第十一章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換(電子) (2)

1、學(xué)習(xí)要點(diǎn)： 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理 常見(jiàn)的典型電路多路開(kāi)關(guān)數(shù)字控制計(jì)算機(jī)DACADC功率放大功率放大執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)加熱爐加熱爐溫度傳感器溫度傳感器信號(hào)放大信號(hào)放大多路開(kāi)關(guān) 11.1 概概 述述 轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是衡量是衡量A/D轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器性轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)劣的主要標(biāo)志。能優(yōu)劣的主要標(biāo)志。 數(shù)數(shù)/模與模模與模/數(shù)變換器是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，數(shù)變換器是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的重要接口計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的重要接口,也是數(shù)字測(cè)量和數(shù)字控制也是數(shù)字測(cè)量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。系統(tǒng)的重要部件。 能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱(chēng)為模數(shù)轉(zhuǎn)換

2、器，簡(jiǎn)能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱(chēng)為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)稱(chēng)A/D轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或ADC；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱(chēng)；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱(chēng)為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)D/A轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或DAC。 分類(lèi)分類(lèi) 變變換換型型變變換換型型間間接接型型反反饋饋比比較較型型并并聯(lián)聯(lián)比比較較型型直直接接型型權(quán)權(quán)電電容容網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)樹(shù)樹(shù)型型權(quán)權(quán)電電流流型型型型電電阻阻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)倒倒權(quán)權(quán)電電阻阻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)FVTVDADACDACDACDACTDACAD/5.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D/A 轉(zhuǎn)換器的基本原理和轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換器的基本原理和轉(zhuǎn)換特性 D/A轉(zhuǎn)換器的作用是

3、將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量。轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量。例如：對(duì)于例如：對(duì)于0 5V的直流電壓，計(jì)算機(jī)用的直流電壓，計(jì)算機(jī)用8位數(shù)字量來(lái)描位數(shù)字量來(lái)描述時(shí)：最小值（述時(shí)：最小值（00000000）B = 0對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)0V， 最大值（最大值（11111111）B = 255 對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng) 5V， 中間值（中間值（01111111）B = 127 對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)2. 5V 等等。等等。 D/A的任務(wù)是接收到一個(gè)數(shù)字量后，給出一個(gè)相應(yīng)的的任務(wù)是接收到一個(gè)數(shù)字量后，給出一個(gè)相應(yīng)的電壓。比如收到（電壓。比如收到（00111111）B ，應(yīng)給出幅度為，應(yīng)給出幅度為1.25V 的的電壓。電壓。將輸入的每一

4、位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。uo或io輸出D/Ad0d1dn1輸入)2222(00112211oddddKunnnnu76543210000 001 010 011 100 101 110 111uo(V)D二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)dn-1dn-2d1d0，)2222(00112211oddddKunnnnu量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

5、。D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換特性，是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字圖示是輸入為圖示是輸入為3位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性。器的轉(zhuǎn)換特性。理想的理想的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)是輸出模應(yīng)是輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比。擬量與輸入數(shù)字量成正比。即：輸出模擬電壓即：輸出模擬電壓 uo=KuD或或輸出模擬電流輸出模擬電流io=KiD。其中其中Ku或或Ki為電壓或電流轉(zhuǎn)換比例為電壓或電流轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，系數(shù)，D為輸入二進(jìn)制數(shù)所代表的十進(jìn)制數(shù)。為輸入二進(jìn)制數(shù)所代表的十進(jìn)制數(shù)。如果輸入為如果輸入為n位位則輸出模擬電壓為：則輸出模擬電壓為：

6、11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器求和放求和放大器大器基準(zhǔn)電基準(zhǔn)電源源權(quán)電阻求權(quán)電阻求和網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)電子模電子模擬開(kāi)關(guān)擬開(kāi)關(guān)0000 IOIViVVR,i ,AA，且且必必有有當(dāng)當(dāng)接接成成深深度度負(fù)負(fù)反反饋饋時(shí)時(shí)，為為理理想想放放大大器器，即即設(shè)設(shè)負(fù)負(fù)反反饋饋放放大大器器：11.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 當(dāng)當(dāng) D D = 1 = 1 時(shí)，時(shí)，T T2 2 管管飽和導(dǎo)通，飽和導(dǎo)通，T T1 1 管截止，管截止，則則 S S 與與 a a 點(diǎn)通點(diǎn)通 ； 當(dāng)當(dāng) D D = 0 = 0 時(shí)，時(shí)，T T1 1 管飽和導(dǎo)通，管飽和導(dǎo)通，T T2 2 管截管截止，則止，則 S S 被接地被接地

7、 。 前者相當(dāng)于開(kāi)關(guān)前者相當(dāng)于開(kāi)關(guān)S 接到接到 “ 1 ” 端端 ，后者，后者則則 相當(dāng)于開(kāi)關(guān)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)S 接到接到“ 0 ”端端 。電子模擬開(kāi)關(guān)的電子模擬開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化原理電路簡(jiǎn)化原理電路T1T2SDa求和放求和放大器大器基準(zhǔn)電基準(zhǔn)電源源權(quán)電阻求權(quán)電阻求和網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)電子模電子模擬開(kāi)關(guān)擬開(kāi)關(guān)1 01 01 01 0控制控制受數(shù)字受數(shù)字0303ddSS 流向流向時(shí)，時(shí)，時(shí)，時(shí)，iiiiIdId1003032121210302222dRVIdRVIdRVIdRVIdRVIREFREFREFREFiiREFi 權(quán)電流：權(quán)電流：)2d2d2d2d(R2VdR2VdR2VdR2VdRVIIIIi001122

8、333REF03REF12REF2REF3REF0123 )2d2d2d2d(2Vi2RiRu001122334REFFo nnREF00112n2n1n1nnREFoD2V)2d2d2d2d(2Vu VREF為正電壓時(shí)輸為正電壓時(shí)輸出電壓出電壓vO始終為負(fù)始終為負(fù)值；要使值；要使vO為正，為正， VREF必須取為負(fù)值必須取為負(fù)值設(shè)設(shè)RF=R/2輸出的模擬電壓正輸出的模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量，比于輸入的數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換模擬量的轉(zhuǎn)換nnREFnnnnnREFDVddddVv2)2222(200112211o 對(duì)對(duì)n位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)

9、反饋電轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取阻取R/2時(shí)，輸出電壓為：時(shí)，輸出電壓為：REFnnOnnVV,D2120120 范范圍圍為為雙級(jí)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)雙級(jí)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單； 缺點(diǎn)缺點(diǎn)是各個(gè)電阻的阻值相差較大，是各個(gè)電阻的阻值相差較大，難于保證精度，且大難于保證精度，且大電阻不宜于集成在電阻不宜于集成在ICIC內(nèi)部?jī)?nèi)部。nnREFREFDVddddVv2)2222(2001166778o11.2.2 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器希望用較少類(lèi)型的電阻，仍然能得到一系列權(quán)電流RRRRRVIREF 10101010RVIREF )16()8()4()

10、2(010123IdIdIdIdiIdIdiiii 流流入入地地端端時(shí)時(shí)，流流入入時(shí)時(shí)，440011223342)2222(21DVddddRVRRiVREFREFO nnREFnnnnnREFODVddddRVRRiVn2)2222(2100112211 位位輸輸入入時(shí)時(shí)，應(yīng)應(yīng)有有對(duì)對(duì)REFnnOnnVV,D2120120 范圍為范圍為為“正”為“正”取“負(fù)”則得取“負(fù)”則得OREFVV440011223342)2222(21DVddddRVRRiVREFREFO 集成集成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器CB7520(A/D7520)的電路原理圖的電路原理圖 輸入為輸入為10位二進(jìn)制數(shù)，采用位二進(jìn)制數(shù)，采

11、用CMOS電路構(gòu)成的模擬開(kāi)關(guān)。電路構(gòu)成的模擬開(kāi)關(guān)。 使用時(shí)需要外接運(yùn)算放大器。其反饋電阻可以外接也可以使用時(shí)需要外接運(yùn)算放大器。其反饋電阻可以外接也可以用內(nèi)設(shè)的。用內(nèi)設(shè)的。 這是一個(gè)這是一個(gè)4位位D/A轉(zhuǎn)換器，圖上的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，圖上的開(kāi)關(guān)Si是受數(shù)字位是受數(shù)字位di控制的，控制的，當(dāng)當(dāng)di = 0時(shí)開(kāi)關(guān)接地，否則，開(kāi)關(guān)接運(yùn)放的反向輸入端。時(shí)開(kāi)關(guān)接地，否則，開(kāi)關(guān)接運(yùn)放的反向輸入端。每個(gè)恒流源電流的數(shù)值與輸入的二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)位的每個(gè)恒流源電流的數(shù)值與輸入的二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)位的“權(quán)權(quán)”成正比。成正比。11.2.3 權(quán)電流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器每個(gè)支路每個(gè)支路均為恒流均為恒流源，其電源，其電流大小不流

12、大小不再受開(kāi)關(guān)再受開(kāi)關(guān)內(nèi)阻和壓內(nèi)阻和壓降的影響。降的影響。 為了電流恒定，應(yīng)當(dāng)為了電流恒定，應(yīng)當(dāng)確保確保REi兩端的電壓恒定兩端的電壓恒定.)2222(2)16842(0011223340123ddddRIRdIdIdIdIRiVFFFo顯然顯然:恒流源常采用圖示結(jié)構(gòu)恒流源常采用圖示結(jié)構(gòu)EiEEbeBiRVVVI 單單片片集集成成 D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器 DAC0808 的的電電路路結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)框框圖圖 8位數(shù)字量輸入端位數(shù)字量輸入端求和電流輸出端求和電流輸出端基準(zhǔn)電基準(zhǔn)電流發(fā)生流發(fā)生電路中電路中運(yùn)算放運(yùn)算放大器的大器的反相輸反相輸入端和入端和同相輸同相輸入端入端外接外接補(bǔ)償補(bǔ)償電容電容正電正電源輸

13、源輸入端入端負(fù)電源輸入端負(fù)電源輸入端DAC0808 的的典典型型應(yīng)應(yīng)用用 nREFRnFODVRRv2 可計(jì)算出在給定參數(shù)下輸入的數(shù)可計(jì)算出在給定參數(shù)下輸入的數(shù)字量在全字量在全0到全到全1之間變化時(shí)，輸之間變化時(shí)，輸出模擬電壓的變化范圍出模擬電壓的變化范圍 例：輸入為三例：輸入為三位二進(jìn)制補(bǔ)碼。最位二進(jìn)制補(bǔ)碼。最高位為符號(hào)位，正高位為符號(hào)位，正數(shù)為數(shù)為0，負(fù)數(shù)為，負(fù)數(shù)為1補(bǔ)碼輸入補(bǔ)碼輸入 對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù) 要求的要求的輸出電壓輸出電壓D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V11.2.

14、6 具有雙極性輸出的具有雙極性輸出的DAC 當(dāng)輸入數(shù)字量是以補(bǔ)碼形式輸入的正、負(fù)數(shù)時(shí)，當(dāng)輸入數(shù)字量是以補(bǔ)碼形式輸入的正、負(fù)數(shù)時(shí)，希望輸出的模擬電壓也相應(yīng)具有希望輸出的模擬電壓也相應(yīng)具有極性。極性。一、原理一、原理絕對(duì)值輸入絕對(duì)值輸入對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的輸出輸出偏移后偏移后的輸出的輸出D2 D1 D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V補(bǔ)碼輸入補(bǔ)碼輸入對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制十進(jìn)制要求的要求的輸出輸出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V

15、101-3-3V100-4-4VD/A*將符號(hào)位反相后接至高位輸入將符號(hào)位反相后接至高位輸入*將輸出偏移使輸入為將輸出偏移使輸入為100時(shí)，輸出為時(shí)，輸出為0二、電路實(shí)現(xiàn)二、電路實(shí)現(xiàn)VVVVVVVVddddddVVVOOOOOREF4100711110010000)222(288. 10120011223 則則則則*將符號(hào)位反相后接至高位輸入*將輸出偏移使輸入為100時(shí)，輸出為0即即可可只只需需令令時(shí)時(shí)，輸輸入入時(shí)時(shí)，使使輸輸入入偏偏移移RVIRViIRVIiVVREFBBBREFO22221000100,4. 2 分辨率用來(lái)表示分辨率用來(lái)表示DAC能夠分辨輸出最小電壓的能力。能夠分辨輸出最小

16、電壓的能力。分辨分辨率也可用率也可用DAC輸出的最小電壓與輸出最大電壓之比表示。輸出的最小電壓與輸出最大電壓之比表示。輸出輸出最小電壓是指輸入數(shù)字量只有最低有效位為最小電壓是指輸入數(shù)字量只有最低有效位為1時(shí)的輸出電壓。輸時(shí)的輸出電壓。輸出最大電壓是指輸入數(shù)字量各位全為出最大電壓是指輸入數(shù)字量各位全為1時(shí)的輸出電壓。時(shí)的輸出電壓。 DAC的位數(shù)越高，它的分辨率就越小。分辨率小說(shuō)明在相的位數(shù)越高，它的分辨率就越小。分辨率小說(shuō)明在相同條件下，輸出最小電壓小。同條件下，輸出最小電壓小。l l、分辨率、分辨率121n分辨率n為被轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)為被轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù) 分辨率可用分辨率可用DAC的位

17、數(shù)表示。的位數(shù)表示。n位位DAC的輸出電壓能夠給的輸出電壓能夠給出出2n個(gè)不同的數(shù)量等級(jí)。當(dāng)然個(gè)不同的數(shù)量等級(jí)。當(dāng)然DAC的位數(shù)高，它的輸出電壓等的位數(shù)高，它的輸出電壓等級(jí)就多，每個(gè)電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)的電壓值就越小。這從理論上講可級(jí)就多，每個(gè)電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)的電壓值就越小。這從理論上講可以表示以表示DAC的精度。的精度。（一）轉(zhuǎn)換精度（一）轉(zhuǎn)換精度11.2.7 DAC的轉(zhuǎn)換精度與速度的轉(zhuǎn)換精度與速度2、轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差 由于由于DAC的各環(huán)節(jié)不可避免地存在參數(shù)和性能方面的誤差，的各環(huán)節(jié)不可避免地存在參數(shù)和性能方面的誤差，使得使得DAC也不可避免地存在誤差。轉(zhuǎn)換誤差常用輸出電壓滿(mǎn)刻也不可避免地存在誤差。轉(zhuǎn)

18、換誤差常用輸出電壓滿(mǎn)刻度度FSR（FULL SCALE RANGE）的百分?jǐn)?shù)表示。）的百分?jǐn)?shù)表示。 例如例如AD7520的線(xiàn)性誤差等于的線(xiàn)性誤差等于0.05%FSR，就是說(shuō)轉(zhuǎn)換誤差，就是說(shuō)轉(zhuǎn)換誤差等于滿(mǎn)刻度的萬(wàn)分之五。等于滿(mǎn)刻度的萬(wàn)分之五。 如果給出的轉(zhuǎn)換誤差等于如果給出的轉(zhuǎn)換誤差等于1/2LSB，就是說(shuō)輸出電壓的絕對(duì)，就是說(shuō)輸出電壓的絕對(duì)誤差小于或等于輸入只有最低有效位為誤差小于或等于輸入只有最低有效位為1時(shí)的輸出模擬電壓的時(shí)的輸出模擬電壓的一半。一半。 有的也用最低有效位的倍數(shù)來(lái)表示。有的也用最低有效位的倍數(shù)來(lái)表示。 (1) 比例系數(shù)誤差：比例系數(shù)誤差：VREF波動(dòng)引起的誤差。波動(dòng)引起的誤

19、差。 DAC產(chǎn)生誤差的主要原因有參考電壓產(chǎn)生誤差的主要原因有參考電壓VREF的波動(dòng)，運(yùn)算放的波動(dòng)，運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移，電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的阻值偏差，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)大器的零點(diǎn)漂移，電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的阻值偏差，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通電壓的變化等。通電阻和導(dǎo)通電壓的變化等。 (2) 漂移誤差：漂移誤差：由運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移引起的。由運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移引起的。 (3) 非線(xiàn)性誤差：非線(xiàn)性誤差： (a) 由于模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通電壓不等于由于模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通電壓不等于0，而且每，而且每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻和電壓也不等，模擬開(kāi)關(guān)接個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻和電壓也不等，模擬開(kāi)關(guān)接VREF和接地和接地

20、時(shí)的壓降也不一定相等。這些原因使得誤差電壓不僅不是常數(shù)，時(shí)的壓降也不一定相等。這些原因使得誤差電壓不僅不是常數(shù)，而且又不與輸入數(shù)字量成正比。這種性質(zhì)的誤差叫做非線(xiàn)性誤而且又不與輸入數(shù)字量成正比。這種性質(zhì)的誤差叫做非線(xiàn)性誤差。差。 (b) 電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值存在偏差。每個(gè)支路的阻值偏差也電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值存在偏差。每個(gè)支路的阻值偏差也不同。不同支路上的電阻阻值偏差對(duì)輸出電壓的影響也不同。不同。不同支路上的電阻阻值偏差對(duì)輸出電壓的影響也不同。這也使得誤差電壓與輸入數(shù)字量之間不存在線(xiàn)性關(guān)系。這也使得誤差電壓與輸入數(shù)字量之間不存在線(xiàn)性關(guān)系。nnREFOnnREFODVVDVV22 一些產(chǎn)品通常規(guī)定為輸

21、入由全一些產(chǎn)品通常規(guī)定為輸入由全0變?yōu)槿優(yōu)槿?(或由全或由全1變?yōu)槿優(yōu)槿?)起，到輸出穩(wěn)定電壓的一段時(shí)間。建立時(shí)間短，說(shuō)明該起，到輸出穩(wěn)定電壓的一段時(shí)間。建立時(shí)間短，說(shuō)明該DAC的的轉(zhuǎn)換速度快。轉(zhuǎn)換速度快。 通常，不包含參考電壓電源和運(yùn)算放大器的通常，不包含參考電壓電源和運(yùn)算放大器的DAC，建立時(shí)，建立時(shí)間最短可在間最短可在0.l微秒以?xún)?nèi)。而包含參考電壓電源和運(yùn)算放大器的微秒以?xún)?nèi)。而包含參考電壓電源和運(yùn)算放大器的DAC，建立時(shí)間最短的可達(dá)，建立時(shí)間最短的可達(dá)1.5微秒。微秒。 建立時(shí)間建立時(shí)間t tsetset DAC的指標(biāo)不止這些。在使用的指標(biāo)不止這些。在使用DAC時(shí)還必須查手冊(cè)，了時(shí)還

22、必須查手冊(cè)，了解其他參數(shù)。解其他參數(shù)。 （ 二）轉(zhuǎn)換速度二）轉(zhuǎn)換速度 從輸入數(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)值從輸入數(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)值相差相差1/2LSB范圍以?xún)?nèi)的這段時(shí)間。范圍以?xún)?nèi)的這段時(shí)間。本節(jié)小結(jié)：D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字信轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)輸出。號(hào)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)輸出。D/A轉(zhuǎn)換器根轉(zhuǎn)換器根據(jù)工作原理基本上可分為二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)據(jù)工作原理基本上可分為二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器兩大類(lèi)。由于轉(zhuǎn)換器兩大類(lèi)。由于T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器只要求兩

23、種阻值的電阻，轉(zhuǎn)換器只要求兩種阻值的電阻，因此最適合于集成工藝，集成因此最適合于集成工藝，集成D/A轉(zhuǎn)換器普遍采轉(zhuǎn)換器普遍采用這種電路結(jié)構(gòu)。用這種電路結(jié)構(gòu)。如果輸入的是如果輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)，則位二進(jìn)制數(shù)，則D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：的輸出電壓為：)2222(200112211oddddVunnnnnREF11.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器11.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理dn-1d1d0數(shù)字量輸出(n位)ADC的數(shù)字化編碼電路 CPS SCADC采樣-保持電路采樣展寬信號(hào)輸入模擬電壓ui(t)us(t)模擬電子開(kāi)關(guān)S在采樣脈沖CPS的控制下重復(fù)接通、斷開(kāi)的過(guò)程。S接通時(shí)，

24、ui(t)對(duì)C充電，為采樣過(guò)程；S斷開(kāi)時(shí)，C上的電壓保持不變，為保持過(guò)程。在保持過(guò)程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進(jìn)制數(shù)輸出。一、模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本過(guò)程一、模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本過(guò)程 模擬信號(hào)是一種幅度上及時(shí)間上都是連續(xù)的信號(hào)，而數(shù)字模擬信號(hào)是一種幅度上及時(shí)間上都是連續(xù)的信號(hào)，而數(shù)字信號(hào)是一種幅度及時(shí)間上皆離散的信號(hào)，要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為信號(hào)是一種幅度及時(shí)間上皆離散的信號(hào)，要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字就需要完成這兩個(gè)方面的轉(zhuǎn)換。數(shù)字就需要完成這兩個(gè)方面的轉(zhuǎn)換。 首先是將時(shí)間上進(jìn)行離散化處理，完成這一步是通過(guò)取樣首先是將時(shí)間上進(jìn)行離散化處理，完成這一步是通過(guò)取樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的。來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 另一步幅度

25、離散是通過(guò)量化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。另一步幅度離散是通過(guò)量化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換實(shí)際的過(guò)程分為：實(shí)際的過(guò)程分為： 取樣、保持、量化、編碼四個(gè)過(guò)程。取樣、保持、量化、編碼四個(gè)過(guò)程。取樣（取樣（Sample） 取樣就是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散取樣就是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散變化的信號(hào)。具體說(shuō)就是將隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換為一串變化的信號(hào)。具體說(shuō)就是將隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換為一串脈沖，這個(gè)脈沖是等距離的，并且其幅度取決于輸入的模擬量。脈沖，這個(gè)脈沖是等距離的，并且其幅度取決于輸入的模擬量。如如下圖下圖所示所示: 在圖中，如果取樣頻率較低時(shí)其輸出的波形將不能?chē)?yán)格保在圖中

26、，如果取樣頻率較低時(shí)其輸出的波形將不能?chē)?yán)格保留輸入信號(hào)的信息，如果取樣頻率較高時(shí)，其轉(zhuǎn)換的輸出與輸留輸入信號(hào)的信息，如果取樣頻率較高時(shí)，其轉(zhuǎn)換的輸出與輸入波形形狀能做到較好的一致入波形形狀能做到較好的一致。 這頻率的選擇原則根據(jù)一個(gè)著名的定理，即這頻率的選擇原則根據(jù)一個(gè)著名的定理，即取樣定理。取樣定理。取樣定理描述了欲將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成離散信號(hào)，并且從離散取樣定理描述了欲將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成離散信號(hào)，并且從離散信號(hào)中可以恢復(fù)出其原始信號(hào)所需要的最低取樣頻率。如果信號(hào)中可以恢復(fù)出其原始信號(hào)所需要的最低取樣頻率。如果原始信號(hào)的最高頻率為原始信號(hào)的最高頻率為FH，則取樣頻率，則取樣頻率fs應(yīng)遵循下面的公式

27、：應(yīng)遵循下面的公式： 上面公式給定了最低的取樣頻率，實(shí)際使用的頻率一般上面公式給定了最低的取樣頻率，實(shí)際使用的頻率一般為原始信號(hào)最高頻率的為原始信號(hào)最高頻率的35倍左右。倍左右。 那么取樣的頻率如何確定呢？那么取樣的頻率如何確定呢？fs2FH 常見(jiàn)的幾種取樣情況的基帶信號(hào)（即原始信號(hào)）頻率和取常見(jiàn)的幾種取樣情況的基帶信號(hào)（即原始信號(hào)）頻率和取樣頻率的對(duì)照表：樣頻率的對(duì)照表：保持（保持（Hold）為了將采樣后的輸出信為了將采樣后的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，需號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，需要一定的時(shí)間對(duì)采樣值要一定的時(shí)間對(duì)采樣值進(jìn)行量化和編碼，在這進(jìn)行量化和編碼，在這段時(shí)間內(nèi)，采樣值應(yīng)保段時(shí)間內(nèi)，采樣值應(yīng)保持

28、穩(wěn)定不變，持穩(wěn)定不變，這樣才這樣才可可以以穩(wěn)定地進(jìn)行量化編碼穩(wěn)定地進(jìn)行量化編碼。因此，采樣后的輸出信因此，采樣后的輸出信號(hào)必須通過(guò)保持電路保號(hào)必須通過(guò)保持電路保持一段時(shí)間。持一段時(shí)間。典型的取樣保持電路原理圖典型的取樣保持電路原理圖 保持電路實(shí)際上保持電路實(shí)際上是使用了電容的存儲(chǔ)是使用了電容的存儲(chǔ)特性，實(shí)際使用時(shí)取特性，實(shí)際使用時(shí)取樣與保持兩個(gè)是合二樣與保持兩個(gè)是合二為一的。為一的。 當(dāng)當(dāng)vL為高電平時(shí)，為高電平時(shí)，T導(dǎo)通。輸入經(jīng)導(dǎo)通。輸入經(jīng)R1和和T向電容向電容CH充電；若取充電；若取R1= RF，充電結(jié)束后充電結(jié)束后vo= vC= - vi -采樣采樣。 當(dāng)當(dāng)vL為低電平時(shí)，為低電平時(shí)，T

29、截止。截止。-保持保持量化和編碼量化和編碼 取樣保持后的信號(hào)仍然是一個(gè)時(shí)間上離散的模擬量，它取樣保持后的信號(hào)仍然是一個(gè)時(shí)間上離散的模擬量，它的取樣信號(hào)取值是任意的，而數(shù)字信號(hào)的取值是有限的或離散的取樣信號(hào)取值是任意的，而數(shù)字信號(hào)的取值是有限的或離散的，如用四位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，其只有的，如用四位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，其只有00001111共十六種狀共十六種狀態(tài)，因此要實(shí)現(xiàn)幅度數(shù)字化就是用具體的數(shù)字量來(lái)態(tài)，因此要實(shí)現(xiàn)幅度數(shù)字化就是用具體的數(shù)字量來(lái)近似近似表示對(duì)表示對(duì)應(yīng)的模擬值，這個(gè)過(guò)程就是量化。應(yīng)的模擬值，這個(gè)過(guò)程就是量化。 在進(jìn)行在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，必須把取樣電壓表示為某個(gè)規(guī)定的最轉(zhuǎn)換時(shí)，必須把取樣電

30、壓表示為某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這個(gè)過(guò)程是量化。小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這個(gè)過(guò)程是量化。 量化過(guò)程中所取最小數(shù)量單位稱(chēng)為量化單位，用量化過(guò)程中所取最小數(shù)量單位稱(chēng)為量化單位，用表示。表示。 在量化過(guò)程中，由于取樣電壓不一定能被在量化過(guò)程中，由于取樣電壓不一定能被整除，所以量整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，即量化誤差。化前后不可避免地存在誤差，即量化誤差。 在數(shù)字電路的量化中采用一種在數(shù)字電路的量化中采用一種“只舍不入只舍不入”的量化規(guī)則，的量化規(guī)則，或采用或采用“四舍五入四舍五入”的舍入規(guī)則，如圖所示。的舍入規(guī)則，如圖所示。例：把例：把01V模擬電壓轉(zhuǎn)換成模擬電壓轉(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制代碼。

31、位二進(jìn)制代碼。=1/8V，最大，最大量化誤差可達(dá)量化誤差可達(dá)=2/15V，最大量化誤最大量化誤差可達(dá)差可達(dá)1/2劃分量化電平的方法劃分量化電平的方法n只舍不入只舍不入舍去不足一個(gè)量化單位的尾部，取其整數(shù)。舍去不足一個(gè)量化單位的尾部，取其整數(shù)。如當(dāng)如當(dāng)1 =1V時(shí)，時(shí)，Vi=3.8伏，量化值伏，量化值=3伏伏 Vi=5.2伏，量化值伏，量化值=5伏伏n四舍五入四舍五入大于大于/2量化單位的尾部歸整，舍去小于量化單位的尾部歸整，舍去小于/2量化單位的尾部。量化單位的尾部。如當(dāng)如當(dāng)1 =1V時(shí)，時(shí)，Vi=3.8伏，量化值伏，量化值=4伏伏 Vi=5.2伏，量化值伏，量化值=5伏伏 量化的方法不同其輸

32、出的格式也不同，即輸出編碼的形式不量化的方法不同其輸出的格式也不同，即輸出編碼的形式不同，這就需要進(jìn)一步編碼。即編碼就是將量化的結(jié)果轉(zhuǎn)換為需同，這就需要進(jìn)一步編碼。即編碼就是將量化的結(jié)果轉(zhuǎn)換為需要的代碼形式。要的代碼形式。二、模數(shù)轉(zhuǎn)換的幾種方法二、模數(shù)轉(zhuǎn)換的幾種方法 模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法很多，其在轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、抗干模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法很多，其在轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、抗干擾能力方面各有特色。擾能力方面各有特色。直接直接A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換間接間接A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型反饋比較型反饋比較型V-T型型V-F型型 1、并行比較型、并行比較型ADC 各比較器的輸出送到各比較器的輸出送到D觸發(fā)

33、器組成的緩沖存儲(chǔ)器中，以觸發(fā)器組成的緩沖存儲(chǔ)器中，以避免由于各比較器響應(yīng)速度的差異而造成的邏輯誤差。避免由于各比較器響應(yīng)速度的差異而造成的邏輯誤差。（一）直接型（一）直接型A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 并行比較型并行比較型ADC，它通過(guò)電阻分壓方式形式形成的各種，它通過(guò)電阻分壓方式形式形成的各種比較電平作為刻度。比較電平作為刻度。 輸入的模擬信號(hào)經(jīng)采樣保持后的信號(hào)與這刻度進(jìn)行比輸入的模擬信號(hào)經(jīng)采樣保持后的信號(hào)與這刻度進(jìn)行比較。當(dāng)高于比較器的比較電平時(shí)，該比較器輸出高電平，反較。當(dāng)高于比較器的比較電平時(shí)，該比較器輸出高電平，反之為低電平。之為低電平。 緩沖器的輸出送到優(yōu)先編碼器，經(jīng)過(guò)編碼器將其輸出的緩沖器的輸

34、出送到優(yōu)先編碼器，經(jīng)過(guò)編碼器將其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)移為三位二進(jìn)制信號(hào)。狀態(tài)轉(zhuǎn)移為三位二進(jìn)制信號(hào)。 并行比較型并行比較型ADC的精度取決于：的精度取決于： (1) 量化電平的劃分；劃分越細(xì)（量化電平的劃分；劃分越細(xì)（越小），精度越高，越?。仍礁?，比較器和觸發(fā)器的數(shù)目越多。比較器和觸發(fā)器的數(shù)目越多。 從圖上可以看出，當(dāng)輸出位數(shù)增加一位，其比較器的個(gè)從圖上可以看出，當(dāng)輸出位數(shù)增加一位，其比較器的個(gè)數(shù)增加一倍，由于比較器屬于模擬電路，其集成度不是很高，數(shù)增加一倍，由于比較器屬于模擬電路，其集成度不是很高，給制造帶來(lái)不便，價(jià)格較高，一般較少使用。但這種轉(zhuǎn)換電路給制造帶來(lái)不便，價(jià)格較高，一般較少使用。但這

35、種轉(zhuǎn)換電路的最大優(yōu)點(diǎn)是速度快，這是其它轉(zhuǎn)換電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，故在速的最大優(yōu)點(diǎn)是速度快，這是其它轉(zhuǎn)換電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，故在速度較高的場(chǎng)合，如視頻信號(hào)的度較高的場(chǎng)合，如視頻信號(hào)的ADC等常有使用。等常有使用。 (2) 參考電壓的穩(wěn)定度。參考電壓的穩(wěn)定度。 (3) 分壓電阻的精度和比較器的靈敏度。分壓電阻的精度和比較器的靈敏度。 另外另外，含寄存器的，含寄存器的A/D轉(zhuǎn)換電路可以不用附加取樣轉(zhuǎn)換電路可以不用附加取樣保持保持電路。電路。2、反饋比較型、反饋比較型ADC 反饋比較方法的基本思想是，每次取一個(gè)數(shù)字量加到反饋比較方法的基本思想是，每次取一個(gè)數(shù)字量加到DAC，經(jīng)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換便得到了一個(gè)模擬電壓。

36、用這個(gè)模擬電轉(zhuǎn)換便得到了一個(gè)模擬電壓。用這個(gè)模擬電壓和被轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓去比較，如果不相等，調(diào)整所壓和被轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓去比較，如果不相等，調(diào)整所取的數(shù)字量，直至兩個(gè)模擬電壓相等為止。取的數(shù)字量，直至兩個(gè)模擬電壓相等為止。 反饋比較的方法是采用器件少的設(shè)計(jì)方案。反饋比較的方法是采用器件少的設(shè)計(jì)方案。 針對(duì)這兩種方法實(shí)現(xiàn)反饋比較有針對(duì)這兩種方法實(shí)現(xiàn)反饋比較有計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)和和逐次逐次逼近兩種方式。逼近兩種方式。 反饋比較方法和用天秤稱(chēng)重物的過(guò)程相似。用天秤稱(chēng)重反饋比較方法和用天秤稱(chēng)重物的過(guò)程相似。用天秤稱(chēng)重物有兩種方法。物有兩種方法。 (1) 計(jì)數(shù)型計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 每次加一個(gè)每次加一個(gè)等

37、值等值的砝碼，直到砝碼和重物相等為止。每的砝碼，直到砝碼和重物相等為止。每次加一個(gè)砝碼的做法實(shí)質(zhì)是在做加法計(jì)數(shù)。次加一個(gè)砝碼的做法實(shí)質(zhì)是在做加法計(jì)數(shù)。下圖是下圖是計(jì)數(shù)型計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的原理框圖：的原理框圖：轉(zhuǎn)換控制信號(hào)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)首先，計(jì)數(shù)器置零，且首先，計(jì)數(shù)器置零，且vL=0，使門(mén)，使門(mén)G封鎖，封鎖，vo=0 之后之后vL = 1 ，計(jì)數(shù)器開(kāi)始加法計(jì)數(shù)，當(dāng)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始加法計(jì)數(shù)，當(dāng)vo vi時(shí)，時(shí)，vB = 1僅當(dāng)僅當(dāng)vi = vo時(shí)，時(shí)，vB = 0，使門(mén)，使門(mén)G封鎖，此時(shí)計(jì)數(shù)器停止工作。封鎖，此時(shí)計(jì)數(shù)器停止工作。此時(shí)計(jì)數(shù)器所存儲(chǔ)的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。此時(shí)計(jì)數(shù)器所存儲(chǔ)的數(shù)字

38、就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。 當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，用當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，用vL的下降沿將計(jì)數(shù)器的數(shù)字信號(hào)輸?shù)南陆笛貙⒂?jì)數(shù)器的數(shù)字信號(hào)輸入寄存器中。入寄存器中。 這種方法的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間太長(zhǎng)。當(dāng)輸出為這種方法的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間太長(zhǎng)。當(dāng)輸出為n位二進(jìn)制時(shí)，位二進(jìn)制時(shí)，最長(zhǎng)時(shí)間為：最長(zhǎng)時(shí)間為：2 n -1個(gè)時(shí)鐘周期。個(gè)時(shí)鐘周期。 首先，計(jì)數(shù)器置零，且首先，計(jì)數(shù)器置零，且vL= 0，使門(mén)，使門(mén)G封鎖，封鎖，vo = 0 之后之后vL = 1 ，計(jì)數(shù)器開(kāi)始加法計(jì)數(shù)，當(dāng)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始加法計(jì)數(shù)，當(dāng)vo vo時(shí)，時(shí)，“1” 保留，保留，vi vo時(shí)，時(shí)，“1”去掉，置為零。去掉，置為零。然后將寄存器的次高位置然后將寄存器的次高位

39、置1,這樣這樣逐次比較下去逐次比較下去直到最低位為止。直到最低位為止。此時(shí)寄存器所存儲(chǔ)的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。此時(shí)寄存器所存儲(chǔ)的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。3位逐次比較位逐次比較型型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的原理圖：的原理圖：FA、FB和和FC組成組成三位數(shù)碼寄存器三位數(shù)碼寄存器門(mén)門(mén)G1G9組成邏輯組成邏輯控制電路控制電路FF1FF5組成組成5位位環(huán)形計(jì)數(shù)器環(huán)形計(jì)數(shù)器初始條件：初始條件：QaQbQc = 000 Q1Q2Q3Q4Q5=100001、常態(tài)：時(shí)鐘運(yùn)行，、常態(tài)：時(shí)鐘運(yùn)行，VL=02、啟動(dòng)：、啟動(dòng)：VL = 1，轉(zhuǎn)換開(kāi)始，轉(zhuǎn)換開(kāi)始3、第、第1個(gè)個(gè)CP脈沖：脈沖：QaQbQc = 100

40、 Q1Q2Q3Q4Q5 = 01000 當(dāng)當(dāng)vi vo時(shí)，時(shí)，vB = 0；4、第、第2個(gè)個(gè)CP脈沖：脈沖：QaQbQc = 110 或或 010 ，記為記為Qa10 Q1Q2Q3Q4Q5 = 001005、第、第3個(gè)個(gè)CP脈沖：脈沖：QaQbQc = Qa11或或Qa01，記為記為QaQb1 Q1Q2Q3Q4Q5 = 000106、第、第4個(gè)個(gè)CP脈沖：脈沖：QaQbQc = QaQb1 或或 QaQb0，記為記為QaQbQc Q1Q2Q3Q4Q5 = 00001 輸出輸出 = QaQbQc7、第、第5個(gè)個(gè)CP脈沖：脈沖：QaQbQc = 000 Q1Q2Q3Q4Q5 = 100001、雙積

41、分型、雙積分型ADC 雙積分型雙積分型ADC電路與上面的幾種方法是不相同的，雙積分電路與上面的幾種方法是不相同的，雙積分式是一種間接轉(zhuǎn)換的方法。式是一種間接轉(zhuǎn)換的方法。常態(tài)：常態(tài)：VL = 0； S0通；計(jì)數(shù)器清零通；計(jì)數(shù)器清零啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)：VL = 1轉(zhuǎn)換分兩個(gè)積分過(guò)程：轉(zhuǎn)換分兩個(gè)積分過(guò)程： (1) 對(duì)輸入信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)VI的積分的積分 S0斷；斷；S1接接VI；進(jìn)行固定；進(jìn)行固定時(shí)間時(shí)間T1的積分。的積分。ITIoVRCTtRCVCV10d11 (2) 對(duì)參考電壓對(duì)參考電壓 -VREF 的積分的積分 S0斷；斷；S1接接 -VREF；進(jìn)行反向；進(jìn)行反向積分，直到積分器輸出積分，直到積分器輸出

42、Vo = 0為為止，經(jīng)歷的時(shí)間為止，經(jīng)歷的時(shí)間為T(mén)2。0d1102 ITREFoVRCTtRCVCVIREFVRCTVRCT12 得：得：12TVVTREFI 因?yàn)橐驗(yàn)門(mén)1，VREF為常數(shù)，所以為常數(shù)，所以T2與與VI成正比。因此，計(jì)數(shù)器成正比。因此，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與的計(jì)數(shù)值與VI成正比成正比 （二）間接型（二）間接型A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換下圖為雙積分式的結(jié)構(gòu)框圖：下圖為雙積分式的結(jié)構(gòu)框圖：加電以后，時(shí)鐘就開(kāi)始工作。加電以后，時(shí)鐘就開(kāi)始工作。右圖是右圖是雙積分雙積分型型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的電壓的電壓波形圖波形圖從電壓從電壓波形圖波形圖上可以上可以直觀地直觀地看到前看到前面結(jié)論面結(jié)論的正確的正確性。性。

43、 由于由于 D 只與只與N，VREF，VI有關(guān)，與電路的其它參數(shù)無(wú)關(guān)，有關(guān)，與電路的其它參數(shù)無(wú)關(guān)，所以電路工作穩(wěn)定。所以電路工作穩(wěn)定。 結(jié)論：結(jié)論：1、CP脈沖的頻率穩(wěn)定性不影響轉(zhuǎn)換精度；脈沖的頻率穩(wěn)定性不影響轉(zhuǎn)換精度； 2、電、電路中的電阻和電容值穩(wěn)定性不影響轉(zhuǎn)換精度；路中的電阻和電容值穩(wěn)定性不影響轉(zhuǎn)換精度；3、電路要求、電路要求VREF必須穩(wěn)定。必須穩(wěn)定。 雙積分型雙積分型ADC具有很強(qiáng)的抗干擾能力，因?yàn)榉e分器可以將具有很強(qiáng)的抗干擾能力，因?yàn)榉e分器可以將平均值為零的噪聲干擾去掉平均值為零的噪聲干擾去掉. 雙積分型雙積分型ADC轉(zhuǎn)換速度很低，一般每秒轉(zhuǎn)換速度很低，一般每秒10次左右。次左右。

44、 設(shè)：時(shí)鐘周期為設(shè)：時(shí)鐘周期為T(mén)c（fc = 1/Tc） 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值：計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值： D = T2/Tc = (T1/Tc)(VI/VREF) 若取若取T1為為T(mén)c的整數(shù)倍，即的整數(shù)倍，即T1 = N Tc，則上式可以化成：，則上式可以化成： D =（N/VREF）VI 其實(shí)，其實(shí)，T1為為T(mén)c的整數(shù)倍很容易實(shí)現(xiàn)（用計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的整數(shù)倍很容易實(shí)現(xiàn)（用計(jì)數(shù)器產(chǎn)生T1）。）。 轉(zhuǎn)換控制信號(hào)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)VL = 0時(shí)，時(shí)，N位計(jì)數(shù)器和位計(jì)數(shù)器和FFA被清零，被清零，S0接通。接通。 轉(zhuǎn)換控制信號(hào)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)VL = 1時(shí)，時(shí)，N位計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)積分器位計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)積分器開(kāi)始對(duì)開(kāi)始對(duì)

45、VI積分，當(dāng)計(jì)數(shù)器回到積分，當(dāng)計(jì)數(shù)器回到“0”狀態(tài)時(shí)，狀態(tài)時(shí)，S1轉(zhuǎn)換，積分器開(kāi)轉(zhuǎn)換，積分器開(kāi)始對(duì)始對(duì)-VREF積分。積分。 當(dāng)積分器的輸出為零時(shí)，門(mén)當(dāng)積分器的輸出為零時(shí)，門(mén)G被封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，被封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這時(shí)計(jì)數(shù)器中的數(shù)值與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)。這時(shí)計(jì)數(shù)器中的數(shù)值與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)。 VL = 0，電路復(fù)位，等待下次啟動(dòng)。，電路復(fù)位，等待下次啟動(dòng)。2、V-F變換型三、模數(shù)轉(zhuǎn)換的主要技術(shù)指標(biāo)三、模數(shù)轉(zhuǎn)換的主要技術(shù)指標(biāo) 1、分辨率、分辨率 表征表征ADC對(duì)輸入信號(hào)分辨能力的參數(shù)。常用二進(jìn)制或十對(duì)輸入信號(hào)分辨能力的參數(shù)。常用二進(jìn)制或十進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來(lái)表示，進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來(lái)表示，n位位ADC能

46、夠分辨輸入電壓的最小差能夠分辨輸入電壓的最小差異為異為 2、轉(zhuǎn)換誤差、轉(zhuǎn)換誤差 量化必然引起誤差，轉(zhuǎn)換誤差通常用相對(duì)誤差表示。它量化必然引起誤差，轉(zhuǎn)換誤差通常用相對(duì)誤差表示。它表示表示ADC實(shí)際輸出的數(shù)字量和理想數(shù)字量之間的差別。例如，實(shí)際輸出的數(shù)字量和理想數(shù)字量之間的差別。例如，相對(duì)誤差相對(duì)誤差=1/2 LSB就表明了就表明了ADC實(shí)際輸出的數(shù)字量與理想實(shí)際輸出的數(shù)字量與理想的數(shù)字量之差不大于的數(shù)字量之差不大于ADC最低有效位為最低有效位為 1 的一半。的一半。 分辨率和轉(zhuǎn)換誤差一起反映了分辨率和轉(zhuǎn)換誤差一起反映了ADC的精度。的精度。ADC的位數(shù)的位數(shù)多，相對(duì)誤差小，當(dāng)然它的轉(zhuǎn)換精度就高。

47、多，相對(duì)誤差小，當(dāng)然它的轉(zhuǎn)換精度就高。 如：如：10位位A/D，最大輸入電壓為，最大輸入電壓為5V，則能夠分辨輸入電，則能夠分辨輸入電壓的最小差異為：壓的最小差異為：5/210 = 4.88mVFSRn21 3、轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度常用完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間來(lái)表示。轉(zhuǎn)換時(shí)間是轉(zhuǎn)換速度常用完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間來(lái)表示。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指指ADC接受到模擬信號(hào)到有穩(wěn)定的數(shù)字量輸出的一段時(shí)間。接受到模擬信號(hào)到有穩(wěn)定的數(shù)字量輸出的一段時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間短，說(shuō)明轉(zhuǎn)換速度快。轉(zhuǎn)換時(shí)間短，說(shuō)明轉(zhuǎn)換速度快。 ADC的指標(biāo)不止這些。在使用的指標(biāo)不止這些。在使用ADC時(shí)還必須查手冊(cè)，了時(shí)還必須查手冊(cè)，了解其他參數(shù)。解其

48、他參數(shù)。 第四第四節(jié)節(jié) 應(yīng)用知識(shí)應(yīng)用知識(shí)一、選擇一、選擇A/D與與D/A轉(zhuǎn)換器常識(shí)轉(zhuǎn)換器常識(shí) 選擇轉(zhuǎn)換器應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求，從以下選擇轉(zhuǎn)換器應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求，從以下六個(gè)方面六個(gè)方面來(lái)考慮：來(lái)考慮： 1、輸入、輸入/輸出輸出 從輸入從輸入/輸出方面應(yīng)考慮：輸出方面應(yīng)考慮： (1) 輸入信號(hào)范圍，滿(mǎn)刻度值及極性；輸入信號(hào)范圍，滿(mǎn)刻度值及極性； (2) 數(shù)字碼：自然二進(jìn)制碼，數(shù)字碼：自然二進(jìn)制碼，2的補(bǔ)碼和的補(bǔ)碼和BCD碼等；碼等； (3) 輸入和輸出阻抗，信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載要求；輸入和輸出阻抗，信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載要求； (4) 邏輯電平的兼容性：輸入邏輯電平的兼容性：輸入/輸出是輸出是TTL電平，還是電

49、平，還是CMOS電平，二者是否兼容，同時(shí)還要注意電平的極性；電平，二者是否兼容，同時(shí)還要注意電平的極性； (5) 輸出信號(hào)（輸出信號(hào)（DAC）：電流或電壓。）：電流或電壓。 2、精度、精度 精度是一個(gè)重要指標(biāo)，可以用兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。精度是一個(gè)重要指標(biāo)，可以用兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。 (1) 分辨率（分解度）：轉(zhuǎn)換器的位數(shù)；分辨率（分解度）：轉(zhuǎn)換器的位數(shù)； (2) 轉(zhuǎn)換誤差：相對(duì)誤差，非線(xiàn)性誤差，失調(diào)誤差等。轉(zhuǎn)換誤差：相對(duì)誤差，非線(xiàn)性誤差，失調(diào)誤差等。 3、速度、速度 轉(zhuǎn)換速度在轉(zhuǎn)換速度在DAC中，用建立時(shí)間表示，而在中，用建立時(shí)間表示，而在ADC中，中，則用轉(zhuǎn)換時(shí)間表示，時(shí)間短，轉(zhuǎn)換速度就快。則用轉(zhuǎn)換

50、時(shí)間表示，時(shí)間短，轉(zhuǎn)換速度就快。 4、環(huán)境條件、環(huán)境條件 環(huán)境條件包括溫度、噪聲電平、電源的敏感性等。環(huán)境條件包括溫度、噪聲電平、電源的敏感性等。 ADC與與DAC器件的選擇要從上述六個(gè)方面考慮，但是，器件的選擇要從上述六個(gè)方面考慮，但是，一般是在速度、精度、價(jià)格三方面權(quán)衡。一般是在速度、精度、價(jià)格三方面權(quán)衡。 在滿(mǎn)足上述五條要求的前提下，還應(yīng)從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，在滿(mǎn)足上述五條要求的前提下，還應(yīng)從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，選擇價(jià)格低的器件選擇價(jià)格低的器件。 6、價(jià)格、價(jià)格 5、微處理器接口、微處理器接口 為便于轉(zhuǎn)換器同微處理器連接，為便于轉(zhuǎn)換器同微處理器連接，ADC應(yīng)為三態(tài)輸出，應(yīng)為三態(tài)輸出，DAC應(yīng)有輸出鎖

51、存。應(yīng)有輸出鎖存。二、集成化二、集成化A/D與與D/A轉(zhuǎn)換器介紹轉(zhuǎn)換器介紹 1、DAC0832介紹介紹 集成集成DAC的種類(lèi)很多，按的種類(lèi)很多，按DAC的輸出方式分成電流輸出的輸出方式分成電流輸出DAC和電壓輸出和電壓輸出DAC兩種。兩種。 下面以美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的電流輸出下面以美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的電流輸出DAC0832為為例予以介紹。例予以介紹。 下圖表示出了下圖表示出了DAC0832的結(jié)構(gòu)框圖的結(jié)構(gòu)框圖 。圖中的八位。圖中的八位DAC為為D/A轉(zhuǎn)換電路，是轉(zhuǎn)換電路，是DAC0832的核心。兩個(gè)寄存器對(duì)數(shù)據(jù)起的核心。兩個(gè)寄存器對(duì)數(shù)據(jù)起緩沖作用。使緩沖作用。使0832不僅有直通工作方

52、式、單緩沖工作方式、不僅有直通工作方式、單緩沖工作方式、二級(jí)緩沖工作方式，而且工作速度快。二級(jí)緩沖工作方式，而且工作速度快。 DAC0832采用采用CMOS工藝，有工藝，有20個(gè)引腳，為雙列直插式。個(gè)引腳，為雙列直插式。它有以下特點(diǎn)它有以下特點(diǎn) ：1、可與所有八位微處理器直接相連、可與所有八位微處理器直接相連; 2、輸入數(shù)字量為八位二進(jìn)制碼、輸入數(shù)字量為八位二進(jìn)制碼; 3、邏輯電平與、邏輯電平與TTL電平兼容電平兼容; 4、有二級(jí)緩沖、單級(jí)緩沖和直通三種工作方式、有二級(jí)緩沖、單級(jí)緩沖和直通三種工作方式; 5、電流建立時(shí)間為、電流建立時(shí)間為1微秒微秒; 6、單電源供電、單電源供電515V;7、功耗為、功耗為20mW。 右圖給出了右圖給出了DAC0832的管腳的管腳排列圖排列圖 DAC0832引腳功能如下：引腳功能如下： DI0DI7：八