數(shù)字電子技術(shù)(第三版)[高吉祥][電子教案]第九章

1、 第九章第九章 數(shù)數(shù)/模轉(zhuǎn)換和模模轉(zhuǎn)換和模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換9.1 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)9.2 數(shù)模數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 第九章第九章 數(shù)數(shù)/模轉(zhuǎn)換和模模轉(zhuǎn)換和模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換隨著電子計(jì)算機(jī)高速發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)已隨著電子計(jì)算機(jī)高速發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)和國(guó)防上獲得越來(lái)越廣泛的在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)和國(guó)防上獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已進(jìn)入千家萬(wàn)戶。而數(shù)應(yīng)用，現(xiàn)已進(jìn)入千家萬(wàn)戶。而數(shù)/模與模模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換器是數(shù)字電子計(jì)算機(jī)和各用戶之間不可缺少的接器是數(shù)字電子計(jì)算機(jī)和各用戶之間不可缺少的接口部件?？诓考＠缯Z(yǔ)音、圖象、壓力、流量、速度、溫例如語(yǔ)音、圖象、壓力、流

2、量、速度、溫度、振幅等都是通過(guò)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器或傳感器變換度、振幅等都是通過(guò)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器或傳感器變換成模擬電信號(hào)，如果要將這些模擬電信號(hào)送給計(jì)成模擬電信號(hào)，如果要將這些模擬電信號(hào)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，必須將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字算機(jī)進(jìn)行處理，必須將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。模信號(hào)。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器就是將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)轉(zhuǎn)換器就是將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的器件。經(jīng)過(guò)數(shù)字計(jì)算機(jī)分析處理后的數(shù)字信號(hào)的器件。經(jīng)過(guò)數(shù)字計(jì)算機(jī)分析處理后的結(jié)果，輸出的是數(shù)字信號(hào)，必須將這些數(shù)字信號(hào)結(jié)果，輸出的是數(shù)字信號(hào)，必須將這些數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，才能送去控制執(zhí)行元件或者被轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，才能送去控制執(zhí)行元件或者被人

3、的感官所接受。數(shù)人的感官所接受。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器就是將數(shù)字信號(hào)模轉(zhuǎn)換器就是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的器件。轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的器件。本章主要介紹本章主要介紹A/D、D/A變換的基本工作原變換的基本工作原理。理。9.1 9.1 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)常見(jiàn)的數(shù)常見(jiàn)的數(shù)/ /模和模模和模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有以下幾種。數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有以下幾種。一、數(shù)字控制系統(tǒng)一、數(shù)字控制系統(tǒng)以數(shù)控為例：首先對(duì)被加工件進(jìn)行攝影、以數(shù)控為例：首先對(duì)被加工件進(jìn)行攝影、測(cè)繪，這個(gè)過(guò)程可以說(shuō)由傳感器完成，然后進(jìn)行測(cè)繪，這個(gè)過(guò)程可以說(shuō)由傳感器完成，然后進(jìn)行量化，將具體的尺寸、形狀、加工順序量化，將具體的尺寸、形狀、加工順序，均由，均由數(shù)碼表示，這個(gè)

4、過(guò)程叫數(shù)碼表示，這個(gè)過(guò)程叫A/DA/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。第轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。第三步，將加工順序編寫(xiě)成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的程三步，將加工順序編寫(xiě)成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的程序。例如進(jìn)刀、退刀；前進(jìn)、后退、左進(jìn)、后序。例如進(jìn)刀、退刀；前進(jìn)、后退、左進(jìn)、后退，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。第四步，因執(zhí)行控退，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。第四步，因執(zhí)行控制器一般只認(rèn)模擬量，例如，左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，它制器一般只認(rèn)模擬量，例如，左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，它主要取決于電感的極性主要取決于電感的極性(正電感、還是負(fù)電感？正電感、還是負(fù)電感？)速度大小是由電感或電流大小決定，運(yùn)動(dòng)方向和速度大小是由電感或電流大小決定，運(yùn)動(dòng)方向和速度速度(例如是向前，還是退后

5、，是向左進(jìn)還是右例如是向前，還是退后，是向左進(jìn)還是右退，進(jìn)多少尺寸？退多少尺寸？退，進(jìn)多少尺寸？退多少尺寸？)主要取決于執(zhí)主要取決于執(zhí)行電機(jī)的型號(hào)、規(guī)格、機(jī)械安裝、機(jī)械傳動(dòng)等。行電機(jī)的型號(hào)、規(guī)格、機(jī)械安裝、機(jī)械傳動(dòng)等。需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)為模擬量需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)為模擬量(即即D/A變換變換)。最后一。最后一步由執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成各種操作。將被加工件生產(chǎn)步由執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成各種操作。將被加工件生產(chǎn)出來(lái)。出來(lái)。二、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)二、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)目前在通信目前在通信(例如移動(dòng)數(shù)字電話例如移動(dòng)數(shù)字電話)、遙控、遙、遙控、遙測(cè)、數(shù)據(jù)廣播、數(shù)字電視等，需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳測(cè)、數(shù)據(jù)廣播、數(shù)字電視等，需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送，采用數(shù)字

6、信號(hào)比模擬信號(hào)抗干擾性強(qiáng)、保密送，采用數(shù)字信號(hào)比模擬信號(hào)抗干擾性強(qiáng)、保密性強(qiáng)。其系統(tǒng)方框圖如下：性強(qiáng)。其系統(tǒng)方框圖如下：舉例：舉例：1. 手機(jī)（移動(dòng)電話）、對(duì)講機(jī)手機(jī)（移動(dòng)電話）、對(duì)講機(jī)2. 數(shù)據(jù)廣播（遠(yuǎn)程教育等）數(shù)據(jù)廣播（遠(yuǎn)程教育等）三、自動(dòng)測(cè)試和測(cè)量設(shè)備三、自動(dòng)測(cè)試和測(cè)量設(shè)備（以數(shù)字頻率計(jì)為例）（以數(shù)字頻率計(jì)為例）9.2 9.2 數(shù)模數(shù)模(D/A)(D/A)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器一、基本原理一、基本原理所謂所謂D/A（數(shù)模）轉(zhuǎn)換器（數(shù)模）轉(zhuǎn)換器就是將離散的數(shù)就是將離散的數(shù)字字量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化模擬量的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，又稱為量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化模擬量的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，又稱為D/A轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或DAC。D/A轉(zhuǎn)換器

7、可以看作是一個(gè)轉(zhuǎn)換器可以看作是一個(gè)譯碼器譯碼器，它是，它是將將輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)器輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)器(或稱編碼信號(hào)或稱編碼信號(hào))轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換(翻翻譯譯)成模擬信號(hào)，并以電壓或電流形式輸出。成模擬信號(hào)，并以電壓或電流形式輸出。圖圖9-3表示了表示了4位二進(jìn)制代碼的數(shù)字信號(hào)經(jīng)位二進(jìn)制代碼的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器后的輸出模擬信號(hào)電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)轉(zhuǎn)換器后的輸出模擬信號(hào)電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。每一個(gè)二進(jìn)制代碼的編碼數(shù)字信號(hào)，都可以系。每一個(gè)二進(jìn)制代碼的編碼數(shù)字信號(hào)，都可以翻譯成一個(gè)相對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值。翻譯成一個(gè)相對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值。例如：例如：(1010)2(10)10 ，量化級(jí)到信息所，量化級(jí)到信息所能分解的

8、最小量。能分解的最小量。圖中為圖中為 ，要減少量化誤差，只要增，要減少量化誤差，只要增加數(shù)字編碼信號(hào)的位數(shù)。加數(shù)字編碼信號(hào)的位數(shù)。16121n圖圖9-3 D/A轉(zhuǎn)換器輸出特性轉(zhuǎn)換器輸出特性01511110000例如：輸入二進(jìn)制代碼為千位數(shù)碼，其輸例如：輸入二進(jìn)制代碼為千位數(shù)碼，其輸出電壓可能的最小變化為等值輸出的出電壓可能的最小變化為等值輸出的1/1024。下圖為一個(gè)下圖為一個(gè)n位位D/A轉(zhuǎn)換器的方框圖。轉(zhuǎn)換器的方框圖。數(shù)字位模擬開(kāi)關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)及求和放大器參考電流數(shù)字寄存器V0D0D1Dn-1數(shù)字輸入二、二、D/A轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換器電路目前使用的目前使用的D/A轉(zhuǎn)換器，基本上有權(quán)電阻轉(zhuǎn)換器，基本上

9、有權(quán)電阻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)型、絡(luò)型、T型電阻網(wǎng)絡(luò)型和權(quán)電流型三種。型電阻網(wǎng)絡(luò)型和權(quán)電流型三種。1.權(quán)電阻權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器電路如圖轉(zhuǎn)換器電路如圖9-5所示。所示。它由數(shù)字寄存器、模擬電子開(kāi)關(guān)、電阻網(wǎng)它由數(shù)字寄存器、模擬電子開(kāi)關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)、求和放大器和參考電流等幾部分組成。絡(luò)、求和放大器和參考電流等幾部分組成。寄存器：寄存器：在寄存器指令作用下，將輸入數(shù)字量定時(shí)在寄存器指令作用下，將輸入數(shù)字量定時(shí)地存入數(shù)字寄存器中，一直存放到下一個(gè)指令到地存入數(shù)字寄存器中，一直存放到下一個(gè)指令到來(lái)時(shí)為止。寄存器的輸出量來(lái)時(shí)為止。寄存器的輸出量Dn-1 D0用來(lái)控用來(lái)控制模擬電子開(kāi)關(guān)制模擬電子開(kāi)

10、關(guān)Sn-1S0的狀態(tài)。的狀態(tài)。模擬電子開(kāi)關(guān)：模擬電子開(kāi)關(guān)：它受寄存器輸出它受寄存器輸出D控制，每一個(gè)位控制，每一個(gè)位Di控制控制相相應(yīng)的一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)的一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)Si。當(dāng)當(dāng)Di=1時(shí)，時(shí)，Si與參考電壓與參考電壓VREF與電阻網(wǎng)絡(luò)與電阻網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的電阻中相應(yīng)的電阻Ri接通接通；當(dāng)當(dāng)Di=0時(shí)，時(shí)，Si將將Ri接地接地。權(quán)電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)：權(quán)電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)：對(duì)于對(duì)于n位二進(jìn)制代碼，權(quán)電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)由位二進(jìn)制代碼，權(quán)電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)由n個(gè)電阻組成個(gè)電阻組成(R0Rn-1)。網(wǎng)絡(luò)中各支路的電阻值。網(wǎng)絡(luò)中各支路的電阻值R0Rn-1，接二進(jìn)制位權(quán)大小或比例減少。對(duì)于，接二進(jìn)制位權(quán)大小或比例減少。對(duì)于Di對(duì)應(yīng)的電阻

11、支路對(duì)應(yīng)的電阻支路ki=2n-1-ik。顯然，當(dāng)顯然，當(dāng)i=0，D0k0=2n-1k。當(dāng)當(dāng)i=n-1時(shí)，時(shí)，Dn-1 Rn-1=2n-1-(n-1)k=20k也就是說(shuō)，二進(jìn)制代碼的也就是說(shuō)，二進(jìn)制代碼的位權(quán)值越大位權(quán)值越大，對(duì)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)的權(quán)電阻就越小權(quán)電阻就越小。運(yùn)算放大器：運(yùn)算放大器：它是作為求和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的緩沖器，使輸它是作為求和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的緩沖器，使輸出模擬電壓出模擬電壓v0受負(fù)載變化的影響，而且可以改受負(fù)載變化的影響，而且可以改變變Rf的大小來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換系數(shù)。的大小來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換系數(shù)。下面定量分析一下輸出下面定量分析一下輸出v0與輸入數(shù)字信號(hào)與輸入數(shù)字信號(hào)D之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。當(dāng)當(dāng)Di=

12、1時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)，對(duì)應(yīng)的Ri支路與參考電位支路與參考電位VBEF接通，則該支路電流為：接通，則該支路電流為：當(dāng)當(dāng)Di=0時(shí)，開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)Si接地，則接地，則Ii=0。因此，對(duì)于因此，對(duì)于Di位產(chǎn)生的電流，寫(xiě)成通式位產(chǎn)生的電流，寫(xiě)成通式為：為：i1 -nREFi -1 -nREFiREFi2R2VR2VRVIii1-nREFiD2R2VI根據(jù)疊加原理，總的輸出電流為：根據(jù)疊加原理，總的輸出電流為：通過(guò)運(yùn)放，輸出電壓通過(guò)運(yùn)放，輸出電壓v0為：為：)2D(R2VII1 -n0iii1 -nBEF1 -n0iii1 -n0iifnREFf02DRR22V-IRv例例9-1：有一個(gè)：有一個(gè)4位位D/A轉(zhuǎn)換

13、器，輸入轉(zhuǎn)換器，輸入4位二位二進(jìn)制碼進(jìn)制碼D3D2D1D0=1101，基準(zhǔn)電位，基準(zhǔn)電位VREF=8V，轉(zhuǎn)換比例系數(shù)為轉(zhuǎn)換比例系數(shù)為1，即，即2Rf/R=1。求輸出。求輸出v0。解：解：伏）6.5( 13)21(-1 2D2VRR2vin0iinREFf0由于權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)中電阻值的范圍由于權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)中電阻值的范圍(R2n-1R)的范圍很寬，這給保證輸出的范圍很寬，這給保證輸出v0的精度的精度帶來(lái)很大困難。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常采用帶來(lái)很大困難。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常采用R2R T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)的型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。2. R2R倒倒T形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換

14、器轉(zhuǎn)換器由圖由圖9-6可見(jiàn)，當(dāng)可見(jiàn)，當(dāng)Di=1時(shí)，對(duì)應(yīng)的電阻支路時(shí)，對(duì)應(yīng)的電阻支路流過(guò)的電流流過(guò)的電流 ，其中，其中且且Ii流向運(yùn)放流向運(yùn)放(-)端。端。當(dāng)當(dāng)Di=0時(shí)，時(shí)， 但但 Ii流向流向運(yùn)放運(yùn)放(+)。即流向地。即流向地。 i -ni2IIRVIREF)( 2IIi -ni不變圖圖9-6 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)換器寫(xiě)成通式：寫(xiě)成通式：于是流向于是流向(-)端總電流為：端總電流為：輸出電壓為：輸出電壓為：iiniD22II)2D(R2VIIii1-n0inREF1-n0ii)2D(2VRRRIvi1 -n0iinREFff0由于倒由于倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

15、中各支流的轉(zhuǎn)換器中各支流的電流直接流入了運(yùn)算放大器輸入端，它們之間不電流直接流入了運(yùn)算放大器輸入端，它們之間不存在時(shí)間差，因而提高了工作速度并減少了動(dòng)態(tài)存在時(shí)間差，因而提高了工作速度并減少了動(dòng)態(tài)過(guò)程中輸出端可能出現(xiàn)的尖峰脈沖。倒過(guò)程中輸出端可能出現(xiàn)的尖峰脈沖。倒T形電阻形電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器是目前使用的轉(zhuǎn)換器是目前使用的D/A轉(zhuǎn)換器中速度轉(zhuǎn)換器中速度較快的一種，也是用得較多的一種。較快的一種，也是用得較多的一種。3.權(quán)電流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器在前面分析的在前面分析的R-2R倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的的過(guò)程中，將模擬開(kāi)關(guān)當(dāng)作理想開(kāi)關(guān)，而沒(méi)有考慮過(guò)程中，將模擬開(kāi)關(guān)當(dāng)作理想開(kāi)關(guān)，

16、而沒(méi)有考慮它們的導(dǎo)電電阻和導(dǎo)通壓降。而實(shí)際上這些開(kāi)關(guān)它們的導(dǎo)電電阻和導(dǎo)通壓降。而實(shí)際上這些開(kāi)關(guān)總有一定的導(dǎo)通電阻和壓降，且每個(gè)開(kāi)關(guān)的情況總有一定的導(dǎo)通電阻和壓降，且每個(gè)開(kāi)關(guān)的情況又不完全相同，它們的存在無(wú)疑會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤又不完全相同，它們的存在無(wú)疑會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤差，影響轉(zhuǎn)換精度。差，影響轉(zhuǎn)換精度。解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法即采用圖解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法即采用圖9-7所示所示的權(quán)電流型的權(quán)電流型DAC。在。在DAC中有一組恒流源，每中有一組恒流源，每個(gè)恒流源電流大小依次為前一個(gè)個(gè)恒流源電流大小依次為前一個(gè)1/2，和輸入二，和輸入二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)位的進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)位的“權(quán)權(quán)”成正比。由于采用了恒流成正比。由于采用

17、了恒流源，每個(gè)支流的電流大小不再受開(kāi)關(guān)內(nèi)阻和壓降源，每個(gè)支流的電流大小不再受開(kāi)關(guān)內(nèi)阻和壓降的影響，從而降低了對(duì)開(kāi)關(guān)電路的要求。的影響，從而降低了對(duì)開(kāi)關(guān)電路的要求。恒流源電路經(jīng)常使用圖恒流源電路經(jīng)常使用圖9-7右側(cè)所示的電路右側(cè)所示的電路結(jié)構(gòu)形式。只要在電路工作時(shí)保證結(jié)構(gòu)形式。只要在電路工作時(shí)保證VB和和VEE保持保持不變，則三極管集電極電流即可保持不變，不受不變，則三極管集電極電流即可保持不變，不受開(kāi)關(guān)內(nèi)阻的影響。其電流大小近似為：開(kāi)關(guān)內(nèi)阻的影響。其電流大小近似為：iEBEEEBiRVVVI圖圖9-7 權(quán)電流型權(quán)電流型DAC當(dāng)輸入數(shù)字量的某位代碼為當(dāng)輸入數(shù)字量的某位代碼為1時(shí)，對(duì)應(yīng)的開(kāi)時(shí)，對(duì)應(yīng)

18、的開(kāi)關(guān)將恒流源接至運(yùn)放的輸入端；關(guān)將恒流源接至運(yùn)放的輸入端；當(dāng)代碼為當(dāng)代碼為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的恒流源接地。時(shí)，對(duì)應(yīng)的恒流源接地。故輸出電壓為：故輸出電壓為：)2d2d2d2d(2IR )d16Id8Id4Id2I(RRiV001122334F0123FF0另外，在相同的另外，在相同的VB和和VEE取值下，為了得取值下，為了得到依次為到依次為1/2遞減的電流源，就需要一組不同阻遞減的電流源，就需要一組不同阻值的電阻。為了減少電阻阻值的種類(lèi)，在實(shí)用的值的電阻。為了減少電阻阻值的種類(lèi)，在實(shí)用的權(quán)電流型權(quán)電流型DAC中經(jīng)常利用倒中經(jīng)常利用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的分流型電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用產(chǎn)生成一組恒流源。如圖作用產(chǎn)生

19、成一組恒流源。如圖9-9所示。所示。由圖可見(jiàn)，由圖可見(jiàn)，T3、T2、T1、T0和和Tc的基極的基極是接在一起的，只要這些三極管的發(fā)射結(jié)壓降是接在一起的，只要這些三極管的發(fā)射結(jié)壓降VBE相等，則它們的發(fā)射極處于相同的電位。相等，則它們的發(fā)射極處于相同的電位。圖圖9-9 實(shí)用的權(quán)電流型實(shí)用的權(quán)電流型DAC在計(jì)算各支路的電流時(shí)，可以認(rèn)為在計(jì)算各支路的電流時(shí)，可以認(rèn)為2R電阻電阻的上端都接到了同一個(gè)電位上，因而流過(guò)每個(gè)的上端都接到了同一個(gè)電位上，因而流過(guò)每個(gè)2R電阻的電流自左至右依次減少了電阻的電流自左至右依次減少了1/2。為保證。為保證所有三極管的發(fā)射結(jié)壓降相等，在發(fā)射結(jié)電流較所有三極管的發(fā)射結(jié)壓降

20、相等，在發(fā)射結(jié)電流較大的三極管中按比例加大了發(fā)射結(jié)的面積，在圖大的三極管中按比例加大了發(fā)射結(jié)的面積，在圖中用增加發(fā)射極的數(shù)目來(lái)表示。圖中的恒流源中用增加發(fā)射極的數(shù)目來(lái)表示。圖中的恒流源IB0用來(lái)給用來(lái)給TR、TC、T0T3提供必要的基極偏置提供必要的基極偏置電流。電流。運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器A1、三極管、三極管TR、電阻、電阻RR、R組組成了基準(zhǔn)電流發(fā)生電路?；鶞?zhǔn)電流成了基準(zhǔn)電流發(fā)生電路?；鶞?zhǔn)電流IREF是由外加是由外加的基準(zhǔn)電壓的基準(zhǔn)電壓VREF和電阻和電阻RR決定。由于決定。由于T3和和TR具具有相同的有相同的VBE，而發(fā)射極回路電阻相差一倍，所，而發(fā)射極回路電阻相差一倍，所以它們的發(fā)射極電

21、流也必然相差一倍。故有：以它們的發(fā)射極電流也必然相差一倍。故有：將式將式(9-4)代入式代入式(9-3)得得:4)- .(9 IRVRVI 2IRREFRREFEREF3)2d2d2d2d (RR2VV00112233RF4REF0對(duì)于輸入為對(duì)于輸入為n位二進(jìn)制數(shù)碼的這種電路結(jié)構(gòu)位二進(jìn)制數(shù)碼的這種電路結(jié)構(gòu)的的D/A轉(zhuǎn)換器，輸出電壓的計(jì)算公式可寫(xiě)成：轉(zhuǎn)換器，輸出電壓的計(jì)算公式可寫(xiě)成：采用這種權(quán)電流型采用這種權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換電路生產(chǎn)的單轉(zhuǎn)換電路生產(chǎn)的單片片集成集成DAC有有DC0806、DAC0807、DAC0808。6)- .(9 2dRR2V )2d2d.2d2d (RR2VVi1 -n0i

22、iRFnREF00112-n2-n1 -n1 -nRFnREF04. DAC的主要技術(shù)指標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo)（一）分辨率（一）分辨率分辨率是指對(duì)輸出最小電壓的分辨能力。分辨率是指對(duì)輸出最小電壓的分辨能力。它是用輸入數(shù)碼只有最低有效位為它是用輸入數(shù)碼只有最低有效位為1時(shí)的輸出電時(shí)的輸出電壓與輸入數(shù)碼為全壓與輸入數(shù)碼為全1時(shí)輸出滿量程電壓之比來(lái)表時(shí)輸出滿量程電壓之比來(lái)表示。示。因此分辨率可表示為因此分辨率可表示為121n（二）轉(zhuǎn)換誤差（二）轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差常用滿量程轉(zhuǎn)換誤差常用滿量程FSR的百分?jǐn)?shù)來(lái)表的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。例如，一個(gè)示。例如，一個(gè)DAC的線形誤差為的線形誤差為0.05%，就是，就是說(shuō)轉(zhuǎn)換誤差

23、是滿量程輸出的萬(wàn)分之五。說(shuō)轉(zhuǎn)換誤差是滿量程輸出的萬(wàn)分之五。有時(shí)有時(shí) 轉(zhuǎn)換誤差用最低有效位轉(zhuǎn)換誤差用最低有效位LSB的倍數(shù)來(lái)的倍數(shù)來(lái)表示。例如，一個(gè)表示。例如，一個(gè)DAC的轉(zhuǎn)換誤差是的轉(zhuǎn)換誤差是LSB/2，則，則表示輸出電壓絕對(duì)誤差是最低表示輸出電壓絕對(duì)誤差是最低 有效位（有效位（LSB）為為1時(shí)輸出電壓的時(shí)輸出電壓的1/2。DAC的轉(zhuǎn)換誤差主要有失調(diào)誤差和滿值誤的轉(zhuǎn)換誤差主要有失調(diào)誤差和滿值誤差。差。失調(diào)誤差是指輸入數(shù)字量全為失調(diào)誤差是指輸入數(shù)字量全為0時(shí)，模擬輸時(shí)，模擬輸出值與理論輸出值的偏差。出值與理論輸出值的偏差。滿值誤差又稱增益誤差，是指輸入數(shù)字量滿值誤差又稱增益誤差，是指輸入數(shù)字量全

24、為全為1時(shí)，實(shí)際輸出電壓不等于滿值的偏差。滿時(shí)，實(shí)際輸出電壓不等于滿值的偏差。滿值誤差通過(guò)調(diào)整運(yùn)放的反饋電阻加以消除。值誤差通過(guò)調(diào)整運(yùn)放的反饋電阻加以消除。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)放的零點(diǎn)漂移，電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的波動(dòng)、運(yùn)放的零點(diǎn)漂移，電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值偏差等原因。阻值偏差等原因。（三）轉(zhuǎn)換速度（三）轉(zhuǎn)換速度通常用建立時(shí)間通常用建立時(shí)間tset來(lái)定量描述來(lái)定量描述DAC的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度。速度。 tset定義：從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開(kāi)始，定義：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)定值相差直到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)定值相差1/2LSB范

25、圍范圍以內(nèi)這段時(shí)間，稱為建立時(shí)間以內(nèi)這段時(shí)間，稱為建立時(shí)間tset 。如圖。如圖9-10所所示。示。目前器件水平：高達(dá)目前器件水平：高達(dá)0.1s左右。左右。圖圖9-10 DAC的建立時(shí)間的建立時(shí)間1/2LSB tset tset例例9-1：在下圖所示的倒：在下圖所示的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中，形電阻網(wǎng)絡(luò)中，VREF=-10。為保證。為保證VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起的誤偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起的誤差小于差小于1/2LSB，試計(jì)算，試計(jì)算VREF的相對(duì)穩(wěn)定度應(yīng)取的相對(duì)穩(wěn)定度應(yīng)取多少？多少？解：解：首先計(jì)算對(duì)應(yīng)于首先計(jì)算對(duì)應(yīng)于1/2LSB輸入的電壓是多輸入的電壓是多少？當(dāng)輸入代碼只有少？當(dāng)輸入代碼只有LSB=1而其余

26、各位均為而其余各位均為0（且令（且令R=Rf）時(shí)，輸出電壓為：）時(shí)，輸出電壓為：nREF00112-n2-n1 -n1 -nnREF02V- )2d2d.2d2d (2VV故與故與1/2LSB相對(duì)應(yīng)的輸出電壓絕對(duì)值為：相對(duì)應(yīng)的輸出電壓絕對(duì)值為：然后再計(jì)算由于然后再計(jì)算由于VREF變化變化 VREF所引起的所引起的輸出變化輸出變化V0，在，在n位輸入的位輸入的DAC中，由中，由 VREF引起的輸出電壓變化應(yīng)為：引起的輸出電壓變化應(yīng)為：1nREFnREF2V2V21)2d2d.2d2d (2VV00112-n2-n1 -n1 -nnREF0而且在輸入數(shù)字量最大時(shí)而且在輸入數(shù)字量最大時(shí)(所有各位全為

27、所有各位全為1)，V0最大。這時(shí)的輸出電壓絕對(duì)值為：最大。這時(shí)的輸出電壓絕對(duì)值為：根據(jù)題意，根據(jù)題意， V0 必須小于等于必須小于等于1/2LSB對(duì)應(yīng)的輸出電壓，于是得到：對(duì)應(yīng)的輸出電壓，于是得到：REF1010REFnn0V212V212V11REF02VV故得到參考電壓相對(duì)穩(wěn)定度為：故得到參考電壓相對(duì)穩(wěn)定度為：而允許參考電壓的變化量為：而允許參考電壓的變化量為：11REFREF10102VV212%05. 02112221VV11101011REFREFmv51222VV101011REFREF9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器所謂所謂模數(shù)轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換就是上述數(shù)模轉(zhuǎn)換的逆過(guò)就是上述數(shù)

28、模轉(zhuǎn)換的逆過(guò)程，即將模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成比例的數(shù)字量。程，即將模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成比例的數(shù)字量。實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路成為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，又稱實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路成為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，又稱A/D轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或ADC。在在A/D變換過(guò)程中，輸入的模擬信號(hào)往往變換過(guò)程中，輸入的模擬信號(hào)往往在在時(shí)間上是連續(xù)的，而輸出是離散的數(shù)字量。所以時(shí)間上是連續(xù)的，而輸出是離散的數(shù)字量。所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)必須在一系列選定的瞬間對(duì)輸入的模進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)必須在一系列選定的瞬間對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，然后再將這些采樣值轉(zhuǎn)換為數(shù)擬信號(hào)進(jìn)行采樣，然后再將這些采樣值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。字量。因此，一般因此，一般A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程要經(jīng)過(guò)四個(gè)步驟：轉(zhuǎn)換過(guò)程要

29、經(jīng)過(guò)四個(gè)步驟：采樣采樣 保持保持 量化量化 編碼編碼不過(guò)這些步驟有些是合并進(jìn)行的。不過(guò)這些步驟有些是合并進(jìn)行的。采樣采樣采樣采樣(又稱取樣又稱取樣)是將一個(gè)連續(xù)變化的模擬量是將一個(gè)連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時(shí)間上連續(xù)轉(zhuǎn)換成時(shí)間上連續(xù)(離散離散)的模擬量?；蛘哒f(shuō)，采的模擬量?；蛘哒f(shuō)，采樣就是把一個(gè)時(shí)間上連續(xù)的模擬量一串脈沖，這樣就是把一個(gè)時(shí)間上連續(xù)的模擬量一串脈沖，這些脈寬是等寬的，但其幅度取決于采樣的輸入的些脈寬是等寬的，但其幅度取決于采樣的輸入的模擬量。如圖模擬量。如圖9-12所示。所示。 圖圖9-12 采樣保持采樣保持 原理原理圖中：圖中：i (t) 輸入模擬量輸入模擬量 S (t) 采樣脈沖

30、采樣脈沖 0* (t) 采樣輸出信號(hào)采樣輸出信號(hào)因此，采樣電路實(shí)際上是一個(gè)受采樣脈沖因此，采樣電路實(shí)際上是一個(gè)受采樣脈沖控制的電子開(kāi)關(guān)，在控制的電子開(kāi)關(guān)，在S(t)采樣脈沖寬度采樣脈沖寬度tw內(nèi)，開(kāi)內(nèi)，開(kāi)關(guān)接通，此時(shí)輸出關(guān)接通，此時(shí)輸出0*(t)等于輸入等于輸入i(t)；而在；而在(Ts- tw)的時(shí)間內(nèi)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，輸出的時(shí)間內(nèi)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，輸出 0*(t)為為0。為了。為了使采樣信號(hào)恢復(fù)成原信號(hào)，采樣周期應(yīng)滿足采樣使采樣信號(hào)恢復(fù)成原信號(hào)，采樣周期應(yīng)滿足采樣定理。定理。采樣定理：采樣定理：通常取通常取 s=(35)imax8)- (9 . 2 21Tmax ismax isfff即2. 采樣保持

31、電路采樣保持電路所謂所謂采樣采樣，即在一個(gè)微小時(shí)間內(nèi)對(duì)模擬信，即在一個(gè)微小時(shí)間內(nèi)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行取樣，然后將此取樣的模擬信號(hào)保持一段號(hào)進(jìn)行取樣，然后將此取樣的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間，使時(shí)間，使A/D轉(zhuǎn)換器有充足的時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換器有充足的時(shí)間進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，這就是采樣。換，這就是采樣。保持電路的作用。保持電路的作用。圖圖9-13是取樣是取樣保持電路的基本形式。圖保持電路的基本形式。圖中：中： T N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管，作為模擬開(kāi)管，作為模擬開(kāi) 關(guān)。關(guān)。 圖圖9-13 采樣保持實(shí)用電路采樣保持實(shí)用電路當(dāng)取樣控制信號(hào)當(dāng)取樣控制信號(hào)vL(S(t)為高電平時(shí)，為高電平時(shí)，T導(dǎo)導(dǎo)通。輸入信號(hào)通。輸入

32、信號(hào)vi經(jīng)經(jīng)RI、T向電容向電容CH充電。若取充電。若取RI=RF，并忽略運(yùn)放的輸入電流，則充電后，并忽略運(yùn)放的輸入電流，則充電后V0=VC=-VI 。當(dāng)當(dāng)VL返回低電平以后，返回低電平以后，MOS管截止。由于管截止。由于CH上的電壓在一段時(shí)間內(nèi)保持不變。所以上的電壓在一段時(shí)間內(nèi)保持不變。所以v0也也保持不變，取樣結(jié)果被保存下來(lái)。如保持不變，取樣結(jié)果被保存下來(lái)。如CH上電流上電流越小，運(yùn)放輸入阻抗越大，越小，運(yùn)放輸入阻抗越大，v0保持時(shí)間越長(zhǎng)。保持時(shí)間越長(zhǎng)。 下圖所示是單片集成取樣下圖所示是單片集成取樣保持電路保持電路LF398的電路原理圖及符號(hào)圖。的電路原理圖及符號(hào)圖。當(dāng)邏輯輸入當(dāng)邏輯輸入V

33、L為高電平為高電平1時(shí)，時(shí)，S閉合；閉合； VL為低電平為低電平0時(shí)，時(shí)，S斷開(kāi)。斷開(kāi)。當(dāng)當(dāng)S閉合時(shí)，閉合時(shí)，A1和和A2均工作在電壓跟隨器均工作在電壓跟隨器狀態(tài)，所以狀態(tài)，所以v0=v0=vi，外接電容，外接電容CH接在接在R2的的引出端與地之間，故電容的電壓也等于引出端與地之間，故電容的電壓也等于vi；當(dāng)當(dāng)S斷開(kāi)后，斷開(kāi)后， CH上的電壓不變，所以上的電壓不變，所以v0的的數(shù)值仍然保留下來(lái)。數(shù)值仍然保留下來(lái)。D1、D2是開(kāi)關(guān)電路的保護(hù)電路。是開(kāi)關(guān)電路的保護(hù)電路。3. 量化與編碼量化與編碼從前面的采樣從前面的采樣保持電路的分析中得知保持電路的分析中得知,在采樣脈沖持續(xù)期在采樣脈沖持續(xù)期tw內(nèi)

34、，內(nèi)，v0=vi，在兩次采樣的，在兩次采樣的間隔時(shí)間間隔時(shí)間(Ts-tw)時(shí)間內(nèi)，時(shí)間內(nèi)，v0保持不變。保持不變。(Ts-tw)這這段時(shí)間供量化和編碼。段時(shí)間供量化和編碼。什么叫量化？在什么叫量化？在A/D轉(zhuǎn)化過(guò)程中，必須把轉(zhuǎn)化過(guò)程中，必須把采采樣樣保持的樣值電壓化成某個(gè)最小單位的整數(shù)保持的樣值電壓化成某個(gè)最小單位的整數(shù)倍。這個(gè)過(guò)程稱為量化。所取的最小單位稱量化倍。這個(gè)過(guò)程稱為量化。所取的最小單位稱量化單位，可以用單位，可以用表示。表示。什么叫編碼？把量化的結(jié)果用代碼什么叫編碼？把量化的結(jié)果用代碼(一般是一般是二進(jìn)制碼二進(jìn)制碼)表示出來(lái)，稱為表示出來(lái)，稱為編碼編碼。顯然，編碼輸。顯然，編碼輸出

35、的數(shù)字信號(hào)最低有效位的出的數(shù)字信號(hào)最低有效位的1代表的數(shù)量大小就代表的數(shù)量大小就等于等于。由于模擬信號(hào)是連續(xù)的，那么它就不一定由于模擬信號(hào)是連續(xù)的，那么它就不一定能被能被整除，因此量化過(guò)程不可避免地會(huì)引入誤整除，因此量化過(guò)程不可避免地會(huì)引入誤差，這種誤差稱為差，這種誤差稱為量化誤差量化誤差。通常在劃分量化等級(jí)時(shí)有兩種方法：通常在劃分量化等級(jí)時(shí)有兩種方法：如圖如圖9-15所示。所示。圖圖9-15 劃分量化等級(jí)時(shí)的兩種方法劃分量化等級(jí)時(shí)的兩種方法圖中：圖中：左邊量化方法：只舍不入法左邊量化方法：只舍不入法量化單位：量化單位：=1/8V，最大量化誤差：最大量化誤差：1/8V。右邊量化方法：有舍有入法

36、右邊量化方法：有舍有入法量化單位：量化單位：2/15V最大量化誤差：最大量化誤差：1/2=1/15V。結(jié)論結(jié)論：采用有舍有入的方法比只舍不入法：采用有舍有入的方法比只舍不入法量化誤差要小。量化誤差要小。二、二、A/D轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換器電路A/D轉(zhuǎn)換器可分為直接轉(zhuǎn)換器可分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器和間接轉(zhuǎn)換器。所謂直接轉(zhuǎn)換器就是把輸入的模擬電壓直換器。所謂直接轉(zhuǎn)換器就是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)中間變量。接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量而不需要經(jīng)過(guò)中間變量。常用的電路有并聯(lián)比較型和反饋比較型兩常用的電路有并聯(lián)比較型和反饋比較型兩種。種。直接直接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 1.1 并聯(lián)比較

37、型并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器圖圖9-16為并聯(lián)比較型為并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)圖。它由電壓比較器、寄存器、代碼轉(zhuǎn)換器三部圖。它由電壓比較器、寄存器、代碼轉(zhuǎn)換器三部分組成。此圖沒(méi)有考慮取樣分組成。此圖沒(méi)有考慮取樣保持電路，并假保持電路，并假設(shè)取樣設(shè)取樣保持已完成。保持已完成。 圖圖9-16 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 電路結(jié)構(gòu)圖電路結(jié)構(gòu)圖（1）電壓比較器：）電壓比較器：它由電阻分壓器和電壓比較器組成。電阻它由電阻分壓器和電壓比較器組成。電阻分壓器由分壓器由8個(gè)電阻構(gòu)成，產(chǎn)生不同數(shù)值的參考電個(gè)電阻構(gòu)成，產(chǎn)生不同數(shù)值的參考電壓，作為量化刻度，分別送到各個(gè)比較器與取

38、壓，作為量化刻度，分別送到各個(gè)比較器與取樣樣保持的輸入模擬電壓保持的輸入模擬電壓vi進(jìn)行比較。進(jìn)行比較。當(dāng)當(dāng)vi高于量化刻度時(shí)，比較器輸出為高電高于量化刻度時(shí)，比較器輸出為高電平；反之比較器輸出為低電平。平；反之比較器輸出為低電平。（2）積存器）積存器它由它由7個(gè)個(gè)D觸發(fā)器組成，它在時(shí)鐘脈沖觸發(fā)器組成，它在時(shí)鐘脈沖CP作作用下，將比較的結(jié)果暫時(shí)寄存在寄存器中，供編用下，將比較的結(jié)果暫時(shí)寄存在寄存器中，供編碼用。碼用。（3）編碼網(wǎng)絡(luò)（代碼轉(zhuǎn)換器）編碼網(wǎng)絡(luò)（代碼轉(zhuǎn)換器）它的作用是將寄存器輸出信號(hào)編譯成相應(yīng)它的作用是將寄存器輸出信號(hào)編譯成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼。編碼網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)表達(dá)式為：的二進(jìn)制代碼。編碼網(wǎng)

39、絡(luò)的函數(shù)表達(dá)式為：12345670246142QQQQQQQdQQQdQd小結(jié)：小結(jié)：優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度最快：轉(zhuǎn)換速度最快缺點(diǎn)缺點(diǎn)：所需硬件數(shù)目很多。如果需要的二：所需硬件數(shù)目很多。如果需要的二進(jìn)制代碼增加一倍，分壓電阻、電壓比較器、寄進(jìn)制代碼增加一倍，分壓電阻、電壓比較器、寄存器的硬件數(shù)目近似增加一倍。如輸出存器的硬件數(shù)目近似增加一倍。如輸出n位二進(jìn)位二進(jìn)制代碼，需制代碼，需2n個(gè)電阻，個(gè)電阻，( 2n -1)個(gè)電壓比較器和個(gè)電壓比較器和D觸發(fā)器以及復(fù)雜的編碼網(wǎng)絡(luò)。觸發(fā)器以及復(fù)雜的編碼網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用場(chǎng)合：適用于高速度、高精度要求的：適用于高速度、高精度要求的場(chǎng)合。場(chǎng)合。1.2 反饋型反饋

40、型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器構(gòu)思：取一個(gè)數(shù)字量加到構(gòu)思：取一個(gè)數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換器上，于于是得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出的模擬電壓。將這個(gè)模擬是得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出的模擬電壓。將這個(gè)模擬電壓與輸入的模擬電壓信號(hào)相比較。如果兩者不電壓與輸入的模擬電壓信號(hào)相比較。如果兩者不相等，則調(diào)整所取的數(shù)字量直到兩個(gè)模擬電壓相相等，則調(diào)整所取的數(shù)字量直到兩個(gè)模擬電壓相等為止，最后所取的數(shù)字量就是所求的轉(zhuǎn)換結(jié)等為止，最后所取的數(shù)字量就是所求的轉(zhuǎn)換結(jié)果。果。固所取的數(shù)字量的方法不同，反饋比較型固所取的數(shù)字量的方法不同，反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器又可分為計(jì)數(shù)型和逐次漸進(jìn)型兩種方轉(zhuǎn)換器又可分為計(jì)數(shù)型和逐次漸進(jìn)型兩種方案。案。A.

41、 計(jì)數(shù)型計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器圖圖9-17是計(jì)數(shù)型是計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖。轉(zhuǎn)換器的原理框圖。它它由比較器由比較器C、DAC、計(jì)數(shù)器、脈沖源、輸出寄存、計(jì)數(shù)器、脈沖源、輸出寄存器、控制門(mén)器、控制門(mén)G幾部分組成。幾部分組成。轉(zhuǎn)換前先用復(fù)位信號(hào)將計(jì)數(shù)器置轉(zhuǎn)換前先用復(fù)位信號(hào)將計(jì)數(shù)器置0，而且轉(zhuǎn)，而且轉(zhuǎn)換控制信號(hào)應(yīng)停留在換控制信號(hào)應(yīng)停留在VL=0的狀態(tài)。這時(shí)門(mén)的狀態(tài)。這時(shí)門(mén)G被封被封鎖，計(jì)數(shù)器不工作。計(jì)數(shù)加給鎖，計(jì)數(shù)器不工作。計(jì)數(shù)加給DAC的全的全0數(shù)字信數(shù)字信號(hào)，所以號(hào)，所以v0=0。如如VI0，則，則VIV0，VB=1。當(dāng)當(dāng)VL=1時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換。脈沖源的信號(hào)經(jīng)門(mén)時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換。脈沖源的信號(hào)經(jīng)門(mén)G

42、加到計(jì)數(shù)器的加到計(jì)數(shù)器的CP端作加法計(jì)數(shù)，隨著計(jì)數(shù)的進(jìn)端作加法計(jì)數(shù)，隨著計(jì)數(shù)的進(jìn)行，行，DAC輸出的模擬信號(hào)也不斷增加。當(dāng)輸出的模擬信號(hào)也不斷增加。當(dāng)V0=VI時(shí)，時(shí)，VB=0，將，將G封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這時(shí)封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這時(shí)計(jì)數(shù)器中所存的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。計(jì)數(shù)器中所存的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：電路非常簡(jiǎn)單。優(yōu)點(diǎn)：電路非常簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換時(shí)間太長(zhǎng)，最長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換時(shí)間太長(zhǎng)，最長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為（2n-1）cp的周期。的周期。(n為二進(jìn)制位數(shù)為二進(jìn)制位數(shù))圖圖9-17 計(jì)數(shù)型計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖轉(zhuǎn)換器的原理框圖為了提高速度，在上述基礎(chǔ)上出現(xiàn)了逐次為了

43、提高速度，在上述基礎(chǔ)上出現(xiàn)了逐次漸進(jìn)型漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器。不同在于輸入數(shù)字量的給出轉(zhuǎn)換器。不同在于輸入數(shù)字量的給出方式有所改變。方式有所改變。B. 逐次漸進(jìn)逐次漸進(jìn)ADC如圖如圖9-18所示。它有五部分組成所示。它有五部分組成(比較器、比較器、DAC、寄存器、控制邏輯及脈沖源、寄存器、控制邏輯及脈沖源)圖圖9-18 逐次漸進(jìn)型逐次漸進(jìn)型ADC原理框圖原理框圖轉(zhuǎn)換前先將寄存器清轉(zhuǎn)換前先將寄存器清0，所以加給，所以加給DAC的的數(shù)數(shù)字量也是全字量也是全0。轉(zhuǎn)換控制信號(hào)。轉(zhuǎn)換控制信號(hào)VL=1時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘脈沖首先將寄存器的最高位置成時(shí)鐘脈沖首先將寄存器的最高位置成1，是寄存，是寄存器的

44、輸出為器的輸出為100.00。這個(gè)數(shù)字量被。這個(gè)數(shù)字量被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓V0，并送到比較器與，并送到比較器與VI比較。比較。若若V0 VI ，說(shuō)明數(shù)字量取大了，應(yīng)去掉最，說(shuō)明數(shù)字量取大了，應(yīng)去掉最高位這個(gè)高位這個(gè)1 1。若若V0 VI ，說(shuō)明數(shù)字量取小了，應(yīng)保留，說(shuō)明數(shù)字量取小了，應(yīng)保留最高位這個(gè)最高位這個(gè)1 1。然后按同樣的方法將次高位置然后按同樣的方法將次高位置1，并比較，并比較V0與與VI的大小，然后決定該次高位的的大小，然后決定該次高位的1是否保留。是否保留。這樣逐位比較下去，直到這樣逐位比較下去，直到V0 = VI為止。這時(shí)，寄為止。這時(shí)，寄

45、存器里所存的數(shù)碼就是所求的輸出數(shù)字量。存器里所存的數(shù)碼就是所求的輸出數(shù)字量。完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間=CP的周期的周期(n+2)。(這里包括清這里包括清0的一次的一次)顯然，它比并行比較型顯然，它比并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器要慢，轉(zhuǎn)換器要慢，但但比計(jì)數(shù)型比計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器要快。轉(zhuǎn)換器要快。所以逐次漸進(jìn)型所以逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器是目前集成轉(zhuǎn)換器是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中用的最多的一種電路。轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中用的最多的一種電路。2. 間接間接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器目前出現(xiàn)的間接目前出現(xiàn)的間接A/D轉(zhuǎn)換器大都分為轉(zhuǎn)換器大都分為電電壓壓時(shí)間型時(shí)間型(VT變換型變換型)或或電壓電壓頻率變換型

46、頻率變換型(VF變換型變換型)兩類(lèi)。兩類(lèi)。變換思想變換思想：在：在VT變換型變換型A/D轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換器中，首先將輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比例首先將輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比例的時(shí)間寬度信號(hào)，然后在這個(gè)時(shí)間寬度內(nèi)對(duì)固定的時(shí)間寬度信號(hào)，然后在這個(gè)時(shí)間寬度內(nèi)對(duì)固定已知頻率的時(shí)鐘脈寬計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果就是正比于已知頻率的時(shí)鐘脈寬計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量。輸入模擬電壓的數(shù)字量。在在VF變換型變換型A/D轉(zhuǎn)換器中，首先將輸入轉(zhuǎn)換器中，首先將輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比例的頻率信的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比例的頻率信號(hào)，然后在一個(gè)已知的固定的時(shí)間間隔里對(duì)該頻號(hào)，然后

47、在一個(gè)已知的固定的時(shí)間間隔里對(duì)該頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，所得到的計(jì)數(shù)結(jié)果就是正比于輸入率進(jìn)行計(jì)數(shù)，所得到的計(jì)數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量。模擬電壓的數(shù)字量。2.1 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（VT型）型）在在VT型型A/D轉(zhuǎn)換器用得最多的是雙積分轉(zhuǎn)換器用得最多的是雙積分型型A/D轉(zhuǎn)換器。圖轉(zhuǎn)換器。圖9-19就是它的原理框圖。它包就是它的原理框圖。它包含積分器、比較器、控制邏輯、計(jì)數(shù)器及時(shí)鐘信含積分器、比較器、控制邏輯、計(jì)數(shù)器及時(shí)鐘信號(hào)源幾個(gè)部分。號(hào)源幾個(gè)部分。圖圖9-19 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖轉(zhuǎn)換器原理框圖轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，使計(jì)數(shù)器清轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，使計(jì)數(shù)器清0，積分器電容，積分

48、器電容C完全放電完全放電(即開(kāi)關(guān)即開(kāi)關(guān)S2合上，電容合上，電容C兩端電壓為兩端電壓為0)。下面對(duì)照?qǐng)D下面對(duì)照?qǐng)D9-19(a)、(b)來(lái)討論電路的轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)討論電路的轉(zhuǎn)換過(guò)程：程：（1）0tT0 ，t=0時(shí)，開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，斷開(kāi)，S1將輸將輸入信號(hào)入信號(hào)vi=vi1接到積分器上，電容器接到積分器上，電容器C被恒流充被恒流充電電(設(shè)設(shè)vi1在轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持恒定，從而充電電流在轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持恒定，從而充電電流I=vi1/R為一個(gè)不變的值為一個(gè)不變的值)，積分器的輸出電壓，積分器的輸出電壓v0便開(kāi)始以固定的斜率便開(kāi)始以固定的斜率vi1/RC下降。在積分器開(kāi)始下降。在積分器開(kāi)始積分的同時(shí)，過(guò)積分的同

49、時(shí)，過(guò)0比較器輸出比較器輸出vc=1，使控制門(mén)，使控制門(mén)G開(kāi)啟，計(jì)數(shù)脈沖開(kāi)啟，計(jì)數(shù)脈沖CP便送入計(jì)數(shù)器，開(kāi)始計(jì)數(shù)。便送入計(jì)數(shù)器，開(kāi)始計(jì)數(shù)。（2）T0tT1，T0時(shí)刻，剛好第時(shí)刻，剛好第M個(gè)個(gè)(2n個(gè)個(gè))CP脈沖到達(dá)，模脈沖到達(dá)，模M計(jì)數(shù)器完成了一個(gè)計(jì)數(shù)循環(huán)。最計(jì)數(shù)器完成了一個(gè)計(jì)數(shù)循環(huán)。最高位輸出高位輸出1個(gè)進(jìn)位脈沖個(gè)進(jìn)位脈沖(Qn=1)，而，而Qn-1Q0位輸位輸出全為出全為0。Qn=1使使S1轉(zhuǎn)換到與輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換到與輸入信號(hào)vi極性相極性相反的基準(zhǔn)電流反的基準(zhǔn)電流-VR上，因?yàn)樯?，因?yàn)?VR是一個(gè)恒定值，故是一個(gè)恒定值，故積分器又以固定斜率積分器又以固定斜率VR/RC上升，而計(jì)數(shù)器又從上升，

50、而計(jì)數(shù)器又從0開(kāi)始計(jì)數(shù)。開(kāi)始計(jì)數(shù)。在在0T0時(shí)間內(nèi)，輸入信號(hào)時(shí)間內(nèi)，輸入信號(hào)vi的平均值為：的平均值為：(1) . dt vT1v0T0i0iT0時(shí)刻積分器的輸出電壓時(shí)刻積分器的輸出電壓v0(T0)為為由于由于T0=2nTcp(Tcp為時(shí)鐘為時(shí)鐘cp的周期的周期)，是模，是模M計(jì)數(shù)器完成一次循環(huán)的時(shí)間，故將計(jì)數(shù)器完成一次循環(huán)的時(shí)間，故將(1)式代入式代入(2)式可得式可得.(2)dt vRC1-dtRCvV)T(v00T0iT0i0100(3) . T2RCVCPni01v可見(jiàn)，可見(jiàn)，vi越大，在越大，在T0周期的平均值周期的平均值 也也越大，也即越大，也即T0時(shí)的時(shí)的v0值也越大；故值也越大

51、；故V01正比于正比于輸入電壓的平均值輸入電壓的平均值 。（3）t=T1，T1時(shí)刻，積分器的輸出達(dá)到過(guò)零時(shí)刻，積分器的輸出達(dá)到過(guò)零(0+)狀態(tài)，過(guò)零比較器輸出狀態(tài)，過(guò)零比較器輸出vc=0，將控制門(mén)，將控制門(mén)G關(guān)閉，關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，由于計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，由于tT0后積分器以后積分器以VR/RC的斜率上升，其在的斜率上升，其在T1時(shí)的輸出時(shí)的輸出v0(T)=0即即iviv0)TT(RCVVdtRCVV)T(01R01TTR011010v可見(jiàn)，積分器的可見(jiàn)，積分器的C放電時(shí)間放電時(shí)間(T1-T0)與積分器與積分器在在T0時(shí)的輸出時(shí)的輸出V01成正比。若從成正比。若從T0到到T1所計(jì)到的所計(jì)到的脈

52、沖數(shù)為脈沖數(shù)為N，則，則(T1-T0)=NTcp。將將(3)式代入式代入(4)式，可得式，可得(4) . )TT(RCVV01R01(5) . 2V-N V2N nniRnivv由此可見(jiàn)，時(shí)間間隔由此可見(jiàn)，時(shí)間間隔(T1-T0)內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖的內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)N與輸入信號(hào)的平均值與輸入信號(hào)的平均值 成正比。成正比。若若 ，則，則（4）tT1，T1時(shí)刻，開(kāi)關(guān)時(shí)刻，開(kāi)關(guān)S2關(guān)閉，使關(guān)閉，使C完全放完全放電，并在下一次轉(zhuǎn)換前將計(jì)數(shù)器清電，并在下一次轉(zhuǎn)換前將計(jì)數(shù)器清0。有上述分析可知，在每一次轉(zhuǎn)換過(guò)程中都有上述分析可知，在每一次轉(zhuǎn)換過(guò)程中都進(jìn)行了兩次積分，而且積分斜率不同，故稱之為進(jìn)行了兩次積分，而且

53、積分斜率不同，故稱之為雙斜率積分雙斜率積分ADC。ivV2VnRNViv優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：精度較高，其精度主要決定于基準(zhǔn)精度較高，其精度主要決定于基準(zhǔn)電壓電壓-VR，而元件，而元件R、C等誤差及電路延遲時(shí)等誤差及電路延遲時(shí)間造成的誤差，均因經(jīng)過(guò)間造成的誤差，均因經(jīng)過(guò)2次積分而自動(dòng)對(duì)消次積分而自動(dòng)對(duì)消了。而且抗干擾能力很強(qiáng)，能有效地抑制對(duì)稱干了。而且抗干擾能力很強(qiáng)，能有效地抑制對(duì)稱干擾（積分周期內(nèi)平均值為擾（積分周期內(nèi)平均值為0的干擾）。的干擾）。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度低，每轉(zhuǎn)換一個(gè)轉(zhuǎn)換速度低，每轉(zhuǎn)換一個(gè)n位數(shù)，需位數(shù)，需要要2n個(gè)時(shí)鐘周期。個(gè)時(shí)鐘周期。應(yīng)用范圍：多應(yīng)用于精度要求高，且速度應(yīng)用范圍：多應(yīng)

54、用于精度要求高，且速度要求不高且被電壓可能混有干擾的系統(tǒng)中，如數(shù)要求不高且被電壓可能混有干擾的系統(tǒng)中，如數(shù)字頻率測(cè)量設(shè)備等。字頻率測(cè)量設(shè)備等。2.2 電壓電壓頻率轉(zhuǎn)換器頻率轉(zhuǎn)換器VF變換型變換型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖如轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。它由壓控振蕩器（下圖所示。它由壓控振蕩器（VC0）、寄存器、）、寄存器、計(jì)數(shù)器及時(shí)鐘信號(hào)控制閘門(mén)計(jì)數(shù)器及時(shí)鐘信號(hào)控制閘門(mén)G等組成。等組成。 壓控振蕩器壓控振蕩器(VCO)輸出的脈沖的頻率輸出的脈沖的頻率fout隨隨輸入模擬電壓輸入模擬電壓VI的變化而變化，而且在一定范圍的變化而變化，而且在一定范圍內(nèi)成線形關(guān)系。內(nèi)成線形關(guān)系。轉(zhuǎn)換過(guò)程受閘門(mén)信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程受閘門(mén)信號(hào)VG控制。當(dāng)控制。當(dāng)VG =1以以后，后，VCO的輸出脈沖通過(guò)閘門(mén)的輸出脈沖通過(guò)閘門(mén)G給計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。給計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。由于由于VG是固定寬度是固定寬度TG的矩形脈沖信號(hào)，所以在的矩形脈沖信號(hào)，所以在TG時(shí)間內(nèi)通過(guò)閘門(mén)的脈沖數(shù)與時(shí)間內(nèi)通過(guò)閘門(mén)的脈沖數(shù)與fout成正比，因此成正比，因此,也就與輸入模擬電壓也就與輸入模擬電壓vi成正比。因此，每個(gè)成正