第八章 數(shù)字與模擬的轉(zhuǎn)換及應(yīng)用電路

目標(biāo)

熟悉A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的基本構(gòu)成、原理和技術(shù)指標(biāo)；

8.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)

在生產(chǎn)中，許多待控制和測(cè)量對(duì)象在實(shí)現(xiàn)控制和測(cè)量等功能時(shí)，將其對(duì)應(yīng)的各種非電物理量(溫度、流量、壓力等)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的模擬電信號(hào)，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，才能被計(jì)算機(jī)、單片機(jī)所識(shí)別進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制、測(cè)量等功能；計(jì)算機(jī)、單片機(jī)對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行各種計(jì)算和處理后，輸出相應(yīng)的控制量。

這些輸出量需要經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)變換轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬輸出量，進(jìn)而去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)被控制的物理量按照預(yù)先的設(shè)定變化。

由此可見(jiàn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器模擬在計(jì)算機(jī)、單片機(jī)為控制核心的智能化測(cè)量、控制儀器的應(yīng)用中具有十分重要的作用。8.1.1DAC的工作原理DAC的作用是將一組輸入的數(shù)字信號(hào)(最常用的是二進(jìn)制數(shù)字量)轉(zhuǎn)換為與該數(shù)字信號(hào)成比例的模擬電壓或模擬電流的電路，故有時(shí)又將DAC稱為解碼器。DAC通常采用的轉(zhuǎn)換方法是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字量按其權(quán)值分別轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，再將各自所轉(zhuǎn)換的模擬量相疊加，最后得到的模擬總量即為DAC轉(zhuǎn)換所得。

圖8.1就是基于上述思想組建的DAC框圖。

在圖8.1中，數(shù)據(jù)鎖存用來(lái)暫時(shí)存放輸入的數(shù)字量D0D1D2…Dn-1，這些數(shù)字量用來(lái)控制電子開(kāi)關(guān)，使得參考電壓按位切換到電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)中變成加權(quán)電流，然后經(jīng)求和電路求和，輸出相應(yīng)的模擬電壓Uo。DAC的輸入是數(shù)字信號(hào)，它可以是任何一種編碼，常用的是二進(jìn)制碼D/A轉(zhuǎn)換器有時(shí)又稱為解碼器。

根據(jù)電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)的不同，可將DAC分為權(quán)電阻DAC、T形電阻DAC和倒T形電阻DAC等。

8.1.2權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC

圖8.2所示為n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電路原理。它由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)(20R、21R、22R、…、2n-1R)，電子開(kāi)關(guān)(S0、S1、S2、…、Sn-1)和反相求和電路A組成。

權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)(20R、21R、22R、…、2n-1R)由n個(gè)電阻組成，其中電阻的取值應(yīng)使流過(guò)它的電流Ii和對(duì)應(yīng)的數(shù)字量Di位的權(quán)值成正比。例如，數(shù)字量的最高位Dn-1的權(quán)值為2n-1，其對(duì)應(yīng)的權(quán)電阻Rn-1=2n-1×2n-1R=20R；最低位D0的權(quán)值為20，其對(duì)應(yīng)的權(quán)電阻R0=2n-1×20R=2n-1R。故此，于任意數(shù)碼位Di對(duì)其權(quán)值為2i，其對(duì)應(yīng)的全電阻Ri=2n-1×2iR，也就是說(shuō)，權(quán)位越高，對(duì)應(yīng)的權(quán)電阻越小。

電子開(kāi)關(guān)(S0、S1、S2、…、Sn-1)的狀態(tài)取決于相應(yīng)的數(shù)字量D0D1D2…Dn-1，當(dāng)Di=0時(shí)，相應(yīng)的電子開(kāi)關(guān)Si接地；當(dāng)Di=1時(shí)，相應(yīng)的電子開(kāi)關(guān)Si將對(duì)應(yīng)的電阻Ri與基準(zhǔn)電壓UREF接通。

因反相求和電路A為理想集成運(yùn)算放大器，則有I=IF(虛斷)。又由虛地點(diǎn)(U-≈0)可得到且各支路的電流Ii為式中，當(dāng)Di=0時(shí)，Ii=0；Di=1時(shí)，將式(8-2)代入式(8-1)中，可得到

在n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，經(jīng)常取反饋電阻Rf=R/2，則此時(shí)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓Uo可表示為

式(8-4)表明，n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出電壓Uo與輸入的數(shù)字量Dn-1

Dn-2…D1D0成正比，即實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。【例8-1】如圖8.3所示的4位權(quán)電阻網(wǎng)路DAC電路，若UREF=12V，求對(duì)應(yīng)D3D2D1D0分別為0110和1100時(shí)輸出電壓值。解：(1)當(dāng)D3D2D1D0=0110時(shí)，(2)同理，當(dāng)D3D2D1D0=1100時(shí)，

在式(8-4)中，當(dāng)Dn-1Dn-2…D1D0=0時(shí)，n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出電壓Uo=0；當(dāng)Dn-1

Dn-2…D1D0=11…11時(shí)，輸出電壓為

Uo

所以n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出電壓Uo的變化范圍是0～n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、直觀，需用的元器件數(shù)不多。它的缺點(diǎn)是電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的阻值隨著數(shù)字信號(hào)位數(shù)Di的增加，低位電阻

與高位電阻

差別甚大，這樣使得電阻網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)電阻值的精度保持一致就比較困難，特別是在集成電路中就更不利，因此在集成DAC中，一般很少采用此種電路。8.1.3倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC

為了克服n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電阻網(wǎng)絡(luò)電阻值的精度難以保持一致的缺點(diǎn)，下面來(lái)看圖8.4所示的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。電阻網(wǎng)絡(luò)中只有R和2R兩種電阻，且兩個(gè)R和一個(gè)2R構(gòu)成倒T形結(jié)構(gòu)。電子開(kāi)關(guān)(S0、S1、S2、…、Sn-1)的狀態(tài)取決于相應(yīng)的數(shù)字量D0D1D2…Dn-1，當(dāng)Di=0時(shí)，相應(yīng)的電子開(kāi)關(guān)Si接運(yùn)算放大器的同相端(接地)；當(dāng)Di=1時(shí)，電子開(kāi)關(guān)Si接運(yùn)放的反相端(虛地)。

也就是說(shuō)，無(wú)論電子開(kāi)關(guān)在任何位置，電阻2R始終相當(dāng)于接到了“地”上，所以流過(guò)每條支路電阻2R中的電流不會(huì)隨著電子開(kāi)關(guān)的變化而改變。從參考電壓UREF端向右看，得到電阻網(wǎng)路的等效電路如圖8.5所示。

從圖8.5中不難看出，從電路右端向左看進(jìn)去的電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電阻為R，所以，由參考電壓UREF提供的總電流為I=UREF/R，此電流向左每經(jīng)過(guò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，電流就衰減為之前的一半，則流入運(yùn)放的反相輸入端的電流I為

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是電阻種類少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路電流流入求和點(diǎn)不存在時(shí)間差，提高了轉(zhuǎn)換速度。倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器是目前集成D/A轉(zhuǎn)換器中使用較多的一種，如8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，10位D/A轉(zhuǎn)換器CB7520等，就是采用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)。8.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度、溫度系數(shù)等。1.轉(zhuǎn)換精度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)衡量。1)分辨率D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率是指對(duì)輸出電壓的分辨能力。D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為最小分辨輸出電壓ULSB(對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量?jī)H最低位為1，其余位為0)與最大輸出電壓UFSR(對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量各位全為1)之比。分辨率=

由式(8-6)可知，輸入數(shù)字量的位數(shù)n越大，分辨率最小。即數(shù)字量的有效位數(shù)n越多，分辨率的數(shù)值越小，分辨力越強(qiáng)。因此在實(shí)際中常用輸入數(shù)字量的有效位n數(shù)來(lái)表示分辨率，如10位D/A的分辨率為10位。(8-6)2)轉(zhuǎn)換誤差D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差有絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差之分，絕對(duì)誤差是指實(shí)際輸出模擬電壓與理論輸出模擬電壓之間的偏差。通常用最小分辨率輸出電壓的倍數(shù)表示，如

ULSB就表示輸出值與理論值的誤差為最小可分辨電壓的一半。相對(duì)誤差是絕對(duì)誤差與滿刻度輸出電壓UFSR(對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量各位全為1)之比，通常用百分?jǐn)?shù)表示。例如，某D/A轉(zhuǎn)換器的UFSR=1V，實(shí)際模擬電壓輸出為1001mV，則其相對(duì)誤差為可見(jiàn)，轉(zhuǎn)換誤差越小，電路的轉(zhuǎn)換精度越高。2.轉(zhuǎn)換速度

當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出的模擬量(電壓或電流)達(dá)到穩(wěn)定值所需要的一段時(shí)間稱為建立時(shí)間，建立時(shí)間越短，轉(zhuǎn)換速度越高。3.溫度系數(shù)

在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓(或電流)隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1℃，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。此參數(shù)表明D/A轉(zhuǎn)換器受溫度變化影響的特性。一般D/A轉(zhuǎn)換器的溫度靈敏度為50ppm/℃。8.1.5集成D/A轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用DAC0832是常用的集成8位D/A轉(zhuǎn)換芯片，它是用CMOS工藝制成的雙列直插式(DIP)的DAC，數(shù)據(jù)輸入方法可以是單緩沖、雙緩沖或直接輸入?？梢灾苯优c8080、MCS51等微處理器連接。DAC0832以其接口方便、價(jià)格低廉、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，且可與DAC0830/0831/相互替換，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。1．DAC內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和引腳排列如圖8.6、圖8.7所示，DAC0832具有雙緩沖功能，就是輸入數(shù)據(jù)可分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)寄存器保存。

結(jié)構(gòu)框圖中第一個(gè)寄存器稱為8位輸入寄存器，常用于連接單片機(jī)，接收單片機(jī)送來(lái)的數(shù)字信號(hào)；第二個(gè)寄存器稱為8位DAC寄存器，8位的D/A轉(zhuǎn)換器是把該DAC寄存器鎖存的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電流。(1)：片選信號(hào)輸入，低電平有效。它與ILE信號(hào)結(jié)合起來(lái)用以控制輸入寄存器是否起作用。(2)：寫信號(hào)1輸入端，低電平有效，在ILE和

有效時(shí)，用于控制把外部數(shù)據(jù)寫鎖存于輸入寄存器中。AGND(3)：模擬地。為芯片模擬電路接地點(diǎn)。D0～D7(4)～(7)、(13)～(16)：為8位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入端。VREF(8)：基準(zhǔn)電壓輸入端，電壓范圍為-10～+10V。Rfb(9)：反饋電阻引出端。該電阻被制作在芯片內(nèi)，用作運(yùn)算放大器的反饋電阻。DGND(10)：數(shù)字地。為芯片數(shù)字電路接地點(diǎn)。IOUT2(11)：電流輸出2端，在DAC的電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出時(shí)，該端應(yīng)和運(yùn)放的同相端一起接地。IOUT1(12)：電流輸出1端，在DAC的電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出時(shí)，該端應(yīng)和運(yùn)放的反相端一起連接。(17)：傳送控制信號(hào)，輸入、低電平有效。它和

一起控制8位DAC寄存器的鎖存。(18)：寫信號(hào)2輸入端，低電平有效。在有效的條件下，用它將輸入寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到8位DAC寄存器中。ILE(19)：輸入寄存器允許信號(hào)端，高電平有效。VCC(20)：電源電壓，范圍為+5～+15V，+15V為最佳。2．DAC0832的3種工作方式

從DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖可知，當(dāng)在ILE、

及3個(gè)控制信號(hào)都有效時(shí)，把數(shù)據(jù)線上的8位數(shù)據(jù)鎖入輸入寄存器中，同時(shí)數(shù)據(jù)送到8位DAC寄存器的輸入端。在

、

都有效的情況下，8位數(shù)據(jù)再次被鎖存到8位DAC寄存器，同時(shí)數(shù)據(jù)送到8位D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端，這時(shí)開(kāi)始把8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的模擬電流從IOUT1和IOUT2輸出。針對(duì)兩個(gè)寄存器鎖存信號(hào)的控制方法形成DAC0832的3種工作方式。1)雙緩沖方式

由寫信號(hào)1輸入端

先將輸入端的數(shù)字信號(hào)鎖存到輸入寄存器中，當(dāng)需要D/A轉(zhuǎn)換時(shí)，再由寫信號(hào)2輸入端

將輸入寄存器中的信號(hào)鎖存到DAX寄存器中后再送入D/A轉(zhuǎn)換電路，即數(shù)據(jù)通過(guò)兩個(gè)寄存器鎖存后再送入D/A轉(zhuǎn)換電路，執(zhí)行兩次寫操作才能完成一次D/A轉(zhuǎn)換。2)單緩沖方式

使兩個(gè)寄存器中之一始終處于直通狀態(tài)，由一個(gè)寄存器來(lái)鎖存數(shù)據(jù)，也可用一個(gè)鎖存信號(hào)使得兩個(gè)寄存器同時(shí)選通及鎖存，即輸入數(shù)據(jù)只經(jīng)過(guò)一級(jí)緩沖送入D/A轉(zhuǎn)換電路。3)直通方式

先將兩個(gè)寄存器的相關(guān)控制信號(hào)都預(yù)設(shè)成有效狀態(tài)，使得兩個(gè)寄存器均處于直通狀態(tài)，只要輸入端有數(shù)字量，就可開(kāi)始將此送入D/A轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。3．DAC0832應(yīng)用

電路如圖8.8所示，兩片74LS163組成一個(gè)8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的輸出從00000000到11111111反復(fù)變化。DAC0832構(gòu)成了一個(gè)雙緩沖輸出的D/A轉(zhuǎn)換器。計(jì)數(shù)器輸出為11111111時(shí)，電路的輸出電壓uo達(dá)到最大值Umax，在下一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，計(jì)速器輸出為00000000，此時(shí)電路的輸出電壓uo=0。

當(dāng)計(jì)數(shù)器從00000000到11111111變化的過(guò)程中，電路的輸出會(huì)得到256(28)個(gè)逐步遞增的模擬電壓，基于仿真軟件仿真后用虛擬示波器看到的鋸齒波形如圖8.9所示。

因?yàn)槊?56個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器從0000000變?yōu)?111111，對(duì)應(yīng)的模擬電壓從0到Umax輸出變化也對(duì)應(yīng)地改變一次，所以輸出的鋸齒波頻率fo=256fcp(為計(jì)數(shù)器的脈沖頻率)。從圖8.9所示的鋸齒波波形圖中也可讀出兩個(gè)光標(biāo)的差值，即鋸齒波的周期為256ms，為圖8.8中時(shí)鐘脈沖頻率(1kHz)的1/256。DAC0832是由倒T形權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器，其11、12腳所連接的集成運(yùn)算放大器A的作用是將DAC0832的輸出電流轉(zhuǎn)化為輸出電壓，而輸出電壓由于與參考電壓UREF成正比，故要提高輸出鋸齒波電壓的幅度，只需改變參考電壓UREF的值即可。8.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)8.2.1ADC的基本步驟1．取樣和保持

取樣(又稱采樣)是將時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的信號(hào)，即將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的幅度取決于輸入模擬量的振幅。

為了在DAC時(shí)能恢復(fù)出被采樣的信號(hào)，這里有必要介紹采樣定理。采樣定理是指為了從采樣信號(hào)中不失真地恢復(fù)出原始信號(hào)，采樣頻率fs至少應(yīng)是原始信號(hào)最高有效頻率fmax的2倍，即要滿足fs≥2fmax。在實(shí)際中一般取fs(4～5)fmax。

由于每次把采樣電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量都需要一定的時(shí)間，因此在每次采樣后必須將所采得的電壓保持一段時(shí)間。完成這種功能的便是采樣保持電路。

圖8.10給出了基本采樣保持電路的原理電路。圖8.10基本采樣保持電路

其中，運(yùn)算放大器A接成電壓跟隨器的目的是提高輸入阻抗，減小輸入電流。C是保持電容。VT是由場(chǎng)效應(yīng)管組成的模擬開(kāi)關(guān)，并受采樣脈沖us控制。當(dāng)控制脈沖us為采樣電平(高電平1)時(shí)，開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，保持電容C充電，則輸出電壓uo隨輸入電壓ui變化而變化。而當(dāng)us為保持電平(低電平０)時(shí)，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，保持電容C保存輸入電壓ui值，使放大器輸出電壓uo等于S斷開(kāi)瞬間時(shí)的輸入電壓值。

采樣保持電壓波形如圖8.11所示。2．量化和編碼

從圖8.11可以明顯地看出，采樣保持電路輸出的信號(hào)uo已經(jīng)是階梯波，但此波的幅度仍然有無(wú)限多個(gè)取值，而且大小是隨機(jī)的。也就是說(shuō)，此種階梯波依然還是一個(gè)“模擬量”。我們無(wú)法用數(shù)字信號(hào)來(lái)表示出此“模擬量”的無(wú)限多個(gè)取值。為了解決這一問(wèn)題，要將采樣保持電路輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)量化處理。

量化是指將采樣保持后的信號(hào)幅值轉(zhuǎn)化成某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍的過(guò)程。所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫作量化單位或量化間隔，用Δ表示，即

上式中n表示要將模擬輸入電壓轉(zhuǎn)化為n位二進(jìn)制的位數(shù)。位數(shù)n越多，量化等級(jí)越細(xì)，Δ就越小。

例如，有一模擬信號(hào)，幅值范圍為0～2V，要轉(zhuǎn)化為3位和4位二進(jìn)制代碼，則其量化間隔分別為

Δ(n=3)=1LSB=和Δ(n=4)=1LSB=

對(duì)采樣保持后的模擬電壓的量化方法一般有只舍不入法和四舍五入法兩種。只舍不入法。

當(dāng)量化電壓的尾數(shù)小于1LSB時(shí)，舍去尾數(shù)部分，取其整數(shù)部分。例如，當(dāng)Δ＝1LSB＝

時(shí)，如果量化電壓uo滿足用圖形表示為圖8.12所示。0≤Uo<Δ=

時(shí)，則量化值為0

Δ=0V。

≤Uo<2Δ=時(shí)，則量化值為1Δ=

。

≤Uo<3Δ=時(shí)，則量化值為2Δ=?！瓐D8.11采樣保持電壓波形圖8.12只舍不入法量化(2)四舍五入法。

當(dāng)量化電壓的尾數(shù)小于LSB時(shí)，舍去尾數(shù)部分，取其整數(shù)部分；而當(dāng)量化電壓的尾數(shù)大于LSB時(shí)，則給量化值再加上1LSB。例如，當(dāng)Δ＝1LSB＝

時(shí)，如果量化電壓uo滿足0≤Uo<Δ=時(shí)，則量化值為0

Δ=0V。

≤Uo<Δ=時(shí)，則量化值為0+Δ=

。

≤Uo<Δ=時(shí)，則量化值為1+Δ=?！?/p>

用圖形表示為圖8.13所示。

在經(jīng)量化過(guò)程中有舍有入，則在量化中必然產(chǎn)生誤差，把這個(gè)由量化產(chǎn)生的誤差，稱為量化誤差。

把量化出的量化數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示出來(lái)的過(guò)程，稱為編碼。把編碼后的二進(jìn)制代碼輸出就得到了A/D轉(zhuǎn)換的輸出數(shù)字信號(hào)。圖8.13四舍五入法量化8.2.2典型的ADC轉(zhuǎn)換器

并聯(lián)比較型ADC2.反饋比較型ADC1)計(jì)數(shù)型ADC

計(jì)數(shù)型ADC的原理如圖8.16所示。由比較器A、DAC、計(jì)數(shù)器、控制門G和輸出寄存器組成。圖8.16計(jì)數(shù)型ADC電路構(gòu)成2)逐次漸進(jìn)型ADC

逐次漸進(jìn)型ADC是使用較為普遍的一種ADC，它的顯著特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快。逐次漸進(jìn)型ADC的原理如圖8.17所示。由比較器A、DAC和A逐次漸進(jìn)寄存器組成。圖8.17逐次漸進(jìn)型ADC電路構(gòu)成

假設(shè)寄存器開(kāi)始時(shí)置0，時(shí)鐘脈沖CP到來(lái)時(shí)，先將寄存器的最高位MSB置1，而其余均為0，也就是說(shuō)寄存器的輸出此時(shí)為100…0。這個(gè)數(shù)字信號(hào)同時(shí)也被加到DAC的輸入端，并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬電壓ui＇，與模擬輸入電壓ui進(jìn)行比較。

若>ui，則電壓比器Ａ的輸出us=1(高電平)，逐次漸進(jìn)寄存器中的該位被復(fù)位，即寄存器的輸出為000…0。

若<ui，則電壓比器Ａ的輸出us=0(低電平)，逐次漸進(jìn)寄存器中的該位被保存，即寄存器的輸出為100…0。

接著，將此高位置１，低位全部為零，按上面所述方法逐位進(jìn)行轉(zhuǎn)換、比較、判斷，以便得到此高位是該保留(置1)還是復(fù)位(置0)。把逐次漸進(jìn)寄存器中的每一位都置1后，轉(zhuǎn)換、比較和判斷后，最后再逐次漸進(jìn)寄存器保存的二進(jìn)制數(shù)就是模擬輸入信號(hào)ui所轉(zhuǎn)化出來(lái)的數(shù)字信號(hào)。

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間與其位數(shù)n和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)越少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短。【例8-2】一個(gè)8位逐次比較型ADC，設(shè)DAC的參考電壓ＵREF=-10V，如輸入的模擬電壓為ui=8.54V，試說(shuō)明轉(zhuǎn)換過(guò)程并計(jì)算出轉(zhuǎn)換結(jié)果。解：對(duì)于DAC的輸出電壓ui＇由式(8-4)可得==按照逐次漸進(jìn)的方法得到如表8.1所示。則此電路轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)為11011010。3.

V-R雙積分型ADCV-T變化型ADC是先把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間寬度信號(hào)，然后在這個(gè)時(shí)間寬度里對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就是輸入模擬信號(hào)的數(shù)字信號(hào)，是一種間接轉(zhuǎn)化法。在V-T變換型電路中使用最多的是雙積分型ADC。V-T雙積分型ADC的原理如圖8.18所示。它由積分器A1、比較器A2、計(jì)數(shù)器、邏輯控制、鎖存器等組成。該電路的工作過(guò)程如下。

圖8.18V-T雙積分型ADC1)起始狀態(tài)

轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，使得計(jì)數(shù)器復(fù)位，并接通開(kāi)關(guān)S，讓電容C放電，從而使得積分器A1輸出電壓uo=0，然后再斷開(kāi)，且控制邏輯發(fā)出控制信號(hào)UC時(shí)，使控制開(kāi)關(guān)Ｋ接入模擬輸入信號(hào)ui。2)定時(shí)積分

由于積分器A1的反相端是“虛地”，所以電容C的充電電壓uo按照某個(gè)負(fù)斜率方向變化。則有(8-7)

在積分器輸出電壓uo為負(fù)電壓期間，比較器A2輸出高電平U2=1，與門G打開(kāi)，脈沖信號(hào)CP通過(guò)G門加到計(jì)數(shù)器開(kāi)始加法計(jì)數(shù)。若輸出電壓uo為正，則A2輸出低電平U2=0，與門G關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿n個(gè)數(shù)值后，計(jì)數(shù)器復(fù)位。此時(shí)控制邏輯發(fā)出控制信號(hào)UC，使控制開(kāi)關(guān)Ｋ接入?yún)⒖茧妷?UR。積分器對(duì)模擬輸入信號(hào)ui的積分完成。即第一階段的定時(shí)積分完成，開(kāi)始對(duì)參考電壓-UR進(jìn)行積分。

在式(8-7)中，T1=2nTC，為第一階段的積分所需時(shí)間，其中TC是計(jì)數(shù)脈沖CP的周期，則在第一階段的積分完成時(shí)，積分器的輸出電壓為(8-8)3)定壓積分

當(dāng)控制信號(hào)UC使控制開(kāi)關(guān)K接入負(fù)參考電壓-UR后，積分器開(kāi)始第二階段的對(duì)-UR的積分，因?yàn)閰⒖茧妷?UR為負(fù)值，積分器進(jìn)行的是反向積分。而且積分器的初始值

為負(fù)值，則電壓比較器A2輸出高電平U2=1，與門G打開(kāi)，脈沖信號(hào)CP通過(guò)G門加到計(jì)數(shù)器開(kāi)始加法計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器計(jì)滿后復(fù)位。第二積分階段的輸出電壓為(8-9)其中，T2為積分器在第二積分階段電壓從

上升到0時(shí)所需的時(shí)間，則有(8-10)=由式(8-9)有(8-11)

設(shè)第二階段計(jì)數(shù)器計(jì)滿后的二進(jìn)制位數(shù)為n2，且令T2=2n2TC，代入式(8-10)中有

式(8-12)說(shuō)明，計(jì)數(shù)器中所計(jì)得的二進(jìn)制位數(shù)n2與輸入模擬電壓Ui成正比。只要ui<UR，轉(zhuǎn)換器就能將輸入電壓ui轉(zhuǎn)換為數(shù)字量從寄存器中輸出。

(8-12)【例8-3】V-T雙積分ADC的UR=-10V，計(jì)數(shù)器為12位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。已知時(shí)鐘頻率fcp=1MHz。求：(1)該ADC允許輸入的最大模擬電壓是多少？(2)當(dāng)Ui=6V時(shí)，求輸出的數(shù)字量。(3)已知輸出的數(shù)字量為(4FF)16，求對(duì)應(yīng)的輸入電壓Ui。解：(1)因?yàn)橹灰猆i<UR，轉(zhuǎn)換器就能將輸入電壓Ui轉(zhuǎn)換為數(shù)字量從寄存器中輸出，所以允許輸入的最大模擬電壓Uimax為

Uimax===10V(2)因?yàn)檩斎肽M電壓與數(shù)字量成正比，是最小量化單位LSB的N倍，N所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量即為轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)Ui=6V時(shí)，(3)輸出的數(shù)字量為(4FF)16時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入電壓Ui為(4FF)16=(1279)10=(10011111111)28.2.3ADC轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)ADC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。

1.轉(zhuǎn)換精度ADC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述。1)分辨率ADC的分辨率(也稱分解度)是指對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。

2)轉(zhuǎn)換誤差

轉(zhuǎn)換誤差是指ADC實(shí)際輸出的數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量之間的差值。例如，相對(duì)誤差≤±LSB/2，就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的一半。2.轉(zhuǎn)換速度

轉(zhuǎn)換速度是指ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指ADC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。轉(zhuǎn)換時(shí)間短，轉(zhuǎn)換速度就高。ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換電路的類型有關(guān)?！纠?-4】某信號(hào)采集系統(tǒng)要求用一片ADC轉(zhuǎn)換集成芯片在1s內(nèi)對(duì)16個(gè)熱電偶的輸出電壓分時(shí)進(jìn)行ADC。已知熱電偶輸出電壓范圍為0～0.025V(對(duì)應(yīng)于0～450℃溫度范圍)，需要分辨的溫度為0.1℃，試問(wèn)應(yīng)選擇多少位的ADC？其轉(zhuǎn)換時(shí)間是多少?解：對(duì)于0～450℃溫度范圍，信號(hào)電壓為0～0.025V，分辨溫度為0.1℃，這相當(dāng)于

的分辨率。

而12位ADC的分辨率為

，因

，所以必須選用13位的ADC轉(zhuǎn)換器。