第12章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

第12章D/A、A/D轉(zhuǎn)換電路

12.1D/A轉(zhuǎn)換器

12.2A/D轉(zhuǎn)換器本章小結(jié)習(xí)題十二數(shù)字系統(tǒng)，特別是計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍越來越廣，它們處理的都是不連續(xù)的0、1數(shù)字信號(hào)，處理后的結(jié)果也是數(shù)字信號(hào)。然而實(shí)際所遇到的許多物理量，如語音、溫度、壓力、流量、亮度等都是在數(shù)值上和時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量，這些物理量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的電壓或電流也是連續(xù)變化的模擬信號(hào)，這些模擬信號(hào)不能直接送入數(shù)字系統(tǒng)處理，需要把它們先轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后才能輸入數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理。處理后的數(shù)字信息也必須先轉(zhuǎn)換成電模擬量，送到執(zhí)行元件中才能對(duì)控制對(duì)象實(shí)行實(shí)時(shí)控制，進(jìn)行必要的調(diào)整。這一過程如圖12.1所示。第12章數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

圖中，A/D轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)稱ADC（AnalogtoDigitalConverter），就是把輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的接口電路，而D/A轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)稱DAC（DigitaltoAnalogConverter），就是把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量（電壓或電流）輸出的接口電路。它們都是數(shù)字系統(tǒng)中必不可少的組成部分。本章討論DAC及ADC的組成及基本工作原理。由于DAC有時(shí)也是ADC的一個(gè)重要組成部分，所以先討論D/A轉(zhuǎn)換，然后再討論A/D轉(zhuǎn)換。12.1D/A轉(zhuǎn)換器

12.1.1

D/A轉(zhuǎn)換原理

DAC是先把輸入二進(jìn)制碼的每一位轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓或電流模擬量，然后將這些模擬量相加，即得與輸入的數(shù)字信息成正比的模擬量。輸入到DAC的數(shù)字信息可以是原碼，也可以是反碼或補(bǔ)碼。圖12.2是原碼輸入的三位二進(jìn)制DAC的轉(zhuǎn)換特性，它具體而形象地反映了對(duì)DAC的基本要求。

12.1.2

倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換的方法很多，其中倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器是常用的D/A轉(zhuǎn)換器之一。1.電路組成圖12.3所示是一個(gè)3位二進(jìn)制倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理電路圖。d2d1d0是輸入的三位二進(jìn)制數(shù)，它們控制著由N溝道增強(qiáng)型MOS管組成的3個(gè)電子開關(guān)S2、S1、S0，R、2R組成倒T型電阻轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)放完成求和運(yùn)算，uO是輸出模擬電壓，UREF是參考電壓也叫作基準(zhǔn)電壓。

S2、S1、S0與d2、d1、d0的對(duì)應(yīng)關(guān)系是：當(dāng)d2=1，即為高電平時(shí)，=0為低電平，S2右邊MOS導(dǎo)通，左邊MOS管截止，將相應(yīng)的2R電阻接到運(yùn)放的反相輸入端，反之若d2=0，=1，S2右邊MOS管截止，左邊MOS管導(dǎo)通，2R電阻接地；d1、d0對(duì)S1、S0的控制作用與d2對(duì)S2的控制作用相同。一般地說，輸入n位二進(jìn)制數(shù)中第i位di

=1時(shí)，Si就把網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的2R電阻接到求和運(yùn)放的反相輸入端，反之di=0時(shí)，Si則將2R電阻接地。2.工作原理下面通過具體例子進(jìn)行說明。（1）當(dāng)d2d1d0=100時(shí)

圖12.4所示是d2d1d0=100時(shí)的等效電路。由于引入了深度電壓負(fù)反饋，集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，而其同相輸入端接地，故其反相輸入端為虛地。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)中，無論是從AA端、BB端還是CC端向左看進(jìn)去，其等效電阻均為R，因此，由參考電壓提供的電I=UREF/R。當(dāng)d2d1d0=100時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)，流入求和電路的電流為I

/2，輸出電壓

uO=·R=··R=（1×22+0×21+0×20）（2）當(dāng)d2d1d0=110時(shí)

圖7-5所示是d2d1d0=110時(shí)的等效電路，顯然，流入求和電路的電流是I

/2+I

/4，輸出電壓

uO=·R=·R

=（1×22+1×21+0×20）

（3）當(dāng)d2d1d0=111時(shí)利用類似方法即可得

uO=·R=·R

=（1×22+1×21+1×20）

（4）表達(dá)式的一般形式根據(jù)d2d1d0為100、110、111時(shí)的分析結(jié)果，可推論得到uO的一般表達(dá)形式

uO=（d2×22+d1×21+d0×20）（12.1）

式（7.1）告訴我們，圖7-3所示電路的確可以將輸入的三位二進(jìn)制數(shù)d2d1d0轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬輸出電壓uO。若令UREF=-8V，那么便可得到圖7-2所示的轉(zhuǎn)換特性。當(dāng)輸入D=dn-1dn-2…d1d0，即為n位二進(jìn)制數(shù)時(shí)，由式（7.1）不難推論出

uO=（dn-1×2

n-1+dn-2×2n-2+…+d1×21+d0×20）

=·D=Ku·D

（12.2）

式（12.2）

中Ku是將二進(jìn)制數(shù)D轉(zhuǎn)換成模擬電壓uO的轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，也可以看成是D/A轉(zhuǎn)換器中的單位電壓

Ku

=（12.3）單位電壓Ku乘上二進(jìn)制數(shù)D的數(shù)值，所得到的便是輸出模擬電壓uO。12.1.3D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)衡量D/A轉(zhuǎn)換器性能一般看下面幾個(gè)技術(shù)參數(shù)：1.分辨率分辨率用于描述D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入量微小變化的敏感程度。它是輸入數(shù)字量在只有最低有效位（LSB）為1（即為00…01）時(shí)的輸出電壓ULSB與輸入數(shù)字量全為1（即為11…11）時(shí)的輸出電壓UM之比。將00…01和11…11代入式（8.2），可得ULSB和UM，因此對(duì)于n位的DAC，其分辨率為分辨率=ULSB/UM=1/（2n–1）（12.4）例如10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/（210–1）。如果輸出模擬電壓滿量程為10V，那么10位DAC能夠分辨的最小電壓為10/1023≈0.009775V；而8位D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨的最小電壓為10/255≈0.039215V?？梢娢粩?shù)越高，DAC分辨輸出電壓的能力越強(qiáng)。分辨率表示D/A轉(zhuǎn)換器在理論上可以達(dá)到的精度。

2.轉(zhuǎn)換精度通常，轉(zhuǎn)換精度用轉(zhuǎn)換誤差和相對(duì)精度來描述。轉(zhuǎn)換誤差是在對(duì)應(yīng)給定的滿刻度數(shù)字量情況下，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出與理論值之間的誤差。該誤差是由于D/A轉(zhuǎn)換器的增益誤差、零點(diǎn)誤差、線性誤差和噪聲等共同引起的。相對(duì)精度指在滿刻度已校準(zhǔn)的情況下，整個(gè)刻度范圍內(nèi)，對(duì)于任一數(shù)碼的模擬量輸出與其理論值之差。對(duì)于線性的D/A轉(zhuǎn)換器，相對(duì)精度就是非線性度。相對(duì)精度有兩種方法表示，一種是用數(shù)字量最低有效位的位數(shù)LSB表示，另一種是用該偏差的相對(duì)滿刻度值的百分比表示。某DAC精度為±0.1%，滿量程UFS=10V，則該DAC的最大線性誤差電壓

UE=±0.1%×10V=±10Mv

對(duì)于n位DAC，精度為±LSB，其最大可能的線性誤差電壓

UE=±×

轉(zhuǎn)換精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念，即使D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率很高，但由于電路的穩(wěn)定性不好等原因，也可能使電路的轉(zhuǎn)換精度不高。3.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度由轉(zhuǎn)換時(shí)間決定，轉(zhuǎn)換時(shí)間是指數(shù)據(jù)變化量是滿度值（輸入由全0變?yōu)槿?或全1變?yōu)槿?）時(shí)，達(dá)到終值±2LSB時(shí)所需的時(shí)間。4.線性誤差由于種種原因，DAC的實(shí)際轉(zhuǎn)換特性與理想轉(zhuǎn)換特性之間是有偏差的，這個(gè)偏差就是線性誤差，如圖7-6所示。理想轉(zhuǎn)換特性是線性的，而實(shí)際轉(zhuǎn)換特性大都是非線性的。它們之間誤差的最大值稱為線性誤差。線性誤差一般也用LSB的分?jǐn)?shù)形式給出，好的DAC線性誤差應(yīng)小于±LSB。

12.1.4集成DAC1.8位集成DAC0832

集成DAC0832是用CMOS工藝制成的8位DAC轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)字輸入端具有雙重緩沖功能，可根據(jù)需要接成不同的工作方式，特別適用于要求幾個(gè)模擬量同時(shí)輸出的場(chǎng)合。它與微處理器接口很方便。（1）DAC0832的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：

8位轉(zhuǎn)換時(shí)間：

≤1μs單電源：

5～15V線性誤差：

≤±0.2%LSB溫度靈敏度：

20ppm/oC功耗：

20mW（2）DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12.6所示。

DAC0832內(nèi)部由一個(gè)八位輸入寄存器、一個(gè)八位DAC寄存器、一個(gè)八位DAC轉(zhuǎn)換器、邏輯控制電路以及輸出電路的輔助元件RFB等組成。D/A轉(zhuǎn)換器采用了倒T型R—2R電阻網(wǎng)絡(luò)。由于DAC0832有兩個(gè)可以分別控制的數(shù)據(jù)寄存器，所以在是使用時(shí)有較大的靈活性，可以接成雙緩沖、單緩沖或直接輸入等工作方式。DAC0832中無運(yùn)算放大器，且是電流輸出，使用時(shí)需外接運(yùn)算放大器。

（3）DAC0832的引腳功能

DAC0832的引腳排列圖如圖12.7所示。各引腳的功能如下：ILE：輸入鎖存允許信號(hào)，輸入高電平有效。

:片選信號(hào)，輸入低電平有效。它與

ILE結(jié)合起來可以控制是否起作用。

:寫信號(hào)1，輸入低電平有效。在和ILE為有效電平時(shí)，用它將數(shù)據(jù)輸入并鎖存于輸入寄存器中。

:寫信號(hào)2，輸入低電平有效。在為有效電平時(shí)，用它將輸入寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到八位DAC寄存器中。

:傳輸控制信號(hào)，輸入低電平有效。用它來控制是否起作用。在控制多個(gè)DAC0832同時(shí)輸出時(shí)特別有用。

DI7～DI0：八位數(shù)字量輸入端。VREF：基準(zhǔn)（參考）電壓輸入端。一般此端外接一個(gè)精確、穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)源。VREF可在-10V～+10V范圍內(nèi)選擇。RFB：反饋電阻。反饋電阻被制作在芯片內(nèi)，用作外接運(yùn)算放大器的反饋電阻，它與內(nèi)部的R—2R電阻相匹配。IOUT1：模擬電流輸出1，接運(yùn)算放大器反相輸入端。其大小與輸入的數(shù)字量DI7～DI0成正比。IOUT2：模擬電流輸出2，接地。其大小與輸入的數(shù)字取反后的數(shù)字量DI7～DI0成正比，IOUT1+IOUT2=常數(shù)。VCC：電源輸入端（一般為+5V～+15V）。DGND：數(shù)字地。AGND：模擬地。（4）DAC0832的工作方式DAC0832內(nèi)部有兩個(gè)寄存器，所以它可以有雙緩沖型、單緩沖型和直通型等幾種工作方式。如果工作在直通方式，則沒有鎖存功能；如果工作在緩沖方式，則有一級(jí)或二級(jí)鎖存能力。雙緩沖方式：DAC0832內(nèi)部有兩個(gè)八位寄存器，可以進(jìn)行雙緩沖操作，即在對(duì)某數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的同時(shí)，又可以進(jìn)行下一數(shù)據(jù)的采集，故轉(zhuǎn)換速度較高。這一特點(diǎn)特別適用于要求多片DAC0832的多個(gè)模擬量同時(shí)輸出的場(chǎng)合。在各片的ILE置為高電平、和為低電平的控制下，有關(guān)數(shù)據(jù)分別被輸入個(gè)一相應(yīng)的DAC0832的八位輸入寄存器。當(dāng)需要進(jìn)行同時(shí)模擬輸出時(shí)，在和均為低電平的作用下，把各輸入寄存器中數(shù)據(jù)同時(shí)傳送給各自的DAC寄存器。各個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)轉(zhuǎn)換，同時(shí)給出模擬輸出。單緩沖方式：在不要求多片D/A同時(shí)輸出時(shí)，可以采用單緩沖方式，使兩個(gè)寄存器之一始終處于直通狀態(tài)，這時(shí)只需一次操作，因而可以提高D/A的數(shù)據(jù)吞吐量.

直通方式：如果兩級(jí)寄存器都處于常通狀態(tài)，這時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出將跟隨數(shù)字輸入隨時(shí)變化，這就是直通方式。這種情況是將DAC0832直接應(yīng)用于連續(xù)反饋控制系統(tǒng)中，作數(shù)字增量控制器使用。（5）DAC0832與微機(jī)的連接圖12.8所示為DAC0832與80X86計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接的典型電路，它屬于單緩沖方式。圖中的電位器用于滿量程調(diào)整

DAC0832在輸入數(shù)字量為單極性數(shù)字時(shí)，輸出電路可接成單極性工作方式；在輸入數(shù)字量為雙極性數(shù)字時(shí)，輸出電路可接成雙極性工作方式。所謂單極性輸出是指微處理機(jī)輸出到D/A轉(zhuǎn)換器的代碼為00H～FFH，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓要么全為負(fù)值，要么全為正值。輸出極性總與基準(zhǔn)電壓的極性相反。所謂雙極性輸出是指微處理機(jī)輸出到DAC的數(shù)字量有正負(fù)之分，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓也有正負(fù)極性之分。如控制系統(tǒng)中對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)正電壓和負(fù)電壓。

12.2A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬電壓量uI轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量輸出D，D為n位二進(jìn)制代碼dn-1dn-2…d1d0

。

A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，按工作原理可分為直接型和間接型兩大類。前者直接將模擬電壓轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字代碼，而后者是將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成一個(gè)中間量（如時(shí)間或頻率），然后將中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。下面首先說明A/D轉(zhuǎn)換的一般原理和步驟，再分別介紹直接型中的逐次漸近比較型A/D轉(zhuǎn)換器和間接型中的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。12.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟

ADC的輸入電壓信號(hào)uI在時(shí)間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字量D是離散的，所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)必須按一定的頻率對(duì)輸入的信號(hào)uI進(jìn)行取樣，得到取樣信號(hào)uS，并在兩次取樣之間使uS保持不變，從而保證將取樣值轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的數(shù)字量。因此，A/D轉(zhuǎn)換過程是通過取樣、保持、量化、編碼四個(gè)步驟完成的。通常取樣和保持用同一個(gè)電路實(shí)現(xiàn)，量化和編碼也是在轉(zhuǎn)換過程同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。

1.取樣與保持取樣是將在時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的模擬量，如圖7-10所示?？梢钥吹?，為了用取樣信號(hào)uS準(zhǔn)確地表示輸入信號(hào)uI，必須有足夠高的取樣頻率fS，取樣頻率fS越高就越能準(zhǔn)確地反映uI的變化。那么如何來確定取樣頻率呢？對(duì)任何模擬信號(hào)進(jìn)行諧波分析時(shí)，均可以表示為若干正弦信號(hào)之和，若諧波中最高頻率為fimax，則根據(jù)取樣定理，取樣頻率應(yīng)滿足

fS

≥2fimax

（12.5）此時(shí)，取樣信號(hào)uS就能準(zhǔn)確地反映輸入信號(hào)uI。由于取樣時(shí)間極短，取樣輸出uS為一串?dāng)嗬m(xù)的窄脈沖。而要把一個(gè)取樣信號(hào)數(shù)字化需要一定時(shí)間，因此在兩次取樣之間應(yīng)將取樣的模擬信號(hào)存儲(chǔ)起來以便進(jìn)行數(shù)字化，這一過程稱之為保持。取樣保持電路見12.2.2節(jié)。2.量化與編碼數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在數(shù)值上的變化也是不連續(xù)的。也就是說，任何一個(gè)數(shù)字量的大小都是以某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍來表示的。因此，在用數(shù)字量表示取樣電壓時(shí)，也必須把它化成這個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，所規(guī)定的最小數(shù)量單位稱為量化單位，用△表示。將量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示稱為編碼。這個(gè)二進(jìn)制代碼就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)。輸入模擬電壓通過取樣保持后轉(zhuǎn)換成階梯波，其階梯幅值仍然是連續(xù)可變的，所以它就不一定能被量化單位△整除，因而不可避免地會(huì)引起量化誤差。對(duì)于一定的輸入電壓范圍，輸出的數(shù)字量的位數(shù)越高，△就越小，因此量化誤差也越小。而對(duì)于一定的輸入電壓范圍、一定位數(shù)的數(shù)字量輸出，不同的量化方法，量化誤差的大小也不同。量化的方法有兩種，下面將分別說明。設(shè)輸入電壓uI的輸入電壓范圍為0～UM，輸出為n位的二進(jìn)制代碼?，F(xiàn)取UM=1V，n=3。第一種量化方法：取△=UM/2n

=

（1/23）V=（1/8）V，規(guī)定0△表示0V＜uI＜（1/8）V，對(duì)應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為000；1△表示（1/8）V＜uI＜（2/8）V，對(duì)應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為001；…；7△表示（7/8）V＜uI＜1V，對(duì)應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為111，如圖12.10（a）所示。顯然，這種量化方法的最大量化誤差為△。第二種量化方法：取△=2UM/（2n+1

–1）=（2/15）V，并規(guī)定0△表示0V＜uI＜（1/15）V，對(duì)應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為000；1△表示（1/15）V＜uI＜（3/15）V，對(duì)應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為001；…；7△表示（13/15）V＜uI＜1V，對(duì)應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為111，如圖12.10（b）所示。顯然，這種量化方法的最大量化誤差為△/2。實(shí)際電路中多采用這種量化方法。

12.2.2取樣保持電路取樣保持電路實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的取樣和保持兩個(gè)步驟。其基本形式如圖12.11所示。它由N溝道MOS管T作為取樣開關(guān)、存儲(chǔ)電容

C和運(yùn)放等組成。當(dāng)取樣控制信號(hào)uL為高電平時(shí)，T導(dǎo)通，輸入信號(hào)uI經(jīng)電阻RI向電容C充電。取RI=Rf且忽略運(yùn)放的凈輸入電流，則充電結(jié)束后uO

=uC=-uI。取樣控制信號(hào)uL躍變?yōu)榈碗娖胶?，MOS管T截止，由于電容C上的電壓uC保持基本不變，即取樣的結(jié)果被保持下來直到下一個(gè)取樣控制信號(hào)的到來。可以看出，只有電容C的漏電越小，運(yùn)放的輸入阻抗越大，uO保持的時(shí)間才越長(zhǎng)。顯然，取樣過程是一個(gè)充電過程，且

RI越小，充電時(shí)間越短，取樣頻率可以越高；在充電過程中，電路的輸入電阻為RI，為使電路從信號(hào)源索取的電流小些，則要求輸入電阻大；因此取樣速度與輸入阻抗產(chǎn)生了矛盾。下面介紹在圖12.11所示電路基礎(chǔ)上改進(jìn)而得的電路，如圖12.12所示。A1和A2是兩個(gè)運(yùn)放，取樣控制信號(hào)uL通過驅(qū)動(dòng)電路L控制開關(guān)S。uL=1時(shí)，開關(guān)S閉合。A1和A2工作在單位增益的電壓跟隨狀態(tài)，則uI=uO/

=

uC=uO；uL=0時(shí)，開關(guān)S斷開。由于電容C沒有放電回路，uC保持uI不變，所以輸出uO也保持uI不變。開關(guān)S斷開，電路處于保持階段，如果uI變化，uO/可能變化非常大，甚至?xí)^開關(guān)電路能夠承受的電壓，因此用二極管D1、D2構(gòu)成保護(hù)電路。當(dāng)uO/比保持電壓uO高（或低）一個(gè)二極管的壓降UD時(shí)，D1（或D2）導(dǎo)通，從而使uO/

=

uO+UD（或uO/

=

uO-UD）。在開關(guān)S閉合時(shí)uO/

=

uO，所以D1和D2不導(dǎo)通，保護(hù)電路不起作用。由于電路在取樣開關(guān)與輸入信號(hào)之間加一級(jí)運(yùn)放A1，提高了輸入阻抗。同時(shí)由于運(yùn)放A1輸出阻抗小，使電容充、放電過程加快，從而提高了取樣速度。

12.2.3逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器

逐次漸近型（又稱逐次逼近型）A/D轉(zhuǎn)換器是直接型A/D轉(zhuǎn)換器，也是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中用得最多的一種電路。其轉(zhuǎn)換過程類似于天平稱物的過程，天平的一端放物M，一端放砝碼。用天平將各種質(zhì)量的砝碼按一定規(guī)律與M進(jìn)行比較、取舍，直到天平基本平衡，這時(shí)天平托盤中砝碼的質(zhì)量之和就表示M的質(zhì)量。圖12.13所示是逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖。它由比較器、n位D/A轉(zhuǎn)換器、n位寄存器、控制電路、輸出電路、時(shí)鐘信號(hào)CP以及參考電壓源等組成。輸入為uI，輸出為n位二進(jìn)制代碼。

轉(zhuǎn)換開始之前將寄存器清零（dn-1dn-2…d1d0=00…00）。開始轉(zhuǎn)換時(shí)，控制電路先將寄存器的最高位置1（dn-1=1），其余位全為0，使寄存器輸出為（dn-1dn-2…d1d0=1…00），這組數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uX后通過電壓比較器與uI進(jìn)行比較。若uI＞uX，說明寄存器中的數(shù)字不夠大，則將這一位的1

保留；若uI＜uX，說明寄存器中的數(shù)字太，則將這一位的1清除，從而決定了dn-1的值。然后將次高位置1（dn-2=1），再通過D/A轉(zhuǎn)換器將此時(shí)寄存器的輸出（dn-1dn-2…d1d0=dn-11…00）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uX，通過uX與uI比較決定dn-2的取值。依此類推，逐位比較，一直到最低位為止。下面以三位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路為例，如圖12.14所示，具體說明轉(zhuǎn)換過程和轉(zhuǎn)換時(shí)間。圖中FF2、FF1和FF0組成三位數(shù)碼寄存器；觸發(fā)器FFa～FFe和門G1～G5構(gòu)成控制電路，其中FFa～FFe接成環(huán)形計(jì)數(shù)器，門G6～G8為輸出電路。在轉(zhuǎn)換開始前使QaQbQcQdQe

=

10000，且Q2=Q1=Q0=0。

第一個(gè)CP信號(hào)到達(dá)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器右移一位，使Qb=1、Qa

=Qc=Qd=Qe

=0，并且將數(shù)碼寄存器的最高位

FF2置1，F(xiàn)F1和FF0置0。這時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入代碼為d2d1d0=100，由此可在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓uX。通過比較器C對(duì)uI與

uX進(jìn)行比較，若uI＜uX，比較器輸出uC為高電平；若uI≥uX，則uC為低電平。第二個(gè)CP信號(hào)到達(dá)時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器右移一位，使Qc=1、Qa

=Qb

=Qd=Qe

=0。若uC為高電平（uI＜uX＝，說明寄存器中的數(shù)字太大，則將這一位的1清除，即將FF2置0；若uC=0（uI≥uX），說明寄存器中的數(shù)字不夠大，則將這一位的1保留，即FF2保持1，從而確定了數(shù)碼寄存器中“Q2”的值。與此同時(shí)，Qc的高電平將次高位FF1置1。這時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入代碼為d2d1d0=Q210，輸出為這個(gè)代碼相應(yīng)的模擬電壓uX。通過對(duì)uI與uX進(jìn)行比較決定比較器C的輸出uC

。第三個(gè)CP信號(hào)到達(dá)時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器再右移一位，使Qd=1、Qa

=Qb

=Qc=Qe

=0。根據(jù)比較器的輸出uC確定FF1的值，也就是確定了數(shù)碼寄存器中“Q1”的值，同時(shí)將寄存器FF0置1。這時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入代碼為d2d1d0=Q2Q11，輸出為這個(gè)代碼相應(yīng)的模擬電壓uX。通過對(duì)uI與uX進(jìn)行比較決定比較器C的輸出uC

。

第四個(gè)CP信號(hào)到達(dá)時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器再右移一位，使Qe=1、Qa

=Qb

=Qc=Qd

=0。根據(jù)比較器的輸出uC確定FF0的值，也就是確定了數(shù)碼寄存器中“Q0”的值。Qe=1將門G6～G8打開，寄存器FF2、FF1和FF0的狀態(tài)“Q2Q1Q0”作為轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。

第五個(gè)CP信號(hào)到達(dá)時(shí)，Qa=1、Qb=Qc=Qd=Qe=0且Q2=Q1=Q0=0，電路回到初態(tài)準(zhǔn)備下一次轉(zhuǎn)換?？梢?，三位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要五個(gè)時(shí)鐘CP周期。依此類推，n位A/D轉(zhuǎn)換器需要（n+2）個(gè)CP周期。

12.2.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是間接型A/D轉(zhuǎn)換器中最常用的一種。它與直接型A/D轉(zhuǎn)換器相比具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器首先將輸入的模擬電壓uI轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間量T，再在時(shí)間間隔T內(nèi)對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)的結(jié)果就是一個(gè)正比于uI的數(shù)字量。圖12.15所示為雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖，它由積分器、比較器、n位計(jì)數(shù)器、控制電路、固定頻率時(shí)鐘源CP、開關(guān)S2～S0以及基準(zhǔn)電壓等組成。輸入為模擬電壓uI，輸出為n位二進(jìn)制代碼。下面結(jié)合工作波形說明它的轉(zhuǎn)換過程。

電路的工作分為兩個(gè)積分階段。轉(zhuǎn)換開始前開關(guān)S0閉合使電容C完全放電，計(jì)數(shù)器清零。第一階段為定時(shí)積分，積分時(shí)間為T1?？刂齐娐穼㈤_關(guān)S1閉合，開關(guān)S2和S0斷開。積分器對(duì)輸入模擬電壓uI積分，其輸出

（12.5）

式中T1、R和C均為常數(shù)，因此uO與uI成正比。若uI1＞uI2，則定時(shí)積分的終值|uO1|＞|uO2|，如圖7-17所示。

第二階段為反向積分，并在積分的同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)?？刂齐娐穼㈤_關(guān)S2閉合，開關(guān)S1斷開，開關(guān)S0保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓（-UREF）進(jìn)行積分，與此同時(shí)計(jì)數(shù)器開始對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)。由于基準(zhǔn)電壓（-UREF）與uI極性相反，因此積分器的積分方向與定時(shí)積分時(shí)相反，|uO|逐漸減小。當(dāng)uO=0時(shí)，比較器的輸出uC產(chǎn)生躍變，且通過控制電路停止積分和計(jì)數(shù)。該過程所需時(shí)間為T2，因此

(12.6)可見，第二階段的積分時(shí)間T2是一個(gè)與輸入電壓uI成正比的量。若時(shí)鐘脈沖的固定頻率為fCP，則第二階段結(jié)束時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出為

D=T2/fCP=T2/TCP

（12.7）

TCP為CP的周期。將式（12.6）代入式（12.7），可得

（12.8）可見，數(shù)字量D與輸入模擬電壓uI成正比，如圖7-17所示波形。

12.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率分辨率用于描述A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入量微小變化的敏感程度。A/D轉(zhuǎn)換器的輸出是n位二進(jìn)制代碼，因此在輸入電壓范圍一定時(shí)，位數(shù)越多，量化誤差也就越小，轉(zhuǎn)換精度也越高，分辨能力也越強(qiáng)。但分辨率僅僅表示A/D轉(zhuǎn)換器在理論上可以達(dá)到的精度。

2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度常用轉(zhuǎn)換誤差來描述。它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量的差別，通常用最低位的位數(shù)表示。轉(zhuǎn)換誤差是綜合性誤差，它是量化誤差、電源波動(dòng)以及轉(zhuǎn)換電路中各種元件所造成的誤差的總和。實(shí)際的轉(zhuǎn)換精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念。分辨率很高，但由于電路的穩(wěn)定性不好等原因，可能使電路的轉(zhuǎn)換精度并不高。3.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度用完成一次轉(zhuǎn)換時(shí)間來表示。它是從接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)起，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出為止所需時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，說明轉(zhuǎn)換速度越快?？傮w來說，直接型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較間接型A/D轉(zhuǎn)換器快，但轉(zhuǎn)換精度和抗干擾能力都不及間接型A/D轉(zhuǎn)換器。

12.2.6集成ADC

1.8位集成ADC0809

集成DAC0832是用CMOS工藝制成的8位八通道逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器。該器件具有與微處理器兼容的控制邏輯，可以直接與80X86系列、51系列等微處理器接口相連。（1）ADC0809的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：

8位精度：

8位轉(zhuǎn)換時(shí)間：

≤100μs輸入電壓范圍：

5～15V溫度靈敏度：

20ppm/oC功耗：