數(shù)電教材第11章數(shù)－模和模－數(shù)轉(zhuǎn)換.ppt

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(jiàn)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(kāi)關(guān)樹(shù)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(guò)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(duì)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)：,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(duì)于過(guò)程控制和檢測(cè)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） 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(kāi)關(guān)樹(shù)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(guò)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(jiǎn)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)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(guò)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(jiǎn)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(jiǎn)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。,11.2 D/A轉(zhuǎn)換器,數(shù)字量是用代碼按位數(shù)組合起來(lái)表示的，對(duì)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。,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(kāi)關(guān)電路、解碼電路、求和電路及基準(zhǔn)電壓及部分組成。,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(duì)應(yīng)數(shù)位上的電子開(kāi)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(kāi)關(guān)樹(shù)型。,*按模擬開(kāi)關(guān)電路的不同把D/A分為：,CMOS開(kāi)關(guān)型和雙極型開(kāi)關(guān)型，其中雙極型開(kāi)關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器又分為電流開(kāi)關(guān)型和ECL電流開(kāi)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,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(jiǎn)稱MSB）到最低位（Least Significant Bit，簡(jiǎn)稱LSB）的權(quán)。,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(kāi)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(kāi)關(guān)，其狀態(tài)受輸入數(shù)碼d3d0的取值控制。當(dāng)di1時(shí)開(kāi)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(kāi)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,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(jiǎn)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。,11.2.2 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(wú)論開(kāi)關(guān)打在哪一面，流過(guò)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。,總的電流為,11.2.2 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(duì)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(shuō)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(AD7520)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(kāi)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11.2.6,11.2.2 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(duì)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(méi)有考慮開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降，而是當(dāng)成理想開(kāi)關(guān)處理，這無(wú)疑會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤差，影響轉(zhuǎn)換精度。,解決這個(gè)問(wèn)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(kāi)關(guān)內(nèi)阻合壓降 的影響，故而降低了 對(duì)開(kāi)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)，相應(yīng)的開(kāi)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(kāi)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(guò)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(lái)給各管提供必須的偏置電流,11.2.3 權(quán)電流型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)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（自學(xué)）,*11.2.4 開(kāi)關(guān)樹(shù)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(jiǎn)單起見(jiàn)，下面以3位補(bǔ)碼的情況為例，說(shuō)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1,11.2.6 具有雙極性輸出的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(duì)應(yīng)表112的數(shù)字量輸出為,對(duì)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(duì)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,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(lái)描述轉(zhuǎn)換精度。,分辨率用于表示D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)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,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(kāi)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值之間的絕對(duì)誤差小于等于輸入為0001時(shí)的輸出電壓。有時(shí)也用絕對(duì)誤差與輸出電壓滿刻度的百分?jǐn)?shù)來(lái)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(lái)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11.2.17,b. 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(wú)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(kāi)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(kāi)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,這種誤差就是非線性誤差，它沒(méi)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(kāi)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(duì)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(duì)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(lái)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(kāi)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(zhǎng)，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(duì)穩(wěn)定度應(yīng)取多少？,解： a. 計(jì)算1 LSB /2所對(duì)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(duì)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)的輸出電壓為,最低位,對(duì)于CB7520,b. 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(duì)于CB7520則有,則參考電壓的相對(duì)穩(wěn)定度為,而允許參考電壓的變化量?jī)H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(cè)量?jī)x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(wèn)應(yīng)選多少位的D/A轉(zhuǎn)換器？,解：若要求D/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(duì)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(guò)取樣、保持、量化和編碼 四個(gè)過(guò)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,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(guò)程是首先對(duì)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(duì)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(guò)保持電路保持一段時(shí)間。一般取樣和保持過(guò)程往往是通過(guò)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,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)字信號(hào)最低位（LSB）為1,其它位為0時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬量，即1LSB。如圖11.2.3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(lái)，這個(gè)過(guò)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(guò)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(wú)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(duì)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. 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(kāi)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(kāi)關(guān)，,2.工作原理：,11.3.2 取樣保持電路,圖11.3.3,a.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(guò)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 vI,b.當(dāng)取樣電壓vL為低電平時(shí)，NMOS管截止，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(lái)，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(zhǎng)。,注：圖11.3.4的電路由于充電時(shí)通過(guò)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11.3.3,11.3.2 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11.3.5,A1、 A2是兩個(gè)運(yùn)算放大器，S是模擬開(kāi)關(guān)，L是控制開(kāi)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11.3.5,11.3.2 取樣保持電路,當(dāng) vL VREFVTH時(shí)，S接通；當(dāng)vL VREFVTH時(shí)，S斷開(kāi)，VTH為閾值電壓，約為1.4V。D1和D2構(gòu)成保護(hù)電路，當(dāng)保持時(shí)總有一個(gè)二極管是導(dǎo)通的，保護(hù)開(kāi)關(guān)電路不受過(guò)高的電壓；當(dāng)取樣時(shí)，兩個(gè)二極管都截止，保護(hù)電路不起作用,圖11.3.5,11.3.2 取樣保持電路,VOS是失調(diào)電壓輸入端，此段可以通過(guò)外接電阻調(diào)整輸出電壓的零點(diǎn)，使得vI=0時(shí) , vo=0 。,11.3.2 取樣保持電路,圖11.3.5,11.3.3 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器,并聯(lián)比較型屬于直接A/D轉(zhuǎn)換器，它把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量，而不需要經(jīng)過(guò)中間量。直接A/D轉(zhuǎn)換器還有反饋比較型。,圖11.3.6為并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)圖.,1. 組成：,并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器是由電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換電路三部分組成。,圖11.3.6,11.3.3 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器,輸入為0VREF間的模擬電壓，輸出為3位二進(jìn)制代碼d2d1d0。此A/D轉(zhuǎn)換器不包括取樣保持電路，即假定輸入的模擬電壓vI為取樣保持電路的輸出電壓。,圖11.3.6,11.3.3 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器,2. 量化方式：,取量化單位為,其比較器中量化電平的劃分如圖11.3.7所示。,3、工作原理：,由圖11.3.7表可寫出輸出端的邏輯式為,11.3.3 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器,由上述邏輯式畫出圖11.3.8所示,11.3.3 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器,11.3.3 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器,則比較器輸出均為低電平，當(dāng)CLK上升沿到來(lái)后，所有的觸發(fā)器狀態(tài)置成0，即d2 d1 d0000,圖11.3.6,若,11.3.3 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器,圖11.3.6,則比較器C1輸出為高電平，其他為低電平。當(dāng)CLK上升沿到來(lái)后，觸發(fā)器的狀態(tài)置成0000001，則d2 d1 d0001，依此類推。,若,1.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)50ns以下。另外此電路可不用取樣保持電路，因?yàn)楸容^器和寄存器有這樣的功能。,11.3.3 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器,特點(diǎn)：,2.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是需要較多的電壓比較器和觸發(fā)器, n 位需要2n-1比較器,3.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度主要取決于量化電平的劃分，劃分越細(xì)，精度越高，但所用的比較器和觸發(fā)器的數(shù)目越多。另外轉(zhuǎn)換精度與參考電壓、電阻及運(yùn)放也有關(guān)。,原理：取一個(gè)數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，則可得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出模擬電壓。將這個(gè)模擬電壓和輸入的模擬電壓信號(hào)相比較。如果兩者不相等，則調(diào)整所取得數(shù)字量，直到兩個(gè)模擬電壓相等為止，最后所取得數(shù)字量即為所求的轉(zhuǎn)換結(jié)果。,在反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器中經(jīng)常采用的有計(jì)數(shù)型和逐次漸進(jìn)型兩種。,1.計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器,圖11.3.8為計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖。它是由比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器、脈沖源、控制門G以及輸出寄存器等幾部分構(gòu)成。,11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器,圖11.3.8,工作原理：,11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器,取一個(gè)“D”加到DAC上，得到模擬輸出電壓，將該值與輸入電壓比較，如兩者不等，則調(diào)整D的大小，到相等為止，則D為所求值,圖11.3.8,11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器,a. 將計(jì)數(shù)器清零，且vL0。此時(shí)門G被封鎖，計(jì)數(shù)器不工作，計(jì)數(shù)器輸出為0，則vo0；如果vI 0，則vI vo ，比較器的輸出電壓vB1；,圖11.3.8,b.當(dāng)vL為高電平時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，脈沖源發(fā)出的脈沖經(jīng)過(guò)門G加到計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖輸入端CLK，計(jì)數(shù)器開(kāi)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11.3.8,11.3.4 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11.3.8,11.3.4 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(guò)程中計(jì)數(shù)器的數(shù)字不斷變化，所以不能將計(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11.3.8,b. 此方案的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)輸出為n位二進(jìn)制數(shù)碼時(shí)，最長(zhǎng)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(jiǎn)單，常用在對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高的場(chǎng)合。,11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器,圖11.3.8,2.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，有砝碼8g、4g、2g、1g。比較過(guò)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(guò)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11.3.9,11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器,特點(diǎn)：電路不太復(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11.3.10,11.3.4 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vI5.86V,則轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：,圖11.3.10,11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器,(1) 開(kāi)始前將FFA FFB置零，同時(shí)將環(huán)形計(jì)數(shù)器FF1FF5置成Q1Q5= 10000。,(2) 當(dāng)vL為高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)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11.3.10,11.3.4 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(lái)時(shí)， QAQBQC110 。此時(shí),故比較器輸出為1,同時(shí)Q1Q5= 00100,圖11.3.10,11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器,(4) 當(dāng)?shù)?個(gè)脈沖上升沿來(lái)時(shí)， QAQBQC101 。此時(shí),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(lái)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11.3.10,2004/12/25,(6) 第5個(gè)脈沖來(lái)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11.3.10,11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器,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(jiǎn)單的多；,轉(zhuǎn)換過(guò)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11.3.10,c.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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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11.3.12,a.組成：,轉(zhuǎn)換開(kāi)始前（轉(zhuǎn)換控制信號(hào)vL0）先將計(jì)數(shù)器清零，并接通開(kāi)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(kāi)始（S0斷開(kāi)），其步驟如下,a. 使開(kāi)關(guān)S1合到輸入信號(hào)vI 一側(cè):積分器對(duì)vI在固定時(shí)間T1進(jìn)行積分，其輸出電壓為,上式說(shuō)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(kāi)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(jiàn)，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(duì)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。,對(duì)于雙積分過(guò)程的控制，可由圖11.3.14所示的邏輯電路來(lái)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(kāi)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(guò)程為：,a. 轉(zhuǎn)換開(kāi)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，C完全放電。,11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,b. 轉(zhuǎn)換開(kāi)始：轉(zhuǎn)換控制信號(hào)vL1，S0斷開(kāi)，S1接到輸入信號(hào)vI一側(cè)，積分器開(kāi)始對(duì)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(kāi)，計(jì)數(shù)器對(duì)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(kāi)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)換器,圖11.3.13,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(zhǎng)需要多長(zhǎng)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(zhǎng)，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,*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(wú)關(guān)，且T1=NTC，最后轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)鐘周期無(wú)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(duì)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)：工作速度低。對(duì)于前述的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)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(guò)程中發(fā)生波動(dòng)，可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。,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11.3.14,1.組成：,VF變換型A/D轉(zhuǎn)換器是由VF變換器（也稱壓控振蕩器，簡(jiǎn)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(guò)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11.3.14,11.3.6 VF變換型A/D轉(zhuǎn)換器,為了防止轉(zhuǎn)換過(guò)程中輸出的數(shù)字跳動(dòng)，則在轉(zhuǎn)換過(guò)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。,11.3.6 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(cè)，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(cè)、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,9.3.5 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(lái)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(duì)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.,9.3.5 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L(zhǎng)SB/2，則說(shuō)明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得的輸出數(shù)字量之間的最小誤差小于最低有效位的半個(gè)字。,有時(shí)也用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)給出轉(zhuǎn)換誤差。如A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為十進(jìn)制 位（即所謂3位半），若轉(zhuǎn)換誤差為0.005%FSR，則滿量程輸出為1999,最大輸出誤差小于最低位的1。,2. 轉(zhuǎn)換誤差：,9.3.5 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度,注：如果以增加輸出數(shù)字量的位數(shù)并不一定提高A/D轉(zhuǎn)換器的精度，必須根據(jù)轉(zhuǎn)換誤差小于等于量化誤差，合理選擇輸出數(shù)字量的位數(shù)。,二 、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度,A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度是用轉(zhuǎn)換時(shí)間來(lái)描述，轉(zhuǎn)換時(shí)間定義為A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)時(shí)起，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/