒倒T型電阻網絡型電阻網絡D/A轉換器的特點：轉換器的特點： 優(yōu)點：電阻種類少，只有優(yōu)點：電阻種類少，只有R和和2R，提高了制造精度；而，提高了制造精度；而且支路電流流入求和點不存在時間差，提高了轉換速度。且支路電流流入求和點不存在時間差，提高了轉換速度。 應用：它是目前集成應用：它是目前集成D/A轉換器中轉換速度較高且使用轉換器中轉換速度較高且使用較多的一種，如較多的一種，如8位位D/A轉換器轉換器DAC0832，就是采用倒，就是采用倒T型電型電阻網絡阻網絡。8.2 8

14、.2 數模轉換器數模轉換器令令 R RF F=R =R ，則，則nnREF1n0iiinREFOD2U2d2Uu 即：輸出的模擬電壓即：輸出的模擬電壓u uO O正比正比于輸入的數字量于輸入的數字量D Dn n，從而實現了從，從而實現了從數字量到模擬量的轉換。數字量到模擬量的轉換。分辨率用于表征分辨率用于表征D/AD/A轉換器對輸入微小量變化的敏感程度。轉換器對輸入微小量變化的敏感程度。 121UUnm 分辨率分辨率 分辨率越高，轉換時對輸入量的微小變化的反應越靈敏。分辨率越高，轉換時對輸入量的微小變化的反應越靈敏。 而分辨率與輸入數字量的位數有關，而分辨率與輸入數字量的位數有關，n越大，分辨

15、率越高越大，分辨率越高。 8.2 8.2 數模轉換器數模轉換器1. 分辨率分辨率 三、三、D/AD/A轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標D/A轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數可用輸轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數可用輸入數字量的入數字量的位數位數n表示表示D/A轉換器的分辨率；轉換器的分辨率；可用可用D/A轉換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓轉換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比之比來表來表示分辨率。示分辨率。05/75001010011100 101110111vo/VD0008.2 8.2 數模轉換器數模轉換器2. 轉換精度轉換精度 D/A D/A轉換器的轉換精度是指輸出模擬電

16、壓的轉換器的轉換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想實際值與理想值之差值之差，即最大靜態(tài)轉換誤差。，即最大靜態(tài)轉換誤差。3. 轉換速度轉換速度 從輸入的數字量發(fā)生突變開始，從輸入的數字量發(fā)生突變開始，到輸出電壓進入與穩(wěn)定值相差到輸出電壓進入與穩(wěn)定值相差0.5LSB0.5LSB范圍內所需要的時間，稱為范圍內所需要的時間，稱為建立時間建立時間t tsetset。目前單片集成。目前單片集成D/AD/A轉換轉換器（不包括運算放大器）的建立時間器（不包括運算放大器）的建立時間最短達到最短達到0.10.1微秒以內。微秒以內。 4. 溫度系數溫度系數 在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產生的變在輸入不

17、變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高11，輸出電壓變，輸出電壓變化的化的百分數百分數作為溫度系數。作為溫度系數。8.2 8.2 數模轉換器數模轉換器1.DAC08321.DAC0832結構框圖結構框圖 四、四、8 8位集成位集成DAC0832DAC08328位位輸入輸入寄存器寄存器8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A轉換器轉換器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&RFB 它由一個它由一個8 8位輸入寄存器位輸入寄存器、一個、一個8 8

18、位位DACDAC寄存器寄存器和一個和一個8 8位位D/AD/A轉換器轉換器三大三大部分組成，部分組成，D/AD/A轉換器采用轉換器采用了倒了倒T T型型R R-2-2R R電阻網絡電阻網絡。LELE1 1，跟隨，跟隨 0 0，鎖存，鎖存8.2 8.2 數模轉換器數模轉換器2.DAC08322.DAC0832引腳功能引腳功能 DIDI7 7DIDI0 0：8 8位輸入數據信號。位輸入數據信號。I IOUT1OUT1：DACDAC輸出電流輸出電流1 1。當。當DACDAC鎖存器中為全鎖存器中為全1 1時，時，I IOUT1OUT1最大（滿最大（滿量程輸出）；為全量程輸出）；為全0 0時，時，I I

19、OUT1OUT1為為0 0。 I IOUT2OUT2：DACDAC輸出電流輸出電流2 2。它作為運算放大器的另一個差分輸入信。它作為運算放大器的另一個差分輸入信號（一般接地）。滿足號（一般接地）。滿足 I IOUT1OUT1+I+IOUT2 OUT2 滿量程輸出電流。滿量程輸出電流。R Rfbfb：反饋電阻（內已含一個反饋電阻）接線端。：反饋電阻（內已含一個反饋電阻）接線端。DAC0832DAC0832中無運中無運放，且為電流輸出，使用時須外接運放。芯片中已設置了放，且為電流輸出，使用時須外接運放。芯片中已設置了R Rfbfb，只要將此引腳接到運放的輸出端即可。若運放增益不夠，還須只要將此引腳

20、接到運放的輸出端即可。若運放增益不夠，還須外加反饋電阻。外加反饋電阻。ILEILE：輸入鎖存允許信號，高電平有效。：輸入鎖存允許信號，高電平有效。 CSCS：片選信號，低電平有效。：片選信號，低電平有效。 WRWR1 1：輸入數據選通信號，低電平有效。（：輸入數據選通信號，低電平有效。（ 上升沿鎖存）上升沿鎖存）XFERXFER：數據傳送選通信號，低電平有效。：數據傳送選通信號，低電平有效。 WRWR2 2：數據傳送選通信號，低電平有效。（：數據傳送選通信號，低電平有效。（ 上升沿鎖存）上升沿鎖存）8.2 8.2 數模轉換器數模轉換器 任何導線都可以被理解成電阻，因此，盡管連在一起的任何導線都

21、可以被理解成電阻，因此，盡管連在一起的“地地”，其各個位置上的電壓也并非一致的，對于數字電路，其各個位置上的電壓也并非一致的，對于數字電路，由于噪聲容限較高，通常是不需要考慮由于噪聲容限較高，通常是不需要考慮“地地”的形式的，但對的形式的，但對于模擬電路而言，這個不同地方的于模擬電路而言，這個不同地方的“地地”對測量的精度是構成對測量的精度是構成影響的，因此，影響的，因此，通常是把數字電路部分的地和模擬部分的地分通常是把數字電路部分的地和模擬部分的地分開布線開布線，只在板中的一點把它們連接起來。，只在板中的一點把它們連接起來。 DGNDDGND：數字地，是控制電路中各種數字電路的零電位。：數字

22、地，是控制電路中各種數字電路的零電位。 AGNDAGND：模擬地，是放大器、：模擬地，是放大器、A/DA/D和和D/AD/A轉換器中模擬電路的零電位。轉換器中模擬電路的零電位。 U UREFREF：參考電壓輸入。一般此端外接一個精確、穩(wěn)定的電壓：參考電壓輸入。一般此端外接一個精確、穩(wěn)定的電壓基準源?；鶞试?。U UREFREF可在可在-10V-10V至至+10V+10V范圍內選擇。范圍內選擇。U UCCCC：電源輸入端（一般?。弘娫摧斎攵耍ㄒ话闳?5V+5V+15V+15V）。）。 3.DAC08323.DAC0832特性參數特性參數 8.2 8.2 數模轉換器數模轉換器分辨率：分辨率： 8 8

23、位位建立時間：建立時間： 1 1 s s增益溫度系數：增益溫度系數： 20ppm/20ppm/（ppmppm-百萬分之一，百萬分之一，1010-6-6）輸入電平：輸入電平： TTLTTL功耗：功耗： 20mW20mW4.DAC08324.DAC0832工作方式工作方式 當當ILEILE、CSCS和和WRWR1 1同時有效時，輸入數據同時有效時，輸入數據DIDI7 7DIDI0 0進入輸入進入輸入寄存器；并在寄存器；并在WRWR1 1的上升沿實現數據鎖存。當的上升沿實現數據鎖存。當WRWR2 2和和XFERXFER同時有同時有效時，輸入寄存器的數據進入效時，輸入寄存器的數據進入DACDAC寄存器

24、；并在寄存器；并在WRWR2 2的上升沿實的上升沿實現數據鎖存。八位現數據鎖存。八位D/AD/A轉換電路隨時將轉換電路隨時將DACDAC寄存器的數據轉換為寄存器的數據轉換為模擬信號（模擬信號（I IOUT1OUT1+ +I IOUT2OUT2）輸出。）輸出。 DAC0832 DAC0832 的使用有的使用有雙緩沖器型雙緩沖器型、單緩沖器型單緩沖器型和和直通型直通型三種三種工作方式。工作方式。 DAC0832DAC0832的三種工作方式的三種工作方式 8.2 8.2 數模轉換器數模轉換器（b b）單緩沖方式單緩沖方式：適合在不要求多片：適合在不要求多片D/AD/A同時輸出時。此時只需一次寫操同時

25、輸出時。此時只需一次寫操作，就開始轉換，提高了作，就開始轉換，提高了D/AD/A的數據吞吐量。的數據吞吐量。（a a）雙緩沖方式雙緩沖方式：采用二次緩沖方式，可在輸出的同時，采集下一個數：采用二次緩沖方式，可在輸出的同時，采集下一個數據，提高了轉換速度；也可在多個轉換器同時工作時，實現多通道據，提高了轉換速度；也可在多個轉換器同時工作時，實現多通道D/AD/A的的同步轉換輸出。同步轉換輸出。（c c）直通方式直通方式：輸出隨輸入的變化隨時轉換。：輸出隨輸入的變化隨時轉換。 A/D A/D轉換是將模擬信號轉換為數字信號，轉換過程通過轉換是將模擬信號轉換為數字信號，轉換過程通過取樣、保持、量化和編

26、碼取樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。四個步驟完成。 8.3 8.3 模數轉換器模數轉換器一、一、A/DA/D轉換器的基本工作原理轉換器的基本工作原理采樣保持量化編碼VIDO模擬量輸入模擬量輸入數字量輸出數字量輸出 取樣（也稱采樣）是將時間上連續(xù)變化的信號，取樣（也稱采樣）是將時間上連續(xù)變化的信號，轉換為時轉換為時間上離散的信號間上離散的信號，即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉換為一系列，即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。1.1.取樣和保持取樣和保持 8.3 8.3 模數轉換器模數轉換器取樣過程取樣過程 采樣脈沖

27、采樣脈沖 輸輸入入模模擬擬信信號號 采采樣樣輸輸出出信信號號 maxf2fs 模擬信號經采樣后，得到一系列模擬信號經采樣后，得到一系列樣值脈沖樣值脈沖。采樣脈沖寬度。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應暫時保持一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉換。因此，在取樣電路之所取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉換。因此，在取樣電路之后須加后須加保持電路保持電路。8.3 8.3 模數轉換器模數轉換器在采樣脈沖在采樣脈沖S(tS(t) )到來的時間到來的時間內，內，VTVT導通，導通，U UI I( (t t) )向電容向電容C C充電，假充

28、電，假定充電時間常數遠小于定充電時間常數遠小于，則有：則有：U UO O(t(t) )U US S(t(t) )U UI I(t(t) )。采樣采樣采樣結束，采樣結束，VTVT截止，而電容截止，而電容C C上電壓保持充電電壓上電壓保持充電電壓U UI I(t(t) )不變，直到不變，直到下一個采樣脈沖到來為止。下一個采樣脈沖到來為止。保持保持 場效應管場效應管VTVT為為采樣門采樣門，電容，電容C C為為保持電容保持電容，運算放大器為，運算放大器為跟跟隨器隨器，起緩沖，起緩沖隔離隔離作用。作用。取樣保持電路及輸出波形取樣保持電路及輸出波形 輸入的模擬電壓經過取樣保持后，得到的是輸入的模擬電壓經

29、過取樣保持后，得到的是階梯波階梯波。而該階。而該階梯波仍是一個可以連續(xù)取值的模擬量，但梯波仍是一個可以連續(xù)取值的模擬量，但n n位數字量只能表示位數字量只能表示2 2n n個數值。因此，用數字量來表示連續(xù)變化的模擬量時就有一個類個數值。因此，用數字量來表示連續(xù)變化的模擬量時就有一個類似于似于四舍五入的近似問題四舍五入的近似問題。8.3 8.3 模數轉換器模數轉換器2.2.量化和編碼量化和編碼 將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過程稱為程稱為量化量化。指定的離散電平稱為。指定的離散電平稱為量化電平量化電平U Uq q 。用二進制

30、數碼。用二進制數碼來表示各個量化電平的過程稱為來表示各個量化電平的過程稱為編碼編碼。兩個量化電平之間的差值。兩個量化電平之間的差值稱為稱為量化單位量化單位，位數越多，量化等級越細，位數越多，量化等級越細，就越小。取樣保就越小。取樣保持后未量化的持后未量化的U Uo o值與量化電平值與量化電平U Uq q值通常是不相等的，其差值稱為值通常是不相等的，其差值稱為量化誤差量化誤差，即，即= =U Uo o- -U Uq q。量化的方法一般有兩種：量化的方法一般有兩種：只舍不入法只舍不入法和和有舍有入法有舍有入法。8.3 8.3 模數轉換器模數轉換器1)1)只舍不入法只舍不入法 當當U Uo o的尾數

31、的尾數時，時，舍尾取整。舍尾取整。這種方法這種方法總總為正值，為正值，maxmax 。 2)2)有舍有入法有舍有入法 當當U Uo o的尾數的尾數/2/2時，舍時，舍尾取整；當尾取整；當U Uo o的尾數的尾數/2/2時，時，舍尾入整。舍尾入整。這種方法這種方法可正可可正可負，但是負，但是| | maxmax|= |= /2/2。可見，?？梢姡恼`差要小。它的誤差要小。 A/DA/D轉換器有轉換器有直接轉換法直接轉換法和和間接轉換法間接轉換法兩大類。兩大類。 直接法是通過一套基準電壓與取樣保持電壓進行直接法是通過一套基準電壓與取樣保持電壓進行比較比較，從，從而而直接直接將模擬量將模擬量轉換轉

32、換成數字量。其特點是成數字量。其特點是工作速度高工作速度高，轉換精，轉換精度容易保證，調準也比較方便。度容易保證，調準也比較方便。直接直接A/DA/D轉換器有計數型、逐次轉換器有計數型、逐次比較型、并行比較型比較型、并行比較型等。等。 間接法是將取樣后的模擬信號先轉換成間接法是將取樣后的模擬信號先轉換成中間變量中間變量時間時間t t或頻或頻率率f f, , 然后再將然后再將t t或或f f轉換成數字量。其特點是轉換成數字量。其特點是工作速度較低工作速度較低，但，但轉換精度可以做得較高轉換精度可以做得較高，且抗干擾性強。，且抗干擾性強。間接間接A/DA/D轉換器有單次轉換器有單次積分型、雙積分型

33、積分型、雙積分型等。等。8.3 8.3 模數轉換器模數轉換器二、二、A/DA/D轉換器的主要電路形式轉換器的主要電路形式8.3 8.3 模數轉換器模數轉換器 R + C5 + C6 + C4 + C3 + C2 + C1 + C0 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 & & & & & & UREF ui d2 d1 d0 R/2 R R R R R R CP 電電 壓壓 比比 較較 器器 FF7 FF6 FF5 FF4 FF3 FF2 FF1 寄寄 存存 器器 編編 碼碼 器器 15U13REF

34、15U11REF 15U9REF 15U7REF 15U5REF 15U3REF 15U1REF 1. 并行比較型并行比較型A/D轉換器轉換器 量化電平依據有舍有量化電平依據有舍有入劃分為入劃分為7 7個電平。個電平。量化單位為量化單位為 =(2/15)U=(2/15)UREFREF量化誤差為量化誤差為|maxmax|= (1/15)U|= (1/15)UREFREF電壓比較器電壓比較器 U U+ +U U- -時，時，C Ci i1 1； U U+ +U U- -時，時，C Ci i0 0。 8.3 8.3 模數轉換器模數轉換器 并行比較型并行比較型A/DA/D轉換器真值表轉換器真值表1輸入

35、模擬電壓寄存器狀態(tài)數字量輸出（編碼器輸入）（編碼器輸出）QQQQQQQ6543210ddd210uI15()15)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1033557799111113131UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：例如：u uI I4.2V4.2V，U UREFREF6V6V。3.6V3.6V4.4V4.4V則數字量輸出則數字量輸出d d2 2d d1 1

36、d d0 0101101。優(yōu)點：轉換速度很快，故又稱優(yōu)點：轉換速度很快，故又稱高速高速A/DA/D轉換器轉換器。含有寄存器。含有寄存器的的A/DA/D轉換器兼有取樣保持功能，所以它可以轉換器兼有取樣保持功能，所以它可以不用附加取樣保不用附加取樣保持電路持電路。缺點：電路復雜，對于一個缺點：電路復雜，對于一個n n位二進制輸出的并行比較型位二進制輸出的并行比較型A/DA/D轉換器，需轉換器，需n n -1-1個電壓比較器和個電壓比較器和2 2n n -1-1個觸發(fā)器，編碼電路也個觸發(fā)器，編碼電路也隨隨n n的增大變得相當復雜。且轉換精度還受分壓網絡和電壓比的增大變得相當復雜。且轉換精度還受分壓網

37、絡和電壓比較器靈敏度的限制。較器靈敏度的限制。 因此，這種轉換器適用于因此，這種轉換器適用于高速，高速， 精度較低精度較低的場合。的場合。 8.3 8.3 模數轉換器模數轉換器并行比較型并行比較型A/DA/D轉換器的特點：轉換器的特點：2. 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉換器轉換器 8.3 8.3 模數轉換器模數轉換器 取樣保持 n位DAC 控制邏輯 + - + C 時鐘源 Qn-1Qn-2Qn-3 Q2Q1Q0 逐位逼近寄存器 （SAR） 輸出寄存器 轉換控 制信號 模擬輸入 u1 u1 偏移電壓 u0 u0 /2 UREF 比較器 UC CP US dn-1(MSB) dn-2 n位并行 d

38、2 數字輸出 d1 d0 (LSB) 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D轉換器原理圖轉換器原理圖 8.3 8.3 模數轉換器模數轉換器轉換開始前先將逐次逼近寄存器轉換開始前先將逐次逼近寄存器SARSAR清清“0”0”；開始轉換以后，第一個時鐘脈沖首先將寄存器開始轉換以后，第一個時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成最高位置成1 1，使輸出數字為使輸出數字為10001000。這個數碼被。這個數碼被D/AD/A轉換器轉換成相應的模轉換器轉換成相應的模擬電壓擬電壓u uo o，經偏移，經偏移/2/2后得到后得到u uO Ou uO O/2/2，并送到比較器中，并送到比較器中與與u uI I進行比較。進行比較。

39、若若u uI Iu uo o，說明數字過大，故將最高位的，說明數字過大，故將最高位的1 1清清除置零；若除置零；若u uI Iu uo o，說明數字還不夠大，應將這一位保留。，說明數字還不夠大，應將這一位保留。然后，按同樣的方法將次高位置成然后，按同樣的方法將次高位置成1 1，并且經過比較以后確，并且經過比較以后確定這個定這個1 1是保留還是清除。這樣逐位比較下去，一直到最低位是保留還是清除。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，為止。比較完畢后，SARSAR中的狀態(tài)就是所要求的數字量輸出。中的狀態(tài)就是所要求的數字量輸出。逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D轉換器的工作原理：轉換器的工作

40、原理： 8.3 8.3 模數轉換器模數轉換器例：若例：若U UREFREF-4V-4V，n n4 4。當采樣保持電路輸出電壓。當采樣保持電路輸出電壓u uI I=2.49V=2.49V時，試時，試列表說明逐次逼近型列表說明逐次逼近型ADCADC電路的電路的A/DA/D轉換過程。轉換過程。解：量化單位為解：量化單位為V2501642|U|nREF. 偏移電壓為偏移電壓為/2/20.125V0.125V轉換的結果為：轉換的結果為：d3d2d1d01010。 雙積分型雙積分型ADCADC的轉換原理是先將模擬電壓的轉換原理是先將模擬電壓U UI I轉換成與其大轉換成與其大小成正比的時間間隔小成正比的時

41、間間隔T T，再利用基準時鐘脈沖通過計數器將，再利用基準時鐘脈沖通過計數器將T T變變換成數字量。換成數字量。 8.3 8.3 模數轉換器模數轉換器3.3.雙積分型雙積分型A/DA/D轉換器轉換器 這種這種A/DA/D轉換器具有很多轉換器具有很多優(yōu)點優(yōu)點。首先，其轉換結果與時間。首先，其轉換結果與時間常數常數RCRC無關，從而消除了由于斜波電壓非線性帶來的誤差，無關，從而消除了由于斜波電壓非線性帶來的誤差，允許積分電容在一個較寬范圍內變化，而不影響轉換結果。允許積分電容在一個較寬范圍內變化，而不影響轉換結果。其次，由于輸入信號積分的時間較長，且是一個固定值其次，由于輸入信號積分的時間較長，且是

42、一個固定值T T1 1，而而T T2 2正比于輸入信號在正比于輸入信號在T T1 1內的平均值，這對于疊加在輸入信號內的平均值，這對于疊加在輸入信號上的干擾信號有很強的抑制能力。最后，這種上的干擾信號有很強的抑制能力。最后，這種A/DA/D轉換器不必轉換器不必采用高穩(wěn)定度的時鐘源，它只要求時鐘源在一個轉換周期采用高穩(wěn)定度的時鐘源，它只要求時鐘源在一個轉換周期（T T1 1+ +T T2 2）內保持穩(wěn)定即可。這種轉換器被廣泛）內保持穩(wěn)定即可。這種轉換器被廣泛應用于要求精應用于要求精度較高而轉換速度要求不高的儀器中度較高而轉換速度要求不高的儀器中。 mVVV44.2096410101221分辨率分

43、辨率= 1. 1. 分辨率分辨率 分辨率指分辨率指A/DA/D轉換器對輸入模擬信號的分辨能力。從理論轉換器對輸入模擬信號的分辨能力。從理論上講，一個上講，一個n n位二進制數輸出的位二進制數輸出的A/DA/D轉換器應能區(qū)分輸入模擬電轉換器應能區(qū)分輸入模擬電壓的壓的2 2n n個不同量級，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為個不同量級，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為 （滿量程輸入的（滿量程輸入的1/21/2n n）。）。 FSRn218.3 8.3 模數轉換器模數轉換器三、三、A/DA/D轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標例如，例如，A/DA/D轉換器的輸出為轉換器的輸出為1212位二進制數，最

44、大輸入模擬信號位二進制數，最大輸入模擬信號為為10V10V，則其分辨率為，則其分辨率為 2. 2. 轉換時間轉換時間 轉換時間是指轉換時間是指A/DA/D轉換器從接到轉換啟動信號開始，到輸轉換器從接到轉換啟動信號開始，到輸出端獲得穩(wěn)定的數字信號所經過的時間。出端獲得穩(wěn)定的數字信號所經過的時間。 A/DA/D轉換器的轉換速度主要取決于轉換電路的類型，不同轉換器的轉換速度主要取決于轉換電路的類型，不同類型類型A/DA/D轉換器的轉換速度相差很大。轉換器的轉換速度相差很大。雙積分型雙積分型A/DA/D轉換器的轉換速度轉換器的轉換速度最慢最慢，需，需幾百毫秒幾百毫秒左右；左右；逐次逼近式逐次逼近式A/

45、DA/D轉換器的轉換速度轉換器的轉換速度較快較快，需，需幾十微秒幾十微秒；并行比較型并行比較型A/DA/D轉換器的轉換速度轉換器的轉換速度最快最快，僅需，僅需幾十納秒幾十納秒時間。時間。 8.3 8.3 模數轉換器模數轉換器8.3 8.3 模數轉換器模數轉換器3. 3. 轉換誤差轉換誤差 它表示它表示A/DA/D轉換器實際輸出的數字量和理論上輸出的數字量轉換器實際輸出的數字量和理論上輸出的數字量之間的差別。常用之間的差別。常用最低有效位的倍數最低有效位的倍數表示。表示。例如，轉換誤差例如，轉換誤差 。就表明實際輸出的數字量和理。就表明實際輸出的數字量和理論上應得到的輸出數字量之間的誤差小于最低位的半個字。論上應得到的輸出數字量之間的誤差小于最低位的半個字。LSB21例：某信號采集系統(tǒng)要求用一片例：某信號采集系統(tǒng)要求用一片A/DA/D轉換集成芯片在轉換集成芯片在1s1s內對內對1616個熱電個熱電偶的輸出電壓分數進行偶的輸出電壓分數進行A/DA/D轉換。已知熱電偶輸出電壓范圍為轉換。已知熱電偶輸出電壓范圍為0 025mV25mV（對應于（對應于0 0450450溫度范圍），需分辨的溫度為溫度范圍），需分辨的溫度為0.10.1，試問應選擇幾，試問應選擇幾位的位的A/DA/D轉換器？其轉換時間為多少？轉換器？其轉換時間為多少？解：解：4500145010 .分辨率