ch9數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、Analog Digital Converter and Digital Analog Converter9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。9 模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器3、正確、正確理解理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。1、掌握倒、掌握倒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(DAC)、集成、集成D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計算。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、掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理及其特點。的工作原理及其特點。教學(xué)基本要求教學(xué)基本要求A/DA/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D

2、/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)過程控制對象工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象 模模 擬擬 傳感器傳感器 ADC和和DAC已成為計算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。已成為計算機(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。計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計算、濾理（如計算、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控制信號數(shù)字控制數(shù)字控制 計算機(jī)計算機(jī)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.

3、1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式9.1.3 權(quán)電流權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)9.1.6 D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用將數(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1. 1. 概述概述DAC9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器模擬量模擬量1 1、數(shù)、數(shù) / / 模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器: : 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， 對于有權(quán)碼，每位代對于有權(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

4、應(yīng)的模擬量， 然后，將這些模擬量相加，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， 從而實現(xiàn)數(shù)字量從而實現(xiàn)數(shù)字量-模擬量的轉(zhuǎn)換。模擬量的轉(zhuǎn)換。 實現(xiàn)實現(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)。9.1.1 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理 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

5、入 模模擬擬量量 輸輸出出 DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入用存放在數(shù)用存放在數(shù)字寄存器中的字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)字量的各位數(shù)碼數(shù)碼由輸入數(shù)字由輸入數(shù)字量控制量控制產(chǎn)生權(quán)電流產(chǎn)生權(quán)電流將權(quán)電流相將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬成正比的模擬電壓電壓 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

6、量輸輸出出 實現(xiàn)實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路轉(zhuǎn)換的原理電路)(0123OiiiiR fvRDVi33REF8 RDVi224REF R RD D2V2V1REF 1iRDVi0REF0 iiiODVDDDDV2)2222(3000112233 REFREFv，, D/A轉(zhuǎn)換器的分類轉(zhuǎn)換器的分類:按解碼網(wǎng)絡(luò)按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)分類 T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流權(quán)電流DAC 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 按模擬電子開按模擬電子開關(guān)電路分類關(guān)電路分類 CMOS開關(guān)型開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型雙極型開關(guān)型DAC 電流開關(guān)型電流開關(guān)型DAC ECL電流開關(guān)型電流開關(guān)型DA

7、C D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器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 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(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān)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(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)根據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)根

8、據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，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。 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) 求和運算放大器求和運算放大器D/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 R VREF I A B C D A B C D RVIREF I/4I/

9、8I/16RRRRI/2I/4I/8I/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。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1= VREF / 8R I0= VREF /16 R流入運放的總電流：流入運放的總電流： 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) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3

10、2R 2R 2R 2R 2R 8I 16I 4I 2I R R R I +VREF + 8I 16I 4I 2I 4 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在電路中輸入的每一個二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。模擬電壓輸出。 AD7533D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D2

11、 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VREF AD7520 RF 10K 10K 20K 使用使用:1):1)要外接運放，要外接運放， 2)2)運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻 ， 也可采用外接電阻也可采用外接電阻）2.2.集成集成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10位位CMOS電流開關(guān)型電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9iREFfOi100(2 )2iVRDR 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(1)基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；(2) 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和和

12、2R電阻比值的精度要高；電阻比值的精度要高；(3)為實現(xiàn)電流從高位到低位按為實現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開關(guān)的整數(shù)倍遞減，模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。的整數(shù)倍遞增。為進(jìn)一步提高為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR 為提高為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求：轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求： (3) 每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等Di =1時，開關(guān)時，開關(guān)S Si i接運放的反相端接運放的反相端; ; Di

13、= 0時，開關(guān)時，開關(guān)S Si i接地接地。 9.1.3 權(quán)電流權(quán)電流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 + 1. 4位權(quán)電流位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器在恒流源電路中，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。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。)D16ID8ID4ID2I(RRi0123 ffO )2D2D2D2D(R2I001122334 f 30ii42DR2

14、Iif (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 實際的權(quán)電流實際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換器電路REF32O32401110(222)22ffR Vi RDDRDD電壓恒定電壓恒定各各BJT的的 發(fā)射發(fā)射結(jié)電壓相等結(jié)電壓相等基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路 (MSB) D1 D0 (LSB) i Rf O D3 D2 S3 S2 S1 S0 8I 16I 4I 2I VREF + A1 R1 + A2 IBB IEC IEO IE1 IE2 IE3 IREF Tr T3 T2 T1 T0 TC R 2R 2

15、R 2R 2R 2R R R R VEE I = IREF =1RREFV 偏偏 置置 電電 流流 16I + + +- -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)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數(shù)。級數(shù)。n位位DAC最多有最多有2n個模擬輸出電壓。位數(shù)越多個模擬輸出電壓。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121n

16、1、分辨率、分辨率2、轉(zhuǎn)換精度：、轉(zhuǎn)換精度：o 轉(zhuǎn)換精度是指對給定的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換精度是指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實際值與轉(zhuǎn)換器實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)定或運算放大器的零漂等各差，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。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(1) 數(shù)字式可編程增益控制電路數(shù)字式可編程增益控

17、制電路 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 D2 D7 OD0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF O - + R IOUT2I IOUT1 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)RDDDvRvOI109911002/ )2.22(/OVIA)2.22/(299110010DDDIout1out1 I0 0 + I1 1 + I2 2 + I9 9RDDDVREF109911002/ )2

18、.22(1OUTIIR/v 根據(jù)虛斷有根據(jù)虛斷有:REFOV (2) 脈沖波產(chǎn)生電路脈沖波產(chǎn)生電路 vO Q0 Q1 Q2 Q3 CP D0 D1 D2 D3 10V & CR CEP CET PE 1 74LS163 + A Rf IOUT1 IOUT2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 VREF AD7520 19.5 39.1 58.5 78 97.5 117 136.5 156 175.5 vO /mV D 140 100 60 20 0000 t CP 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000

19、 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(jìn)制計數(shù)器：和與非門構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器：000010019.2.6 集成集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用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(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)概述概述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(yīng)的數(shù)字量。能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的

20、數(shù)字量。1. A/D功能功能:9.2 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2. 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(fù)雜。但電路復(fù)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)到一個很好的平衡轉(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,但抗干擾能力最強(qiáng)。但抗干擾能力最強(qiáng)。取取樣樣時間上離散的信號時間上離散的

21、信號保持、量化保持、量化量值上也離散的信號量值上也離散的信號編碼編碼模擬信號模擬信號時間上和量值上都連續(xù)時間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號數(shù)字信號時間上和量值上都離散時間上和量值上都離散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 A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣，取樣， 保持，量化及編碼保持，量化及編碼4個過程個過程。1. 取樣與保持取樣與保持 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(fù)現(xiàn)輸入信

22、號。合理的采樣頻地復(fù)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(shè)采樣信號采樣定理：設(shè)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)的最的最高頻率分量的頻率為高頻率分量的頻率為fimax，則則 fs 2fimaxS(t)=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 I t O t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 (b) 波形圖 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)的量采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時

23、間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。擬信號保持一段時間。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 開關(guān)驅(qū)開關(guān)驅(qū) 動電路動電路 采樣采樣保持保持 控制電路控制電路 O 2. 量化與編碼量化與編碼數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣數(shù)字信號在數(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)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。能

24、是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)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3.編碼編碼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，此誤差我們稱之為量化誤差，用后一定存在誤差，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

25、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。 4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式量化方式LSB1max V8701V86V85V84V83V82V811111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v輸入信號輸入信號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:量化中把不足一個量化單位的部分舍

26、棄；量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。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= 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b )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，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。對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。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：011111101011000110

27、100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v輸入信號輸入信號編碼編碼模擬模擬電平電平V1513V1511V159V157V155V153V1512LSBmax =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9.2.2 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 +

28、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(M SB)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1、電路組成、電路組成 R I VR E F R C P R R

29、 R 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 1D C 1 Q I4 1D C 1 Q I5 1D C 1 Q I6 1D C 1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)優(yōu)先先編編碼碼器器 (L S B )D0 (M S B)0 VI=8VREF/151111000001VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15 vI CO1 CO2 C

30、O3 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 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

31、 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，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。 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。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

32、是與 I輸輸入時刻同時獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時間最短。入時刻同時獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時間最短。 缺點是電路復(fù)雜，如三位缺點是電路復(fù)雜，如三位ADC需需7個比較器、個比較器、7個觸發(fā)器、個觸發(fā)器、8個電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。個電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。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。 所加砝碼所加砝碼重量重量 結(jié)果結(jié)果 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

33、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 。第一次第一次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8 克克第二次第二次再加再加4克克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12 克克第四次第四次再加再加1克克砝碼總重砝碼總重 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克和克和1克。克。設(shè)待秤重量設(shè)待秤重量Wx = 13克。克。1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 I 啟動脈沖啟動脈沖 CP 時鐘時鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路

34、 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第一個第一個CP：1. 1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 第二個第二個CP： I 啟動脈沖啟動脈沖 CP 時鐘時鐘 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 1 0 0 1 1 0 0 7.5V

35、10 I 7.5V I=6.84VVREF=10V1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 第三個第三個CP： I 啟動脈沖啟動脈沖 CP 時鐘時鐘 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=10V 7.50000 6.2500 6.8750 6.5625 6.71875 6.796875 6.835937 0.00 5.0000 10 s CP 啟啟 動

36、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 10000000 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 111000000101000001011000010101000101011001010111010101111四位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯電路如下圖所示。圖中五位移位寄存器可進(jìn)行并入/并出或串入、串出操作，其F為并行置數(shù)端，高電平有效，S為高位串行輸入。數(shù)據(jù)寄存器由D邊沿觸發(fā)器組成，數(shù)字量從Q4Q1輸出試分析電路的工作原理。1 10

37、00 00 00 01 11 1 1 1 02/REFV 1 1 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 移位寄存器移位寄存器 +5V C FF0 FF1 FF2 FF3 FF4 G2 1D C1 1D D1D2D3F為并行置數(shù)端，為并行置數(shù)端，高電平有效高電平有效,F=0 左移左移S為為“1”

38、串行輸入串行輸入D/A轉(zhuǎn)換器輸出轉(zhuǎn)換器輸出電壓電壓O VREF/2, 送入比較送入比較器器C與與 I比較；比較；若若 I I I O則比則比較器較器C 輸出輸出 c為為1，否則為，否則為0。比。比較結(jié)果（較結(jié)果（1或或0）送至數(shù)據(jù)寄存器送至數(shù)據(jù)寄存器的的 D3D0。 9.2.39.2.3 逐次比較型逐次比較型A/DA/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 R S C1 1D R S C1 R 啟動脈沖啟動脈沖 1 & CP +5V

39、 +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 1 1D30 01 1 1 0 14/REFV 1 1D1D2D30 00 04/3REFV 9.2.39.2.3 逐次比較型逐次比較型A/DA/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 R S C1 1D R S C1 R 啟動脈沖啟動脈沖 1 & CP +

40、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 1 1D20 01 1 0 1 1REFV8/7 1 1D1D2D30 0REFV8/3 D3REFV8/5 REFV8/1 9.2.39.2.3 逐次比較型逐次比較型A/DA/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 R S C1 1D R S C1 R 啟動脈

41、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 1 1D20 01 0 1 1 1REFV15/15 1 1D1D2D3REFV15/13 D3REFV15/11 REFV15/9 D1REFV15/7 REFV15/5 REFV15/3 REFV15/1 9.2.39.2.3 逐次比較型逐次比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器小結(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

42、；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)換所需時間與其位數(shù)時間與其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短少，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短； 9.2.4 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 對輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，對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間間隔，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進(jìn)而然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測

43、出此時間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱轉(zhuǎn)換器也稱為電壓時間數(shù)字式積分器為電壓時間數(shù)字式積分器 。 + + + 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 級計數(shù)器級計數(shù)器 定定時時信信號號 (MSB) (LSB) Tc 1、電路組成、電路組成 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1

44、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 級計數(shù)器級計數(shù)器 定定時時信信號號 (MSB) (LSB) Tc 0 00 00 00 00 0Cr信號將計數(shù)器清零；開關(guān)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，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。2、工作原理、工作原理準(zhǔn)備階段：準(zhǔn)備階段： tdt0IO1 經(jīng)過經(jīng)過2n個個CP11TVI (2) 第一次積分：第一次積分：t = t0時

45、，開關(guān)時，開關(guān)S1與與A端相接，積分器開始對端相接，積分器開始對 I積分。積分。經(jīng)經(jīng)2n個個CP后后,開關(guān)切換到開關(guān)切換到B， ，=VP。第一積分時間為第一積分時間為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 級計數(shù)器級計數(shù)器 定定時時信信號號 VREF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)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時積分器輸出

46、電壓時積分器輸出電壓 O0，比較器輸出，比較器輸出 C=0，時鐘脈沖控制，時鐘脈沖控制門門G被關(guān)閉，計數(shù)停止。被關(guān)閉，計數(shù)停止。(3) (3) 第二次積分：第二次積分： + + + 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 級計數(shù)器級計數(shù)器 定定時時信信號號 S1 Qn 0 0 O 0 C 0 C 0 T1 T2 t1 t2 + I VREF T1 T2 P t t t t t T1=2nT

47、C1112nCPTTVVV OI01tdt 21O2pREF1( )()0tttVVdtnREF2CI2VTTVnC2IREF2 TTVV T2= Tc n2IcREF2TVTVT2=t1 t2 在計數(shù)器所計的數(shù)在計數(shù)器所計的數(shù) =Qn-1Q1Q0， 就是就是A/D轉(zhuǎn)換器得到的結(jié)果。轉(zhuǎn)換器得到的結(jié)果。9.2.4 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器nC2IREF2 TTVV優(yōu)點：優(yōu)點：1.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)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無關(guān)，從而消除了積分非線 性帶來的誤差。性帶來的誤差。2.由于雙積分由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換器在T1時間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，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。因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力。 T1=2nTC3. 只要求時鐘源在一個轉(zhuǎn)換周期時間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。只要求時鐘源在一