數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)第7章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器課件

第7章

數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器第7章

數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器概述7.1D/A轉(zhuǎn)換器7.2概述7.1D/A轉(zhuǎn)換器7.27.1概述將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這種轉(zhuǎn)換稱(chēng)為模/數(shù)轉(zhuǎn)換，用A/D表示；而將數(shù)字量變換為模擬信號(hào)量的過(guò)程稱(chēng)為稱(chēng)為數(shù)/模轉(zhuǎn)換，用D/A表示。帶有模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的測(cè)控系統(tǒng)大致可用圖7-1所示的框圖表示。7.1概述將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這種轉(zhuǎn)換稱(chēng)為模/數(shù)轉(zhuǎn)換圖7-1一般測(cè)控系統(tǒng)框圖圖中，模擬信號(hào)由傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大器放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由數(shù)字電路進(jìn)行處理，再由D/A轉(zhuǎn)換器還原為模擬量，去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。圖7-1一般測(cè)控系統(tǒng)框圖圖中，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)ADC；把實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為D/A轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)DAC。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。同時(shí)，為了適應(yīng)快速過(guò)程的控制和檢測(cè)的需要，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器還必須有足夠快的轉(zhuǎn)換速度。圖中，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)7.2D/A轉(zhuǎn)換器7.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器7.2.2倒T

形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器7.2.3集成D/A轉(zhuǎn)換器AD75247.2.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)7.2D/A轉(zhuǎn)換器7.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器7.7.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器是利用電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開(kāi)關(guān)，將多位二進(jìn)制數(shù)D轉(zhuǎn)換為與之成比例的模擬量的一種轉(zhuǎn)換電路，因此，輸入應(yīng)是一個(gè)n位的二進(jìn)制數(shù)，它可以按二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)的通式展開(kāi)為Dn=dn-1×2n-1+dn-2×2n-2+…+d1×21+d0×207.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器是利用而輸出量應(yīng)當(dāng)是與輸入的數(shù)字量成比例的模擬量A：A=KDn=K(dn-1×2n-1+dn-2×2n-2+…+d1×21+d0×20)式中K——轉(zhuǎn)換系數(shù)為一個(gè)常數(shù)，單位為伏特。而輸出量應(yīng)當(dāng)是與輸入的數(shù)字量成比例的模擬量A：7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器是目前使用最為廣泛的一種形式，其電路結(jié)構(gòu)如圖7-2所示。圖7-2R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)7.2.3集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7524AD7524是CMOS單片低功耗8位D/A轉(zhuǎn)換器。采用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。型號(hào)中的“AD”表示美國(guó)的芯片生產(chǎn)公司模擬器件公司的代號(hào)。如圖7-3所示為其典型實(shí)用電路。7.2.3集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7524AD7524是C圖中，供電壓VDD為+5～+15V，D0～D7為輸入數(shù)據(jù)，可輸入TTL/CMOS電平；CS為片選信號(hào)，WR為寫(xiě)入命令，VREF為參考電壓，可正、可負(fù)。IOUT是模擬輸出電流，一正一負(fù)。A為運(yùn)算放大器，將輸出電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓，輸出電壓的數(shù)值可通過(guò)接在16腳與輸出端之間的反饋電阻RFB進(jìn)行調(diào)節(jié)。16腳內(nèi)部已經(jīng)集成了一個(gè)電阻，所以RFB可為零，即將16腳與輸出端短路。AD7524的功能表見(jiàn)表7-1。圖中，供電壓VDD為+5～+15V，D0～D7為輸入數(shù)表7-1

AD7524功能表圖7-3AD7524典型實(shí)用電路表7-1AD7524功能表圖7-3AD7524典型實(shí)用電7.2.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度（1）分辨率分辨率是用以說(shuō)明D/A轉(zhuǎn)換器在理論上可達(dá)到的精度，用于表征D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入微小量變化的敏感程度。顯然，輸入數(shù)字量的位數(shù)越多，輸出電壓可分離的等級(jí)越多，即分辨率越高。7.2.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精此外，D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率也定義為電路所能分辨的最小輸出電壓uOmin與最大輸出電壓uOmax之比來(lái)表示。即：分辨率：

uOmin/uOmax=[-VREF/2n]/[-VREF(2n-1)/2n]=1/(2n-1)(7-2)上式說(shuō)明,輸入數(shù)字量的位數(shù)越多，分辨率越小，分辨能力越高。此外，D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率也定義為電路所能分辨的最小輸(2)轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是用以說(shuō)明D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的模擬電壓值與理論輸出模擬電壓值之間的最大誤差，也稱(chēng)為轉(zhuǎn)換誤差。D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度有絕對(duì)精度和相對(duì)精度之分。(2)轉(zhuǎn)換精度其中，絕對(duì)精度是指轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出電壓與理論值之間的誤差，該誤差是由D/A轉(zhuǎn)換器的增益誤差、零點(diǎn)誤差、非線性誤差和噪聲等因素造成的。通常用數(shù)字量位數(shù)作為度量絕對(duì)精度的單位，如精度為±（1/2）LSB，如果滿量程為10V，則12位D/A轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)精度為1.22mV。其中，絕對(duì)精度是指轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出電壓與理論值之間的誤差相對(duì)精度是指滿刻度已校準(zhǔn)的情況下，對(duì)應(yīng)于任一數(shù)碼的模擬量與理論值之差相對(duì)于滿刻度的百分比。例如，10位D/A的相對(duì)精度為0.1%。相對(duì)精度亦稱(chēng)線性度。值得注意的是，精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念。精度是指轉(zhuǎn)換后所得實(shí)際結(jié)果對(duì)于理想值的接近程度，而分辨率是指能夠?qū)D(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量。相對(duì)精度是指滿刻度已校準(zhǔn)的情況下，對(duì)應(yīng)于任一數(shù)碼的模擬2.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間（1）建立時(shí)間tset它是在輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿?，或由全1變?yōu)槿?，輸出電壓達(dá)到某一規(guī)定值（如最小值取LSB/2或滿量程的0.01%）所需要的時(shí)間。2.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間（2）轉(zhuǎn)換速率SR它是在大信號(hào)工作時(shí)，即輸入數(shù)字量的各位由全0變?yōu)槿?，或由全1變?yōu)槿?時(shí)，輸出電壓uO的變化率。這個(gè)參數(shù)與運(yùn)算放大器的壓擺率類(lèi)似。（2）轉(zhuǎn)換速率SR7.3A/D轉(zhuǎn)換器7.3.1采樣、保持、量化、編碼7.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.3

逐次逼

近型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)7.3A/D轉(zhuǎn)換器7.3.1采樣、保持、量化、編碼7.3.A/D轉(zhuǎn)換器的功能，是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量。一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程，必須包括采樣、保持、量化、編碼4部分電路。在具體實(shí)施時(shí)，常把這4個(gè)步驟合并進(jìn)行。例如，采樣和保持是利用同一電路連續(xù)完成的，量化和編碼是在轉(zhuǎn)換過(guò)程中同步實(shí)現(xiàn)的，而且所用的時(shí)間又是保持的一部分。A/D轉(zhuǎn)換器的功能，是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量7.3.1采樣、保持、量化、編碼1.采樣定理采樣是將時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)間上離散的信號(hào)，即將時(shí)間上連續(xù)變化模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。

7.3.1采樣、保持、量化、編碼1.采樣定理如圖7-4所示為某一輸入模擬信號(hào)經(jīng)采樣后得出的波形。圖7-4模擬信號(hào)的采樣如圖7-4所示為某一輸入模擬信號(hào)經(jīng)采樣后得出的波形。圖為了保證能從采樣信號(hào)中將原信號(hào)恢復(fù)，必須滿足條件

fs≥2fi(max)(7-3)式中:fs——采樣頻率；fi(max)——信號(hào)ui中最高次諧波分量的頻率。這一關(guān)系稱(chēng)為采樣定理（又稱(chēng)香農(nóng)定理）。為了保證能從采樣信號(hào)中將原信號(hào)恢復(fù)，必須滿足條件 f2.采樣保持電路A/D轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，如果送給ADC的模擬量發(fā)生變化，則不能保持精度，為此在ADC前加入采樣保持電路。采樣保持電路有兩種工作狀態(tài)：采樣狀態(tài)和保持狀態(tài)。如圖7-5所示為一個(gè)實(shí)際的采樣保持電路LF198的電路結(jié)構(gòu)圖。2.采樣保持電路圖7-5采樣保持電路圖中，A1、A2是兩個(gè)運(yùn)算放大器，S是模擬開(kāi)關(guān)，L是控制模擬開(kāi)關(guān)狀態(tài)的邏輯單元電路。圖7-5采樣保持電路采樣時(shí)令uL=1，開(kāi)關(guān)隨之閉合。A1、A2接成單位增益的電壓跟隨器，故uO=u′O=uI。同時(shí)u′O通過(guò)R2對(duì)外接電容Ch充電，使uCh=uI，因電壓跟隨器的輸出電阻十分小，故充電很快結(jié)束。當(dāng)uL=0時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，采樣結(jié)束，由于Ch無(wú)放電通路，uCh基本不變，故使uO得以將采樣結(jié)果保持下來(lái)。采樣時(shí)令uL=1，開(kāi)關(guān)隨之閉合。A1、A2接成單位增益3.量化與編碼為了使采樣得到的離散的模擬量與n位二進(jìn)制碼的2n個(gè)數(shù)字量一一對(duì)應(yīng)，還必須將采樣后離散的模擬量歸并到2n個(gè)離散電平中的某一個(gè)電平上，這樣的一個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為量化。數(shù)字信號(hào)具有在時(shí)間上離散和幅度上斷續(xù)變化的特點(diǎn)。3.量化與編碼把量化的結(jié)果用二進(jìn)制碼，或是其他數(shù)制的代碼表示出來(lái)，稱(chēng)為編碼。這些代碼就是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。量化和編碼是所有A/D轉(zhuǎn)換器不可缺少的核心部分之一。既然模擬電壓是連續(xù)的，那么它就不一定是Δ的整數(shù)倍，在數(shù)值上只能取接近的整數(shù)倍，因而量化過(guò)程不可避免地會(huì)引入誤差。這種誤差稱(chēng)為量化誤差。把量化的結(jié)果用二進(jìn)制碼，或是其他數(shù)制的代碼表示出來(lái)，稱(chēng)將模擬電壓劃分為不同的量化等級(jí)時(shí)通常有以下兩種方法，如圖7-6所示，它們的量化誤差相差較大。圖7-6劃分量化電平的兩種方法將模擬電壓劃分為不同的量化等級(jí)時(shí)通常有以下兩種方法，如4.A/D轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)按轉(zhuǎn)換過(guò)程，A/D轉(zhuǎn)換器可大致分為直接型A/D轉(zhuǎn)換器和間接型A/D轉(zhuǎn)換器兩種。其中，直接型A/D轉(zhuǎn)換器能把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字代碼，而不需要經(jīng)過(guò)中間變量。間接型A/D轉(zhuǎn)換器是把待轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓先轉(zhuǎn)換為一個(gè)中間變量，然后再對(duì)中間變量量化編碼，得出轉(zhuǎn)換結(jié)果。4.A/D轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)A/D轉(zhuǎn)換器的大致分類(lèi)如圖7-7所示。圖7-7A/D轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)A/D轉(zhuǎn)換器的大致分類(lèi)如圖7-7所示。圖7-7A/D7.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的原理電路如圖7-8所示。圖7-8

3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)它由電阻分壓器、電壓比較器、寄存器及編碼器組成。圖中，八個(gè)電阻將參考電壓VREF分成八個(gè)等級(jí)，其中七個(gè)等級(jí)的電壓（VREF/15，3VREF/15，…，13VREF/15）分別作為七個(gè)比較器C1~C7的參考電壓。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。它由電阻分壓器、電壓比較器、寄存器及編碼器組成。圖中，比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲(chǔ)，CP作用后，觸發(fā)器的輸出狀態(tài)Q7~Q1與對(duì)應(yīng)比較器的輸出狀態(tài)CO7~CO1相同。經(jīng)代碼轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)(優(yōu)先編碼器)輸出數(shù)字量D2D1D0。優(yōu)先編碼器優(yōu)先級(jí)別最高是Q7，最低是Q1。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲(chǔ)，CP作用后，觸發(fā)器的輸設(shè)uI變化范圍是0~VREF，輸出3位數(shù)字量為D2、D1、D0，3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系如表7-2所示。表7-2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的輸入輸出關(guān)系設(shè)uI變化范圍是0~VREF，輸出3位數(shù)字量為D2、D通過(guò)觀察此表，可確定代碼轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)輸出、輸入之間的邏輯關(guān)系：

D2=Q4D1=Q6+Q4Q2D0=Q7+Q6Q5+Q4Q3+Q2Q1在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，uI同時(shí)加到所有比較器的輸出端，從uI加入經(jīng)比較器、D觸發(fā)器和編碼器的延遲后，可得到穩(wěn)定的輸出。通過(guò)觀察此表，可確定代碼轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)輸出、輸入之間的邏輯關(guān)7.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器1.概述逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器屬于直接型A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換過(guò)程相當(dāng)于一架天平秤量物體的過(guò)程，不過(guò)這里不是加減砝碼，而是通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器及寄存器加減標(biāo)準(zhǔn)電壓，使標(biāo)準(zhǔn)電壓值與被轉(zhuǎn)換電壓平衡。這些標(biāo)準(zhǔn)電壓通常稱(chēng)為“電壓砝碼”。7.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器1.概述逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器由比較器、環(huán)形分配器、控制門(mén)、寄存器與D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。比較的過(guò)程首先是取最大的電壓砝碼，即寄存器最高位為1時(shí)的二進(jìn)制數(shù)所對(duì)應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓，將此模擬電壓uA與uI進(jìn)行比較，當(dāng)uA＞uI時(shí)，最高位置0；反之，當(dāng)uA＜uI時(shí)，最高位1保留，再將次高位置1，轉(zhuǎn)換為模擬量與uI進(jìn)行比較，確定次高位1保留還是去掉。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器由比較器、環(huán)形分配器、控制門(mén)、寄以上過(guò)程可以用圖7-9加以說(shuō)明，圖中表示將模擬電壓uI轉(zhuǎn)換為4位二進(jìn)制數(shù)的過(guò)程。圖7-9逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的逼近過(guò)程以上過(guò)程可以用圖7-9加以說(shuō)明，圖中表示將模擬電壓uI圖中的電壓砝碼依次為800mV、400mV、200mV和100mV，轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先將寄存器清零，所以加給D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量全為0。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器送出一個(gè)800mV的電壓砝碼與輸入電壓比較，由于uI＜800mV，將800mV的電壓砝碼去掉；再加400mV的電壓砝碼，uI＞400mV，于是保留400mV的電壓砝碼；圖中的電壓砝碼依次為800mV、400mV、200mV再加200mV的砝碼，uI＞400mV+200mV，200mV的電壓砝碼也保留；再加100mV的電壓砝碼，因uI＜400mV+200mV+100mV，故去掉100mV的電壓砝碼。最后寄存器中獲得的二進(jìn)制碼0110，即為uI對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。再加200mV的砝碼，uI＞400mV+200mV，22.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理下面結(jié)合圖7-10的邏輯圖具體說(shuō)明逐次比較的過(guò)程。圖7-103位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器2.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理圖7-103位逐次逼近這是一個(gè)輸出3位二進(jìn)制代碼的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。圖中的C為電壓比較器；觸發(fā)器FA、FB和FC組成了3位數(shù)碼寄存器，觸發(fā)器F1~F5構(gòu)成環(huán)形分配器和門(mén)G1~G9一起組成控制邏輯電路。轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先將FA、FB、FC置零，同時(shí)將F1~F5組成的環(huán)形移位寄存器置為Q1Q2Q3Q4Q5=10000。這是一個(gè)輸出3位二進(jìn)制代碼的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。圖轉(zhuǎn)換控制信號(hào)uL變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開(kāi)始。第一個(gè)CP脈沖到達(dá)后，F(xiàn)A被置1，而FB、FC被置0。這時(shí)寄存器的狀態(tài)QAQBQC=100加到D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端，并在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓uA(800mV)。uA和uI比較，其結(jié)果有兩種：若uI≥uA，則uB=0；若uI＜uA，則uB=1。同時(shí)，移位寄存器右移一位，使Q1Q2Q3Q4Q5=01000。轉(zhuǎn)換控制信號(hào)uL變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開(kāi)始。第一個(gè)CP脈第二個(gè)CP到達(dá)時(shí),FB被置成1。若原來(lái)的uB=1(uI＜uA)，則FA被置成0，此時(shí)電壓砝碼為400mV；若原來(lái)的uB=0(uI＞uA)，則FA的“1”狀態(tài)保留，此時(shí)的電壓砝碼為400mV加上原來(lái)的電壓砝碼值。同時(shí)移位寄存器右移一位，變?yōu)?0100狀態(tài)。第二個(gè)CP到達(dá)時(shí),FB被置成1。若原來(lái)的uB=1(uI第三個(gè)CP到達(dá)時(shí),FC被置成1。若原來(lái)的uB=1，則FB被置成0；若原來(lái)的uB=0，則FB的“1”狀態(tài)保留，此時(shí)的電壓砝碼為200mV加上原來(lái)保留的電壓砝碼值。同時(shí)移位寄存器右移一位，變成00010狀態(tài)。第三個(gè)CP到達(dá)時(shí),FC被置成1。若原來(lái)的uB=1，則F第四個(gè)CP到達(dá)時(shí)，同時(shí)根據(jù)這時(shí)uB的狀態(tài)決定FC的“1”是否應(yīng)當(dāng)保留。這時(shí)FA、FB、FC的狀態(tài)就是所要的轉(zhuǎn)換結(jié)果。同時(shí)，移位寄存器右移一位，變?yōu)?0001狀態(tài)。由于Q5=1，于是FA、FB、FC的狀態(tài)便通過(guò)門(mén)G6、G7、G8送到了輸出端。第四個(gè)CP到達(dá)時(shí)，同時(shí)根據(jù)這時(shí)uB的狀態(tài)決定FC的“1第五個(gè)CP到達(dá)后，移位寄存器右移一位，使得Q1Q2Q3Q4Q5=10000，返回初始狀態(tài)。同時(shí)，由于Q5=0，門(mén)G6、G7、G8被封鎖，轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)隨之消失。所以對(duì)于圖示的A/D轉(zhuǎn)換器,完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間為(n+2)TCP。第五個(gè)CP到達(dá)后，移位寄存器右移一位，使得Q1Q2Q33.逐次逼近型集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC0809由八路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成。電路如圖7-11所示。圖7-11ADC0809邏輯框圖3.逐次逼近型集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809圖7-11ADADC0809采用雙列直插式封裝,共有28條引腳，現(xiàn)分四組簡(jiǎn)述如下。（1）模擬信號(hào)輸入線（8條）IN0~IN7為八路模擬電壓輸入線，加在模擬開(kāi)關(guān)上，工作時(shí)采用時(shí)分割的方式，輪流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809采用雙列直插式封裝,共有28條引腳，現(xiàn)分（2）地址輸入和控制線（4條）其中ADDA、ADDB和ADDC為地址輸入線（Address），用于選擇IN0~IN7中哪一路模擬電壓送給比較器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE＝1時(shí)，三條地址線上地址信號(hào)得以鎖存，經(jīng)譯碼器控制八路模擬開(kāi)關(guān)工作。（2）地址輸入和控制線（4條）（3）數(shù)字量輸出及控制線（11條）START為啟動(dòng)脈沖輸入線，該線的正脈沖由CPU送來(lái)，寬度應(yīng)大于100ns，上升沿將寄存器清零，下降沿啟動(dòng)ADC工作。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線，該線高電平表示A/D轉(zhuǎn)換已結(jié)束，數(shù)字量已鎖入“三態(tài)輸出鎖存器”。2-8~2-1為數(shù)字量輸出線，2-1為最高位。OE為輸出允許端，高電平時(shí)可輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。（3）數(shù)字量輸出及控制線（11條）（4）電源線及其他（5條）CLOCK為時(shí)鐘輸入線，用于為ADC0809提供逐次比較所需的640kHz時(shí)鐘脈沖。VCC為+5V電源輸入線，GND為地線。+VREF和-VREF為參考電壓輸入線，用于給D/A轉(zhuǎn)換器供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。+VREF常和VCC相連，-VREF常接地。（4）電源線及其他（5條）7.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器1.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器屬于間接型A/D轉(zhuǎn)換器，它是把待轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓先轉(zhuǎn)換為一個(gè)中間變量，如時(shí)間T；再對(duì)中間變量量化編碼，得出轉(zhuǎn)換結(jié)果，這種A/D轉(zhuǎn)換器多稱(chēng)為電壓-時(shí)間變換型（簡(jiǎn)稱(chēng)VT型）。7.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器1.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作圖7-12給出的是VT型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖。圖7-12雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器圖7-12給出的是VT型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先將計(jì)數(shù)器清零，并接通開(kāi)關(guān)S0使電容C完全放電。轉(zhuǎn)換開(kāi)始，斷開(kāi)S0。整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程分兩階段進(jìn)行。第一階段，令開(kāi)關(guān)S1置于輸入信號(hào)uI一側(cè),積分器（由集成運(yùn)放A組成）對(duì)uI進(jìn)行固定時(shí)間T1的積分。積分結(jié)束時(shí),積分器的輸出電壓為:

uO1=1/C∫T10(-uI/R)dt=-T1uI/RC(7-4)轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先將計(jì)數(shù)器清零，并接通開(kāi)關(guān)S0使電容C完全可見(jiàn)積分器的輸出uO1與uI成正比。這一過(guò)程稱(chēng)為轉(zhuǎn)換電路對(duì)輸入模擬電壓的采樣過(guò)程。在采樣開(kāi)始時(shí)，邏輯控制電路將計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到滿量程N(yùn)時(shí)，計(jì)數(shù)器由全“1”復(fù)“0”，這個(gè)時(shí)間正好等于T1。計(jì)數(shù)器復(fù)“0”時(shí)，同時(shí)給出一個(gè)溢出脈沖（即進(jìn)位脈沖）使邏輯控制電路發(fā)出信號(hào)，令開(kāi)關(guān)S1轉(zhuǎn)換至參考電壓-VREF一側(cè)，采樣階段結(jié)束?？梢?jiàn)積分器的輸出uO1與uI成正比。這一過(guò)程稱(chēng)為轉(zhuǎn)換電第二階段稱(chēng)為定速率積分過(guò)程，將uO1轉(zhuǎn)換為成比例的時(shí)間間隔。采樣階段結(jié)束時(shí)，一方面因-VREF的極性與uI相反，積分器向相反方向積分。計(jì)數(shù)器由0開(kāi)始計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)T2時(shí)間，積分器輸出電壓回升為零，過(guò)零比較器B輸出低電平，關(guān)閉計(jì)數(shù)門(mén)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，同時(shí)通過(guò)邏輯控制電路使開(kāi)關(guān)S1與uI相接，重復(fù)第一步。第二階段稱(chēng)為定速率積分過(guò)程，將uO1轉(zhuǎn)換為成比例的時(shí)間因此得到：T2VREF/RC=T1uI/RC即T2=uITI/VREF(7-5)上式表明，反向積分時(shí)間T2與輸入模擬電壓uI成正比。因此得到：在T2期間,控制門(mén)G打開(kāi)，標(biāo)準(zhǔn)頻率為fCP的時(shí)鐘通過(guò)G，計(jì)數(shù)器對(duì)UG計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果為D，由于

T1=N1TCPT2=DTCP則計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)為：D=T1uI/TCPVREF=NiuI/VREF(7-6)在T2期間,控制門(mén)G打開(kāi)，標(biāo)準(zhǔn)頻率為fCP的時(shí)鐘通過(guò)G計(jì)數(shù)器中的數(shù)值就是A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，至此即完成了V/T轉(zhuǎn)換。若輸入電壓uI1<uI，u′O1<uO1，則T′2＜T2，它們之間也都滿足固定的比例關(guān)系，如圖7-13所示。圖7-13雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的波形圖計(jì)數(shù)器中的數(shù)值就是A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，至此即完雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器與逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器相比較，因有積分器的存在，積分器的輸出只對(duì)輸入信號(hào)的平均值有所響應(yīng)，所以，其突出優(yōu)點(diǎn)是工作性能比較穩(wěn)定，且抗干擾能力強(qiáng)；由以上分析可以看出，只要兩次積分過(guò)程中積分器的時(shí)間常數(shù)相等，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果與R、C無(wú)關(guān)，所以，該電路對(duì)R、C精度的要求不高，而且電路結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器與逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器相比較，因2.集成雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器集成雙積分型ADC品種有很多，大致分成二進(jìn)制輸出和BCD輸出兩大類(lèi)，圖7-14是BCD碼雙積分型ADC的框圖，它是一種3(1/2)位BCD碼A/D轉(zhuǎn)換器。圖7-14BCD碼雙積分型ADC框圖2.集成雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器圖7-14BCD碼雙積分型AD3(1/2)位的3表示低三位有0~9十個(gè)數(shù)碼，1/2的分母2表示最高位只有0、1兩個(gè)數(shù)碼，分子1表示最高位數(shù)碼最大為1，顯示的數(shù)值范圍為0000~1999。同類(lèi)產(chǎn)品有ICL7107、7109、5G14433等。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器一般外接配套的LED顯示器或LCD顯示器，可以將模擬電壓uI用數(shù)字量直接顯示出來(lái)。3(1/2)位的3表示低三位有0~9十個(gè)數(shù)碼，1/27.3.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度等。選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，除考慮這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)外，還應(yīng)注意滿足其輸入電壓的范圍、輸出數(shù)字的編碼、工作溫度范圍和電壓穩(wěn)定度等方面的要求。7.3.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的主要1.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(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(lái)描述的。分辨率，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)來(lái)表示。它說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。從理論上講，n位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分2n個(gè)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。1.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，分辨率愈高。例如，A/D轉(zhuǎn)換器輸出為8位二進(jìn)制數(shù)，輸入信號(hào)最大值為5V，那么這個(gè)轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分出輸入信號(hào)的最小電壓為19.53mV。轉(zhuǎn)換誤差，轉(zhuǎn)換誤差通常是以輸出誤差的最大值形式給出的。它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示。在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，分辨率愈高。例如，2.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換電路的類(lèi)型有關(guān)，不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)。并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高，8位二進(jìn)制輸出的單片集成A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)到50ns以內(nèi)，逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之，它們多數(shù)的轉(zhuǎn)換時(shí)間在10～50μs以內(nèi)，間接A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢。2.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間7.4多路模擬開(kāi)關(guān)7.4.1模擬開(kāi)關(guān)的功能及電路組成7.4.2模擬開(kāi)關(guān)的各種工作模式7.4多路模擬開(kāi)關(guān)7.4.1模擬開(kāi)關(guān)的功能及電路組成7.4模擬開(kāi)關(guān)，是通過(guò)數(shù)字量來(lái)控制傳輸門(mén)（TG）的接通和斷開(kāi)，以傳輸數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)的開(kāi)關(guān)。它具有功耗低、速度快、體積小、無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在一定程度上可以用來(lái)代替繼電器。它的缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻不夠?。◣资翈装贇W），斷開(kāi)時(shí)仍有泄露電流（約0.1μA），且通過(guò)的電流一般為毫安級(jí)。模擬開(kāi)關(guān)，是通過(guò)數(shù)字量來(lái)控制傳輸門(mén)（TG）的接通和斷開(kāi)7.4.1模擬開(kāi)關(guān)的功能及電路組成圖7-15（a）給出了CC4066CMOS四雙向模擬開(kāi)關(guān)的管腳，其中VDD為正電源，CC4066的VSS端可以接地也可以接負(fù)電源，VSS接負(fù)電源可以增大關(guān)斷電阻。輸入信號(hào)在0～VDD之間變化，輸入端與輸出端可互換。它由四個(gè)傳輸門(mén)構(gòu)成，圖（b）為其中一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的邏輯圖。當(dāng)VC1＝0時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，反之，當(dāng)VC1＝1時(shí)，則接通。7.4.1模擬開(kāi)關(guān)的功能及電路組成圖7-15（a）給出圖7-15CC4066（a）引腳排列(b)邏輯圖圖7-15CC40667.4.2模擬開(kāi)關(guān)的各種工作模式表7-3各種模擬開(kāi)關(guān)的連接方式7.4.2模擬開(kāi)關(guān)的各種工作模式表7-3各種模擬開(kāi)關(guān)的連接方7.5.1系統(tǒng)的技術(shù)要求7.5.2系統(tǒng)方框圖7.5.3電路設(shè)計(jì)7.5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介*7.5.17.5.27.5.37.5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介*7.5.1系統(tǒng)的技術(shù)要求數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)多種多樣，但其基本工作過(guò)程相似，匯集被測(cè)控對(duì)象的各種模擬量，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再通過(guò)計(jì)算機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理芯片等對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行加工處理后，再通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，實(shí)現(xiàn)所需的控制。7.5.1系統(tǒng)的技術(shù)要求數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)多種多樣，但設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器，來(lái)控制一個(gè)加熱器，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，加熱器自動(dòng)斷電。電路應(yīng)包括以下幾項(xiàng)功能。①測(cè)溫和控制范圍：18～65℃；②控溫精度:≤1℃；③電路具有顯示溫度環(huán)節(jié)和超溫報(bào)警指示；④采用單片機(jī)作為控制電路，采用繼電器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器，來(lái)控制一個(gè)加熱器，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)7.5.2系統(tǒng)方框圖本系統(tǒng)由集成溫度傳感器、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、控制驅(qū)動(dòng)電路、加熱器、鎖存器、譯碼顯示電路、鍵盤(pán)接口電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和程序存儲(chǔ)器EPROM等部分組成，如圖7-17所示。7.5.2系統(tǒng)方框圖本系統(tǒng)由集成溫度傳感器、放大電路、圖7-17溫度控制器的方框圖傳感器采用集成溫度傳感器AD590，AD590是按K氏度標(biāo)定的電流型溫度傳感器。圖7-17溫度控制器的方框圖溫度每變化1K，電流就變化1μA。經(jīng)過(guò)放大電路的放大，在溫度達(dá)到最高溫度時(shí)，放大電路的輸出可以達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器所需要的最大模擬量數(shù)值。模擬信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器，變換成數(shù)字信號(hào)后，將數(shù)字量送往單片機(jī)。溫度每變化1K，電流就變化1μA。經(jīng)過(guò)放大電路的放大，單片機(jī)將傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)存入單片機(jī)中的存儲(chǔ)器，如果數(shù)據(jù)量大，可以轉(zhuǎn)存到外掛的RAM中。從溫度傳感器測(cè)得的信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后通過(guò)LED數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度。通過(guò)鍵盤(pán)，用戶可設(shè)置溫度的上限值，當(dāng)溫度超過(guò)上限值時(shí)，單片機(jī)通過(guò)可控硅控制加熱器停止工作，并報(bào)警顯示溫度值，直到溫度下降到允許范圍內(nèi)。單片機(jī)將傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)存入單片機(jī)中的存儲(chǔ)器，如果數(shù)7.5.3電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用80C52單片機(jī)對(duì)加熱器實(shí)行自動(dòng)控制，系統(tǒng)主要包括溫度測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、鍵盤(pán)顯示、輸出控制四部分。1.溫度測(cè)量電路溫度測(cè)量是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，控制的可靠性取決于溫度測(cè)量的精度。7.5.3電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用80C52單片機(jī)對(duì)加熱器實(shí)AD590是一種輸出電流信號(hào)的高精度溫度傳感器，其測(cè)量范圍為-50~+100℃，為了便于對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，先利用一個(gè)電阻將所測(cè)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。AD590在制造時(shí)按照開(kāi)氏溫度標(biāo)定，即在溫度為0℃時(shí)的電流為273μA，溫度每增加1℃，電流隨之增加1μA，為了使溫度為0℃時(shí)輸出電壓為0，應(yīng)加入一偏移量，來(lái)抵消0℃時(shí)AD590的輸出。AD590是一種輸出電流信號(hào)的高精度溫度傳感器，其測(cè)量如圖7-18所示電路，DW233是標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓二極管，因IRW=I0+IR3。在一定溫度條件下I0是固定的，如0℃時(shí)I0=273μA。調(diào)節(jié)RW1可改變其中的電流IRW，使0℃時(shí)，IR3=IRW-I0=273μA-273μA=0μA如圖7-18所示電路，DW233是標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓二極管，因I圖7-18溫度測(cè)量電路圖7-18溫度測(cè)量電路于是A1的輸出uO1=0。若溫度等于65℃，AD590的電流I0=（273+65）μA=338μA，而IRW仍然等于273μA，增加的65μA電流由IR3提供，于是IR3=-65μA，uO1=-IR3×R3=650mV，對(duì)應(yīng)65℃。由此可以確定,電路的溫度電壓轉(zhuǎn)換當(dāng)量為10mV/℃。于是A1的輸出uO1=0。若溫度等于65℃，AD5902.數(shù)據(jù)采集電路電壓信號(hào)通過(guò)A2放大后，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809的輸入端，單片機(jī)采集ADC0809的輸出數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化為溫度值進(jìn)行顯示。采集電路如圖7-19所示。外部傳感器將采集來(lái)的數(shù)據(jù)（圖中即IN0端）送入ADC0809，將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息然后送到數(shù)據(jù)線上，單片機(jī)通過(guò)對(duì)地址的選擇可以分別選通各個(gè)通道并讀取信息。2.數(shù)據(jù)采集電路圖7-19數(shù)據(jù)采集電路圖7-19數(shù)據(jù)采集電路Y3為單片機(jī)地址信號(hào)，WR和RD分別是單片機(jī)的寫(xiě)信號(hào)和讀信號(hào)。當(dāng)Y3和WR同時(shí)為低電平時(shí)，與非門(mén)G1輸出高電平，即ADC0809的ALE和START為高電平，控制ADC0809轉(zhuǎn)換開(kāi)始；當(dāng)Y3和RD同為低電平時(shí)，ADC0809的OE為高電平，則ADC0809處于讀數(shù)狀態(tài)。Y3為單片機(jī)地址信號(hào)，WR和RD分別是單片機(jī)的寫(xiě)信號(hào)和4分頻電路的時(shí)鐘端所接的ALE信號(hào)即單片機(jī)的ALE輸出，頻率為單片機(jī)輸入的晶振頻率的1/6，一般單片機(jī)晶振頻率為12MHz，則ALE信號(hào)的頻率為2MHz，而ADC0809的工作頻率為10~1280kHz，若選取500kHz，則需將單片機(jī)的ALE進(jìn)行4分頻。4分頻電路的時(shí)鐘端所接的ALE信號(hào)即單片機(jī)的ALE輸出3.鍵盤(pán)顯示電路為了對(duì)系統(tǒng)中必要的參數(shù)作輸入設(shè)定，設(shè)置了以下五個(gè)鍵。

①設(shè)置:按下此鍵后，可以設(shè)置系統(tǒng)溫度的上限值;②工作:按下此鍵的同時(shí)，加熱器開(kāi)始工作，LED每隔200ms顯示一次加熱器內(nèi)的溫度;3.鍵盤(pán)顯示電路 ①設(shè)置:按下此鍵后，可以設(shè)置系統(tǒng)溫度

③移動(dòng):在設(shè)置狀態(tài)下，每按此鍵一次，標(biāo)志顯示右移一位（可循環(huán)移動(dòng)）;④修改:對(duì)當(dāng)前溫度的上限值作修改，按鍵一次，數(shù)據(jù)增1；⑤確定:系統(tǒng)保存對(duì)溫度上限值所做的修改。鍵盤(pán)接線電路如圖7-20所示。鍵盤(pán)接單片機(jī)P1口，并且與八輸入與非門(mén)相連接，然后通過(guò)非門(mén)接入單片機(jī)的INT0中斷口，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)中斷同時(shí)查詢P1口狀態(tài)以確定鍵盤(pán)值并做處理。③移動(dòng):在設(shè)置狀態(tài)下，每按此鍵一次，標(biāo)圖7-20鍵盤(pán)顯示電路圖7-20鍵盤(pán)顯示電路4.輸出控制電路單片機(jī)P17口經(jīng)74HC04接NPN型三極管的基極（見(jiàn)圖7-21），繼電器的輸出端接220V交流電源帶動(dòng)的負(fù)載。作為一種開(kāi)關(guān)電路，當(dāng)P17輸出低電平時(shí)，加熱器停止工作；輸出高電平時(shí)，加熱器正常加熱。輸出電路接反相器是為了在單片機(jī)復(fù)位的時(shí)候，能夠保證繼電器的斷開(kāi)狀態(tài)。4.輸出控制電路圖7-21輸出控制電路單片機(jī)每隔200ms對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集并與溫度的上限值進(jìn)行比較。若超過(guò)上限值，則控制加熱器停止工作，并且顯示報(bào)警。基本電路圖如圖7-21所示。圖7-21輸出控制電路1.A/D和D/A轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的重要部件，應(yīng)用廣泛。2.在權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器中，由于恒流源電路和高速模擬開(kāi)關(guān)的運(yùn)用，使其具有精度高、轉(zhuǎn)換快的優(yōu)點(diǎn)，雙極型單片集成D/A轉(zhuǎn)換器多采用此種類(lèi)型電路。本章小結(jié)1.A/D和D/A轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的重要部件，應(yīng)3.倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器中，電阻網(wǎng)絡(luò)阻值僅有R和2R兩種，各2R支路電流Ii與Di數(shù)碼狀態(tài)無(wú)關(guān)，是一定值。由于支路電流流向運(yùn)放反相端時(shí)不存在傳輸時(shí)間，因而具有較高的轉(zhuǎn)換速度。4.不同的A/D轉(zhuǎn)換方式具有各自的特點(diǎn)，并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器速度高；雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器精度高；逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器在一定程度上兼有以上兩種轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)，因此得到普遍應(yīng)用。3.倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器中，電阻網(wǎng)絡(luò)阻值僅有5.A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)是轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間，在與系統(tǒng)連接后，轉(zhuǎn)換器的這兩項(xiàng)指標(biāo)決定了系統(tǒng)的精度與速度。目前，A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢(shì)是高速度、高分辨率及易于與微型計(jì)算機(jī)接口，用以滿足各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π盘?hào)處理的要求。5.A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)是轉(zhuǎn)換精度第7章

數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器第7章

數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器概述7.1D/A轉(zhuǎn)換器7.2概述7.1D/A轉(zhuǎn)換器7.27.1概述將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這種轉(zhuǎn)換稱(chēng)為模/數(shù)轉(zhuǎn)換，用A/D表示；而將數(shù)字量變換為模擬信號(hào)量的過(guò)程稱(chēng)為稱(chēng)為數(shù)/模轉(zhuǎn)換，用D/A表示。帶有模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的測(cè)控系統(tǒng)大致可用圖7-1所示的框圖表示。7.1概述將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這種轉(zhuǎn)換稱(chēng)為模/數(shù)轉(zhuǎn)換圖7-1一般測(cè)控系統(tǒng)框圖圖中，模擬信號(hào)由傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大器放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由數(shù)字電路進(jìn)行處理，再由D/A轉(zhuǎn)換器還原為模擬量，去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。圖7-1一般測(cè)控系統(tǒng)框圖圖中，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)ADC；把實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為D/A轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)DAC。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。同時(shí)，為了適應(yīng)快速過(guò)程的控制和檢測(cè)的需要，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器還必須有足夠快的轉(zhuǎn)換速度。圖中，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)7.2D/A轉(zhuǎn)換器7.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器7.2.2倒T

形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器7.2.3集成D/A轉(zhuǎn)換器AD75247.2.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)7.2D/A轉(zhuǎn)換器7.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器7.7.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器是利用電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開(kāi)關(guān)，將多位二進(jìn)制數(shù)D轉(zhuǎn)換為與之成比例的模擬量的一種轉(zhuǎn)換電路，因此，輸入應(yīng)是一個(gè)n位的二進(jìn)制數(shù)，它可以按二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)的通式展開(kāi)為Dn=dn-1×2n-1+dn-2×2n-2+…+d1×21+d0×207.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器是利用而輸出量應(yīng)當(dāng)是與輸入的數(shù)字量成比例的模擬量A：A=KDn=K(dn-1×2n-1+dn-2×2n-2+…+d1×21+d0×20)式中K——轉(zhuǎn)換系數(shù)為一個(gè)常數(shù)，單位為伏特。而輸出量應(yīng)當(dāng)是與輸入的數(shù)字量成比例的模擬量A：7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器是目前使用最為廣泛的一種形式，其電路結(jié)構(gòu)如圖7-2所示。圖7-2R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)7.2.3集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7524AD7524是CMOS單片低功耗8位D/A轉(zhuǎn)換器。采用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。型號(hào)中的“AD”表示美國(guó)的芯片生產(chǎn)公司模擬器件公司的代號(hào)。如圖7-3所示為其典型實(shí)用電路。7.2.3集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7524AD7524是C圖中，供電壓VDD為+5～+15V，D0～D7為輸入數(shù)據(jù)，可輸入TTL/CMOS電平；CS為片選信號(hào)，WR為寫(xiě)入命令，VREF為參考電壓，可正、可負(fù)。IOUT是模擬輸出電流，一正一負(fù)。A為運(yùn)算放大器，將輸出電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓，輸出電壓的數(shù)值可通過(guò)接在16腳與輸出端之間的反饋電阻RFB進(jìn)行調(diào)節(jié)。16腳內(nèi)部已經(jīng)集成了一個(gè)電阻，所以RFB可為零，即將16腳與輸出端短路。AD7524的功能表見(jiàn)表7-1。圖中，供電壓VDD為+5～+15V，D0～D7為輸入數(shù)表7-1

AD7524功能表圖7-3AD7524典型實(shí)用電路表7-1AD7524功能表圖7-3AD7524典型實(shí)用電7.2.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度（1）分辨率分辨率是用以說(shuō)明D/A轉(zhuǎn)換器在理論上可達(dá)到的精度，用于表征D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入微小量變化的敏感程度。顯然，輸入數(shù)字量的位數(shù)越多，輸出電壓可分離的等級(jí)越多，即分辨率越高。7.2.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精此外，D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率也定義為電路所能分辨的最小輸出電壓uOmin與最大輸出電壓uOmax之比來(lái)表示。即：分辨率：

uOmin/uOmax=[-VREF/2n]/[-VREF(2n-1)/2n]=1/(2n-1)(7-2)上式說(shuō)明,輸入數(shù)字量的位數(shù)越多，分辨率越小，分辨能力越高。此外，D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率也定義為電路所能分辨的最小輸(2)轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是用以說(shuō)明D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的模擬電壓值與理論輸出模擬電壓值之間的最大誤差，也稱(chēng)為轉(zhuǎn)換誤差。D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度有絕對(duì)精度和相對(duì)精度之分。(2)轉(zhuǎn)換精度其中，絕對(duì)精度是指轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出電壓與理論值之間的誤差，該誤差是由D/A轉(zhuǎn)換器的增益誤差、零點(diǎn)誤差、非線性誤差和噪聲等因素造成的。通常用數(shù)字量位數(shù)作為度量絕對(duì)精度的單位，如精度為±（1/2）LSB，如果滿量程為10V，則12位D/A轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)精度為1.22mV。其中，絕對(duì)精度是指轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出電壓與理論值之間的誤差相對(duì)精度是指滿刻度已校準(zhǔn)的情況下，對(duì)應(yīng)于任一數(shù)碼的模擬量與理論值之差相對(duì)于滿刻度的百分比。例如，10位D/A的相對(duì)精度為0.1%。相對(duì)精度亦稱(chēng)線性度。值得注意的是，精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念。精度是指轉(zhuǎn)換后所得實(shí)際結(jié)果對(duì)于理想值的接近程度，而分辨率是指能夠?qū)D(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量。相對(duì)精度是指滿刻度已校準(zhǔn)的情況下，對(duì)應(yīng)于任一數(shù)碼的模擬2.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間（1）建立時(shí)間tset它是在輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿?，或由全1變?yōu)槿?，輸出電壓達(dá)到某一規(guī)定值（如最小值取LSB/2或滿量程的0.01%）所需要的時(shí)間。2.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間（2）轉(zhuǎn)換速率SR它是在大信號(hào)工作時(shí)，即輸入數(shù)字量的各位由全0變?yōu)槿?，或由全1變?yōu)槿?時(shí)，輸出電壓uO的變化率。這個(gè)參數(shù)與運(yùn)算放大器的壓擺率類(lèi)似。（2）轉(zhuǎn)換速率SR7.3A/D轉(zhuǎn)換器7.3.1采樣、保持、量化、編碼7.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.3

逐次逼

近型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)7.3A/D轉(zhuǎn)換器7.3.1采樣、保持、量化、編碼7.3.A/D轉(zhuǎn)換器的功能，是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量。一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程，必須包括采樣、保持、量化、編碼4部分電路。在具體實(shí)施時(shí)，常把這4個(gè)步驟合并進(jìn)行。例如，采樣和保持是利用同一電路連續(xù)完成的，量化和編碼是在轉(zhuǎn)換過(guò)程中同步實(shí)現(xiàn)的，而且所用的時(shí)間又是保持的一部分。A/D轉(zhuǎn)換器的功能，是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量7.3.1采樣、保持、量化、編碼1.采樣定理采樣是將時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)間上離散的信號(hào)，即將時(shí)間上連續(xù)變化模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。

7.3.1采樣、保持、量化、編碼1.采樣定理如圖7-4所示為某一輸入模擬信號(hào)經(jīng)采樣后得出的波形。圖7-4模擬信號(hào)的采樣如圖7-4所示為某一輸入模擬信號(hào)經(jīng)采樣后得出的波形。圖為了保證能從采樣信號(hào)中將原信號(hào)恢復(fù)，必須滿足條件

fs≥2fi(max)(7-3)式中:fs——采樣頻率；fi(max)——信號(hào)ui中最高次諧波分量的頻率。這一關(guān)系稱(chēng)為采樣定理（又稱(chēng)香農(nóng)定理）。為了保證能從采樣信號(hào)中將原信號(hào)恢復(fù)，必須滿足條件 f2.采樣保持電路A/D轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，如果送給ADC的模擬量發(fā)生變化，則不能保持精度，為此在ADC前加入采樣保持電路。采樣保持電路有兩種工作狀態(tài)：采樣狀態(tài)和保持狀態(tài)。如圖7-5所示為一個(gè)實(shí)際的采樣保持電路LF198的電路結(jié)構(gòu)圖。2.采樣保持電路圖7-5采樣保持電路圖中，A1、A2是兩個(gè)運(yùn)算放大器，S是模擬開(kāi)關(guān)，L是控制模擬開(kāi)關(guān)狀態(tài)的邏輯單元電路。圖7-5采樣保持電路采樣時(shí)令uL=1，開(kāi)關(guān)隨之閉合。A1、A2接成單位增益的電壓跟隨器，故uO=u′O=uI。同時(shí)u′O通過(guò)R2對(duì)外接電容Ch充電，使uCh=uI，因電壓跟隨器的輸出電阻十分小，故充電很快結(jié)束。當(dāng)uL=0時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，采樣結(jié)束，由于Ch無(wú)放電通路，uCh基本不變，故使uO得以將采樣結(jié)果保持下來(lái)。采樣時(shí)令uL=1，開(kāi)關(guān)隨之閉合。A1、A2接成單位增益3.量化與編碼為了使采樣得到的離散的模擬量與n位二進(jìn)制碼的2n個(gè)數(shù)字量一一對(duì)應(yīng)，還必須將采樣后離散的模擬量歸并到2n個(gè)離散電平中的某一個(gè)電平上，這樣的一個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為量化。數(shù)字信號(hào)具有在時(shí)間上離散和幅度上斷續(xù)變化的特點(diǎn)。3.量化與編碼把量化的結(jié)果用二進(jìn)制碼，或是其他數(shù)制的代碼表示出來(lái)，稱(chēng)為編碼。這些代碼就是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。量化和編碼是所有A/D轉(zhuǎn)換器不可缺少的核心部分之一。既然模擬電壓是連續(xù)的，那么它就不一定是Δ的整數(shù)倍，在數(shù)值上只能取接近的整數(shù)倍，因而量化過(guò)程不可避免地會(huì)引入誤差。這種誤差稱(chēng)為量化誤差。把量化的結(jié)果用二進(jìn)制碼，或是其他數(shù)制的代碼表示出來(lái)，稱(chēng)將模擬電壓劃分為不同的量化等級(jí)時(shí)通常有以下兩種方法，如圖7-6所示，它們的量化誤差相差較大。圖7-6劃分量化電平的兩種方法將模擬電壓劃分為不同的量化等級(jí)時(shí)通常有以下兩種方法，如4.A/D轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)按轉(zhuǎn)換過(guò)程，A/D轉(zhuǎn)換器可大致分為直接型A/D轉(zhuǎn)換器和間接型A/D轉(zhuǎn)換器兩種。其中，直接型A/D轉(zhuǎn)換器能把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字代碼，而不需要經(jīng)過(guò)中間變量。間接型A/D轉(zhuǎn)換器是把待轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓先轉(zhuǎn)換為一個(gè)中間變量，然后再對(duì)中間變量量化編碼，得出轉(zhuǎn)換結(jié)果。4.A/D轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)A/D轉(zhuǎn)換器的大致分類(lèi)如圖7-7所示。圖7-7A/D轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)A/D轉(zhuǎn)換器的大致分類(lèi)如圖7-7所示。圖7-7A/D7.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的原理電路如圖7-8所示。圖7-8

3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)它由電阻分壓器、電壓比較器、寄存器及編碼器組成。圖中，八個(gè)電阻將參考電壓VREF分成八個(gè)等級(jí)，其中七個(gè)等級(jí)的電壓（VREF/15，3VREF/15，…，13VREF/15）分別作為七個(gè)比較器C1~C7的參考電壓。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。它由電阻分壓器、電壓比較器、寄存器及編碼器組成。圖中，比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲(chǔ)，CP作用后，觸發(fā)器的輸出狀態(tài)Q7~Q1與對(duì)應(yīng)比較器的輸出狀態(tài)CO7~CO1相同。經(jīng)代碼轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)(優(yōu)先編碼器)輸出數(shù)字量D2D1D0。優(yōu)先編碼器優(yōu)先級(jí)別最高是Q7，最低是Q1。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲(chǔ)，CP作用后，觸發(fā)器的輸設(shè)uI變化范圍是0~VREF，輸出3位數(shù)字量為D2、D1、D0，3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系如表7-2所示。表7-2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的輸入輸出關(guān)系設(shè)uI變化范圍是0~VREF，輸出3位數(shù)字量為D2、D通過(guò)觀察此表，可確定代碼轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)輸出、輸入之間的邏輯關(guān)系：

D2=Q4D1=Q6+Q4Q2D0=Q7+Q6Q5+Q4Q3+Q2Q1在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，uI同時(shí)加到所有比較器的輸出端，從uI加入經(jīng)比較器、D觸發(fā)器和編碼器的延遲后，可得到穩(wěn)定的輸出。通過(guò)觀察此表，可確定代碼轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)輸出、輸入之間的邏輯關(guān)7.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器1.概述逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器屬于直接型A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換過(guò)程相當(dāng)于一架天平秤量物體的過(guò)程，不過(guò)這里不是加減砝碼，而是通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器及寄存器加減標(biāo)準(zhǔn)電壓，使標(biāo)準(zhǔn)電壓值與被轉(zhuǎn)換電壓平衡。這些標(biāo)準(zhǔn)電壓通常稱(chēng)為“電壓砝碼”。7.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器1.概述逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器由比較器、環(huán)形分配器、控制門(mén)、寄存器與D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。比較的過(guò)程首先是取最大的電壓砝碼，即寄存器最高位為1時(shí)的二進(jìn)制數(shù)所對(duì)應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓，將此模擬電壓uA與uI進(jìn)行比較，當(dāng)uA＞uI時(shí)，最高位置0；反之，當(dāng)uA＜uI時(shí)，最高位1保留，再將次高位置1，轉(zhuǎn)換為模擬量與uI進(jìn)行比較，確定次高位1保留還是去掉。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器由比較器、環(huán)形分配器、控制門(mén)、寄以上過(guò)程可以用圖7-9加以說(shuō)明，圖中表示將模擬電壓uI轉(zhuǎn)換為4位二進(jìn)制數(shù)的過(guò)程。圖7-9逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的逼近過(guò)程以上過(guò)程可以用圖7-9加以說(shuō)明，圖中表示將模擬電壓uI圖中的電壓砝碼依次為800mV、400mV、200mV和100mV，轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先將寄存器清零，所以加給D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量全為0。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器送出一個(gè)800mV的電壓砝碼與輸入電壓比較，由于uI＜800mV，將800mV的電壓砝碼去掉；再加400mV的電壓砝碼，uI＞400mV，于是保留400mV的電壓砝碼；圖中的電壓砝碼依次為800mV、400mV、200mV再加200mV的砝碼，uI＞400mV+200mV，200mV的電壓砝碼也保留；再加100mV的電壓砝碼，因uI＜400mV+200mV+100mV，故去掉100mV的電壓砝碼。最后寄存器中獲得的二進(jìn)制碼0110，即為uI對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。再加200mV的砝碼，uI＞400mV+200mV，22.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理下面結(jié)合圖7-10的邏輯圖具體說(shuō)明逐次比較的過(guò)程。圖7-103位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器2.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理圖7-103位逐次逼近這是一個(gè)輸出3位二進(jìn)制代碼的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。圖中的C為電壓比較器；觸發(fā)器FA、FB和FC組成了3位數(shù)碼寄存器，觸發(fā)器F1~F5構(gòu)成環(huán)形分配器和門(mén)G1~G9一起組成控制邏輯電路。轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先將FA、FB、FC置零，同時(shí)將F1~F5組成的環(huán)形移位寄存器置為Q1Q2Q3Q4Q5=10000。這是一個(gè)輸出3位二進(jìn)制代碼的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。圖轉(zhuǎn)換控制信號(hào)uL變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開(kāi)始。第一個(gè)CP脈沖到達(dá)后，F(xiàn)A被置1，而FB、FC被置0。這時(shí)寄存器的狀態(tài)QAQBQC=100加到D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端，并在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓uA(800mV)。uA和uI比較，其結(jié)果有兩種：若uI≥uA，則uB=0；若uI＜uA，則uB=1。同時(shí)，移位寄存器右移一位，使Q1Q2Q3Q4Q5=01000。轉(zhuǎn)換控制信號(hào)uL變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開(kāi)始。第一個(gè)CP脈第二個(gè)CP到達(dá)時(shí),FB被置成1。若原來(lái)的uB=1(uI＜uA)，則FA被置成0，此時(shí)電壓砝碼為400mV；若原來(lái)的uB=0(uI＞uA)，則FA的“1”狀態(tài)保留，此時(shí)的電壓砝碼為400mV加上原來(lái)的電壓砝碼值。同時(shí)移位寄存器右移一位，變?yōu)?0100狀態(tài)。第二個(gè)CP到達(dá)時(shí),FB被置成1。若原來(lái)的uB=1(uI第三個(gè)CP到達(dá)時(shí),FC被置成1。若原來(lái)的uB=1，則FB被置成0；若原來(lái)的uB=0，則FB的“1”狀態(tài)保留，此時(shí)的電壓砝碼為200mV加上原來(lái)保留的電壓砝碼值。同時(shí)移位寄存器右移一位，變成00010狀態(tài)。第三個(gè)CP到達(dá)時(shí),FC被置成1。若原來(lái)的uB=1，則F第四個(gè)CP到達(dá)時(shí)，同時(shí)根據(jù)這時(shí)uB的狀態(tài)決定FC的“1”是否應(yīng)當(dāng)保留。這時(shí)FA、FB、FC的狀態(tài)就是所要的轉(zhuǎn)換結(jié)果。同時(shí)，移位寄存器右移一位，變?yōu)?0001狀態(tài)。由于Q5=1，于是FA、FB、FC的狀態(tài)便通過(guò)門(mén)G6、G7、G8送到了輸出端。第四個(gè)CP到達(dá)時(shí)，同時(shí)根據(jù)這時(shí)uB的狀態(tài)決定FC的“1第五個(gè)CP到達(dá)后，移位寄存器右移一位，使得Q1Q2Q3Q4Q5=10000，返回初始狀態(tài)。同時(shí)，由于Q5=0，門(mén)G6、G7、G8被封鎖，轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)隨之消失。所以對(duì)于圖示的A/D轉(zhuǎn)換器,完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間為(n+2)TCP。第五個(gè)CP到達(dá)后，移位寄存器右移一位，使得Q1Q2Q33.逐次逼近型集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC0809由八路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成。電路如圖7-11所示。圖7-11ADC0809邏輯框圖3.逐次逼近型集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809圖7-11ADADC0809采用雙列直插式封裝,共有28條引腳，現(xiàn)分四組簡(jiǎn)述如下。（1）模擬信號(hào)輸入線（8條）IN0~IN7為八路模擬電壓輸入線，加在模擬開(kāi)關(guān)上，工作時(shí)采用時(shí)分割的方式，輪流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809采用雙列直插式封裝,共有28條引腳，現(xiàn)分（2）地址輸入和控制線（4條）其中ADDA、ADDB和ADDC為地址輸入線（Address），用于選擇IN0~IN7中哪一路模擬電壓送給比較器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE＝1時(shí)，三條地址線上地址信號(hào)得以鎖存，經(jīng)譯碼器控制八路模擬開(kāi)關(guān)工作。（2）地址輸入和控制線（4條）（3）數(shù)字量輸出及控制線（11條）START為啟動(dòng)脈沖輸入線，該線的正脈沖由CPU送來(lái)，寬度應(yīng)大于100ns，上升沿將寄存器清零，下降沿啟動(dòng)ADC工作。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線，該線高電平表示A/D轉(zhuǎn)換已結(jié)束，數(shù)字量已鎖入“三態(tài)輸出鎖存器”。2-8~2-1為數(shù)字量輸出線，2-1為最高位。OE為輸出允許端，高電平時(shí)可輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。（3）數(shù)字量輸出及控制線（11條）（4）電源線及其他（5條）CLOCK為時(shí)鐘輸入線，用于為ADC0809提供逐次比較所需的640kHz時(shí)鐘脈沖。VCC為+5V電源輸入線，GND為地線。+VREF和-VREF為參考電壓輸入線，用于給D/A轉(zhuǎn)換器供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。+VREF常和VCC相連，-VREF常接地。（4）電源線及其他（5條）7.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器1.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器屬于間接型A/D轉(zhuǎn)換器，它是把待轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓先轉(zhuǎn)換為一個(gè)中間變量，如時(shí)間T；再對(duì)中間變量量化編碼，得出轉(zhuǎn)換結(jié)果，這種A/D轉(zhuǎn)換器多稱(chēng)為電壓-時(shí)間變換型（簡(jiǎn)稱(chēng)VT型）。7.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器1.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作圖7-12給出的是VT型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖。圖7-12雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器圖7-12給出的是VT型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先將計(jì)數(shù)器清零，并接通開(kāi)關(guān)S0使電容C完全放電。轉(zhuǎn)換開(kāi)始，斷開(kāi)S0。整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程分兩階段進(jìn)行。第一階段，令開(kāi)關(guān)S1置于輸入信號(hào)uI一側(cè),積分器（由集成運(yùn)放A組成）對(duì)uI進(jìn)行固定時(shí)間T1的積分。積分結(jié)束時(shí),積分器的輸出電壓為:

uO1=1/C∫T10(-uI/R)dt=-T1uI/RC(7-4)轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先將計(jì)數(shù)器清零，并接通開(kāi)關(guān)S0使電容C完全可見(jiàn)積分器的輸出uO1與uI成正比。這一過(guò)程稱(chēng)為轉(zhuǎn)換電路對(duì)輸入模擬電壓的采樣過(guò)程。在采樣開(kāi)始時(shí)，邏輯控制電路將計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到滿量程N(yùn)時(shí)，計(jì)數(shù)器由全“1”復(fù)“0”，這個(gè)時(shí)間正好等于T1。計(jì)數(shù)器復(fù)“0”時(shí)，同時(shí)給出一個(gè)溢出脈沖（即進(jìn)位脈沖）使邏輯控制電路發(fā)出信號(hào)，令開(kāi)關(guān)S1轉(zhuǎn)換至參考電壓-VREF一側(cè)，采樣階段結(jié)束?？梢?jiàn)積分器的輸出uO1與uI成正比。這一過(guò)程稱(chēng)為轉(zhuǎn)換電第二階段稱(chēng)為定速率積分過(guò)程，將uO1轉(zhuǎn)換為成比例的時(shí)間間隔。采樣階段結(jié)束時(shí)，一方面因-VREF的極性與uI相反，積分器向相反方向積分。計(jì)數(shù)器由0開(kāi)始計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)T2時(shí)間，積分器輸出電壓回升為零，過(guò)零比較器B輸出低電平，關(guān)閉計(jì)數(shù)門(mén)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，同時(shí)通過(guò)邏輯控制電路使開(kāi)關(guān)S1與uI相接，重復(fù)第一步。第二階段稱(chēng)為定速率積分過(guò)程，將uO1轉(zhuǎn)換為成比例的時(shí)間因此得到：T2VREF/RC=T1uI/RC即T2=uITI/VREF(7-5)上式表明，反向積分時(shí)間T2與輸入模擬電壓uI成正比。因此得到：在T2期間,控制門(mén)G打開(kāi)，標(biāo)準(zhǔn)頻率為fCP的時(shí)鐘通過(guò)G，計(jì)數(shù)器對(duì)UG計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果為D，由于

T1=N1TCPT2=DTCP則計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)為：D=T1uI/TCPVREF=NiuI/VREF(7-6)在T2期間,控制門(mén)G打開(kāi)，標(biāo)準(zhǔn)頻率為fCP的時(shí)鐘通過(guò)G計(jì)數(shù)器中的數(shù)值就是A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，至此即完成了V/T轉(zhuǎn)換。若輸入電壓uI1<uI，u′O1<uO1，則T′2＜T2，它們之間也都滿足固定的比例關(guān)系，如圖7-13所示。圖7-13雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的波形圖計(jì)數(shù)器中的數(shù)值就是A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，至此即完雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器與逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器相比較，因有積分器的存在，積分器的輸出只對(duì)輸入信號(hào)的平均值有所響應(yīng)，所以，其突出優(yōu)點(diǎn)是工作性能比較穩(wěn)定，且抗干擾能力強(qiáng)；由以上分析可以看出，只要兩次積分過(guò)程中積分器的時(shí)間常數(shù)相等，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果與R、C無(wú)關(guān)，所以，該電路對(duì)R、C精度的要求不高，而且電路結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器與逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器相比較，因2.集成雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器集成雙積分型ADC品種有很多，大致分成二進(jìn)制輸出和BCD輸出兩大類(lèi)，圖7-14是BCD碼雙積分型ADC的框圖，它是一種3(1/2)位BCD碼A/D轉(zhuǎn)換器。圖7-14BCD碼雙積分型ADC框圖2.集成雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器圖7-14BCD碼雙積分型AD3(1/2)位的3表示低三位有0~9十個(gè)數(shù)碼，1/2的分母2表示最高位只有0、1兩個(gè)數(shù)碼，分子1表示最高位數(shù)碼最大為1，顯示的數(shù)值范圍為0000~1999。同類(lèi)產(chǎn)品有ICL7107、7109、5G14433等。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器一般外接配套的LED顯示器或LCD顯示器，可以將模擬電壓uI用數(shù)字量直接顯示出來(lái)。3(1/2)位的3表示低三位有0~9十個(gè)數(shù)碼，1/27.3.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度等。選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，除考慮這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)外，還應(yīng)注意滿足其輸入電壓的范圍、輸出數(shù)字的編碼、工作溫度范圍和電壓穩(wěn)定度等方面的要求。7.3.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的主要1.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(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(lái)描述的。分辨率，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)來(lái)表示。它說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。從理論上講，n位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分2n個(gè)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。1.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，分辨率愈高。例如，A/D轉(zhuǎn)換器輸出為8位二進(jìn)制數(shù)，輸入信號(hào)最大值為5V，那么這個(gè)轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分出輸入信號(hào)的最小電壓為19.53mV。轉(zhuǎn)換誤差，轉(zhuǎn)換誤差通常是以輸出誤差的最大值形式給出的。它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示。在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，分辨率愈高。例如，2.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換電路的類(lèi)型有關(guān)，不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)。并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高，8位二進(jìn)制輸出的單片集成A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)到50ns以內(nèi)，逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之，它們多數(shù)的轉(zhuǎn)換時(shí)間在10～50μs以內(nèi)，間接A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢。2.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間7.4多路模擬開(kāi)關(guān)7.4.1模擬開(kāi)關(guān)的功能及電路組成7.4.2模擬開(kāi)關(guān)的各種工作模式7.4多路模擬開(kāi)關(guān)7.4.1模擬開(kāi)關(guān)的功能及電路組成7.4模擬開(kāi)關(guān)，是通過(guò)數(shù)字量來(lái)控制傳輸門(mén)（TG）的接通和斷開(kāi)，以傳輸數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)的開(kāi)關(guān)。它具有功耗低、速度快、體積小、無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在一定程度上可以用來(lái)代替繼電器。它的缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻不夠?。◣资翈装贇W），斷開(kāi)時(shí)仍有泄露電流（約0.1μA），且通過(guò)的電流一般為毫安級(jí)。模擬開(kāi)關(guān)，是通過(guò)數(shù)字量來(lái)控制傳輸門(mén)（TG）的接通和斷開(kāi)7.4.1模擬開(kāi)關(guān)的功能及電路組成圖7-15（a）給出了CC4066CMOS四雙向模擬開(kāi)關(guān)的管腳，其中VDD為正電源，CC4066的VSS端可以接地也可以接負(fù)電源，VSS接負(fù)電源可以增大關(guān)斷電阻。輸入信號(hào)在0～VDD之間變化，輸入端與輸出端可互換。它由四個(gè)傳輸門(mén)構(gòu)成，圖（b）為其中一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的邏輯圖。當(dāng)VC1＝0時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，反之，當(dāng)VC1＝1時(shí)，則接通。7.4.1模擬開(kāi)關(guān)的功能及電路組成圖7-15（a）給出圖7-15CC4066（a）引腳排列(b)邏輯圖圖7-15CC40667.4.2模擬開(kāi)關(guān)的各種工作模式表7-3各種模擬開(kāi)關(guān)的連接方式7.4.2模擬開(kāi)關(guān)的各種工作模式表7-3各種模擬開(kāi)關(guān)的連接方7.5.1系統(tǒng)的技術(shù)要求7.5.2系統(tǒng)方框圖7.5.3電路設(shè)計(jì)7.5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介*7.5.17.5.27.5.37.5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介*7.5.1系統(tǒng)的技術(shù)要求數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)多種多樣，但其基本工作過(guò)程相似，匯集被測(cè)控對(duì)象的各種模擬量，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再通過(guò)計(jì)算機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理芯片等對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行加工處理后，再通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，實(shí)現(xiàn)所需的控制。7.5.1系統(tǒng)的技術(shù)要求數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)多種多樣，但設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器，來(lái)控制一個(gè)加熱器，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，加熱器自動(dòng)斷電。電路應(yīng)包括以下幾項(xiàng)功能。①測(cè)溫和控制范圍：18～65℃；②控溫精度:≤1℃；③電路具有顯示溫度環(huán)節(jié)和超溫報(bào)警指示；④采用單片機(jī)作為控制電路，采用繼電器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器，來(lái)控制一個(gè)加熱器，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)7.5.2系統(tǒng)方框圖本系統(tǒng)由集成溫度傳感器、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、控制驅(qū)動(dòng)電路、加熱器、鎖存器、譯碼顯示電路