數字電子技術基礎第11章 數模與模數轉換器ppt課件

1、第第1111章章 數模與模數轉換器數模與模數轉換器數字信號轉換成模擬信號或是模擬信號轉換成數字信號轉換成模擬信號或是模擬信號轉換成數字信號是常用的信號轉換技術，在實際中有數字信號是常用的信號轉換技術，在實際中有著廣泛的應用。本章先介紹各種數模轉換器，著廣泛的應用。本章先介紹各種數模轉換器，然后介紹模數轉換器，除介紹工作原理與轉換然后介紹模數轉換器，除介紹工作原理與轉換器技術參數外，還介紹幾種實際的轉換器器技術參數外，還介紹幾種實際的轉換器 11.1 數模轉換數模轉換數字數字Digital信號轉換成模擬信號轉換成模擬Analog信號，簡稱為信號，簡稱為D/A轉換。在很多電轉換。在很多電子系統(tǒng)中，

2、子系統(tǒng)中，D/A轉換是不可缺少的重要組成部分，。轉換是不可缺少的重要組成部分，。運算放大器符號與電路如圖運算放大器符號與電路如圖11-1所示。所示。 NoImage圖 11-1（b）所示的是反相運算放大器，其輸出信號的相位與輸入信號相反。由圖可知，由于同相端接地，基于虛短，運放反相端電位為地電位，稱為虛地。由于輸入電流 Ii=0，所以流過電阻 R1的電流 I1等于流過反饋電阻 RF的 IF，因此有： OI1F00VVRR 得到反相放大器輸出電壓與輸入電壓之間的關系為： FOI1RVVR 圖 11-1（c）是同相運算放大器，由于輸入信號VI加在同相端，由于虛短，反相端電壓也為 VI，因此有 IO

3、I1F0VVVRR 可以得到同相放大器的輸出 VO與輸入電壓 VI之間的關系為： FOI11RVVR 由于運放的放大倍數 A 很大，因此運算放大器可以作為模擬信號比較器，例如，如果 V+V，則輸出電壓 VO近似等于正電源電壓值；若是 V+V，則輸出電壓 VO近似等于負電源電壓值。 11.1.1 權電阻權電阻D/A轉換器轉換器權電阻數權電阻數/模轉換器電路如圖模轉換器電路如圖11-2所示。圖中開關分別受數所示。圖中開關分別受數字信號字信號D3D0控制，當數字控制，當數字信號為信號為1時，開關的動觸點連時，開關的動觸點連接接VREF，數字信號為，數字信號為0時，時，開關的動觸點連接地線。開關的動觸

4、點連接地線。 由于運算放大器同相端接地，所以反相端為虛地，電位為 0，則有： REF008VIDR REF114VIDR REF222VIDR REF33VIDR 由于運放輸入阻抗很大，因此運放輸入電流 Ii=0，則有 REFREFREFREFf012301233210012303REF12REF01233210312222222222222VVVVIIIIIDDDDRDDVDDVDDDDRR（） 而運放的輸出電壓為OffVI R 。 *11.1.2 輸出電壓型輸出電壓型R/2R電阻網絡電阻網絡D/A轉換器轉換器 圖圖11-5顯示的是顯示的是4位輸出電壓型位輸出電壓型R/2R梯形電阻梯形電阻D

5、/A轉換器電路。轉換器電路。 使用的使用的R/2R電電阻網絡阻網絡D/A轉換轉換器電路如圖器電路如圖11-10所示所示 11.1.3 輸出電流型輸出電流型R/2R電阻網絡電阻網絡D/A轉換器轉換器圖圖11-11所示是所示是4位輸出電流型位輸出電流型R/2R電阻網絡電阻網絡D/A轉換器電路轉換器電路 11.1.5 D/A轉換器的技術指標轉換器的技術指標1臺階電壓臺階電壓臺階電壓是 D/A 轉換器輸入數碼每位代表的電壓值。n 位 D/A 轉換器，具有滿度理想輸出電壓為 Vfull，則臺階電壓為：VStep=Vfull/2n。 臺階電壓也是D/A 轉換器最低位 LSB 所代表的電壓。 根據前述D/A

6、 轉換器工作原理， D/A轉換器的滿度理想輸出電壓 Vfull就是參考電壓 VREF，而實際滿度輸出電壓與理想滿度輸出電壓之間相差一個臺階電壓，這是因為理想滿度輸出對應的數字量為 2n，而實際滿度輸出的數字量為 2n1。 例如對于理想滿度電壓為 5V 的 8 位 D/A 轉換器，其臺階電壓 VStep=5V/28=5000 mV/256=19.5 mV。 圖 11-14（a）顯示的是一個 8 位 D/A 轉換器的實驗電路，圖中8 位加法計數器向 8 位 D/A轉換器提供數碼，則 D/A 轉換器輸出具有臺階的鋸齒電壓如圖 11-14（b）所示。 8 位 D/A 轉換器在數碼為 0000 0000

7、 時，輸出電壓 VO為 0 V； 當數碼為 0000 0001 時，輸出為 19.5 mV。 當數碼為 1111 1110 時，輸出為 4.96 V。 當數碼為 1111 1111 時，輸出為 4.98 V。 由上所述，對于 D/A 轉換器來說，只能輸出臺階電壓值，在臺階電壓之間的模擬電壓值是不能輸出的。 2分辨率 D/A 轉換的分辨率是每個臺階代表的模擬電壓值占理想滿度輸出電壓Vfull的百分比，因此n 位 D/A 轉換器的分辨率為： 分辨率=VStep/Vfull=1/2n 因為分辨率與 D/A 轉換器的位數成固定關系，所以有時人們也常把 D/A 轉換器的位數稱為分辨率，位數越大，分辨率越

8、高。 例如，8 位 D/A 轉換器的分辨率約為 0.4%； 10 位 D/A 轉換器的分辨率約為 0.1%； 12 位 D/A 轉換器的分辨率約為 0.024%。 3精度 D/A 轉換器的精度是實際輸出與理想輸出之間的偏差，通常用 D/A 轉換器滿度輸出電壓的百分比誤差表示。例如，如果D/A 轉換器的滿度輸出電壓為10 V，實際輸出是9.990 V，誤差為10 mV，則精度用百分比誤差表示為（10 V9.990 V）/10 V=0.1%。 影響D/A 轉換器精度的因素主要為分辨率、單調性、偏移誤差、增益誤差、微分非線性誤差與線性誤差等。 （1）偏移誤差 偏移誤差又稱為零點誤差或失調誤差。當 D

9、/A 轉換器的輸入數字為全 0 時，則 D/A 轉換器輸出電壓應該為 0 V，但是由于偏移誤差的存在，D/A 轉換器輸入數字為 0 時，輸出電壓不為 0 V，這個差別就是偏移誤差。偏移誤差示意圖如圖 11-15（a）所示。 在一定溫度下偏移誤差可以用在模擬輸出電壓上疊加一個可調整電壓的方法消除。 NoImage（3）線性誤差 線性誤差是 D/A 轉換器實際傳輸特性與理想傳輸特性之間的最大偏差， 并以該偏差相對于滿度輸出電壓的百分數表示。又稱為積分非線性誤差，因此線性誤差描述的是傳遞函數的形狀。該誤差示意圖如圖 11-16（a）所示。 D/A 轉換器的非線性誤差不容易用外部校正方法補償，但是可以

10、通過調整零點和滿度輸出點使該誤差均勻分布在理想直線的兩側，而使非線性誤差最小，這種情況如圖 11-15（b）所示。 （4）單調性 以加法計數器輸出作為輸入的D/A 轉換器，如果輸出像樓梯一樣梯形的遞升電壓，則稱為單調 D/A 轉換器。 但有時由于模擬開關內阻、電阻網絡中電阻值不一致、制作工藝等問題，D/A 轉換器會出現非單調性引起的誤差，圖 11-17 所示的是單調性輸出與具有誤差的非單調性輸出的情況。 （5）微分非線性誤差 兩相鄰輸入數字對應模擬量之差，減去 1 個 LSB 對應的模擬量，就是微分非線性誤差。例如，輸入數字 001與010之間的模擬量之差為1.5LSB， 則誤差為0.5LSB

11、。 該誤差主要由 D/A轉換器電阻網絡中的電阻、 切換開關導通電阻等誤差引起。 該誤差示意圖如圖 11-17 （b） 和圖11-17（c）所示。 如果用 LSB 來描述微分非線性誤差，則1LSB 表示轉換器的輸出出現了丟碼，也就是轉換器輸出不隨數字量的增加而增加，而是數字量增加一個 LSB，但是輸出沒有跟著增加一個 LSB 的電壓。轉換器不丟碼是一項重要的技術指標。 4建立時間 建立時間是完成一次轉換需要的時間，就是從數字量加到 D/A 轉換器的輸入端，到輸出達到該數字量產生模擬量 99.95%所需要的時間。 該時間越短說明轉換速度越快， 或者說轉換頻率越高，通常建立時間的范圍為 50 ns2

12、0 s 之間。 11.1.6 D/A轉換器轉換器0832 NoImage1內部結構內部結構該芯片的內部結構如圖該芯片的內部結構如圖11-18所示。所示。1內部結構內部結構該芯片的內部結構如圖該芯片的內部結構如圖11-18所示，圖中所示，圖中8位輸入寄存器用位輸入寄存器用8D觸發(fā)器構成，常用于連接觸發(fā)器構成，常用于連接單片機，接收單片機送來的數字信號；單片機，接收單片機送來的數字信號；8位位D/A轉換寄存器也是用轉換寄存器也是用8D觸發(fā)器構成的，觸發(fā)器構成的，該寄存器接收輸入寄存器送來的數字信號，鎖存后直接送到該寄存器接收輸入寄存器送來的數字信號，鎖存后直接送到8位位D/A實現實現D/A轉換；轉

13、換； 雙緩沖的第一個優(yōu)點是，可以按照數據源的時序隨時更新雙緩沖的第一個優(yōu)點是，可以按照數據源的時序隨時更新D/A轉換器輸入寄存器的數轉換器輸入寄存器的數據，第二個優(yōu)點可以使一個系統(tǒng)中用一個觸發(fā)信號同時更新多個據，第二個優(yōu)點可以使一個系統(tǒng)中用一個觸發(fā)信號同時更新多個D/A轉換器輸出的模轉換器輸出的模擬電壓。擬電壓。D/A轉換器轉換器0832內部電路如圖內部電路如圖11-19所示所示 NoImageIOUT1電流輸出引腳 1。當輸入全為 1 時 IOUT1最大，當輸入全為 0 時，IOUT1為 0。 IOUT2電流輸出引腳 2。IOUT2與 IOUT1之和為一常數。 Rfb連接芯片內部的反饋電阻R

14、f的引腳。 該電阻的阻值與梯形網絡電阻R相等， 阻值為15 k。由于該電阻在芯片內部， 具有和梯形網絡相同的溫度系數， 因此可以部分消除溫度引起的誤差。 VREF:參考電源引腳(-10 V+10 V)，高精度參考電壓源通過該引腳連接 R/2R 梯形網絡。 VCC:電源引腳(+5 V+15 V)。 GND：地線引腳 10。在電流輸出情況下，該引腳與 IOUT1、IOUT2引腳之間的電平偏移 VOS將引起線性誤差增加，誤差可用公式 VOS/3VREF計算。例如，在 VREF=10 V，若引腳 10 與IOUT1、IOUT2的電動勢差 VOS為 9 mV 時，則線性誤差增加 0.03%，因此應該保證

15、 VOS為最小。 GND：地線引腳 3。該引腳的電壓偏移可使邏輯輸入閾值變化。 3信號時序 該轉換器的信號時序如圖 11-20 所示。 tS 電流建立時間：1 s。 tW 最小寫信號1WR、2WR和傳輸信號XFER的寬度：900 ns。 tDS 最小數據建立時間：900 ns。 tDH 最小數據保持時間：50 ns。 tCS 最小片選信號建立時間：1100 ns。 tCH 最小片選信號保持時間：0 ns。 通常情況下，WR的脈沖寬度 tW為 900 ns，但是在 15V 電源電壓時，tW為 200 ns 就可以正常工作。 4. 工作模式 （1）雙緩沖模式 在雙緩沖模式，需要兩次寫操作才能更新

16、D/A 轉換器的輸出，第一次寫操作更新輸入寄存器，第二次寫操作更新 D/A 轉換寄存器。雙緩沖模式時序圖如圖11-21 所示。雙緩沖模式常用于一個單片機系統(tǒng)中有多個 D/A 轉換器的情況。 （2）單緩沖模式 當一個單片機系統(tǒng)中只有一個 D/A 轉換器時，可以使用單緩沖模式，在單緩沖模式中，輸入寄存器鎖存輸入數據，D/A 轉換寄存器直通。單緩沖模式的時序圖如圖 11-22 所示。 （3）直通模式 在直通模式，單片機的 I/O 接口連接在 D/A 轉換器 0832 的數據輸入端，直接向 D/A 轉換器輸出數據， 而不輸出任何控制信號。D/A 轉換器 0832 的控制信號 ILE 連接高電平，CS、

17、1WR、XFER、2WR信號接地就可以使 D/A 轉換器 0832 工作在直通模式。 5輸入數字與輸出電流之間的關系 D/A 轉換器 0832 的輸入數字與輸出電流之間的關系如下： REFOUT115kVI256數字輸入 REFOUT215kVI255256數字輸入 6減小誤差的措施 為保證轉換精度，應該使 IOUT1、IOUT2與地電平越接近越好，因為與地電平之間的電位差，將引起非線性誤差。另外還要選擇偏置電流小的運放，因為偏置電流乘以反饋電阻可以引起輸出電壓誤差。 NoImageNoImage11.2 模數轉換器模數轉換器模擬模擬Analog信號轉換成數字信號轉換成數字Digital信號，

18、簡稱為信號，簡稱為A/D轉換。在很多系統(tǒng)中，轉換。在很多系統(tǒng)中，A/D轉換是不可缺少的重要組成部分，本節(jié)將介紹幾種常用的轉換是不可缺少的重要組成部分，本節(jié)將介紹幾種常用的A/D轉換器。轉換器。11.2.1 并行 A/D 轉換器 利用比較器和優(yōu)先編碼器可以組成速度最快的模數轉換器， 圖11-25 是 3 位并行 A/D 轉換器。由圖可知，比較器反相端電壓是參考電壓 VR通過串聯電阻分擋的電壓，加在比較器同相端的輸入電壓通過與各個比較器反相端電壓比較，輸入電壓比哪些分擋電壓高，則哪些比較器就輸出高電平，但是由于比較器后連接優(yōu)先編碼器，所以只有最高分擋電壓比較器輸出的高電平被編碼。 該轉換器每個采樣

19、脈沖輸出一次編碼，因此采樣脈沖速率越高，則轉換速度就越高。 若需要 n 位 A/D 轉換器，則需要 2n-1 個比較器，所以對于位數多的 A/D 轉換器，其內部比較器的數量是巨大的，這是并行 A/D 轉換器的缺點。 *11.2.2 流水線型流水線型A/D轉換器轉換器 流水線 A/D 轉換器工作原理如下。 圖 11-27 所示的是 8 位兩級流水線 A/D 轉換器的原理圖，每級由 4 位并行 A/D 轉換器組成。 如圖所示，首先對輸入信號的高 4 位進行 A/D 轉換， 其轉換結果由數模轉換器轉換成模擬電壓與輸入信號相減后，輸入第 2 級繼續(xù)進行 A/D 轉換。 NoImageA/D 轉換過程在

20、時鐘 CLK 的作用下順序完成，時序圖如圖11-28 所示。第1 級轉換器在第1個時鐘的前半周期，完成第 1 個采樣點的高 4 位轉換，隨后的時鐘對第 2 個采樣點實施高 4位轉換；第 2 級轉換器在第 1 級完成轉換后，在第 1 個時鐘的后半周期，實施低 4 位轉換，當兩級轉換完成后，第 2 個時鐘周期輸出 8 位結果。由于每級在不同的時間得到變換結果，因此需要用移位寄存器對兩級的轉換結果實現時間校準。只要第 1 級完成了第 1 個采樣的轉換，得到結果并把模擬電壓差值送給下一級，它就可以處理第 2 個采樣。整個轉換過程就像流水一樣，因此流水線操作提高了轉換速度。 11.2.3 雙斜率雙斜率A

21、/D轉換器轉換器在數字儀表或其他測量儀器中，例如數字萬用表，經常使用的模數轉換器是雙積在數字儀表或其他測量儀器中，例如數字萬用表，經常使用的模數轉換器是雙積分分A/D轉換器。雙積分轉換器。雙積分A/D轉換器原理框圖如圖轉換器原理框圖如圖11-29所示。所示。該轉換器由切換開關、積分器、比較器、計數器和控制邏輯等電路組成。下面分析該轉換器工作原理。 該轉換器的工作原理分為兩個階段， 第一階段是定時積分階段， 第二階段是定電壓積分階段。 NoImageNoImageNoImage*11.2.4 -型型A/D轉換器轉換器圖圖11-34顯示的是顯示的是Delta-Sigma型型A/D轉換器原理框圖。工

22、作原理介紹如下。轉換器原理框圖。工作原理介紹如下。 T1周期： 若假設輸入信號 VIN=1.28 V，在 D 觸發(fā)器輸出 Q=0 的控制下，參考電壓 VR接地線。 由于差動放大器同相端為輸入信號 VIN，反相端連接的參考電壓 VR=VR=0 V，差動放大器輸出電壓 VD=1.28 V 輸入積分器；隨時間推移，積分器輸出端電壓 VO不斷上升，經過積分器后輸出至比較器同相端，與比較器反相端的地線電平比較，若是比較器輸出為 1，則在時鐘脈沖 CLK 的上升沿觸發(fā)器 Q=1，差動放大器反相端連接的參考電壓VR=VR+=+2.56 V。 T2周期： 由于差動放大器反相端連接的參考電壓 VR=VR+=+2

23、.56 V，因此差動放大器輸出電壓VD=VIN（+VR+）=1.28 V，該電壓送入積分器后，積分器輸出電壓 VO不斷降低，當小于0 V 時，比較器輸出為 0，在時鐘脈沖 CLK 的上升沿，使 D 觸發(fā)器輸出Q 為 0，再次使參考電壓 VR=VR=0 V 加在差動放大器反相輸入端，進入 T1周期，該過程不斷重復。 NoImageNoImage例如，若參考電壓 VR+=2.56 V，對于輸入電壓為 1.28 V 和 1.92 V 的積分器輸出 VO、D 觸發(fā)器輸出 Q、時鐘 CLK 三者之間的關系如圖 11-35 所示。圖中每個充放電周期內有 4 個時鐘沿，對于輸入電壓為 1.28 V，充電與放

24、電期間內時鐘沿各為 2 個；對于輸入電壓為1.92 V，充電期間內 1 個時鐘沿，放電期間內 3 個時鐘沿，若每個時鐘代表 0.01 V，則一次測量需要 256 個時鐘，充放電 64 個周期。對于 1.28 V 電壓，計數器 2 輸出 n=128，對于 1.92 V 電壓，計數器 2 輸出 n=192。 11.2.5 逐次比較式 A/D 轉換器 逐次比較式 A/D 轉換器是現在較為普遍使用的 A/D 轉換技術。該轉換方式的轉換速度是除并行、流水線轉換外最快的一種，而且轉換時間固定不變。 4 位逐次比較式 A/D 轉換器方框圖如圖 11-36 所示。 從圖中可以看出，它由逐次近似寄存器、D/A轉

25、換器和比較器組成。 如果在轉換器的輸入端加5.1 V的模擬電壓，則工作過程如下。 逐次近似寄存器23位置位，同時D/A轉換器的23位置1，D/A轉換器輸出8 V電壓，由于比較器的反相端電壓8 V高于同相端電壓5.1 V），所以輸出低電平，逐次近似寄存器中該位被復位，輸出0000。 逐次近似寄存器22位置位，同時D/A轉換器的22位置1，D/A轉換器輸出4 V電壓，由于比較器的反相端電壓4 V低于同相端電壓5.1 V），所以輸出高電平，逐次近似寄存器中該位被保留，輸出0100。 逐次近似寄存器21位置位，同時D/A轉換器的21位置1，這時D/A轉換器的輸入數字量為0110，所以輸出6 V電壓，由

26、于比較器的反相端電壓6 V高于同相端電壓5.1 V），所以輸出低電平，逐次近似寄存器中該位被復位，輸出0100。 逐次近似寄存器20位置位，同時D/A轉換器的最低位LSB置1，這時D/A轉換器的輸入數字量為0101，所以輸出5 V電壓，由于比較器的反相端電壓5 V低于同相端電壓5.1 V），所以輸出高電平，逐次近似寄存器中該位被保留，輸出0101。當逐次近似寄存器的4位觸發(fā)器都置過1以后，轉換完成，這時逐次近似寄存器中存有二進制數據0101，這就是5.1 V輸入模擬電壓的近似二進制數表示。一個轉換周期完成后，將逐次近似寄存器清零，開始下一次轉換。逐次比較式A/D轉換器的轉換時間取決于轉換中數字

27、位數n的多少，完成每位數字的轉換需要一個時鐘周期，由前面分析可知，第n個時鐘脈沖作用后，轉換完成，所以該轉換器的轉換最小時間是nTC，這里TC是時鐘脈沖的周期。 11.2.6 A/D轉換器的技術指標轉換器的技術指標1分辨率分辨率NoImage2量化誤差 量化誤差是由于有限數字對模擬電壓值進行離散取值（量化）而引起的誤差，是由于 A/D轉換器位數有限引起的，如圖11-37所示，量化誤差是理想轉換直線與實際轉換曲線之間的偏差。 圖中，當輸入電壓未達到 A/D 轉換器分辨率的 1/2 時，輸出數字是 000，因此有 1/2LSB的誤差。當輸入電壓達到分辨率的 1/2 時，輸出數字為 001，因此也有

28、 1/2LSB 的誤差。提高分辨率可以減少量化誤差。 3偏移誤差偏移誤差偏移誤差是指理想轉換直線原點與實際轉換曲線原點之間的距離，該誤差示意如圖偏移誤差是指理想轉換直線原點與實際轉換曲線原點之間的距離，該誤差示意如圖11-38所示所示 。由圖可以看出，當由圖可以看出，當A/D轉換器的輸入電壓逐步增加，使轉換器的輸入電壓逐步增加，使A/D轉換器輸出數字從轉換器輸出數字從000跳跳到到001，這時的輸入電壓與，這時的輸入電壓與1/2 LSB代表電壓之差就是偏移誤差，偏移誤差可以通過代表電壓之差就是偏移誤差，偏移誤差可以通過移動輸入電壓范圍的方法消除。移動輸入電壓范圍的方法消除。 NoImage5非

29、線性誤差非線性誤差積分非線性、微分非線性與增益非線性等都是非線性誤差，如果不詳細區(qū)分誤差原積分非線性、微分非線性與增益非線性等都是非線性誤差，如果不詳細區(qū)分誤差原因，則非線性誤差是實際轉換曲線與理想轉換直線之間的最大縱向偏移。非線性誤因，則非線性誤差是實際轉換曲線與理想轉換直線之間的最大縱向偏移。非線性誤差示意圖如圖差示意圖如圖11-40所示。所示。 6絕對精度與相對精度絕對精度與相對精度對于某對于某A/D轉換器輸出的任何數字，其對應的實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入轉換器輸出的任何數字，其對應的實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之間差別的最大值稱為絕對精度。電壓之間差別的最大值稱為絕對精度。對

30、應某對應某A/D轉換器輸出數字的實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之間差別的轉換器輸出數字的實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之間差別的最大值除以滿度模擬輸入電壓稱為相對精度。最大值除以滿度模擬輸入電壓稱為相對精度。7A/D轉換器轉換速率轉換器轉換速率A/D轉換器的轉換速率是每秒轉換的次數，主要取決于轉換器的類型，不同的轉轉換器的轉換速率是每秒轉換的次數，主要取決于轉換器的類型，不同的轉換器的轉換速率相差很多。換器的轉換速率相差很多。并聯型與流水線并聯型與流水線A/D轉換器的轉換速率最快，如轉換器的轉換速率最快，如8位二進制數據輸出的并聯型位二進制數據輸出的并聯型A/D轉換器的轉換速率可達轉換

31、器的轉換速率可達50 ns以內。以內。逐次比較式逐次比較式A/D轉換器的轉換速率排第二，多數產品的轉換速率都在轉換器的轉換速率排第二，多數產品的轉換速率都在10100 ms以內。個別以內。個別8位轉換器轉換時間小于位轉換器轉換時間小于1 ms。雙積分與雙積分與Delta-Sigma型型A/D轉換器的轉換速率很慢，一般在數十毫秒至數百毫秒轉換器的轉換速率很慢，一般在數十毫秒至數百毫秒之間。之間。 11.2.7 A/D轉換器轉換器0804A/D轉換器轉換器0804是一個是一個8位逐次比較式位逐次比較式A/D轉換器，該轉換轉換器，該轉換器的符號如圖器的符號如圖11-41所示。所示。該轉換器的主要參數

32、：該轉換器的主要參數： 電源電壓為電源電壓為5 V，范圍為，范圍為4.56.3 V，極限為，極限為6.5 V。 分辨率為分辨率為8位，在位，在VREF/2=2.5 V時的最大不可調整誤差時的最大不可調整誤差 1LSB。 典型時鐘頻率為典型時鐘頻率為640 kHz，典型轉換時間，典型轉換時間100 ms。 邏輯接口電平兼容邏輯接口電平兼容TTL，灌電流能力，灌電流能力1.6 mA，拉電流能，拉電流能力力360 mA。芯片自帶時鐘發(fā)生電路需要外接電阻和電容）。為與單芯片自帶時鐘發(fā)生電路需要外接電阻和電容）。為與單片機的總線進行連接，該芯片的數據輸出端具有三態(tài)輸出片機的總線進行連接，該芯片的數據輸出

33、端具有三態(tài)輸出功能。功能。引腳號 名稱 功 能 說 明 1 CS 芯片選擇引腳 2 RD 讀數據引腳，CS=0 與RD=0，則可讀取 A/D 轉換結果 3 WR A/D 轉換器轉換控制引腳，在CS=0 時，WR送低電平脈沖，A/D 轉換器開始轉換 4 CLK 轉換時鐘輸入引腳 5 INTR 轉換完成引腳。 開始轉換后， 當INTR=0 表示轉換完成， 當數據讀出后，INTR=1，為下次轉換做準備 6 VIN+ 模擬差動輸入正端 7 VIN 模擬差動輸入負端。A/D 轉換器輸入電壓為 VIN+VIN 8 AGND 模擬地 9 VREF/2 參考電壓 10 DGND 數字地 1118 D7D0 數

34、據輸出 19 CLKR 產生 A/D 轉換器轉換時鐘的外接電阻引腳 20 VCC 電源電壓引腳，也是參考電壓端 芯片內部的 D/A 轉換器逐次輸出電壓與輸入電壓 （VIN+VIN）進行比較以決定逐次比較寄存器中每一位數據的復位與保留。從 MSB 開始，在 8 次比較（64 個時鐘周期）后，8 位二進制數據傳送到輸出鎖存器中，同時INTR端輸出低電平，表示轉換完成。 若是把INTR端與WR連接，同時CS接低電平，則該轉換器可以自由進行轉換。 在 A/D 轉換過程中，若再次啟動轉換，則終止正在進行的轉換，開始新的轉換，數據寄存器仍保存上次轉換結果。 輸入電壓范圍為 VIN+VIN， 由 VREF/

35、2 引腳的電壓確定，VREF/2 引腳的電壓應該為輸入電壓的 1/2，例如輸入電壓范圍為 14 V，則 VREF/2 引腳電壓應該為 1.5 V。若是輸入電壓范圍與 A/D 轉換器的電源電壓相等，則不需要在 VREF/2 引腳連接外電源，這時 VREF/2 由內部對電源分壓產生，數值等于 VCC/2。 A/D 轉換器 0804 的輸出數字 DOUT=(VIN+ VIN)256/VREF。其中VIN可用于移動輸入電平，例如，VIN=0 V，則VIN+就是輸入電壓；若VIN=1 V，則輸入電壓為 VIN+1 V，這時VIN+應該大于1 V。 如果 A/D 轉換器 0804 按照圖 11-42 所示

36、連接，則轉換頻率 f 為 1/（1.1RC） 。 圖 11-43 所示的是 A/D 轉換器 0804 組成的 A/D 轉換電路接線圖。 NoImage*11.2.8 A/D轉換器組成的數據采集系統(tǒng)轉換器組成的數據采集系統(tǒng)1數據采集系統(tǒng)的組成數據采集系統(tǒng)的組成A/D轉換器常用于數據采集系統(tǒng)中，圖轉換器常用于數據采集系統(tǒng)中，圖11-44所示的就是數據采集系統(tǒng)框圖。所示的就是數據采集系統(tǒng)框圖。2采樣采樣/保持電路保持電路（1采樣定理采樣定理A/D轉換器轉換是需要時間的，在轉換器轉換是需要時間的，在A/D轉換過程中，需要轉換過程中，需要A/D輸入端的電壓保持穩(wěn)定，輸入端的電壓保持穩(wěn)定，但是實際上輸入信

37、號經常是變化的，為在但是實際上輸入信號經常是變化的，為在A/D轉換期間保持輸入到轉換期間保持輸入到A/D轉換器的輸轉換器的輸入信號電壓穩(wěn)定，常采用的方法就是入信號電壓穩(wěn)定，常采用的方法就是A/D轉換與輸入信號之間增加采樣轉換與輸入信號之間增加采樣/保持電路。保持電路。每采樣一次，實現一次每采樣一次，實現一次A/D轉換，因此采樣時間反映了采集系統(tǒng)的實時性能，采樣轉換，因此采樣時間反映了采集系統(tǒng)的實時性能，采樣時間由模擬信號頻率、輸入通道數和每個周期的采樣數確定。時間由模擬信號頻率、輸入通道數和每個周期的采樣數確定。由奈奎斯特由奈奎斯特Nyquist采樣定理，采樣頻率至少是輸入信號最高有效頻率的采

38、樣定理，采樣頻率至少是輸入信號最高有效頻率的2倍。倍。實際中，通常取采樣頻率為信號頻率的實際中，通常取采樣頻率為信號頻率的710倍。倍。 在在A/D轉換器與模擬輸入信號接通的時間稱為孔徑時間里，輸入模擬信號值是轉換器與模擬輸入信號接通的時間稱為孔徑時間里，輸入模擬信號值是變化的，因此使轉換結果包含孔徑誤差。就像用秤稱東西時，當所稱東西不斷變化，變化的，因此使轉換結果包含孔徑誤差。就像用秤稱東西時，當所稱東西不斷變化，無法稱準一樣。為消除孔徑誤差，需要在無法稱準一樣。為消除孔徑誤差，需要在A/D轉換器與輸入模擬信號之間串聯采樣轉換器與輸入模擬信號之間串聯采樣/保持電路。若是輸入信號變化緩慢，則可

39、以不用采樣保持電路。若是輸入信號變化緩慢，則可以不用采樣/保持電路。保持電路。（2基本的采樣/保持電路基本的采樣/保持電路如圖11-45所示。圖中運放A接成電壓跟隨器，目的是提高輸入阻抗，減小輸入電流。圖中S是由場效應管組成的模擬開關，CH是保持電容，A是緩沖放大器。當控制信號VL為采樣電平時，開關S導通，保持電容CH充電，這時輸出電壓VO跟隨輸入電壓VIN變化；當控制信號VL為保持電平時，開關S斷開，保持電容CH保存輸入電壓VIN值，使放大器輸出電壓VO等于S斷開瞬間時的輸入電壓值。采樣階段，電容CH電壓達到穩(wěn)定值所需要的時間稱為捕捉時間，只有采樣周期大于捕捉時間，才能保證在采樣階段采集到輸

40、入模擬信號VIN。保持階段，輸出電壓VO的下降是由于流過電容CH的漏電流引起的，這些漏電流包括緩沖放大器的輸入電流、模擬開關的漏電流以及電容自身的泄漏電流。若要減少輸出電壓VO的下降率VO/t，則要選擇高輸入阻抗的緩沖放大器、優(yōu)質電容器與漏電流小的模擬開關。（3實際的采樣/保持電路圖11-46所示的是采樣/保持芯片LF398內部結構圖與應用電路。 圖圖11-46a中，中，S是模擬開關，是模擬開關，L是模擬開關是模擬開關S的控制電路，在輸入的控制電路，在輸入VREF引腳接引腳接地時，采樣地時，采樣/控制引腳控制引腳VL與與TTL電平兼容。電平兼容。在圖在圖11-46b中，若中，若CH為為0.01

41、 mF的低泄漏電容時，電壓下降率為的低泄漏電容時，電壓下降率為10-3mV/s。3多通道模擬信號采集多通道模擬信號采集如圖如圖11-47所示，多路模擬開關用于實現所示，多路模擬開關用于實現“多選一多選一”，就是輸入為多路模擬信號，就是輸入為多路模擬信號，只有一個公共輸出端連接采樣保持器或是只有一個公共輸出端連接采樣保持器或是A/D轉換器。轉換器。實際的多路模擬開關實際的多路模擬開關CD4051：CD4051是是8通道輸入、單公共通道輸出的模擬開關，具有通道輸入、單公共通道輸出的模擬開關，具有3位二進制數據通道選擇端位二進制數據通道選擇端和使能控制端。當電源信號范圍和使能控制端。當電源信號范圍V

42、DDVSS為為315 V時，模擬信號范圍時，模擬信號范圍VDDVEE可達可達15VP-P，例如，例如VDD=5 V，VSS=0 V，VEE=-5 V，則數字信號為，則數字信號為05 V，模擬信號范圍為，模擬信號范圍為-5 V+5 V。CD4051模擬開關的內部結構如圖模擬開關的內部結構如圖11-48所示。所示。 CD4051的導通電阻的導通電阻RON、信號電壓、信號電壓VIS與電源電壓之間的關系如圖與電源電壓之間的關系如圖11-49所示。可以看出電源電壓越高，導通電阻不僅平坦而且小。所示。可以看出電源電壓越高，導通電阻不僅平坦而且小。 圖圖11-49 CD4051的導通電阻的導通電阻RON、信

43、號電壓、信號電壓VIS與電源電壓之間的關系圖與電源電壓之間的關系圖 4集成多路集成多路A/D轉換器轉換器0809（1A/D轉換器轉換器0809的內部邏輯結構的內部邏輯結構 A/D轉換器轉換器0809內部結構方框圖如圖內部結構方框圖如圖8-50所示，是由一個所示，是由一個8路模擬開關、一個地址路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個個模擬通道，允許模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，公用路模擬量分時輸入，公用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖存器轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存

44、用于鎖存A/D轉換器輸出的數字量，當轉換器輸出的數字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數據。器取走轉換完的數據。 A/D轉換器轉換器0809具有如下主要特性：具有如下主要特性： 時鐘頻率：在時鐘頻率：在101280 kHz之間，典型值為之間，典型值為640 kHz。 轉換時間：在時鐘為轉換時間：在時鐘為640 kHz時，轉換時間為時，轉換時間為90116 ms之間；之間； 工作電源電壓工作電源電壓VCC：+5 V； 正參考電壓正參考電壓VREF+：+5 V； 負參考電壓負參考電壓VREF-：0 V； 模擬電壓輸入范圍：單極性模擬電壓輸入

45、范圍：單極性05 V； 最大不可調整誤差：最大不可調整誤差：1LSB； 邏輯電平兼容邏輯電平兼容TTL/CMOS； 功耗：功耗：15 mW； 封裝：引腳封裝：引腳28雙列直插。雙列直插。a8個模擬量輸入通道個模擬量輸入通道IN7IN0。A/D轉換器轉換器0809對輸入模擬量要求：模擬量對輸入模擬量要求：模擬量VIN為單極性，為單極性，其電壓范圍與參考電源有關，若是參考電壓為其電壓范圍與參考電源有關，若是參考電壓為5 V，則電壓，則電壓范圍也可達到范圍也可達到5 V。 b地址選擇信號。地址選擇信號。高電平有效的地址鎖存控制信號高電平有效的地址鎖存控制信號ALE。當。當ALE線為高電平線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將時，地址鎖存與譯碼器將ADD A、ADD B、ADD C三條地三條地址線的地址信號進行鎖存。址線的地址信號進行鎖存。c8條數字量輸出線：條數字量輸出線：D7D0。d控制信號。控制信號。 START為轉換啟動信號。為轉換啟動信號。 EOC為轉換結束信號。為轉換結束信號。 OE為輸出允許信號。為輸出允