數(shù)字電子技術(shù)第十章

1、Analog Digital Converter and Digital Analog Converter10.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10 模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器3、正確理解、正確理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。1、掌握倒、掌握倒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(DAC)、集成、集成D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計算。轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計算。2、掌握并行比較、逐次比較、雙積分、掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理及其特點。的工作原理及其特點。教學(xué)基本要求教學(xué)基本要求A/DA/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器

2、D/AD/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 模擬模擬 控制器控制器 工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象 模模 擬擬 傳感器傳感器 ADC和和DAC已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。轉(zhuǎn)換為模擬電量。計算機進行數(shù)字處計算機進行數(shù)字處理（如計算、濾理（如計算、濾波）、保存等波）、保存等用模擬量作為用模擬量作為控制信號控制信號數(shù)字控制數(shù)字控制 計算機計算機概述概述處理模擬信號的處理模擬信號的模擬電路。模擬電路。模擬電路與數(shù)字電路的模擬電路與數(shù)字電路的接口模數(shù)（數(shù)模）轉(zhuǎn)換電路。接口模數(shù)（數(shù)模）

3、轉(zhuǎn)換電路。Analog to digital converterEncoderMp3(wma)CD romMemory模擬電路模擬電路模數(shù)混合電路模數(shù)混合電路 數(shù)字電路數(shù)字電路10.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性及結(jié)構(gòu)框圖輸出特性及結(jié)構(gòu)框圖10.1.3 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10.1.6 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式10.1.4 權(quán)電流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.1.7 D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)10.1.8 D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用*10.1.5 權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.

4、1.2 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量 。n n位位數(shù)字量數(shù)字量DAC10.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器模擬量模擬量1. D/A1. D/A轉(zhuǎn)換器輸入轉(zhuǎn)換器輸入/ /輸出特性輸出特性A = K D O = K NB 10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性及其結(jié)構(gòu)框圖輸出特性及其結(jié)構(gòu)框圖數(shù)字量與轉(zhuǎn)換后的模擬量之間存在誤差數(shù)字量與轉(zhuǎn)換后的模擬量之間存在誤差 。1. D/A1. D/A轉(zhuǎn)換器輸入轉(zhuǎn)換器輸入/ /輸出特性輸出特性 7 6 5 4 3 2 1 000 001 010 011 100 101 110 111 0

5、D O/（LSB） VLSB D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器的的輸輸出出 理理想想模模擬擬量量的的輸輸出出 2. 2. D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖 數(shù)數(shù)碼碼 寄寄存存器器 n n位位模模擬擬開開關(guān)關(guān) 解解碼碼 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) 求求和和 電電路路 基基準(zhǔn)準(zhǔn)電電壓壓 n n位位數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入 模模擬擬量量 輸輸出出 DAC的數(shù)字數(shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入的數(shù)字數(shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入用存放在數(shù)用存放在數(shù)字寄存器中的字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)字量的各位數(shù)碼數(shù)碼由輸入數(shù)字由輸入數(shù)字量控制量控制產(chǎn)生權(quán)電流產(chǎn)生權(quán)電流將權(quán)電流相將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬成正比的模擬電壓電壓 數(shù)字

6、量是用代碼按數(shù)位組合而成的，數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的， 對于有權(quán)碼，每位代對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，相應(yīng)的模擬量， 然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，量成正比的模擬量， 從而實現(xiàn)數(shù)字量從而實現(xiàn)數(shù)字量-模擬量的轉(zhuǎn)換。模擬量的轉(zhuǎn)換。1. 1. 實現(xiàn)實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想轉(zhuǎn)換的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120將二進制數(shù)將二進制數(shù)ND(11001)B轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。轉(zhuǎn)換為十

7、進制數(shù)。10.1.2 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 i Rf=R vO S0 VREF + S1 S2 S3 + 基基準(zhǔn)準(zhǔn)電電壓壓 電電子子開開關(guān)關(guān) R R /2 R /4 R /8 求求和和電電路路 (LSB) D2 D3 (MSBD0 D1 鎖鎖存存器器 數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入 電電阻阻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) i0 i1 I2 i2 i3 A 模模擬擬量量輸輸出出 2.2. 實現(xiàn)實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路轉(zhuǎn)換的原理電路)(0123fOiiiiR vRDVi33REF8 RDVi224REF R RD D2V2V1REF 1iRDVi0REF0 iiiDVDDDDV2)2222(3000112233

8、O REFREFv，, 3.3. D/A轉(zhuǎn)換器的分類轉(zhuǎn)換器的分類:按解碼網(wǎng)絡(luò)按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)分類 T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流權(quán)電流DAC 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 按模擬電子開按模擬電子開關(guān)電路分類關(guān)電路分類 CMOS開關(guān)型開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型雙極型開關(guān)型DAC 電流開關(guān)型電流開關(guān)型DAC ECL電流開關(guān)型電流開關(guān)型DAC D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器10.1.3 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 vO Rf +VREF 2R D0 D1 D2 D3 S0 S1 S2 S3 i 2R 2R 2R (LSB) (MSB) 8I 16I 4I

9、 2I I 2R + R R R I/16 I/8 I/4 I/2 Di=0, Si則將電阻則將電阻2R接地接地Di=1, Si接運算放大器反相端，電流接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路流入求和電路 電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān)求和運算放大器求和運算放大器輸輸出出模模擬擬電電壓壓輸入輸入4位二進制數(shù)位二進制數(shù)根據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)根據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)Si處于處于何種位置，與何種位置，與Si相連的相連的2R電阻將接電阻將接“地地” 或虛地或虛地。 1、4位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓 電阻網(wǎng)絡(luò)電

10、阻網(wǎng)絡(luò) 模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān) 求和運算放大器求和運算放大器D/A轉(zhuǎn)換器的倒轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電源基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：提供的總電流為：I =？流過各開關(guān)支路的電流：流過各開關(guān)支路的電流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？ 2R 2R 2R 2R 2R R R R VREF I A B C D A B C D RVIREF I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個流入每個2R電阻的電流從高位到低位按電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。的整數(shù)倍遞減。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1=

11、VREF / 8R I0= VREF /16 R流入運放的總電流：流入運放的總電流： i I0 + I1 + I2 + I3)2222(13223140REFDDDDRV輸出模擬電壓：輸出模擬電壓： 1n0iifnREFO)2(2iDRRV30ii4REFffO)2(2iDVRRRi (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R 8I 16I 4I 2I R R R I +VREF + 8I 16I 4I 2I 4 4 位倒位倒T T形電阻形電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓：的輸出模擬電壓： Ofi R 3ifREFi40(

12、2 )2iRVDR n 位倒位倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有：有： n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR REFfn,2VRKR令：令：n 1iBi0(2 )iND則則 O = K NB 在電路中輸入的每一個在電路中輸入的每一個二進制數(shù)二進制數(shù)NB，均能得到與之成正比的，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。模擬電壓輸出。 AD7533D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VREF AD7533 RF 10K 10K 20K 使用使用:1):1)要外接運放，要外接運放，

13、 2)2)運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻 ， 也可采用外接電阻也可采用外接電阻）2.2.集成集成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10位位CMOS電流開關(guān)型電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9iREFfOi100(2 )2iVRDR 關(guān)于關(guān)于D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器精度精度的討論的討論(1)基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；(2) 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和和2R電阻比值的精度要高；電阻比值的精度要高；(3)為實現(xiàn)電流從高位到低位按為實現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開關(guān)的整數(shù)倍遞減，模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。的整數(shù)倍遞增。為進一步提高為

14、進一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR 為提高為提高D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求：精度，對電路參數(shù)的要求： (3) 每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等Di =1時，開關(guān)時，開關(guān)S Si i接運放的反相端接運放的反相端; ; Di= 0時，開關(guān)時，開關(guān)S Si i接地接地。 10.1.4 權(quán)電流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 1.

15、4位權(quán)電流位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。降的影響，這樣降低了對開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。)16842(0123ffODIDIDIDIRRi)2222(200112233f4DDDDRI30if422iiDRI (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 2.2.實際的權(quán)電流實際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換器電路REF32O32401110(222)

16、22ffR Vi RDDRDD電壓恒定電壓恒定各各BJT的的 發(fā)射發(fā)射結(jié)電壓相等結(jié)電壓相等基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路 (MSB) D1 D0 (LSB) i Rf O D3 D2 S3 S2 S1 S0 8I 16I 4I 2I VREF + A1 R1 + A2 IBB IEC IEO IE1 IE2 IE3 IREF Tr T3 T2 T1 T0 TC R 2R 2R 2R 2R 2R R R R VEE I = IREF =1RREFV 偏偏 置置 電電 流流 16I + + +- -10.1.6 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式 256255REFV 256129REFV

17、256128REFV 256127REFV 2561REFV 2560REFV8位位D/A轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時的輸入轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時的輸入/輸出關(guān)系輸出關(guān)系000000001000000011111110000000011000000111111111模擬量模擬量 數(shù)字量數(shù)字量MSB LSBDAC的雙極性輸出的雙極性輸出 在實際應(yīng)用中，在實際應(yīng)用中，DACDAC輸入的數(shù)字量有正有負輸入的數(shù)字量有正有負, ,這就這就要求要求DACDAC能將不同極性的數(shù)字量對應(yīng)轉(zhuǎn)換為正、負能將不同極性的數(shù)字量對應(yīng)轉(zhuǎn)換為正、負極性的模擬電壓，工作于雙極性方式。極性的模擬電壓，工作于雙極性方式。十進十進制數(shù)制數(shù)2

18、 2的補碼的補碼偏移二進制碼偏移二進制碼模擬量模擬量D7 D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0vo/VLSB 127 127 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1127127 126 126 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0126126 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 11 1 0 0 0

19、0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 00 0 -1 -1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1-1 -1-127-127 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1-127-127-128-128 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0-128-128輸

20、入輸入數(shù)字量數(shù)字量輸出輸出模擬量模擬量加加2 2n-1=n-1=80H80H舍棄進位舍棄進位偏移偏移2 2n-1=n-1=80H80H所對應(yīng)的模擬量所對應(yīng)的模擬量十進十進制數(shù)制數(shù)2 2的補碼的補碼偏移二進制碼偏移二進制碼模擬量模擬量D7 D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0vo/VLSB 127 127 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1127127 126 126 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1

21、 1 1 0126126 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 11 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 00 0 -1 -1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1-1 -1-127-127 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

22、1-127-127-128-128 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0-128-128輸入輸入數(shù)字量數(shù)字量輸出輸出模擬量模擬量有符號有符號無符號無符號 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 2R1 O VREF 1 R=Rf R1 R1 + + A1 A2 NB 8 位位倒倒 T 形形電電阻阻 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器 i 1 轉(zhuǎn)換為偏移轉(zhuǎn)換為偏移二進制碼二進制碼輸入輸入N NB B+2+2n-1n-1模擬輸模擬輸出偏移出偏移雙極性輸出雙極性輸出D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D0 D1 D2 D3

23、 D4 D5 D6 D7 2R1 O VREF 1 R=Rf R1 R1 + + A1 A2 NB 8 位位倒倒 T 形形電電阻阻 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器 i 1 輸入輸入N NB B+2+2n-1n-1模擬輸模擬輸出偏移出偏移雙極性輸出雙極性輸出D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 O1REF7REFBREF8BREF812(2 )222VVNVNV O1REF1112VRRR 10.1.7 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：其定義為分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。級數(shù)。n位位DAC最多有最多有2n個模擬輸出電壓。位數(shù)越多

24、個模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。器的分辨率越高。 分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。給出。n位位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為121n1、分辨率、分辨率1010110.001211023DAC 位位2、轉(zhuǎn)換精度：、轉(zhuǎn)換精度：o 轉(zhuǎn)換精度是指對給定的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換精度是指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實際值與轉(zhuǎn)換器實際值與理論值之間的最大偏差。理論值之間的最大偏差。o 產(chǎn)生原因：由于產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運算放

25、大器的零漂等各差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。種因素的影響。o 幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等性誤差等10.1.8 集成集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用(1) 數(shù)字式可編程增益控制電路數(shù)字式可編程增益控制電路 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R I 2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF D2 D7 OD0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOU

26、T2 VREF O - + R IOUT2I IOUT1 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)RDDDvRv10991100OI2/ )2.22(/OVIA)2.22/(299110010DDDIout1out1 I0 0 + I1 1 + I2 2 + I9 9RDDDV10991100REF2/ )2.22(OUT1I/IRv根據(jù)虛斷有根據(jù)虛斷有:REFOV(2) 脈沖波產(chǎn)生電路脈沖波產(chǎn)生電路 0000 t CP 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000 74163具同步清零功能具同步清零功能74163和與非門構(gòu)成十進制計數(shù)器：和與非門構(gòu)成十

27、進制計數(shù)器：00001001 vO Q0 Q1 Q2 Q3 CP D0 D1 D2 D3 10V CR CEP CET PE 1 74LVC163 + A Rf IOUT1 IOUT2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 VREF AD7533 90 vO /mV D 10 20 30 40 50 60 70 80 10.2.6 集成集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用10.2 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程轉(zhuǎn)換的一般工作過程10.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.2.4

28、 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)概述概述ADCDnD0輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量I 輸入模擬電壓輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量。能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量。1. A/D轉(zhuǎn)換器功能轉(zhuǎn)換器功能10.2 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2. A/D轉(zhuǎn)換器分類轉(zhuǎn)換器分類 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型 特點特點: 轉(zhuǎn)換速度快轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 10ns 1 s, 但電路復(fù)雜。但電路復(fù)雜。 逐次逼近型逐次逼近型 特點特點: 轉(zhuǎn)換速度適中轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 為幾為幾 s 100 s, 轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換

29、速度和硬件復(fù)雜度之間達到一個很好的平衡轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達到一個很好的平衡。 雙積分型雙積分型 特點特點: 轉(zhuǎn)換速度慢轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 幾百幾百 s 幾幾ms,但抗干擾能力最強。但抗干擾能力最強。取取樣樣時間上離散的信號時間上離散的信號保持、量化保持、量化量值上也離散的信號量值上也離散的信號編碼編碼模擬信號模擬信號時間上和量值上都連續(xù)時間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號數(shù)字信號時間上和量值上都離散時間上和量值上都離散10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程轉(zhuǎn)換的一般工作過程 A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣，取樣， 保持，量化及編碼保持，量化及編碼4個過程個過程。A/D轉(zhuǎn)換器

30、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輸入模擬電壓ui(t)us(t)模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān)S在采樣脈沖在采樣脈沖CPS的控制下重復(fù)接通、斷開的的控制下重復(fù)接通、斷開的過程。過程。S接通時，接通時，ui(t)對對C充電，為采樣過程；充電，為采樣過程；S斷開時，斷開時，C上上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進制數(shù)輸出位的二進制數(shù)輸出。1. 取樣與保持取樣與保持 采樣是

31、將隨時間連續(xù)變化的模擬采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量。 采樣信號采樣信號S(t)的頻率愈高，所采的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實地復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻地復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定率由采樣定理確定。 采樣定理：設(shè)采樣信號采樣定理：設(shè)采樣信號S(t)的頻的頻率為率為fs，輸入模擬信號，輸入模擬信號 I(t)的最的最高頻率分量的頻率為高頻率分量的頻率為fimax，則則 fs 2fimaxS(t)=1:開關(guān)閉合開關(guān)閉合S(t)=0:開關(guān)斷開開關(guān)斷開 O(t) I(t) TG S(t) 0 0

32、 0 O (t) S(t) I (t) t t t TS I t O t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 (b) 波形圖 采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的?；幋a過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。擬信號保持一段時間。采樣采樣保持保持取樣與保持取樣與保持電路及工作原理電路及工作原理 I A1 A2 S CH 開開關(guān)關(guān)驅(qū)驅(qū) 動動電電路路 采采樣樣保保持持 控控制制電電路路 O 2. 量化與編碼量化與編碼 數(shù)字信號在數(shù)

33、值上是離散的。采樣數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣保持電路的輸出電壓保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。 量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。 量化量化編碼編碼 在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被 整除，所以量化整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤

34、差我們稱之為量化誤差，用前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用 表示。表示。 量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越數(shù)越 多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。 兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。化方式。 3.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差4.量化方式量化方式LSB1max V8701V86V85V84V83V82V8111111010110001101000

35、10000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v輸入信號輸入信號編碼編碼量化后量化后電壓電壓a ) 只舍不入量化方式只舍不入量化方式:量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最大量化誤差為：最小量化單位最小量化單位1/8V=1LSB= 1/8 V例：將例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為電壓轉(zhuǎn)換為3位二進制代碼位二進制代碼b )四舍五入量化方式四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄

36、，量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最大量化誤差為：最小量化單位：最小量化單位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v輸入信號輸入信號編碼編碼模擬模擬電平電平V1513V1511V159V157V155V153V1512LSBmax =1LSB= 2/15 V2LSBmax 1/15V例：將例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為電壓轉(zhuǎn)換為3位二進制代碼位二

37、進制代碼10.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 R I VREF VREF 13 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 15 VREF 1 15 R R R/2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 1D C1 Q I1 1D C1 Q I2 1D C1 Q I3 1D C1 Q I4 1D C1 Q I5 1D C1 Q I6 1D C1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)先編碼器優(yōu)先編碼器 (LSB(MSB)0 電壓比較器電壓比較器輸入模擬輸入模擬電壓電壓精密電阻精密

38、電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)精密參考精密參考電壓電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)輸出數(shù)字量字量1、電路組成、電路組成 R I VR E F R C P R R R R R R /2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C0 1 C0 2 C0 3 C0 4 C0 5 C0 6 C0 7 1 D C 1 Q I1 1 D C 1 Q I2 1 D C 1 Q I3 1D C 1 Q I4 1D C 1 Q I5 1D C 1 Q I6 1D C 1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)優(yōu)先先編

39、編碼碼器器 (L S B )D0 (M S B)0 VI=8VREF/151111000001 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF

40、/15 vI 15VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D D觸發(fā)器存觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。 2、電路特點：、電路特點：在并行在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓 I同時加到所有

41、比較器的輸同時加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數(shù)字量是與入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數(shù)字量是與 I輸輸入時刻同時獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時間最短。入時刻同時獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時間最短。 缺點是電路復(fù)雜，如三位缺點是電路復(fù)雜，如三位ADC需需7個比較器、個比較器、7個觸發(fā)器、個觸發(fā)器、8個電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。個電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并行轉(zhuǎn)換的方法。行轉(zhuǎn)換的方法。 單片集成并行比較型單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公

42、司的公司的AD9012 (TTL工藝工藝8位位)、AD9002 (ECL工藝，工藝，8位位)、AD9020 (TTL工藝，工藝，10位位)等。等。 所加砝碼所加砝碼重量重量 結(jié)果結(jié)果 10.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似 。第一次第一次8 克克砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，8克砝碼保留克砝碼保留8 克克第二次第二次再加再加4克克砝碼總重仍砝碼總重仍 待測重量待測重量Wx ， 2克砝碼撤除克砝碼撤除12 克克第四次第四次再加再加1克克砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ， 1克砝碼保留克砝

43、碼保留13 克克1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 所用砝碼重量：所用砝碼重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克?？?。設(shè)待秤重量設(shè)待秤重量Wx = 13克?？?。 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 I 啟動脈沖啟動脈沖 CP 時鐘時鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數(shù)字數(shù)字 量輸出量輸出 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1 0 0 0 1 0 0 0 5V I 5V 1 A=6.84VVREF=10V第一個第一個CP： 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 第二個第二個CP： I 啟動脈沖啟動脈沖 CP 時鐘時鐘 電壓

44、電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數(shù)字數(shù)字 量輸出量輸出 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 1 0 0 1 1 0 0 7.5V10 I 7.5V I=6.84VVREF=10V 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 第三個第三個CP： I 啟動脈沖啟動脈沖 CP 時鐘時鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數(shù)字數(shù)字 量輸出量輸出 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 0 1 0

45、1 0 1 0 6.25V I 6.25V 101 A=6.84VVREF=10V 7.50000 6.2500 6.8750 6.5625 6.71875 6.796875 6.835937 0.00 5.0000 10 s CP 啟啟 動動 脈脈 沖沖 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 O V 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換 時時 間間 = 80 s t / s 10000000 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 111000000101000001011000010101000101011001010111010

46、101111小結(jié)：小結(jié)：1、 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；多轉(zhuǎn)換精度越高；2、逐次比較型、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時間與其位數(shù)時間與其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短少，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短； 10.2.4 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1、雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想 對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間

47、間隔，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱轉(zhuǎn)換器也稱為電壓時間數(shù)字式積分器為電壓時間數(shù)字式積分器 。 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 數(shù)字量輸數(shù)字量輸C A B G G n 級計數(shù)器級計數(shù)器 定定時時信信號號 (MSB) (LSB)

48、 Tc 1、電路組成、電路組成 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 數(shù)字量輸數(shù)字量輸C A B G G n 級計數(shù)器級計數(shù)器 定定時時信信號號 (MSB) (LSB) Tc 0 00 00 00 00 0Cr信號將計數(shù)器清零；開關(guān)信號將計數(shù)器清零；開關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，閉合，待積分電容放電完畢后，斷開斷開S2 使電容的初始電壓為使電容的初始電壓為0。2、工作原理、工作原理(1) (1) 準(zhǔn)備

49、階段：準(zhǔn)備階段： tdt0IO1 經(jīng)過經(jīng)過2n個個CP11TVI (2) 第一次積分：第一次積分：t = t0時，開關(guān)時，開關(guān)S1與與A端相接，積分器開始對端相接，積分器開始對 I積分。積分。經(jīng)經(jīng)2n個個CP后后,開關(guān)切換到開關(guān)切換到B， ，=VP。第一積分時間為第一積分時間為2nTC + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-D1 D0 C A B G G n 級級計計數(shù)數(shù)器器 定定時時信信號號 VREF加到積分器的輸入端，

50、積分器反方向進行第二次積分；當(dāng)加到積分器的輸入端，積分器反方向進行第二次積分；當(dāng)t=t2時積分器輸出電壓時積分器輸出電壓 O0，比較器輸出，比較器輸出 C=0，時鐘脈沖控制，時鐘脈沖控制門門G被關(guān)閉，計數(shù)停止。被關(guān)閉，計數(shù)停止。(3) (3) 第二次積分：第二次積分： + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-D1 D0 C A B G G n 級級計計數(shù)數(shù)器器 定定時時信信號號 S1 Qn 0 0 O 0 C 0 C 0 T1 T2 t1 t