《電路與電子技術(shù)》課件第12章

P12M1DAC轉(zhuǎn)換器件邏輯功能測試P12M2ADC轉(zhuǎn)換器件邏輯功能測試思考與練習(xí)

在日常生活中，絕大多數(shù)的物理量都是連續(xù)變化的模擬量，例如溫度、壓力等,這些模擬量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后所產(chǎn)生的電信號仍然是模擬信號。當(dāng)需要用數(shù)字系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行處理時(shí)，必須將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即模/數(shù)轉(zhuǎn)換，簡稱A/D轉(zhuǎn)換(AnalogtoDigital)。完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱之為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC(AnalogtoDigitalConverter)。當(dāng)需要用數(shù)字系統(tǒng)控制外部的模擬信號時(shí)，必須將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，完成相反的過程，即數(shù)/模轉(zhuǎn)換，簡稱D/A轉(zhuǎn)換(DigitaltoAnalog)。完成數(shù)/模轉(zhuǎn)換的電路稱之為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC(DigitaltoAnalogConverter)。項(xiàng)目任務(wù)書MNL1

D/A轉(zhuǎn)換的工作原理

DAC數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路接收的是數(shù)字信息，而輸出的是與輸入數(shù)字量成正比的電壓或電流。圖12-1-1表示具有三位數(shù)字輸入的雙極性輸出DAC轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換特性。

圖中,輸入數(shù)字信息的最高位(MSB)為符號位，1表示負(fù)值，0表示正值。輸入的數(shù)字信息是以原碼表示的。

圖12-1-2為n位DAC的框圖。P12M1

DAC轉(zhuǎn)換器件邏輯功能測試圖12-1-1數(shù)字輸入與輸出電壓之間的對應(yīng)關(guān)系圖12-1-2

DAC組成框圖

D/A轉(zhuǎn)換器的種類很多，根據(jù)工作方式的不同，可分為電壓相加型和電流相加型；根據(jù)譯碼網(wǎng)絡(luò)的不同，可分為權(quán)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)換器等形式。在單片集成D/A轉(zhuǎn)換芯片中,采用最多的是倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器。下面以4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器為例闡述D/A轉(zhuǎn)換的原理，如圖12-1-3所示。圖12-1-3倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器圖12-1-3所示的電路由三部分組成:

(1)模擬開關(guān)S3、S2、S1、S0。輸入的數(shù)字信號d3、d2、d1、d0控制模擬開關(guān)的位置，當(dāng)輸入數(shù)字信號為“0”時(shí)，開關(guān)打向右邊，將圖中的2R電阻與地相連接；當(dāng)輸入數(shù)字信號為“1”時(shí)，開關(guān)打向左邊，將圖中的2R電阻接入運(yùn)算放大器的反相輸入端。但是,無論開關(guān)打向左邊還是右邊,都是接地，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的反相輸入端為“虛地”。

(2)R-2R電阻倒T形網(wǎng)絡(luò)。倒T形網(wǎng)絡(luò)的基本單元是電阻分壓，無論從哪個(gè)節(jié)點(diǎn)看進(jìn)去都是2R的電阻值。電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的種類只有兩種:R和2R。

(3)運(yùn)算放大器電路，將電阻網(wǎng)絡(luò)中流進(jìn)運(yùn)算放大器的電流相加并轉(zhuǎn)換成電壓的形式輸出。

轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Uo為上式表明:輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成了與其成正比的模擬量輸出。

如果是n位數(shù)字量輸入，則上式可改寫為如下形式:式中,n為二進(jìn)制位數(shù),Dn=

di×2i。倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)是目前集成D/A芯片中使用最多的一種。它有如下的特點(diǎn):

(1)電路中電阻的種類很少，便于集成和提高精度。

(2)無論模擬開關(guān)如何變換，各支路中的電流保持不變，因此不需要電流建立時(shí)間，提高了轉(zhuǎn)換速度。MNL2數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)

1.轉(zhuǎn)換精度

在D/A轉(zhuǎn)換器中,一般用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差描繪轉(zhuǎn)換精度

１)分辨率

D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率是指輸入數(shù)字量中對應(yīng)于數(shù)字量的最低位(LSB)發(fā)生單位數(shù)碼變化時(shí)引起的輸出模擬電壓的變化量ΔU與滿度值輸出電壓U之比。在ｎ位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出的模擬電壓應(yīng)能區(qū)分出輸入代碼的2n個(gè)不同狀態(tài)，給出2n個(gè)不同等級的輸出模擬電壓，因此分辨率可表示為

分辨率=式中,n為D/A轉(zhuǎn)換器中輸入數(shù)字量的位數(shù)。

例如:八位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為

分辨率＝≈0.004

此分辨率若用百分比表示，則為0.4%。

分辨率表示D/A轉(zhuǎn)換器在理論上能夠達(dá)到的精度。

可以看出，DAC的位數(shù)越多，分辨率的值越小，即在相同情況下輸出的最小電壓越小,分辨能力越強(qiáng)。在實(shí)際使用中，通常把2n或ｎ叫做分辨率，例如8位DAC的分辨率為28或8位。

２)轉(zhuǎn)換誤差

D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差是指在穩(wěn)定工作時(shí)，實(shí)際模擬輸出值和理論值之間的最大偏差,通常以輸入電壓滿刻度(FSR)的百分?jǐn)?shù)來表示。例如,DAC的線性誤差為0.05％FSR，即指轉(zhuǎn)換誤差為滿量程的0.05%。有時(shí)，轉(zhuǎn)換誤差用最小數(shù)字量的倍數(shù)來表示，例如,給出的轉(zhuǎn)換誤差為LSB/2,這就表明輸出模擬電壓的絕對誤差等于輸入量為00000001時(shí)所對應(yīng)的輸出模擬電壓值的一半。

DAC誤差產(chǎn)生的原因有:基準(zhǔn)電壓UREF的波動(dòng)，運(yùn)算放大器中的零點(diǎn)漂移，電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻值的偏差及非線性失真等。

分辨率和轉(zhuǎn)換誤差共同決定了轉(zhuǎn)換精度，它們是相關(guān)的，對應(yīng)轉(zhuǎn)換誤差大的DAC其分辨率是沒有意義的。要使DAC的精度高，不僅要選位數(shù)多的DAC，還要選穩(wěn)定度高的基準(zhǔn)電壓源和低溫漂的運(yùn)放與其配合。

2.轉(zhuǎn)換速度

通常以建立時(shí)間ts表征D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。建立時(shí)間ts是指輸入數(shù)字量從全“0”到全“1”(或反之，即輸入變化為滿度值)時(shí)起，到輸出電壓達(dá)到相對于最終值為±LSB/2范圍內(nèi)的數(shù)值為止所需的時(shí)間，建立時(shí)間又稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。DAC0832的轉(zhuǎn)換時(shí)間ts小于500ns。

3.電源抑制比

在高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換器中，要求模擬開關(guān)電路和運(yùn)算放大器的電源電壓發(fā)生變化時(shí)，對輸出電壓的影響非常小。輸出電壓的變化與對應(yīng)的電源電壓的變化之比，就稱為電源抑制比。

此外，還有功率功耗、溫度系數(shù)以及高低輸入電平的數(shù)值、輸入電阻、輸入電容等指標(biāo)，在此不一一介紹。MNL3集成D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832

1.DAC0832構(gòu)成框圖

目前,根據(jù)分辨率、轉(zhuǎn)換速度、兼容性及接口特性等性能的不同，集成DAC有多種不同類型和不同系列的產(chǎn)品。DAC0832屬DAC0830系列，是CMOS集成電路，它是8位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器。它是8位數(shù)據(jù)輸入，與單片機(jī)、CPLD、FPGA可直接連接，且接口電路簡單，轉(zhuǎn)換控制容易且使用方便，在單片機(jī)及數(shù)字系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。其管腳圖和邏輯圖分別見圖12-1-4和圖12-1-5。圖12-1-4

DAC0832管腳圖圖12-1-5

DAC0832邏輯結(jié)構(gòu)及電壓輸出電路

DAC0832主要由兩個(gè)8位寄存器(輸入寄存器和DAC寄存器)和一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器組成。使用兩個(gè)寄存器的好處是能簡化某些應(yīng)用中硬件接口電路的設(shè)計(jì)。該D/A轉(zhuǎn)換器為二十腳雙列直插式封裝，各引腳的含義如下:

DI0～DI7:8位數(shù)字量數(shù)據(jù)輸入線。

ILE:數(shù)字鎖存允許信號，高電平有效。

:輸入寄存器選通信號，低電平有效。

:輸入寄存器的寫選通信號，低電平有效。由邏輯電路圖可知:片內(nèi)輸入寄存器的選通信號當(dāng)LE1=1時(shí)，輸入寄存器狀態(tài)隨數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)變化，而當(dāng)LE1=0時(shí)，鎖存輸入數(shù)據(jù)。

:數(shù)據(jù)傳輸信號線，低電平有效；

:DAC寄存器的寫選通信號，低電平有效。DAC寄存器的選通信號當(dāng)LE2=1時(shí)，DAC寄存器狀態(tài)隨輸入狀態(tài)而變化，當(dāng)LE2=0時(shí)，鎖存輸入狀態(tài)。

VREF:基準(zhǔn)電壓輸入線。

RFB:反饋信號輸入線,芯片內(nèi)已有反饋電阻。

IOUT1、IOUT2:電流輸出線。IOUT1與IOUT2的和為常數(shù)，IOUT1、IOUT2

隨DAC中的數(shù)據(jù)線性變化。

VCC:電源線。

DGND:數(shù)字地。

AGND:模擬地。

D/A轉(zhuǎn)換芯片輸入的是數(shù)字量，輸出的是模擬量。模擬信號很容易受到電源和數(shù)字信號等干擾而引起波動(dòng)。為提高輸出的穩(wěn)定性和減少誤差，模擬信號部分必須采用高精度基準(zhǔn)電源VREF和獨(dú)立的地線，一般數(shù)字地和模擬地分開。

模擬地是指模擬信號及基準(zhǔn)電源的參考地。其余信號的參考地包括工作電源、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)、地址、控制等數(shù)字邏輯地都是數(shù)字地。應(yīng)用時(shí)需合理布線，兩種地線在基準(zhǔn)電源處一點(diǎn)共地比較恰當(dāng)。

DAC0832是電流輸出型，即它本身輸出的模擬量是電流，應(yīng)用時(shí)需外接運(yùn)算放大器使之成為電壓型輸出。

DAC0832的特點(diǎn)是，它具有兩個(gè)輸入寄存器(寄存器具有在時(shí)鐘的作用下暫時(shí)存放數(shù)據(jù)和取出數(shù)據(jù)的功能),輸入的8位數(shù)據(jù)量首先存入輸入寄存器，而輸出的模擬量是由DAC寄存器中的數(shù)據(jù)決定的。當(dāng)把數(shù)據(jù)從輸入寄存器轉(zhuǎn)入DAC寄存器后，輸入寄存器就可以接收新的數(shù)據(jù)而不會(huì)影響模擬量的輸出。

2.集成D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832的工作方式

(1)雙緩沖工作方式。

雙緩沖工作方式的接法如圖12-1-6(a)所示。這種工作方式是通過控制信號將輸入數(shù)據(jù)鎖存于輸入寄存器中，當(dāng)需要D/A轉(zhuǎn)換時(shí)，再將輸入寄存器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入DAC寄存器中，并進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。對于多路D/A轉(zhuǎn)換接口，要求并行輸出時(shí)，必須采用雙緩沖同步工作方式。圖12-1-6

DAC0832的三種工作方式采用雙緩沖工作方式的優(yōu)點(diǎn)是:可以消除在輸入數(shù)據(jù)更新時(shí)輸出模擬量的不穩(wěn)定現(xiàn)象；可以在模擬量輸出的同時(shí)，將下一次要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸入到輸入寄存器中，提高了轉(zhuǎn)換速度；用這種工作方式可同時(shí)更新多個(gè)D/A輸出，這樣在具有多個(gè)D/A器件的系統(tǒng)中，多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器件可以協(xié)調(diào)一致地工作。

(2)單緩沖工作方式。

單緩沖工作方式的接法如圖12-1-6(b)所示。這種工作方式是，在DAC的兩個(gè)寄存器中有一個(gè)是常通狀態(tài)，或者使兩個(gè)寄存器同時(shí)選通及鎖存。

(3)直通工作方式。

直通工作方式的接法如圖12-1-6(c)所示。這種工作方式是，使兩個(gè)寄存器一直處于選通狀態(tài)，寄存器的輸出隨著輸入數(shù)據(jù)的變化而變化，輸出模擬量也隨輸入數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)生變化。

3.集成D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832的應(yīng)用

由于DAC0832輸出是電流型，因此必須用運(yùn)放將模擬電流轉(zhuǎn)換為模擬電壓。其輸出有單極性輸出和雙極性輸出兩種形式。

(1)單極性輸出應(yīng)用電路。

圖12-1-7(a)是DAC0832用單極性輸出的原理電路。由于

、同時(shí)接地，芯片內(nèi)的兩個(gè)寄存器直接接通，數(shù)據(jù)D7~D0可直接輸入到DAC寄存器。由于ILE恒為高電平，輸入由和控制，且其間要滿足確定的時(shí)序關(guān)系，在置低之后，再將置低，將輸入數(shù)據(jù)寫入DAC。其時(shí)序如圖12-1-7(b)所示。圖12-1-7

DAC0832單極性輸出電路

DAC0832單極性輸出時(shí)，輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的關(guān)系為

Uo=±UREF

其中:Dn=

2n。當(dāng)基準(zhǔn)電壓為＋5V(或－5V)時(shí)，輸出電壓Uo的范圍是0~-5V(0~5V)；當(dāng)基準(zhǔn)電壓為＋15V(或－15V)時(shí)，輸出電壓Uo的范圍是0~-15V(0~15V)。

(2)雙極性輸出應(yīng)用電路。

前述DAC轉(zhuǎn)換器是不帶符號的數(shù)字，若要求將帶有符號的數(shù)字轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量,則應(yīng)有正、負(fù)極性輸出。在二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算中，通常將帶符號的數(shù)字用2的補(bǔ)碼表示，因此希望DAC將輸入的正、負(fù)補(bǔ)碼分別轉(zhuǎn)換成具有正、負(fù)極性的模擬電壓。圖12-1-8是雙極性輸出應(yīng)用電路。圖12-1-8

DAC0832雙極性輸出電路輸出模擬電壓的大小計(jì)算如下:

其中:D8為補(bǔ)碼，當(dāng)最高位為0時(shí)表示正數(shù)，直接代入計(jì)算即可；當(dāng)最高位為1時(shí)表示負(fù)數(shù)，后面各位按位取反，最低位加1后，才為該數(shù)值的大小，代入上式才能得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。測試工作任務(wù)書MNL1

A/D轉(zhuǎn)換的原理

A/D轉(zhuǎn)換是將時(shí)間和數(shù)值上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散且數(shù)值大小變化也是離散的數(shù)字量。

A/D轉(zhuǎn)換就是在一系列的瞬間對輸入的模擬量進(jìn)行采樣，然后把這些采樣的值變成數(shù)字量輸出。一系列瞬間進(jìn)行取樣的過程稱為“采樣”；將采樣的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程稱為“量化”；將量化結(jié)果用編碼形式表示的過程稱為“編碼”,這些編碼就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出量。由于量化和編碼都需要一定的時(shí)間，因此在采樣之后，必須保持一定的時(shí)間，這個(gè)過程稱為“保持”。所以,A/D轉(zhuǎn)換都是經(jīng)過采樣、保持、量化和編碼這四個(gè)過程完成的。P12M2

ADC轉(zhuǎn)換器件邏輯功能測試

1.采樣與保持

采樣是在一系列選定的瞬間抽取模擬信號Ui(t)的值作為樣品的過程，將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的采樣信號Uo(t)。圖12-2-1是采樣的工作過程。

圖12-2-1采樣的工作過程在圖12-2-1中，圖(a)表示模擬采樣開關(guān)，圖(b)表示模擬信號Ui(t)在采樣信號Us(t)的作用下得到采樣信號Uo(t)的過程。

在圖12-2-1中，如果采樣頻率太低，則其輸出信號就不能嚴(yán)格保留輸入信號的信息。如果采樣頻率太高，則其轉(zhuǎn)換的輸出與輸入波形能做到較好的一致，但是輸出的脈沖數(shù)也會(huì)較多，這又是不希望的。那么取樣的頻率該如何確定呢？為了保證采樣信號Uo(t)能準(zhǔn)確無誤地表示模擬信號Ui(t)，對于一個(gè)頻率有限的模擬信號，可以由采樣定理確定采樣頻率:

fs≥2fimax

式中:fs為采樣頻率;fimax為輸入模擬信號頻率的上限值，實(shí)際使用時(shí)一般取原始信號頻率的2.5~3.0倍。表12-2-1給出了常用情況下的基帶信號(即原始信號)頻率和取樣頻率。

對采樣信號進(jìn)行數(shù)字化處理需要一定的時(shí)間，而采樣信號的寬度很小，量化裝置來不及處理，因此，為了進(jìn)行數(shù)字化處理，每個(gè)采樣信號要保持一個(gè)周期，直到下一次采樣為止。通常采樣和保持利用采樣保持器一次完成。采樣保持器的原理電路如圖12-2-2所示。表12-2-1常用A/D轉(zhuǎn)換的取樣頻率圖12-2-2采樣保持器的工作過程在圖12-2-2(a)所示的采樣保持電路中，運(yùn)算放大器構(gòu)成的高輸入阻抗的射級跟隨器，利用其阻抗變換特性構(gòu)成隔離級。NMOS管V作為取樣開關(guān)，C為存儲(chǔ)電容。

在采樣持續(xù)時(shí)間t0(稱為采樣時(shí)間)期間，NMOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸入模擬電壓通過V向電容C充電。當(dāng)電路充電時(shí)間常數(shù)τ=RONC遠(yuǎn)小于t0(采樣脈沖高電平時(shí)間)時(shí)，電容器上的電壓隨著輸入電壓Ui發(fā)生變化，因此放大器的輸出電壓Uo也隨著輸入電壓Ui的變化而變化。當(dāng)采樣脈沖結(jié)束后，V截止，如果場效應(yīng)管和電容器的漏電流及運(yùn)算放大器的輸入電流均可忽略，則電容上的電壓保持在V截止前Ui的電壓值，直到下一個(gè)采樣脈沖來到，這段時(shí)間tH稱為保持時(shí)間。下一個(gè)采樣周期來到，電容C上的值又跳回到輸入電壓Ui的值。t0和tH構(gòu)成一個(gè)采樣周期ts。采樣保持器的輸出電壓如圖12-2-2(b)所示。

2.量化和編碼

取樣和保持后的信號仍然是時(shí)間上離散的模擬信號，它的取樣信號的取值是任意的，而數(shù)字信號的取值是有限的或離散的。例如，用3位二進(jìn)制數(shù)來表示，則只有8種狀態(tài)，也就是只有000～111共8個(gè)離散的取值。因此要實(shí)現(xiàn)幅度的離散化，就要用具體的數(shù)字量來近似地表示對應(yīng)的模擬值。任意一個(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，這個(gè)最小的數(shù)量單位稱為量化單位，用Δ表示。將采樣信號和量化單位相比較而轉(zhuǎn)換為量化單位整數(shù)倍的過程稱為量化。量化一般有兩種方法:

(1)舍尾取整法：取最小量化單位Δ=，Um為模擬信號電壓的最大值，n為數(shù)字代碼的位數(shù)。如果輸入信號的幅值為0～Δ，則量化的結(jié)果取0；如果輸入信號的幅值為Δ～2Δ，則量化結(jié)果取Δ，依此類推。這種量化方法是只舍不入，其量化誤差δ<Δ。

(2)四舍五入法：以量化級的中間值作為基準(zhǔn)的量化方法。取Δ=，當(dāng)輸入信號的幅值為0～Δ/2時(shí)，量化結(jié)果的取值為0；當(dāng)輸入信號的幅值為Δ/2～3Δ/2時(shí)，量化結(jié)果的取值為Δ，依次類推。這種量化的結(jié)果是有舍有入，其量化誤差δ<Δ/2。為減少量化誤差，選擇四舍五入法為好。

0～1V模擬信號轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼，劃分量化電平的兩種方法如圖12-2-3所示。圖12-2-3劃分量化電平的兩種方法MNL2

A/D轉(zhuǎn)換器的常用類型

根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的原理可將A/D轉(zhuǎn)換器分為兩大類：一種是直接型A/D轉(zhuǎn)換器，另一類是間接型A/D轉(zhuǎn)換器。在直接型A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬電壓被直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，不經(jīng)任何中間變量。而在間接型A/D轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成某種中間變量(時(shí)間、頻率、脈沖寬度等)，然后再將這些中間變量轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼輸出。

A/D轉(zhuǎn)換器的類型很多，具體分類如圖12-2-4所示。盡管A/D轉(zhuǎn)換器的類型很多，但目前應(yīng)用較廣泛的主要有三種：逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器和V/F式A/D轉(zhuǎn)換器。下面簡單介紹前兩種A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理。圖12-2-4轉(zhuǎn)換器的分類圖

1)逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器

圖12-2-5是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的電路原理圖。從圖中可以看出，逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器由比較器、控制邏輯、逐次逼近寄存器、電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換電路等幾個(gè)部分組成。圖12-2-5逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的電路原理圖逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的主要原理是:將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號UI與一個(gè)推測信號UF相比較，根據(jù)推測信號大于還是小于輸入信號來確定增大還是減少該推測信號，以便向輸入模擬信號逼近。推測信號由D/A轉(zhuǎn)換器的輸出獲得，當(dāng)推測信號與輸入模擬信號相等時(shí)，向D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)值就是對應(yīng)模擬輸入信號的數(shù)字量。

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器電路的工作原理與天平稱物體的質(zhì)量相似。下面我們舉例說明它的工作過程。首先，將逐次逼近寄存器清零，這時(shí)，加在D/A轉(zhuǎn)換電路上的輸入數(shù)字量為0，D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出為0。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)時(shí)鐘信號上升沿到來時(shí)，逐次逼近寄存器將輸入數(shù)碼的最高位D3置為1，則輸入到D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)碼為1000，D/A轉(zhuǎn)換電路輸出一個(gè)對應(yīng)于1000的模擬電壓值。這個(gè)電壓UF加在比較器的反相輸入端，它與加在比較器同相輸入端的輸入模擬電壓UI進(jìn)行比較，由圖12-2-6可以看出:D/A輸出的電壓小于輸入電壓，這時(shí)比較器的輸出為高電平。圖12-2-6逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作波形當(dāng)?shù)诙€(gè)時(shí)鐘信號上升沿到來時(shí)，控制器控制逐次逼近寄存器完成兩項(xiàng)工作:一是檢測比較器的輸出是否為高電平，如果為高電平，則D3的狀態(tài)保持高電平，否則回到0；二是將次高位的D2置為1,這時(shí)送入到D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量為1100。此時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器輸出UF與輸入模擬信號UI比較，由圖12-2-6可以看出:D/A輸出的電壓大于輸入電壓，這時(shí)比較器的輸出為低電平。當(dāng)?shù)谌齻€(gè)時(shí)鐘信號上升沿到來時(shí)，控制器仍然控制逐次逼近寄存器完成兩項(xiàng)工作，從圖12-2-6可以看出：這時(shí)比較器輸出為低電平，則將D2狀態(tài)回到0，將D1置為1，這時(shí)輸入到D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量為1010，其轉(zhuǎn)換后的模擬電壓UF仍然高于UI，比較器的輸出為0。

當(dāng)?shù)谒膫€(gè)時(shí)鐘信號上升沿到來時(shí)，其工作過程同上。當(dāng)?shù)谖鍌€(gè)時(shí)鐘信號上升沿到來時(shí)，僅判斷比較器的輸出是高電平還是低電平。圖中為高電平，則D0保持為1。本例中,由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸出僅為4根地址線，因此這是最后一步，D4D3D2D1的輸出就是A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

通過上述分析可以看出:逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換電路的速度較慢，轉(zhuǎn)換時(shí)間t與A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)N和時(shí)鐘周期有如下的關(guān)系:

t=(N+1)T逐次逼近比較式A/D轉(zhuǎn)換電路因結(jié)構(gòu)簡單而得到廣泛應(yīng)用，一般用于中速的A/D轉(zhuǎn)換場合。

2)雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是一種間接型A/D轉(zhuǎn)換器，它的基本原理是將輸入的模擬電壓ui轉(zhuǎn)換成時(shí)間間隔，再在此時(shí)間間隔內(nèi)用計(jì)數(shù)器對頻率恒定的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量正比于輸入的模擬電壓ui，從而實(shí)現(xiàn)了模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

圖12-2-7(a)是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理圖。它主要是由基準(zhǔn)電壓-uREF、積分器、檢零比較器、計(jì)數(shù)器、控制電路等組成的。圖12-2-7雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理圖轉(zhuǎn)換開始前信號us=0，計(jì)數(shù)器及定時(shí)觸發(fā)器被置0，F(xiàn)Fn的輸出Q為0，開關(guān)S2接通輸入信號ui(若Q=1，則接通基準(zhǔn)電源-UREF);同時(shí)通過G2將電子開關(guān)S1接通，使電容器充分放電。G1被封鎖，計(jì)數(shù)器不工作。

(1)第一次積分。設(shè)在時(shí)間t=0時(shí)刻，us=1，通過G2控制S1斷開，則對模擬信號ui積分，積分電流，則

當(dāng)uo<0時(shí)，比較器輸出為2n個(gè)脈沖后又回到0，同時(shí)使定時(shí)觸發(fā)器FFnQ端置1，開關(guān)S2接通-uREF。第一次積分結(jié)束，積分時(shí)間為t1=2n·Tc，則

從上式可以看出：積分器的輸出電壓uo與輸出模擬電壓成正比。

(2)第二次積分(反向積分)。當(dāng)開關(guān)S2合到-uREF后，積分器從t1立刻進(jìn)行第二次積分(反向積分)。計(jì)數(shù)器再次從0開始計(jì)數(shù)，電容器C以恒定電流放電，放電初始電壓值為。則積分器的輸出電壓：

反向積分時(shí)，uo(t)上的電壓從逐漸上升，經(jīng)時(shí)間(t2-t1)后，檢零比較器的輸出uc由高電平1變到低電平0。G1被封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，第二次積分結(jié)束。這時(shí)積分器的輸出電壓為

上式中(t2-t1)=T2為反向積分所用的時(shí)間，N為T2時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖數(shù)。

所以

上式說明，第二次積分結(jié)束后，計(jì)數(shù)器的數(shù)值和輸入模擬電壓成正比，從而實(shí)現(xiàn)了輸入模擬電壓ui到輸出數(shù)字量的轉(zhuǎn)換?？梢婋p積分型A/D轉(zhuǎn)換在完成一次轉(zhuǎn)換過程中需要進(jìn)行兩次積分。

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換電路具有抑制交流干擾的能力和結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換速度高的特點(diǎn)。雙積分技術(shù)的不足之處在于速度低，且轉(zhuǎn)換時(shí)間不固定。MNL3

A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)

1.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度

在A/D轉(zhuǎn)換電路中，也用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來表示轉(zhuǎn)換精度。

(1)分辨率。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是指輸出數(shù)字量的最低位變化一個(gè)單位，輸入模擬量的必須變化量(也可用LSB來表示)，即

分辨率=式中,n為轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。例如,8位A/D轉(zhuǎn)換器，輸入模擬電壓的變化范圍是0～5V，則其分辨率為19.6mV。分辨率也常用A/D轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制或十進(jìn)制的位數(shù)來表示。(2)轉(zhuǎn)換誤差。轉(zhuǎn)換誤差表示轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量和理想輸出數(shù)字量之間的差別，并用最低有效位的倍數(shù)來表示。轉(zhuǎn)換誤差由系統(tǒng)中的量化誤差和其他誤差之和來確定。量化誤差通常為±LSB/2。其他誤差包括基準(zhǔn)電壓不穩(wěn)或設(shè)定不精確、比較器工作不夠理想所帶來的誤差。

A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)滿足所要求的轉(zhuǎn)換誤差。例如,A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入電壓的范圍是0～5V，要求其轉(zhuǎn)換誤差為0.05%，則其允許最大誤差為2.5mV。在此條件下，如果系統(tǒng)不考慮其他誤差，則選用12位的A/D轉(zhuǎn)換芯片就能滿足要求。如果考慮到系統(tǒng)還有其他的誤差，則應(yīng)相應(yīng)地增加A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)，才能使轉(zhuǎn)換誤差不會(huì)超出所要求的范圍。

2.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度可用A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換頻率來表示。

轉(zhuǎn)換時(shí)間是指完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間,即從接到轉(zhuǎn)換控制信號開始到得到穩(wěn)定的數(shù)字量的輸出為止所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換速度是指單位時(shí)間內(nèi)完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換類型。例如,直接型A/D轉(zhuǎn)換器中,并行A/D轉(zhuǎn)換器比逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器快得多；間接型A/D轉(zhuǎn)換器要比直接型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度低得多。

此外，在組成高速A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，還應(yīng)將采樣―保持電路中的采樣時(shí)間計(jì)入轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)。

3.電源抑制

在輸入模擬信號不變的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)換電路的供電電源發(fā)生變化時(shí)，對輸出也會(huì)產(chǎn)生影響,這種影響可用輸出數(shù)字量的絕對變化量來表示。

此外，還有功率消耗、穩(wěn)定系數(shù)、輸入模擬電壓范圍以及輸出數(shù)字信號的邏輯電平等技術(shù)指標(biāo)。MNL4集成A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

這里以ADC0809為例，介紹A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。

ADC08098位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是一種單片CMOS器件，它內(nèi)部包含8位的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、8通道多路轉(zhuǎn)換器及與微處理器兼容的控制邏輯。8通道多路轉(zhuǎn)換器直接連接8個(gè)單端模擬信號中的任意一個(gè)。圖12-2-8是ADC0809的管腳圖，圖12-2-9是ADC0809的邏輯框圖。圖12-2-8

ADC0809的管腳圖圖12-2-9

ADC0809的邏輯框圖

ADC0809各引腳的功能介紹如下:

IN0~IN7:8路輸入通道的模擬量輸入端口。

2-1~2-8:8位數(shù)字量輸出端口。

START、ALE:START為啟動(dòng)控制輸入端口，ALE為地址鎖存控制信號端口。這兩個(gè)信號連接在一起，當(dāng)給一個(gè)正脈沖時(shí)，便立刻啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，參見圖12-2-10所示的工作時(shí)序。圖12-2-10

ADC0809的工作時(shí)序圖

EOC、OE:EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號脈沖輸出端口，OE為輸出允許控制端口。這兩個(gè)信號也可連接在一起，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。OE端的電平由低變高，打開三態(tài)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。

REF(+)、REF(-)、VCC、GND:REF(+)、REF(-)為參考電源輸入端，VCC為主電源輸入端，GND為接地端。一般REF(+)

與VCC連接在一起，REF(-)和GND連接在一起。

CLK:時(shí)鐘輸入端。

ADDA、ADDB、ADDC:8路模擬開關(guān)三位地址選通輸入端，以選擇對應(yīng)的輸入通道，其對應(yīng)關(guān)系如表12-2-2所示。表12-2-2地址碼與輸入通道的對應(yīng)關(guān)系

ADC0809常用于單片機(jī)的外圍芯片，將需要送入單片機(jī)的0～5V的模擬電壓轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字信號，送入單片機(jī)處理。它和單片機(jī)的接口通常有三種方式:查詢方式、中斷方式和等待延時(shí)方式。這里不再贅述，具體應(yīng)用可查閱相關(guān)資料。A/D轉(zhuǎn)換集成電路的種類很多，ADC080X系列ADC轉(zhuǎn)換器如ADC0801、ADC0802、ADC0803、ADC0804、ADC0805等，是較流行的中速廉價(jià)型單通道8位MOSA/D轉(zhuǎn)換器。該集成A/D轉(zhuǎn)換器是美國國家半導(dǎo)體公司(NationalSemiconductCorporation)的產(chǎn)品，這一系列的五個(gè)不同型號產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)原理基本相同，但非線性誤差不同，其最大非線性誤差A(yù)DC0801為±1/4LSB，ADC0802/0803為±1/2LSB，ADC0804/0805為±1LSB。顯然,ADC0801的精度最高，其市場售價(jià)也最高。這個(gè)系列是20引腳雙列直插式封裝芯片。其特點(diǎn)是內(nèi)含時(shí)鐘電路,只要外接一個(gè)電阻和電容就可自身提供時(shí)鐘信號；也可自行提供VREF/2端的參考電壓，允許輸入信號是差動(dòng)的或不共地的電壓信號。圖12-2-11是ADC080X系列的管腳圖。各管腳的功能介紹如下:

(引腳1、2、3):數(shù)字控制輸入端，滿足標(biāo)準(zhǔn)TTL電平。其中,用來控制A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號，

用來讀A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。當(dāng)它們同時(shí)為低電平時(shí)，輸出數(shù)字鎖存器各端上出現(xiàn)8位并行二進(jìn)制數(shù)。圖12-2-11

ADC0801～0805的管腳圖

CLKI(引腳4)和CLKR(引腳19):ADC0801～ADC0805內(nèi)部有時(shí)鐘電路，只要在“CLKI”和“CLKR”兩端外接一對電阻、電容即可產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)鐘，其振蕩頻率為fCLK≈1/1.1RC。其典型應(yīng)用參數(shù)為:R=10kΩ，C=150pF，fCLK≈640kHz，轉(zhuǎn)換速度為100μs。若采用外部時(shí)鐘，則外部時(shí)鐘fCLK應(yīng)從CLKI端輸入，此時(shí)不接R、C，允許的時(shí)鐘頻率范圍為100～1460kHz。

(引腳5):是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，輸出跳轉(zhuǎn)為低電平，表示本次轉(zhuǎn)換已結(jié)束(可作為微處理器查詢和中斷信號)。如果將和端與相連接，則ADC0801～ADC0805處于自動(dòng)循環(huán)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。ADC0801～ADC0805轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)序如圖12-2-12所示。為0時(shí)，允許進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由低跳高時(shí)，8位逐次比較需8×8=64個(gè)時(shí)鐘周期，再加上控制邏輯操作，一次轉(zhuǎn)換需66～73個(gè)時(shí)鐘周期。在典型應(yīng)用fCLK≈640kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為103～114μs。當(dāng)fCLK超過640kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換精度下降;超過極限值1460時(shí),便不能正常工作。圖12-2-12

ADC080X的工作時(shí)序圖

(引腳6)和(引腳7):

被轉(zhuǎn)換的電壓信號從和輸入，允許此信號是差動(dòng)的或不共地的電壓信號。如果輸入電壓信號VIN的變化范圍為0V～Vmax，則芯片的接地，輸入電壓信號加到引腳。

AGND(引腳8)和DGND(引腳10):

AGND為模擬地，DGND為數(shù)字地,分別有輸入端。數(shù)字電路的地電流不影響模擬信號回路，以防止寄生耦合產(chǎn)生的干擾。

VREF/2(引腳9):參考電壓VREF/2可以由外部電路供給，從“VREF/2”直接送入，VREF/2電壓應(yīng)是輸入電壓的二分之一。所以,輸入電壓的范圍可以通過調(diào)整VREF/2引腳處的電壓加以改變，轉(zhuǎn)換器的零點(diǎn)無需調(diào)整。例如,輸入電壓范圍是0.5～3.5V，在VREF/2處應(yīng)加2V；當(dāng)輸入電壓是0～5V時(shí)，如VCC電壓準(zhǔn)確、穩(wěn)定，也可作參考基準(zhǔn)。此時(shí)，由ADC0801～ADC0805芯片內(nèi)部設(shè)置的分壓電路可自行提供VREF/2參考電壓，VREF/2不必外接電源，懸空即可。測試工作任務(wù)書MNL5

CC144333雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

1.CC14433的管腳分布及管腳功能簡介

CC144333雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是用CMOS工藝制造的，它將數(shù)字電路和模擬電路集成在一個(gè)芯片中，芯片有24只引腳，采用雙列直插式。其引腳排列如圖12-2-14所示。圖12-2-14

CC14433管腳圖引腳功能說明如下:

VAG(1腳):被測電壓VX和基準(zhǔn)電壓VR的參考地。

VR(2腳):外接基準(zhǔn)電壓(2V或200mV)輸入端。

VX(3腳):被測電壓輸入端。

R1(4腳)、R1/C1(5腳)、C1(6腳):外接積分阻容元件端。

外接元件參考值：C1＝0.1μF(聚酯薄膜電容器)，R1＝470kΩ(2V量程)；

R1＝27kΩ(200mV量程)。

C01(7腳)、C02(8腳):外接失調(diào)補(bǔ)償電容端，典型值為0.1μF。

DU(9腳):實(shí)時(shí)顯示控制輸入端。若其與EOC(14腳)端連接，則每次A/D轉(zhuǎn)換均顯示。

CP1(10腳)、CP0(11腳):時(shí)鐘振蕩外接電阻端，典型值為470kΩ。VEE(12腳):電路的電源最負(fù)端，接-5V。VSS(13腳):除CP外所有輸入端的低電平基準(zhǔn)(通常與1腳連接)。

EOC(14腳):轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)記輸出端，每一次A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束，EOC輸出一個(gè)正脈沖，其寬度為時(shí)鐘周期的二分之一。

(15腳):過量程標(biāo)志輸出端，當(dāng)|VX|＞VR

時(shí)，輸出為低電平。

DS4～DS1(16～19腳):多路選通脈沖輸入端，DS1對應(yīng)于千位，DS2

對應(yīng)于百位，DS3

對應(yīng)于十位，DS4對應(yīng)于個(gè)位。Q0～Q3(20～23腳):BCD碼數(shù)據(jù)輸出端，DS2、DS3、DS4選通脈沖期間，輸出三位完整的十進(jìn)制數(shù)；在DS1選通脈沖期間，輸出千位0或1及過量程、欠量程和被測電壓極性標(biāo)志信號(詳見表12-2-4及表后說明)。

CC14433具有自動(dòng)調(diào)零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換等功能，可測量正或負(fù)的電壓值。當(dāng)CP1

、CP0

端接入470kΩ電阻時(shí)，時(shí)鐘頻率約為66kHz，每秒可進(jìn)行4次A/D轉(zhuǎn)換。它調(diào)試簡便，能與微處理機(jī)或其他數(shù)字系統(tǒng)兼容，廣泛應(yīng)用于數(shù)字面板表、數(shù)字萬用表、數(shù)字溫度計(jì)、數(shù)字量具及遙測、遙控系統(tǒng)。

2.CC14433的功能和使用說明

(1)電路內(nèi)部具有自動(dòng)調(diào)零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，可以測量輸入為正或負(fù)的電壓值。

(2)當(dāng)CP1、CP0接入RC=479kΩ時(shí)，時(shí)鐘頻率約等于66kHz，每秒可進(jìn)行4次A/D轉(zhuǎn)換。

(3)此芯片有兩個(gè)基本量程:當(dāng)C1=0.1μF，R1=470kΩ，VREF=2V時(shí)，滿量程讀數(shù)為1.999V；當(dāng)C1=0.1μF，R1=27kΩ，VREF=200mV時(shí)，滿量程讀數(shù)為199.9mV。輸入端接入一個(gè)1MΩ電阻和0.01μF電容組成的濾波網(wǎng)絡(luò)。若在電容器兩端并接兩只正、反向二極管，則可對輸入端起到保護(hù)作用。為擴(kuò)大量程，可接入電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。

(4)顯示譯碼器選用CD4511。BCD碼輸入，七段碼輸出。(5)數(shù)字顯示采用動(dòng)態(tài)逐位掃描方式，工作時(shí)自高位向低位以每位約300μs的速率循環(huán)顯示,即一個(gè)4位數(shù)的循環(huán)周期是1.2ms。當(dāng)選通端DS1、DS2、DS3和DS4依次被置1時(shí)，相應(yīng)地選通千位、百位、十位和個(gè)位數(shù)碼管。與此同時(shí)，輸出端Q3Q2Q1Q0與選通端同步，依次輸出相應(yīng)的數(shù)值，通過顯示譯碼器后，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)值。

(6)3數(shù)字電壓表使用4位數(shù)碼管顯示讀數(shù)，為滿足動(dòng)態(tài)掃描、逐位顯示要求，各數(shù)碼管同名筆劃端可與相應(yīng)的譯碼顯示輸出端連在一起。但其中最高位數(shù)碼管要求僅b、c兩筆劃接入電路，使它滿足顯示1和0(滅0)的功能。

(7)CC14433的最高位不是通常的BCD碼，而是輸出如表12-2-4所示的特殊編碼。表12-2-4最高位真值表由表可知:

①當(dāng)最高位為0時(shí)，輸出Q3Q2Q1Q0均超過了1001，通過CD4511譯碼后使數(shù)碼管燈滅;當(dāng)最高位為1時(shí)，由于只接入了b、c兩筆劃，從而數(shù)碼管只顯示1。

②Q2可以作為被測電壓的極性指示信號。當(dāng)被測信號為“＋”時(shí)，Q2=1;當(dāng)被測信號為“-”時(shí)，Q2=0。用它來驅(qū)動(dòng)最高位數(shù)碼管的g筆劃位。③從Q3Q0兩位輸出中，可以看出是欠壓還是過壓。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果小于0180時(shí)，表明是欠壓量程狀態(tài)，這時(shí)Q3=1，Q0=1(Q3Q0=1)，表明電壓表已欠壓，此時(shí)電壓表可以減小一個(gè)量程，將小數(shù)點(diǎn)向左移一位，以增加有效讀數(shù)位。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果大于1999時(shí)(已溢出)，則Q3=0，Q0=1(

Q0=1)，表明電壓表處于超量程狀態(tài),此時(shí)電壓表增大一擋量