數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)：第十一章 數(shù)－模和模－數(shù)轉(zhuǎn)換

1、第十一章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)容提要: 本章主要介紹數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A)和模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D)的基本原理和常見的典型電路。 在數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中，主要介紹權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器、倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，另外也介紹了權(quán)電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換器、開關(guān)樹型數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及權(quán)電容型網(wǎng)絡(luò)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，首先介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換器一般框圖原理和步驟，然后介紹采樣保持電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要類型。 在介紹數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路的基礎(chǔ)上，也講述它們的轉(zhuǎn)換精度和速度等主要參數(shù)。11.1 概述 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，被控量一般為非電量，如溫度、壓力、位移等，首先由傳感器將它們轉(zhuǎn)化成連續(xù)變化的模擬量，再由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成

2、數(shù)字量，送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和計(jì)算。處理后要經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，加到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以調(diào)節(jié)被控對象的大小。一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的框圖如圖11.1.1所示。1.用途：11.1 概述圖11.1.2為一個(gè)溫度控制系統(tǒng)：傳感器放大器A/D轉(zhuǎn)換微型計(jì)算機(jī)控制對象D/A轉(zhuǎn)換電加熱爐熱電偶執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖11.1.2溫度時(shí)間2、主要性能指標(biāo) 為了保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器必須有足夠的轉(zhuǎn)換精度，另外對于過程控制和檢測需求， A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器必須有足夠的轉(zhuǎn)換速度。故轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)。11.1 概述3、概念及分類（1）

3、 D/A轉(zhuǎn)換器： 目前常用的D/A轉(zhuǎn)換器有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電容型D/A轉(zhuǎn)換器以及開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器等幾種類型。 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的過程稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換（Digital to Analog），實(shí)現(xiàn)的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器，簡寫成DAC（DigitalAnalog Converter）。2.A/D轉(zhuǎn)換器： A/D轉(zhuǎn)換器的類型可分成直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器。在直接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬電壓信號(hào)直接被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；而在間接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬信號(hào)首先被轉(zhuǎn)換成某種中間變量（如時(shí)間、頻率等），然后再將這個(gè)中間量轉(zhuǎn)

4、換成輸出的數(shù)字量。11.1 概述 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過程稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital），實(shí)現(xiàn)的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡寫為ADC（AnalogDigital Converter）。注：根據(jù)數(shù)字量的輸入輸出方式可以將D/A轉(zhuǎn)換器分成并行輸入和串行輸入兩種類型，將A/D轉(zhuǎn)換器分成并行輸出和串行輸出兩種類型。由于D/A轉(zhuǎn)換器電路的工作原理較A/D轉(zhuǎn)換器簡單，且是A/D轉(zhuǎn)換器電路的組成部分，故先介紹D/A轉(zhuǎn)換器。第11章 DAC和ADC本章重點(diǎn)：1、種類和特點(diǎn)（性能比較）2、結(jié)構(gòu)(一般了解)，A/D 采樣定理3、性能：速度、精度（包括誤差）及有 關(guān)計(jì)算4、DAC輸入輸出關(guān)

5、系式推導(dǎo)DACADC權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)T形、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電流型其它直接間接并聯(lián)比較型反饋比較型記數(shù)型逐次漸近型V-T變換型V-F變換型單積分雙積分四積分11.2 D/A轉(zhuǎn)換器 數(shù)字量是用代碼按位數(shù)組合起來表示的，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每一位的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后相加，即可得與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬的轉(zhuǎn)換。D111101D/AA(電壓 或 電流) ？D/A轉(zhuǎn)換器的目的為：圖11.2.1為n 位D/A轉(zhuǎn)換器的原理框圖11.2 D/A轉(zhuǎn)換器 D/A轉(zhuǎn)換器是由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關(guān)電路、解碼電路、求和電路及基準(zhǔn)電壓及部分組

6、成。 數(shù)字量是以串行或并行方式輸入并存儲(chǔ)在數(shù)碼寄存器中，寄存器輸出的每位數(shù)碼驅(qū)動(dòng)對應(yīng)數(shù)位上的電子開關(guān)將電阻解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位權(quán)值送入求和電路中，求和電路將各位權(quán)值相加就得到與數(shù)字量相應(yīng)的模擬量。*按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同把D/A分為：如權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型、倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)型、權(quán)電流型、權(quán)電容型以及開關(guān)樹型。*按模擬開關(guān)電路的不同把D/A分為：CMOS開關(guān)型和雙極型開關(guān)型，其中雙極型開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器又分為電流開關(guān)型和ECL電流開關(guān)型。其中CMOS型功耗低，但速度慢。雙極型的轉(zhuǎn)換速度快。11.2 D/A轉(zhuǎn)換器D/A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

7、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 ECL電流開關(guān)型DAC D/A 轉(zhuǎn)換器11.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器一個(gè)多位二進(jìn)制數(shù)可表示為其中：2n-1、2n221、20稱為最高位（Most Significant Bit，簡稱MSB）到最低位（Least Significant Bit，簡稱LSB）的權(quán)。圖11.2.2 圖11.2.2是4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖，它是由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、4個(gè)電子模擬開關(guān)和1個(gè)求和放大器組成。11.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.組成：11.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（1）S3S0:為電子開關(guān)，其狀

8、態(tài)受輸入數(shù)碼d3d0的取值控制。當(dāng)di1時(shí)開關(guān)接到參考電壓VREF上，有支路電流Ii流向求和放大器；當(dāng)di0時(shí)開關(guān)接地，支路電流Ii為零。（2）求和放大器A：為一個(gè)接成負(fù)反饋的理想運(yùn)算放大器。即：AV，iI0，Ro0。由于負(fù)反饋，存在虛短和虛斷，即VV0， iI0。（3）VREF：基準(zhǔn)電壓11.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器補(bǔ)充求和運(yùn)放： 運(yùn)放工作在線性放大狀態(tài)且深度負(fù)反饋時(shí)：“虛短”：U+=U-； “虛斷”：I+=I-=0 故 U-=0-虛地端2.輸出電壓的計(jì)算：由于V V0，故各電流為輸出電壓為11.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器取RFR / 2，則輸出電壓為11.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A

9、轉(zhuǎn)換器上式標(biāo)明，輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量Dn成正比。注：1.若VREF取正值，則輸出電壓為負(fù)值。若想輸出電壓為正值，可以將VREF取負(fù)值。11.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器2. 此電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，所用的電阻元件少。缺點(diǎn)是各個(gè)電阻的阻值相差較大，輸入數(shù)字量的位數(shù)越多，差別就越大，故很難保證電阻的精確度。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在輸入數(shù)字量較多時(shí)可采用圖11.2.3所示的電路。11.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器其輸出電壓為11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 為了克服權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電阻阻值相差太大的缺點(diǎn)，改進(jìn)電路為倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，如圖11.2.4所示。圖11.2

10、.411.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)“虛短”“虛地”，有VV，無論開關(guān)打在哪一面，流過每個(gè)支路的電流始終不變。故可等效成圖11.2.5所示電路。RRRR圖11.2.5總的電流為RRRR圖11.2.511.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器由于故輸出電壓為11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 對于n位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，在求和放大器的反饋電阻為R時(shí)，其輸出的模擬電壓為上式說明輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量成正比，其其輸出公式與權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器相同。11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖11.2.6為采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的單片集成D/A轉(zhuǎn)換器CB7520(AD7

11、520)的電路。11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖11.2.6其輸入為10位二進(jìn)制數(shù)，采用CMOS電路構(gòu)成的模擬開關(guān)。輸出電壓為11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖11.2.6注：在使用CB7520時(shí)需要外接運(yùn)算放大器，反饋電阻可以采用內(nèi)部的電阻R，也可以外接反饋電阻接到Iout1和vo之間。外接參考電壓VREF必須有足夠的精度，才能確保應(yīng)有的轉(zhuǎn)換精度。圖11.2.611.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器CB7520(AD7520)的應(yīng)用：CB7520(AD7520)可用作單極性電壓輸出，其連接電路如圖11.2.7所示。11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器其中反相輸入的電壓

12、輸出為11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器同相輸入的電壓輸出為：11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器對應(yīng)的輸出輸入的關(guān)系如表11-1所示（反相）11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器注：在圖11.2.7電路中，RW1可調(diào)節(jié)反饋電阻的阻值，使得運(yùn)算放大器的放大比例系數(shù)增加，從而達(dá)到提高滿量程輸出電壓的目的；11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器*RW2起到減小滿量程的目的，因?yàn)樗呛蛢?nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電阻串聯(lián)，從而改變電流I；11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器*RW3是運(yùn)算放大器的調(diào)零電阻。11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器*在實(shí)際應(yīng)用中，D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量可能是正

13、數(shù)，也可能是負(fù)數(shù)，這就要求D/A轉(zhuǎn)換器能將不同極性的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成正、負(fù)極性的模擬電壓，工作在雙極性方式，這個(gè)內(nèi)容在下面介紹11.2.3 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器 在前面介紹的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，都沒有考慮開關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降，而是當(dāng)成理想開關(guān)處理，這無疑會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤差，影響轉(zhuǎn)換精度。 解決這個(gè)問題采用的一種方法是利用一組恒流源構(gòu)成“權(quán)”，其原理電路如圖11.2.8所示。由于采用恒流源，每個(gè)支路電流的大小不再受開關(guān)內(nèi)阻合壓降的影響，故而降低了對開關(guān)電路的要求。圖11.2.9是常采用的恒流源電路。其電流為：11.2.3 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器當(dāng)輸入的數(shù)字量為1時(shí)，相

14、應(yīng)的開關(guān)將恒流源接到運(yùn)算放大器的輸入端；當(dāng)輸入的數(shù)字量為0時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)將恒流源接地由圖11.2.8可得11.2.3 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器圖11.2.10為權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器的原理電路此電路中利用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)，目的是為了減少電阻的種類。11.2.3 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器11.2.3 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器其中： (1)各個(gè)管子的基極接到一起，若各管的VBE相同，則各發(fā)射極處于相同的電位，各支路電流的計(jì)算和倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)一樣，即流過每個(gè)電阻的電流依次減少1/2。為了保證發(fā)射結(jié)壓降相等，發(fā)射極電流較大的管子增加了發(fā)射結(jié)的面積。(2) 恒流源IBO用來給各管提供必須的偏置電流11.2.3 權(quán)電流型

15、D/A轉(zhuǎn)換器(3)運(yùn)算放大器A1、三極管TR、電阻RR、R構(gòu)成基準(zhǔn)電流發(fā)生電路。其基準(zhǔn)電流為則輸出電壓為11.2.3 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器采用權(quán)電流型單片集成D/A轉(zhuǎn)換器有DAC0806、DAC0807、DAC0808等，它們都采用雙極型三極管，工作速度較高。*DAC0808為8位D/A轉(zhuǎn)換器，其典型應(yīng)用電路如圖11.2.11所示。11.2.3 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器其中d0d8為8位數(shù)字量輸入端，Io是求和電流輸出端。11.2.3 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器VR、 VR接基準(zhǔn)電流發(fā)生電路中運(yùn)算放大器的反相輸入端和同相輸入端。COMP供外接補(bǔ)償電容的，VCC和VEE為正負(fù)電源輸入端。*11.2.5 權(quán)

16、電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（自學(xué)）*11.2.4 開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器（自學(xué)）11.2.6 具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器 由于D/A轉(zhuǎn)換器中數(shù)字量有正負(fù)之分，此時(shí)要求輸出電壓也應(yīng)有正負(fù)，這就要求D/A轉(zhuǎn)換器工作于雙極性方式。 由于二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算中通常都把帶符號(hào)的數(shù)值用補(bǔ)碼的形式表示，故希望D/A轉(zhuǎn)換器能夠把以補(bǔ)碼形式輸入的正、負(fù)數(shù)分別轉(zhuǎn)換成正負(fù)極性輸出的模擬電壓。為了簡單起見，下面以3位補(bǔ)碼的情況為例，說明如何實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器的雙極性工作方式。 表11-2是3位二進(jìn)制數(shù)從3V到4V的補(bǔ)碼表示形式及希望得到的模擬電壓輸出。輸入為3位二進(jìn)制補(bǔ)碼。最高位為符號(hào)位，正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為111.2.6 具有雙極性

17、輸出的D/A轉(zhuǎn)換器 此表數(shù)值若用普通的3位倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，其電路如圖11.2.12所示。其輸出電壓為11.2.6 具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器則對應(yīng)表112的數(shù)字量輸出為對照表11-2，若把上表的正常輸出電壓偏移4V,則可得到表11-2的正負(fù)電壓輸出。11.2.6 具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器 為了得到表11-3中在輸入代碼為100時(shí)，輸出電壓為0V，此時(shí)電路如圖11.2.13所示11.2.6 具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器圖11.2.13則應(yīng)在d2 d1 d0100時(shí) ，其 另外對照表11-2和11-3可知兩個(gè)最高位（符號(hào)位）為取反的形式，故將最高位取反后加到普通D/A轉(zhuǎn)換器

18、上即可得到雙極型輸出，如圖11.2.13所示。11.2.6 具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器圖11.2.13如CB7520接成雙極性輸出的電路如圖11.2.15所示。11.2.6 具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器一般地構(gòu)成雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器的方法：只要在求和放大器的輸入端接入一個(gè)偏移電流，使輸入最高位為1,而其他各位輸入為0時(shí)的輸出vo=0。同時(shí)將輸入的符號(hào)位（最高位）反相后接到一般的D/A轉(zhuǎn)換器地輸入，就得到了雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器。11.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度一 、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度 在D/A轉(zhuǎn)換器中，通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。 分辨率用于表示D/A轉(zhuǎn)換器

19、對輸入微小量變化敏感程度的，定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能分成的等級(jí)數(shù)，從0000到1111全部2n個(gè)不同的狀態(tài)，給出2n個(gè)不同的輸出電壓，位數(shù)越多，等級(jí)越多，意味著分辨率越高。所以在實(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。1. 分辨率：（理論精度）另外也用D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨出的最小電壓與最大電壓之比表示分辨率，即精度速度分辨率轉(zhuǎn)換誤差參考電壓的波動(dòng)性能造成誤差的原因用輸入二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)給出用能夠分辨的最小電壓（LSB）表示用能夠分辨的最小電壓與最大電壓之比表示用最低有效位（LSB）的倍數(shù)表示：如1/2LSB用滿刻度電壓（FSR）的百分比來表示運(yùn)放的零點(diǎn)漂移模擬開關(guān)

20、的導(dǎo)通內(nèi)阻和壓降電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值偏差線形誤差非線形誤差如10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為11.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度2.轉(zhuǎn)換誤差（實(shí)際精度） 由于D/A轉(zhuǎn)換器的各個(gè)環(huán)節(jié)在參數(shù)及性能上和理論值存在著差異，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定、運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移、模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降、電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值的偏差以及三極管特性不一致等等因素，都會(huì)使得實(shí)際精度與轉(zhuǎn)換誤差有關(guān)系。轉(zhuǎn)換誤差是表示由各種因素引起誤差的一個(gè)綜合性的指標(biāo)，它表示實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換器特性和理論轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差，如圖11.2.16所示圖11.2.16*轉(zhuǎn)換誤差一般用最低有效位的倍數(shù)表示，如1LSB，即為輸出的模擬電壓和理論

21、值之間的絕對誤差小于等于輸入為0001時(shí)的輸出電壓。有時(shí)也用絕對誤差與輸出電壓滿刻度的百分?jǐn)?shù)來表示11.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度3、轉(zhuǎn)換誤差分析 轉(zhuǎn)換誤差包括比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等。由不同因素引起的轉(zhuǎn)換誤差各有不同的特點(diǎn)。下面以4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器來介紹各種因素引起誤差的情況。a. 比例系數(shù)誤差： 當(dāng)基準(zhǔn)電壓VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值VREF時(shí)，會(huì)在輸出端產(chǎn)生誤差電壓v01 。 由VREF引起的轉(zhuǎn)換誤差，叫做比例系數(shù)誤差。11.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度由于4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為則由VREF產(chǎn)生的誤差為上式標(biāo)明，由VREF引起的

22、誤差和輸入數(shù)字量的大小成正比的，故稱為比例系數(shù)誤差。圖11.2.17中的虛線為在一定的VREF時(shí)， vo偏離理論值的情況。圖11.2.17b. 失調(diào)誤差（漂移誤差或平移誤差）11.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度 由于運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移所造成的誤差，其誤差電壓vo 2的大小與輸入的數(shù)字量無關(guān)，輸出電壓特性曲線將發(fā)生平移。如圖11.2.18所示。圖11.2.18 由于模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降都不能為零，故而它們的存在肯定會(huì)引起輸出產(chǎn)生誤差電壓 vo3 。由于每個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通電阻不一定相等，接地時(shí)和接VREF的壓降也不一定相同，故 vo3即非常數(shù)，也不和輸入數(shù)字量成正比,這種誤差就是非

23、線性誤差，它沒有一定的規(guī)律。還有電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻阻值得偏差，也會(huì)產(chǎn)生非線性誤差vo4 。如圖11.2.19所示c. 非線性誤差11.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度圖11.2.19故為了獲得高精度的D/A轉(zhuǎn)換器，不僅要有高的分辨率，還要選用高穩(wěn)定度的參考電壓VREF和低漂移地運(yùn)算放大器與之配合，才可能獲得較高的轉(zhuǎn)換精度。11.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度注：目前常用的有兩類D/A轉(zhuǎn)換器：一類只包含電阻網(wǎng)絡(luò)（或恒流源電路）和模擬開關(guān)；另一類除此之外還包含運(yùn)算放大器及參考電源發(fā)生電路。對于第一類必須外接參考電壓和運(yùn)算放大器，應(yīng)該注意合理確定參考電壓源穩(wěn)定度和運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移的

24、要求。二 、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(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)的輸出電壓，它需要一段建立時(shí)間。通常用建立時(shí)間tset來定量描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。注意：建立時(shí)間 tset：從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，直到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差1LSB/2范圍以內(nèi)所用的時(shí)間。如圖11.2.20所示。11.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度由于數(shù)字量的變化越大，建立的時(shí)間就越長，故一般產(chǎn)品給出的是輸入從全0跳變到全1(或反之）時(shí)的建立時(shí)間。目前在不包含運(yùn)算放大器的D/A轉(zhuǎn)換器中， tset最小為0.1s以內(nèi)；在包含運(yùn)算放大器的集成D/A轉(zhuǎn)換器中， tset最

25、小為1.5 s以內(nèi)。*在外加運(yùn)算放大器的D/A轉(zhuǎn)換器中，由于運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速度會(huì)影響D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，故應(yīng)選用轉(zhuǎn)換速率高的運(yùn)算放大器，以縮短運(yùn)算放大器的建立時(shí)間。11.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度例11.2.1 在10位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器CB7520中，外接參考電壓VREF10V，為保證VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起的誤差小于（1/2）LSB，試計(jì)算VREF的相對穩(wěn)定度應(yīng)取多少？解： a. 計(jì)算1 LSB /2所對應(yīng)的輸出電壓：當(dāng)LSB1,其余為0時(shí)，輸出電壓為故（1/2）LSB的輸出電壓絕對值為11.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度n 位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓

26、為最低位對于CB7520b. 計(jì)算由于VREF的變化 VREF所引起的輸出電壓的變化vo在n 位D/A轉(zhuǎn)換器中， VREF引起的輸出電壓的變化為：則當(dāng)輸入的數(shù)字量全為1時(shí)，誤差最大，但應(yīng)小于等于1LSB /2，故11.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度對于CB7520則有則參考電壓的相對穩(wěn)定度為而允許參考電壓的變化量僅為注：上面計(jì)算為輸入、輸出處于穩(wěn)態(tài)下得出的，輸入靜態(tài)誤差。在動(dòng)態(tài)時(shí)，還有附加的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。11.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度例 11.2.2 某一測量儀器中有一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，若要求該D/A轉(zhuǎn)換器的精度小于0.05%，試問應(yīng)選多少位的D/A轉(zhuǎn)換器？解：若要求D

27、/A轉(zhuǎn)換器的精度小于0.05%，也是要求D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出值和理論值之間的誤差（絕對誤差），一般應(yīng)低于 1LSB /2，即兩邊同除輸入為全為1時(shí)的最大電壓得：11.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度即由于10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率也可表示為故由于10位D/A轉(zhuǎn)換器分辨率為11.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度故應(yīng)取十位或十位以上的D/A轉(zhuǎn)換器。由于輸入的模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的，輸出的數(shù)字信號(hào)在時(shí)間和幅值都是是離散的，因此轉(zhuǎn)換時(shí)一般要經(jīng)過取樣、保持、量化和編碼 四個(gè)過程。實(shí)際中有時(shí)取樣和保持、量化和編碼會(huì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)。11.3 A/D轉(zhuǎn)換器11.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理D11

28、1101A/DA(電壓 或 電流)？A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 所以A/D轉(zhuǎn)換過程是首先對輸入模擬電壓信號(hào)進(jìn)行取樣，然后保持并將取樣電壓量化為數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。一 取樣定理 取樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散的模擬量。 為了使得取樣信號(hào)能逼近輸入模擬信號(hào)，則取樣信號(hào)應(yīng)該有足夠高的頻率。為了保證取樣信號(hào)將被取樣信號(hào)恢復(fù)，其頻率關(guān)系必須滿足取樣定理。圖11.3.1為對某個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的波形。其中vs為取樣信號(hào)，vI 表示輸入的模擬信號(hào)。11.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理圖11.3.1取樣定理為：一般取注：在取樣電路每次取得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)都需要

29、一定的時(shí)間,而且為了給后續(xù)的量化編碼提供一個(gè)穩(wěn)定值，則每次取得的模擬信號(hào)必須通過保持電路保持一段時(shí)間。一般取樣和保持過程往往是通過取樣保持電路同時(shí)完成的。11.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理 若fs為取樣信號(hào)的頻率， fi（max）為輸入模擬信號(hào)的最高頻率分量的頻率，則它們必須滿足量化:為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，必須將采樣保持電路的輸出電量，按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)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。任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。數(shù)字量最小單位所對應(yīng)的最小量值叫做量化單位。將采樣保持電路的輸出電壓歸化為量化單位的整數(shù)倍。二 、

30、量化和編碼11.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理編碼: 用二進(jìn)制代碼來表示各個(gè)量化電平的過程，叫做編碼。一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)只能表示2n個(gè)量化電平，量化過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為量化誤差。 量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。量化級(jí)分得越多（n越大），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式。 二 、量化和編碼11.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理1.量化 數(shù)字量不僅時(shí)間上是離散的，而且數(shù)值上也是離散的，所以任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。將采樣電壓表示為最小數(shù)量單位（）的整數(shù)倍，稱為量化。所取得最小數(shù)量單位叫做量化單位，用表示，它是數(shù)字信

31、號(hào)最低位（LSB）為1,其它位為0時(shí)所對應(yīng)的模擬量，即1LSB。如圖11.3.2所示 將量化的結(jié)果用代碼（可以是二進(jìn)制，也可以是其他進(jìn)制）表示出來，這個(gè)過程稱為編碼，這些代碼也是A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量。3. 量化誤差： 由于模擬電壓是連續(xù)的，那么不可能所有的電壓都能被量化單位整除，所以量化過程不可避免地會(huì)引入誤差，這種誤差就叫做量化誤差。量化誤差屬于原理性誤差，無法消除。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值就越小，量化誤差也越小。2.編碼：11.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理4.量化方式：a. 只舍不入量化方式以3位A/D轉(zhuǎn)換器為例 設(shè)輸入電壓vI為01V，取量化單位1/8 V，量化中

32、把不足量化單位部分舍棄，如01/8 V都當(dāng)成0V處理，用000表示；在1/82/8V都當(dāng)成1 處理，即當(dāng)成1/8V處理，用001表示，依此類推，如圖11.3.2（a）所示，其最大量化誤差為 。11.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理注：由于后者的量化誤差比前者小，所以大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器采用四舍五入的量化方式。 取量化單位為 2/15 V，量化中將不足半個(gè)量化單位部分舍去，對于等于或大于半個(gè)量化單位的部分按一個(gè)量化單位處理。如01/15 V 當(dāng)0V處理，用000表示；在1/153/15 V當(dāng)成1 處理，即2/15 V，用001表示，依此類推，如圖11.3.2(b）所示，其最大量化誤差為1/2 。b.

33、四舍五入量化方式11.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理當(dāng)輸入的模擬電壓為正負(fù)范圍內(nèi)變化時(shí)，一般采用二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式編碼。11.3.2 取樣保持電路取樣保持電路的原理圖及輸出波形如圖11.3.3所示1.原理電路：圖11.3.3 該電路是由放大器A、保持電容CH和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路組成。其中vI為輸入的模擬電壓， vL為取樣控制信號(hào),T為N溝道增強(qiáng)型MOS管，做為模擬開關(guān)，2.工作原理：11.3.2 取樣保持電路圖11.3.3a.當(dāng)取樣控制電壓vL為高電平時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，輸入電壓vI通過R1和T給電容CH充電。若取R1 RF，并設(shè)運(yùn)放為理想的，則vo vc vIb.當(dāng)取樣電壓vL為低電平時(shí)，NMOS管截

34、止，CH上的電壓在這段時(shí)間內(nèi)基本不變，則輸出電壓也不變，取樣結(jié)果被保存下來，即vo vc vI。 CH漏電越小，運(yùn)放的輸入阻抗越高，則保持的時(shí)間也越長。注：圖11.3.4的電路由于充電時(shí)通過R1和T，它們將影響取樣速度。而若減小R1則會(huì)降低電路的輸入電阻。采取得措施是在電路的輸入端增加一級(jí)隔離放大器。3. 單片集成取樣保持電路LF398圖11.3.311.3.2 取樣保持電路 圖11.3.5 （a）是LF398的電路結(jié)構(gòu)圖，圖11.3.5 （b）是其典型接法。圖11.3.5A1、 A2是兩個(gè)運(yùn)算放大器，S是模擬開關(guān)，L是控制開關(guān)S的邏輯單元，vL和VREF是邏輯單元的兩個(gè)輸入電壓信號(hào)。圖11.

35、3.511.3.2 取樣保持電路當(dāng) vL VREFVTH時(shí)，S接通；當(dāng)vL 0，則vI vo ，比較器的輸出電壓vB1；圖11.3.8b.當(dāng)vL為高電平時(shí)，開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，脈沖源發(fā)出的脈沖經(jīng)過門G加到計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖輸入端CLK，計(jì)數(shù)器開始加法計(jì)數(shù)。隨著計(jì)數(shù)的進(jìn)行，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓不斷增加。 圖11.3.811.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器c.當(dāng)增加到vIvo時(shí)，比較器輸出vB變成低電平，并將門G封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，此時(shí)計(jì)數(shù)器的狀態(tài)就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。圖11.3.811.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器注： a.由于轉(zhuǎn)換過程中計(jì)數(shù)器的數(shù)字不斷變化，所

36、以不能將計(jì)數(shù)器的狀態(tài)做為輸出的數(shù)字信號(hào)，而是在輸出端設(shè)置可輸出寄存器，并在vL的下降沿的控制下，寄存器的狀態(tài)為最終的輸出數(shù)字信號(hào)。圖11.3.8b. 此方案的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間長。當(dāng)輸出為n位二進(jìn)制數(shù)碼時(shí)，最長的轉(zhuǎn)換時(shí)間是2n1倍的時(shí)鐘脈沖信號(hào)周期。由于此電路結(jié)構(gòu)簡單，常用在對轉(zhuǎn)換速度要求不高的場合。11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.82.逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器 為了提高轉(zhuǎn)換速度，在計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器。雖然也是反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器，但D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量的給出方式不同。11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理：逐次漸近就如稱重物，如13g的重物，

37、有砝碼8g、4g、2g、1g。比較過程如表11.3.1所示11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.9逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理框圖如圖11.3.9所示。組成:比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、時(shí)鐘脈沖源和控制邏輯等。工作原理：a.逐次漸近寄存器清零；b. 先設(shè)寄存器狀態(tài)為最高位為1,其他位為0（如4位A/D轉(zhuǎn)換器為1000），經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器后，送到比較器比較。若vo vI ，則去掉這個(gè)1;若vo vI ，則保留這個(gè)1.然后再將次高位設(shè)置成1,再進(jìn)行比較，逐位比較下去，直到最低位為止。這是寄存器所存的數(shù)碼即為輸出的數(shù)字量。圖11.3.911.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：電路

38、不太復(fù)雜，速度較快其組成為：*由FF1FF5構(gòu)成順序脈沖發(fā)生器，其波形如圖11.3.11所示。圖11.3.10為3位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路原理圖。11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.10*由FFAFFC構(gòu)成3位數(shù)碼寄存器，其輸出為三位二進(jìn)制數(shù)d2d1d0.11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.10*G1G9組成控制邏輯電路。*運(yùn)算放大器構(gòu)成比較器，用它比較輸入電壓 vI和vo的大小 。若vI vo ，則vB為低電平，其比較器輸出端接到三個(gè)控制與門的輸入端圖11.3.1011.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器若設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器的參看電壓VREF8V，輸入的模擬電壓為vI5

39、.86V,則轉(zhuǎn)換過程如下：圖11.3.1011.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器(1) 開始前將FFA FFB置零，同時(shí)將環(huán)形計(jì)數(shù)器FF1FF5置成Q1Q5= 10000。10000(2) 當(dāng)vL為高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換開始。當(dāng)?shù)?個(gè)脈沖到達(dá)后，此時(shí)QAQBQC100 ，若D/A轉(zhuǎn)換器為T形電阻網(wǎng)絡(luò)型，則，輸出電壓（不包含求和放大器）為11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.10100第1個(gè)CP1000011.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.10由于vo vI,則比較器輸出為0,同時(shí)Q1Q5= 01000。(3) 當(dāng)?shù)?個(gè)脈沖上升沿來時(shí)， QAQBQC110 。此時(shí)10110000第2

40、個(gè)CP故比較器輸出為1,同時(shí)Q1Q5= 00100圖11.3.1011.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器(4) 當(dāng)?shù)?個(gè)脈沖上升沿來時(shí)， QAQBQC101 。此時(shí)01100001第3個(gè)CP故比較器輸出為0,同時(shí)Q1Q5= 00010(5) 當(dāng)?shù)?個(gè)脈沖上升沿來時(shí)， QAQBQC101 。此時(shí)Q1Q5= 00001,若取數(shù)據(jù)則可并行輸出。11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.1000010011第4個(gè)CP1012004/12/25(6) 第5個(gè)脈沖來后， Q1Q5= 10000 ，返回初態(tài)，同時(shí)門G6G8被封鎖，轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)消失。圖11.3.1011.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器00

41、100101第5個(gè)CP注：a. 為了減小量化誤差，使D/A轉(zhuǎn)換器輸出產(chǎn)生/2的偏移量；b. 轉(zhuǎn)換時(shí)間比計(jì)數(shù)器型的要少(n+2個(gè)脈沖），轉(zhuǎn)換速度高，當(dāng)然比并聯(lián)型的要低，但電路要簡單的多；轉(zhuǎn)換過程示意圖如11.3.11所示.11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.10c.位數(shù)越高，轉(zhuǎn)化精度越高。此種類型的A/D轉(zhuǎn)換器是最常用的一種。11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器屬于間接A/D轉(zhuǎn)換器，雙積分型簡稱為 VT變換型，它首先把輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間寬度信號(hào)，然后在這個(gè)時(shí)間寬度里對固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就是正

42、比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號(hào)。最常用的間接A/D轉(zhuǎn)換器還有電壓頻率變換型（簡稱VF變換型）兩類。 VF變換型A/D轉(zhuǎn)換器首先是把輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的頻率信號(hào)，然后在一個(gè)固定的時(shí)間間隔里對得到的頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號(hào)。圖11.3.12是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理性框圖。它包含積分器、比較器、計(jì)數(shù)器、邏輯控制和時(shí)鐘信號(hào)源幾部分。11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.12a.組成：轉(zhuǎn)換開始前（轉(zhuǎn)換控制信號(hào)vL0）先將計(jì)數(shù)器清零，并接通開關(guān)So，使電容完全放電。11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器當(dāng)vL1 轉(zhuǎn)換開始（S0斷開），其步驟如下a. 使開

43、關(guān)S1合到輸入信號(hào)vI 一側(cè):積分器對vI在固定時(shí)間T1進(jìn)行積分，其輸出電壓為 上式說明，在固定時(shí)間T1的條件下，積分器的輸出電壓vo與輸入電壓vI 成正比。 11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器b.開關(guān)S1打在VREF一側(cè):此時(shí)積分器反向積分若設(shè)積分器輸出電壓到零時(shí)所需時(shí)間為T2，則即11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器由此可見，T2與輸入信號(hào)vI成正比。11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.13其電壓輸出波形如圖11.3.13所示。若計(jì)數(shù)器在時(shí)間T2內(nèi)對固定頻率fC（ fC1/TC）的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)結(jié)果也一定與vI 成正比。即設(shè)T1=NTC，則上式可變成即輸出的數(shù)字量與輸入的

44、模擬電壓成正比。而且輸入電壓與反向積分的時(shí)間成正比。第一次積分：對輸入進(jìn)行固定時(shí)間的積分：第二次積分：對參考電壓進(jìn)行積分：優(yōu)點(diǎn)：工作性能穩(wěn)定（與RC參數(shù)無關(guān)）；與時(shí)鐘信號(hào)周期無關(guān)，即對時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定度要求不高；抗干擾能力強(qiáng)，特別是工頻干擾缺點(diǎn)：工作速度低*雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)：a. 工作性能穩(wěn)定。由于積分時(shí)間和參數(shù)RC無關(guān)，且T1=NTC，最后轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)鐘周期無關(guān)，故可以用精度比較低的元器件獲得較高精度的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。b. 抗干擾能力強(qiáng)。由于雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器在時(shí)間T1內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，故對平均值為零的工頻或工頻的倍頻具有很強(qiáng)的抗干擾能力。*雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)

45、：工作速度低。對于前述的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器來說，每完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間應(yīng)在2T1以上，記不應(yīng)低于2n+1TC。若加上轉(zhuǎn)換前的準(zhǔn)備時(shí)間，則完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間更長一些。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度一般都在每秒幾十次以內(nèi)11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器*雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度要受計(jì)數(shù)器的位數(shù)、比較器的靈敏度、運(yùn)算放大器和比較器的零點(diǎn)漂移、積分器的漏電、時(shí)鐘頻率的瞬時(shí)波動(dòng)等多種因素的影響。11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器*故為了提高精度采取得措施除了增加計(jì)數(shù)器的位數(shù)外，還要抑制比較器和積分器的零點(diǎn)漂移。實(shí)際電路中都增加了零點(diǎn)漂移的自動(dòng)補(bǔ)償電路。另外為了防止時(shí)鐘在轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生波動(dòng)，可

46、以使用石英晶體振蕩器。*單片集成的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器有ADCEK8B（8位，二進(jìn)制）、ADCEK10B（10位，二進(jìn)制）、MC14433 ( 位，BCD碼）等。還有可以直接驅(qū)動(dòng)LCD和LED數(shù)碼管的CB7106/7126、CB7107/7127。 對于雙積分過程的控制，可由圖11.3.14所示的邏輯電路來完成。11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.14此電路是由n位計(jì)數(shù)器（異步）、附加觸發(fā)器FFA、模擬開關(guān)So和S1的驅(qū)動(dòng)電路L0、L1、控制門G組成。11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器控制過程為：a. 轉(zhuǎn)換開始前：轉(zhuǎn)換控制信號(hào) vL0 ，門G輸出為1,各觸發(fā)器被置零，同時(shí)，S0被關(guān)閉

47、，C完全放電。11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器b. 轉(zhuǎn)換開始：轉(zhuǎn)換控制信號(hào)vL1，S0斷開，S1接到輸入信號(hào)vI一側(cè)，積分器開始對輸入電壓vI進(jìn)行積分。由于積分器A輸出為負(fù)電壓，故比較器C輸出為高電平，門G打開，計(jì)數(shù)器對vG 端的脈沖計(jì)數(shù)。 c. 當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿2n個(gè)脈沖（T1時(shí)間）后，自動(dòng)返回全0狀態(tài)，同時(shí)給FFA一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，使FFA置1。L1動(dòng)作使得S1打在VREF一側(cè)，開始反向積分。當(dāng)積分器的輸出到0時(shí)，比較器輸出為低電平，將門G封鎖，一次轉(zhuǎn)換結(jié)束。11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器由于T1=2nTC（TC為時(shí)鐘脈沖的周期），即N2n，故輸出的數(shù)字量為：11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換

48、器圖11.3.13問題：VI可否大于-VREF的絕對值？例11.3.1 在雙積分A/D電路中，設(shè)基準(zhǔn)電壓VREF10V，計(jì)數(shù)器的位數(shù)為n10，計(jì)數(shù)脈沖的頻率為10kHz則完成一次轉(zhuǎn)換最長需要多長時(shí)間？若輸入的模擬電壓vI5V，試求轉(zhuǎn)換時(shí)間和輸出的數(shù)字量各為多少？11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器解：（1）完成一次的時(shí)間為TT1T2，當(dāng)T1 T2時(shí)，完成的一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間最長，故（2）若輸入的模擬電壓vI5V，所用的轉(zhuǎn)換時(shí)間11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量為11.3.6 VF變換型A/D轉(zhuǎn)換器V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖11.3.14所示圖11.3.141.組成： VF

49、變換型A/D轉(zhuǎn)換器是由VF變換器（也稱壓控振蕩器，簡稱為VCO）、計(jì)數(shù)器及其時(shí)鐘信號(hào)控制閘門、寄存器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等組成2.工作原理：11.3.6 VF變換型A/D轉(zhuǎn)換器 當(dāng)vG變成高電平后，VF變換器輸出的脈沖通過門G加到計(jì)數(shù)器的技術(shù)脈沖上。由于VF變換器輸出頻率fout與輸入電壓vI成正比，故在每個(gè)固定脈寬TG時(shí)間內(nèi)記錄的脈沖數(shù)目也與輸入的電壓vI成正比。圖11.3.14圖11.3.1411.3.6 VF變換型A/D轉(zhuǎn)換器 為了防止轉(zhuǎn)換過程中輸出的數(shù)字跳動(dòng)，則在轉(zhuǎn)換過程結(jié)束時(shí)，由vG的下降沿控制將輸出的數(shù)字量存入寄存器中，并且由vG的下降沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖使得計(jì)數(shù)器置零。1

50、1.3.6 VF變換型A/D轉(zhuǎn)換器*由于VF變換器的輸出信號(hào)是一種調(diào)頻信號(hào)，此信號(hào)不僅易于傳輸和檢測，還有很強(qiáng)的抗干擾能力，故VF變換型A/D轉(zhuǎn)換器常用于遙測、遙控系統(tǒng)中。* VF變換型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度首先取決于VF變換器的精度，另外其精度也受到計(jì)數(shù)容量的影響，計(jì)數(shù)器容量越大轉(zhuǎn)換誤差越小11.3.7 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度一、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度 在單片集成的A/D轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換精度也采用分辨率（又稱為分解度）和轉(zhuǎn)換誤差來描述。1. 分辨率： A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是輸出二進(jìn)制數(shù)或十進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示。它表示A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號(hào)的分辨能力。*從理論上講，n位二進(jìn)制數(shù)字輸出的A/D

51、轉(zhuǎn)換器能區(qū)分2n不同等級(jí)的輸入模擬電壓，能區(qū)分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/2n（FSR/ 2n,FSR輸入電壓滿量程刻度）。分辨率所描述的為A/D轉(zhuǎn)換器的固有誤差量化誤差，在最大輸入電壓一定時(shí)，其輸出位數(shù)越多，量化誤差越小，分辨率越高。如10位二進(jìn)制A/D轉(zhuǎn)換器，若最大輸入信號(hào)為5V，則應(yīng)能區(qū)分輸入信號(hào)的最小電壓為5V/210=4.88mV.11.3.7 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度 一般是以輸出誤差的最大值形式給出。它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)有的輸出數(shù)字量之間的差別。通常以最低有效位的倍數(shù)給出，如若轉(zhuǎn)換誤差為 VREF ，則會(huì)使比較積分階段就會(huì)復(fù)位溢出，然后重新計(jì)

52、數(shù)，使得轉(zhuǎn)換出錯(cuò)。11.3.7 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度*例9.3.4 16位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘頻率為fC4MHz，基準(zhǔn)電壓VREF=-10V,最大輸入電壓 VI(max) ，積分器電容C0.1F。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)至2n時(shí)，積分器的輸出電壓達(dá)到最大，且為8V，試問(1)積分器電阻R的阻值為多少？(2) 當(dāng)輸入的模擬電壓為5V時(shí)，轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)為多少？(3)若計(jì)數(shù)器的第二次計(jì)數(shù)值為N2,且N2=19660D,則表示的輸入電壓vI為多大？(4)轉(zhuǎn)換器的最長轉(zhuǎn)換時(shí)間是多少？ 11.3.7 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度解： (1) 由于則(2) 此A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為則1LSB所對應(yīng)的輸入電壓為11.3.7 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度故5V輸入電壓對應(yīng)二進(jìn)制為(3) 第一次計(jì)數(shù)長度為N1=216=65536D,由下式可得：(4)轉(zhuǎn)換的最長時(shí)