數(shù)模及模數(shù)轉換電路

1、第第9章章 數(shù)數(shù)/模與模模與模/數(shù)轉換電路數(shù)轉換電路學習要點：學習要點：掌握常用D/A轉換器、A/D轉換器的工作原理 熟悉D/A轉換器、A/D轉換器的主要性能指標了解ADC、DAC在測控系統(tǒng)中的應用第9章 數(shù)/模與模/數(shù)轉換電路9.1 D/A轉換器轉換器目前常用的目前常用的D/A轉換器中有轉換器中有R2R T型電阻型電阻D/A轉換器、權電阻轉換器、權電阻D/A轉換器、全電流轉換器、全電流D/A轉換器、權電容轉換器、權電容D/A轉換器以及開關樹型轉換器以及開關樹型D/A轉換器等幾種類型。轉換器等幾種類型。 以以R2R T型電阻型電阻D/A轉換器為例，說明其轉換轉換器為例，說明其轉換原理。原理。T

2、型電阻網(wǎng)絡的基本結構如圖型電阻網(wǎng)絡的基本結構如圖9-1: 圖圖9-1為一個四級的為一個四級的T型網(wǎng)絡。電阻值為型網(wǎng)絡。電阻值為R和和2R的電阻構的電阻構成成T型。型。 由圖由圖9-1中節(jié)點中節(jié)點AA向右看的等效電阻值為向右看的等效電阻值為R，而由，而由BB，CC，DD各點向右看的等效電阻值也都是各點向右看的等效電阻值也都是R，因此，因此:RR3R23R122013122112221122211222ViRViiRViiRViiRViiR依此類推可推到依此類推可推到n級。級。圖圖9-2 T型網(wǎng)絡型網(wǎng)絡D/A轉換器轉換器圖中圖中 表示四位二進制輸入信表示四位二進制輸入信號，號， 為高位，為高位，

3、為低位。為低位。 是四個電子模擬開關的示意圖，模是四個電子模擬開關的示意圖，模擬開關擬開關 分別受的信號控制：分別受的信號控制：當二進制代碼為當二進制代碼為0時，電子開關合時，電子開關合到上方接地的一側；當二進制代碼到上方接地的一側；當二進制代碼為為1時，電子開關合到下方運算放時，電子開關合到下方運算放大器輸入的一側，該支路的電流成大器輸入的一側，該支路的電流成為運放輸入電流為運放輸入電流 的一部分，通的一部分，通過運算放大器進而將電流信號轉化過運算放大器進而將電流信號轉化為電壓信號。由圖可知，因為求和為電壓信號。由圖可知，因為求和放大器反相輸入端的電位始終接近放大器反相輸入端的電位始終接近于

4、零，所以無論開關于零，所以無論開關 在何位置，都相當于接地，流過每在何位置，都相當于接地，流過每個支路的電流也始終不變。個支路的電流也始終不變。 03DD3D0D03SS03SSKi0S3S可以求出運算放大器的輸入電流 為 KiK33221100RRRR3210233210R32104111 22 22222 (2222 )2ii Di Di Di DVVVVDDDDRRRRVDDDDR 圖圖9-2中運放接成反相放大器的形式，又根據(jù)理想運中運放接成反相放大器的形式，又根據(jù)理想運放的放的“虛斷虛斷”的特性，其輸出電壓的特性，其輸出電壓Uo為：為： 0K F32100R F3214 (2222 )

5、2ui RV RDDDDR T型網(wǎng)絡的輸出也可以接至運算放大器的同相和反相兩個型網(wǎng)絡的輸出也可以接至運算放大器的同相和反相兩個輸入端，如圖輸入端，如圖9-3所示。這種結構也稱作所示。這種結構也稱作倒倒T型電阻網(wǎng)絡型電阻網(wǎng)絡D/A轉轉換器換器。圖圖:9-3 T型（或倒型（或倒T型）電阻網(wǎng)絡的型）電阻網(wǎng)絡的特點特點:電阻網(wǎng)絡中只有電阻網(wǎng)絡中只有R、2R兩種阻值的電阻，給集成電路的設計和制作帶來了很大的方便，兩種阻值的電阻，給集成電路的設計和制作帶來了很大的方便，無論模擬開關狀態(tài)如何變化，各支路電流都直接流入地或者運無論模擬開關狀態(tài)如何變化，各支路電流都直接流入地或者運放的虛地，電流值始終不變，因此

6、不需要電流的建立時間；同放的虛地，電流值始終不變，因此不需要電流的建立時間；同時，各支路電流直接接至運放的輸入，它們之間不存在傳輸時時，各支路電流直接接至運放的輸入，它們之間不存在傳輸時間差。所有這些特點都有助于間差。所有這些特點都有助于T型電阻網(wǎng)絡提高轉換速度，型電阻網(wǎng)絡提高轉換速度，T型電阻網(wǎng)絡是目前型電阻網(wǎng)絡是目前D/A轉換中使用較多的一種。轉換中使用較多的一種。9.1.2 具有雙極性輸出的具有雙極性輸出的D/A轉換器轉換器 因為在二進制算術運算中通常都把帶符號的數(shù)值表示為補因為在二進制算術運算中通常都把帶符號的數(shù)值表示為補碼的形式，所以要求碼的形式，所以要求D/A轉換器能夠把以補碼形式

7、輸出的正、轉換器能夠把以補碼形式輸出的正、負數(shù)分別轉換成正、負極性的模擬電壓。負數(shù)分別轉換成正、負極性的模擬電壓。 現(xiàn)以輸入為現(xiàn)以輸入為3位二進制補碼的情況為例，說明轉換的原理。位二進制補碼的情況為例，說明轉換的原理。3位二進制位二進制補碼可以表示從補碼可以表示從+3到之間的任何整數(shù)，它們與十進制數(shù)的對應關系以及要到之間的任何整數(shù)，它們與十進制數(shù)的對應關系以及要求得到的輸出電壓如表求得到的輸出電壓如表9-1所示。所示。補碼輸入補碼輸入對應的十進制數(shù)要求的輸出電壓（要求的輸出電壓（V）d2d1d0011+3+3010+2+2001+1+100000111 1 1110 2 2101 3 3100

8、 4 4表表9-1 輸入為輸入為3位二進制補碼時要求位二進制補碼時要求D/A轉換器的輸出轉換器的輸出 圖圖9-4 具有雙極性輸出電壓的具有雙極性輸出電壓的D/A轉換器轉換器 表表9-2 具有偏移的具有偏移的D/A轉換器的輸出轉換器的輸出原碼輸入原碼輸入無偏移時無偏移時的輸?shù)妮敵觯ǔ觯╒）偏移偏移-4V后后的輸出的輸出（V）d2 d1 d01 1 1+7+31 1 0+6+21 0 1+5+11 0 0+400 1 1+3 10 1 0+2 20 0 1+1 30 0 00 4 在圖在圖9-4的的D/A轉換電路中，如果沒有接入反相器轉換電路中，如果沒有接入反相器G和和偏移電阻偏移電阻 ，它就是一

9、個普通的，它就是一個普通的3位倒位倒T型電阻網(wǎng)絡型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器。在這種情況下，如果把輸入的轉換器。在這種情況下，如果把輸入的3位代碼看作無符位代碼看作無符號的號的3位二進制數(shù)（即全都是正數(shù)），并且取位二進制數(shù)（即全都是正數(shù)），并且取 ，則輸入代碼為則輸入代碼為111時輸出電壓時輸出電壓 ，而輸入為，而輸入為000時輸時輸出電壓出電壓 ，如表，如表9-2所示。將表所示。將表9-1與表與表9-2對照一下對照一下便可以發(fā)現(xiàn)，如果把表便可以發(fā)現(xiàn)，如果把表9-2中間一列的輸出電壓偏移中間一列的輸出電壓偏移-4V，則偏移后的輸出電壓恰好同表則偏移后的輸出電壓恰好同表9-1所要求的輸出電壓相符。所要

10、求的輸出電壓相符。BRREF8VV o7Vu o0Vu 然而，然而，D/A轉換器電路輸出電壓都是單極性的，得不轉換器電路輸出電壓都是單極性的，得不到正、負極性的輸出電壓。為此，在圖到正、負極性的輸出電壓。為此，在圖9-4中的中的D/A轉換電轉換電路中增設了由和組成的偏移電路。為了使輸入代碼為路中增設了由和組成的偏移電路。為了使輸入代碼為100時時的輸出電壓等于零，只要使與此時的大小相等即可。故應的輸出電壓等于零，只要使與此時的大小相等即可。故應取取:BREFB22VVIRR 圖圖9-4中所標示的、和的方向都是電流的實際方向。中所標示的、和的方向都是電流的實際方向。假若再將表假若再將表9-1和表

11、和表9-2最左邊一列代碼對照一下還可以發(fā)現(xiàn)，最左邊一列代碼對照一下還可以發(fā)現(xiàn)，如果把表如果把表9-1中補碼的符號位求反，再加到偏移后的中補碼的符號位求反，再加到偏移后的D/A轉換轉換器上，就可以得到表器上，就可以得到表9-1所需要的輸入與輸出的關系。為此，所需要的輸入與輸出的關系。為此，在圖在圖9-1中是將符號位經(jīng)反相器中是將符號位經(jīng)反相器G反相后才加到反相后才加到D/A轉換電路轉換電路上去的。上去的。 通過上面的例子可總結出構成雙極性輸出通過上面的例子可總結出構成雙極性輸出D/A轉換器的轉換器的一般方法：一般方法： 只要在求和放大器的輸入端接入一個偏移電流，使輸入只要在求和放大器的輸入端接入

12、一個偏移電流，使輸入最高位為最高位為1而其他各位輸入為而其他各位輸入為0時的輸出時的輸出 ,同時將輸入同時將輸入的符號位反相后接到一般的的符號位反相后接到一般的D/A轉換器的輸入，就得到了雙轉換器的輸入，就得到了雙極性輸出的極性輸出的D/A轉換器。轉換器。o0u 9.1.3 D/A轉換器的主要性能指標轉換器的主要性能指標 目前目前DAC的種類是比較多的，制作工藝也不相同。按輸?shù)姆N類是比較多的，制作工藝也不相同。按輸入數(shù)據(jù)字長也分為入數(shù)據(jù)字長也分為8位、位、10位、位、12位及位及16位等；按輸出形式位等；按輸出形式可分為電壓型和電流型等；按結構可分為有數(shù)據(jù)鎖存器和無可分為電壓型和電流型等；按結

13、構可分為有數(shù)據(jù)鎖存器和無數(shù)據(jù)鎖存器數(shù)據(jù)鎖存器2類。不同類型的類。不同類型的DAC在性能上的差異較大，適在性能上的差異較大，適用的場合也不盡相同。用的場合也不盡相同。 因此，須清楚了解因此，須清楚了解D/A轉換器的一些技術參數(shù)。轉換器的一些技術參數(shù)。1D/A轉換器的轉換精度 在在D/A轉換器中通常用分辨率和轉換誤差來描述轉轉換器中通常用分辨率和轉換誤差來描述轉換精度。換精度。 （1）分辨率（）分辨率（Resolution）。 分辨率是指數(shù)字信號中最低位發(fā)生變化時對應輸出電壓變化分辨率是指數(shù)字信號中最低位發(fā)生變化時對應輸出電壓變化量量 與滿刻度輸出電壓與滿刻度輸出電壓 之比。分辨率是之比。分辨率是

14、D/A轉換器對輸入量變轉換器對輸入量變化敏感程度的描述，與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關。在分辨率為化敏感程度的描述，與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關。在分辨率為n的的D/A轉換器中，從輸出模擬電壓的大小應能區(qū)分出輸入代碼從轉換器中，從輸出模擬電壓的大小應能區(qū)分出輸入代碼從0000到到1111全部全部 個不同的狀態(tài)，給出個不同的狀態(tài)，給出 個不同等級的輸個不同等級的輸出電壓。分辨率可表示為出電壓。分辨率可表示為 umaxu2n2n分辨率分辨率 max121nuu 例如：例如：10位位D/A轉換器的分辨率轉換器的分辨率 ，從，從理論上講，二進制位數(shù)越多，分辨率越高，相應的轉換精理論上講，二進制位數(shù)越多，分辨率越高，

15、相應的轉換精度也越高。度也越高。10110.001102321 （2）轉換誤差（）轉換誤差（Conversion Offset Error）。）。由于由于D/A轉轉換器的各個環(huán)節(jié)的參數(shù)在性能上和理論值之間不可避免地存在著差異，所換器的各個環(huán)節(jié)的參數(shù)在性能上和理論值之間不可避免地存在著差異，所以實際能達到的轉換精度要由轉換誤差來決定。以實際能達到的轉換精度要由轉換誤差來決定。 轉換誤差是指轉換器的實際誤差，造成的原因包括參考電位轉換誤差是指轉換器的實際誤差，造成的原因包括參考電位 的波動、運算放大器的零點漂移、模擬開關的導通內(nèi)阻和導通壓降、電的波動、運算放大器的零點漂移、模擬開關的導通內(nèi)阻和導通

16、壓降、電阻網(wǎng)絡中電阻阻值的偏移以及三極管特性的不一致等。阻網(wǎng)絡中電阻阻值的偏移以及三極管特性的不一致等。 轉換誤差可以用輸出滿刻度電壓轉換誤差可以用輸出滿刻度電壓FSR（Full Scale Range）的百分數(shù)表示。）的百分數(shù)表示。 如轉換誤差為如轉換誤差為0.2FSR，就表示轉換誤差與滿刻度電壓之比為，就表示轉換誤差與滿刻度電壓之比為0.2。 轉換誤差也可以用最低有效位的倍數(shù)來表示。如給出為轉換誤差也可以用最低有效位的倍數(shù)來表示。如給出為 LSB，即表示，即表示輸出模擬電壓與理論值之間的絕對誤差不大于當輸入為輸出模擬電壓與理論值之間的絕對誤差不大于當輸入為0001時的輸出電壓時的輸出電壓的

17、的 。R E FV12122D/A轉換器的轉換速度（轉換器的轉換速度（Conversion Rate） 轉換速度是指從送入數(shù)字信號起，到輸出電流或電壓達到轉換速度是指從送入數(shù)字信號起，到輸出電流或電壓達到最終誤差最終誤差 并穩(wěn)定為止所需要的時間。通常用建立時間并穩(wěn)定為止所需要的時間。通常用建立時間 來定量描述來定量描述D/A轉換器的轉換速度。不同類型的轉換器的轉換速度。不同類型的D/A轉換器轉轉換器轉換速度差別較大，通常為幾十納秒到幾微秒，一般電流型換速度差別較大，通常為幾十納秒到幾微秒，一般電流型D/A轉換器較之電壓型轉換器較之電壓型D/A轉換器速度快一些，但總的來說，轉換器速度快一些，但總

18、的來說，D/A轉換速度遠高于轉換速度遠高于A/D轉換速度。轉換速度。 D/A轉換器的技術指標還包括線性度、輸入編碼形式、輸轉換器的技術指標還包括線性度、輸入編碼形式、輸入高、低邏輯電平值、溫度系數(shù)、輸出電壓范圍、功率消耗以入高、低邏輯電平值、溫度系數(shù)、輸出電壓范圍、功率消耗以及工作環(huán)境條件等。及工作環(huán)境條件等。0.5LSBsett9.1.4 集成集成D/A轉換器轉換器 集成集成D/A芯片通常只將芯片通常只將T型（倒型（倒T型）電阻網(wǎng)絡、模擬型）電阻網(wǎng)絡、模擬開關等集成在一塊芯片上，多數(shù)芯片中并不包含運算放大開關等集成在一塊芯片上，多數(shù)芯片中并不包含運算放大器。構成器。構成D/A轉換器時要外接運

19、算放大器，有時還要外接轉換器時要外接運算放大器，有時還要外接電阻。有的芯片中包含數(shù)據(jù)鎖存器（寄存器）及一些邏輯電阻。有的芯片中包含數(shù)據(jù)鎖存器（寄存器）及一些邏輯功能電路，可以和微處理器相連接，應用較為廣泛；有的功能電路，可以和微處理器相連接，應用較為廣泛；有的則不包含這些電路。常用的則不包含這些電路。常用的D/A轉換芯片有八位、十位、轉換芯片有八位、十位、十二位、十六位等品種。十二位、十六位等品種。簡要介紹DAC0832D/A轉換器芯片。 1原理框圖 DAC0832是采用CMOS工藝制成的雙列直插式8位D/A轉換器 內(nèi)部結構框圖如圖: DAC0832內(nèi)部有兩個8位數(shù)據(jù)鎖存器（或稱作寄存器）、一

20、個T型電阻網(wǎng)絡和3個控制邏輯門 2引腳使用說明引腳使用說明:（1） : 數(shù)字信號輸入端，數(shù)字信號輸入端， 為最高位，為最高位， 為最低位。為最低位。70DIDI7DI0DI（2） :數(shù)據(jù)鎖存允許信號（輸入），高電平有效。數(shù)據(jù)鎖存允許信號（輸入），高電平有效。ILE（3） :片選信號（輸入），低電平有效。片選信號（輸入），低電平有效。 CS（4） :第第1寫信號（輸入），低電平有效。寫信號（輸入），低電平有效。1WR 上述三個輸入信號可控制輸入寄存器是數(shù)據(jù)直通方式還是數(shù)上述三個輸入信號可控制輸入寄存器是數(shù)據(jù)直通方式還是數(shù)據(jù)鎖存方式，當據(jù)鎖存方式，當 、 和和 時，為輸入寄存器直通時，為輸入寄存器

21、直通方式；當方式；當 、 和和 時，為輸入寄存器鎖存方式。時，為輸入寄存器鎖存方式。0CS 1ILE 10WR 0CS 1ILE11W R（5） ：第：第2寫信號（輸入），低電平有效。寫信號（輸入），低電平有效。 2W R（6） ：數(shù)據(jù)傳送控制信號（輸入），低電平有效。：數(shù)據(jù)傳送控制信號（輸入），低電平有效。XFER 上述兩個輸入信號可控制上述兩個輸入信號可控制DAC寄存器是數(shù)據(jù)直通還是數(shù)據(jù)鎖存方式，寄存器是數(shù)據(jù)直通還是數(shù)據(jù)鎖存方式，當當 和和 時，為時，為DAC寄存器直通方式；當寄存器直通方式；當 和和 時，為時，為DAC寄存器鎖存方式。寄存器鎖存方式。20WR 0XFER 21WR1XFE

22、R （7） ：參考電壓輸入端，其電壓可正可負，范圍是：參考電壓輸入端，其電壓可正可負，范圍是1010V。REFV（8） ：電流輸出：電流輸出1。 out1I（9） ：電流輸出：電流輸出2。 out2I（10） ：反饋電阻引線端。：反饋電阻引線端。 fbR DAC0832是電流輸出，為了取得電壓輸出，需在電壓輸出端接運算是電流輸出，為了取得電壓輸出，需在電壓輸出端接運算放大器，放大器， 即為運算放大器的反饋電阻端。運算放大器的接法如圖即為運算放大器的反饋電阻端。運算放大器的接法如圖 ：fbR圖：運算放大器的接法 （11）AGND：模擬信號接地端。：模擬信號接地端。 （12）DGND：數(shù)字信號接地

23、端。：數(shù)字信號接地端。3DAC0832的工作方式的工作方式 DAC0832在不同信號組合的控制下可實現(xiàn)直通、單緩沖和雙緩沖在不同信號組合的控制下可實現(xiàn)直通、單緩沖和雙緩沖3種工作方式。種工作方式。DAC0832是電流輸出型是電流輸出型D/A轉換器，需要用運算放大器轉換器，需要用運算放大器將輸出電流轉換為輸出電壓。電壓的輸出可分單極性輸出和雙極性輸將輸出電流轉換為輸出電壓。電壓的輸出可分單極性輸出和雙極性輸出兩種。出兩種。 9.2 A/D轉換器轉換器9.2 A/D轉換器轉換器 A/D轉換器分轉換器分直接直接A/D轉換器轉換器和和間接間接A/D轉換器轉換器兩種。兩種。 直接直接A/D轉換器轉換器能

24、把輸入的模擬電壓直接轉化為輸出的能把輸入的模擬電壓直接轉化為輸出的數(shù)字量而不需要經(jīng)過中間變量。常用的電路有并聯(lián)比較型和數(shù)字量而不需要經(jīng)過中間變量。常用的電路有并聯(lián)比較型和反饋比較型兩類。反饋比較型兩類。 間接間接A/D轉換器轉換器多半屬于電壓多半屬于電壓時間變換型（簡稱時間變換型（簡稱V-T變變換型）和電壓換型）和電壓頻率變換型（簡稱頻率變換型（簡稱V-F變換型）兩類。變換型）兩類。9.2.1 A/D轉換的基本原理轉換的基本原理 整個整個A/D轉換過程通常包括轉換過程通常包括采樣采樣、保持保持、量化量化和和編碼編碼4個個步驟。步驟。 1采樣（采樣（Sample） 所謂采樣是指周期地采取模擬信號

25、的瞬間值，得到一系所謂采樣是指周期地采取模擬信號的瞬間值，得到一系列的脈沖樣值。圖列的脈沖樣值。圖9-8表明了采樣的過程。表明了采樣的過程。 對輸入模擬信號的取樣對輸入模擬信號的取樣 圖 9-82保持（保持（Hold） 在兩次采樣之間，為了使前一次采樣所得信號保持不變，在兩次采樣之間，為了使前一次采樣所得信號保持不變，以便量化（數(shù)字化）和編碼，需要將其保存起來。這就要求以便量化（數(shù)字化）和編碼，需要將其保存起來。這就要求在采樣電路后面加上保持電路。采樣在采樣電路后面加上保持電路。采樣保持電路基本組成如保持電路基本組成如圖圖9-9所示。所示。基本采樣基本采樣保持電路保持電路 圖圖: 9-93量化

26、和編碼量化和編碼 經(jīng)采樣保持所得電壓信號仍是模擬信號，不是數(shù)字量。經(jīng)采樣保持所得電壓信號仍是模擬信號，不是數(shù)字量。那么量化和編碼就是從模擬信號產(chǎn)生數(shù)字信號的過程。那么量化和編碼就是從模擬信號產(chǎn)生數(shù)字信號的過程。 量化方法一般有兩種，一種是采用只舍不入的方法，量化方法一般有兩種，一種是采用只舍不入的方法，另一種是采用四舍五入的方法。另一種是采用四舍五入的方法。 把量化的結果用代碼（可以是二進制，也可以是其他把量化的結果用代碼（可以是二進制，也可以是其他進制）表示出來，稱為編碼。這些編碼就是進制）表示出來，稱為編碼。這些編碼就是A/D轉換的輸出轉換的輸出結果。結果。 量化和編碼通常由量化和編碼通常

27、由A/D轉換器實現(xiàn)，簡記為轉換器實現(xiàn)，簡記為ADC。4數(shù)字濾波數(shù)字濾波 在微機組成的測控系統(tǒng)中，在微機組成的測控系統(tǒng)中， 常采用數(shù)字濾波的方法，常采用數(shù)字濾波的方法，它與模擬濾波器相比較具有如下優(yōu)點：它與模擬濾波器相比較具有如下優(yōu)點： （1）用程序實現(xiàn)數(shù)字濾波，無需增加任何硬件設備，不）用程序實現(xiàn)數(shù)字濾波，無需增加任何硬件設備，不存在阻抗匹配問題，可實現(xiàn)多通道共享，降低系統(tǒng)成本。存在阻抗匹配問題，可實現(xiàn)多通道共享，降低系統(tǒng)成本。 （2）可以對頻率很低的信號實現(xiàn)濾波，而）可以對頻率很低的信號實現(xiàn)濾波，而RC濾波器由濾波器由于受電容容量的影響，頻率不能太低。于受電容容量的影響，頻率不能太低。 （3

28、）可根據(jù)需要編制不同的濾波程序，以選擇不同的濾）可根據(jù)需要編制不同的濾波程序，以選擇不同的濾波程序，使用靈活方便波程序，使用靈活方便 目前常用的數(shù)字濾波方法有：目前常用的數(shù)字濾波方法有：（1）算術平均值法濾波。）算術平均值法濾波。（2）中值法濾波。）中值法濾波。（3）滑動平均值法濾波。）滑動平均值法濾波。（4）程序判斷法濾波。）程序判斷法濾波。（5）復合法數(shù)字濾波。）復合法數(shù)字濾波。9.2.2 常見常見ADC的類型的類型 通常通常ADC的結構要比的結構要比DAC復雜，復雜，A/D轉換的不同方法轉換的不同方法在轉換速度、精度及抗干擾能力等方面各有優(yōu)勢。在轉換速度、精度及抗干擾能力等方面各有優(yōu)勢。

29、1并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型ADC 圖圖9-10為并聯(lián)比較型為并聯(lián)比較型A/D轉換器電路結構圖，它轉換器電路結構圖，它由電阻分壓器、電壓比較器、寄存器和編碼器組成。由電阻分壓器、電壓比較器、寄存器和編碼器組成。并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D轉換器電路結構圖轉換器電路結構圖 圖:9-10該電路工作原理如下：該電路工作原理如下：電阻分壓器將輸入?yún)⒖茧妷毫炕癁殡娮璺謮浩鲗⑤斎雲(yún)⒖茧妷毫炕癁?、 ，等等7個比較電平，量化電平為個比較電平，量化電平為 。然后將這。然后將這7個電個電平分別接到平分別接到7個電壓比較器的相同輸入端，作為比較基準。個電壓比較器的相同輸入端，作為比較基準。同時，同時，7個電壓比較器個電壓

30、比較器 的另一輸入端連在一起，作的另一輸入端連在一起，作為采樣模擬電壓的輸入端。輸入電壓為采樣模擬電壓的輸入端。輸入電壓 與參考電壓的比較與參考電壓的比較結果由電壓比較器輸出，送到寄存器保存，以消除各比較器結果由電壓比較器輸出，送到寄存器保存，以消除各比較器由于速度不同而產(chǎn)生的邏輯錯誤輸出。編碼器把寄存器送出由于速度不同而產(chǎn)生的邏輯錯誤輸出。編碼器把寄存器送出的信號進行二進制編碼，以輸出三位二進制數(shù)字信號。的信號進行二進制編碼，以輸出三位二進制數(shù)字信號。 R/15UR3/15UR2/15U 17CCiU輸入模擬電壓輸入模擬電壓比較器輸出比較器輸出數(shù)字信號數(shù)字信號UiC7 C6 C5 C4 C3

31、 C2 C1d2d1 d00Ui1/150 0 0 0 0 0 0 0 0 01/15Ui3/150 0 0 0 0 0 10 1 03/15Ui5/150 0 0 0 0 1 10 0 15/15Ui7/150 0 0 0 1 1 10 1 17/15Ui9/150 0 0 1 1 1 1 1 0 09/15Ui11/150 0 1 1 1 1 1 1 1 011/15Ui13/150 1 1 1 1 1 1 1 0 113/15Ui11 1 1 1 1 1 11 1 1表表 9-3 模擬電壓輸入與數(shù)字信號對應關系模擬電壓輸入與數(shù)字信號對應關系 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D轉換器的轉換精度主要

32、取決于量化電平的劃分，轉換器的轉換精度主要取決于量化電平的劃分，分得越細，精度越高。不過精度高的轉換器使用的比較器和觸發(fā)器分得越細，精度越高。不過精度高的轉換器使用的比較器和觸發(fā)器數(shù)目較多，電路更加復雜。數(shù)目較多，電路更加復雜。 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D轉換器最大的優(yōu)點是轉換速度快，另外，比較轉換器最大的優(yōu)點是轉換速度快，另外，比較器和寄存器也兼有取樣器和寄存器也兼有取樣保持功能，使用這種保持功能，使用這種A/D轉換器可以不用轉換器可以不用附加取樣附加取樣保持電路。保持電路。 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D轉換器的缺點是需要用很多的電壓比較器和觸轉換器的缺點是需要用很多的電壓比較器和觸發(fā)器。輸出

33、為發(fā)器。輸出為n位二進制代碼的轉換器中應當有（位二進制代碼的轉換器中應當有（ ）個電壓）個電壓比較器和（比較器和（ ）個觸發(fā)器。電路的規(guī)模隨著輸出代碼位數(shù)的）個觸發(fā)器。電路的規(guī)模隨著輸出代碼位數(shù)的增加而急劇膨脹。增加而急劇膨脹。 因此，該因此，該A/D轉換器適用于高轉換速度、低分辨率的場合。轉換器適用于高轉換速度、低分辨率的場合。21n21n2逐次漸進型逐次漸進型ADC 逐次漸進型逐次漸進型A/D轉換器是目前集成轉換器是目前集成A/D轉換器產(chǎn)品中用得轉換器產(chǎn)品中用得最多的一種電路。最多的一種電路。 逐次漸進型逐次漸進型ADC的結構：取一個數(shù)字量加到的結構：取一個數(shù)字量加到D/A轉換器上，轉換器

34、上，于是得到一個對應的輸出模擬電壓，將這個模擬電壓和輸入于是得到一個對應的輸出模擬電壓，將這個模擬電壓和輸入的模擬電壓信號相比較。如果兩者不相等，則調(diào)整所取的數(shù)的模擬電壓信號相比較。如果兩者不相等，則調(diào)整所取的數(shù)字量，直到兩個模擬電壓相等為止，最后所取的這個數(shù)字量字量，直到兩個模擬電壓相等為止，最后所取的這個數(shù)字量即是要求的轉換結果。即是要求的轉換結果。逐次漸進型逐次漸進型A/D轉換器的工作原理轉換器的工作原理 :圖圖9-11 : 逐次漸進型逐次漸進型A/D轉換器的電路結構框圖轉換器的電路結構框圖 這種轉換器的電路包含比較器、這種轉換器的電路包含比較器、D/A轉換器、寄存器、時鐘脈沖源和控轉換

35、器、寄存器、時鐘脈沖源和控制邏輯等制邏輯等5個組成部分。個組成部分。 轉換開始前先將寄存器清零，所以加給轉換開始前先將寄存器清零，所以加給D/A轉換器的數(shù)字量也全是轉換器的數(shù)字量也全是0。轉換控制信號轉換控制信號 變?yōu)楦唠娖綍r開始轉換，時鐘信號首先將寄存器的最高位變?yōu)楦唠娖綍r開始轉換，時鐘信號首先將寄存器的最高位置成置成1，使寄存器的輸出為，使寄存器的輸出為10000。這個數(shù)字量被。這個數(shù)字量被D/A轉換器轉換成相應的轉換器轉換成相應的模擬電壓模擬電壓 ，并送到比較器與輸入信號，并送到比較器與輸入信號 進行比較。如果進行比較。如果 ，說明數(shù)字量過大，則這個說明數(shù)字量過大，則這個1應去掉；如果應

36、去掉；如果 ，說明數(shù)字量還不夠大，說明數(shù)字量還不夠大，這個這個1應予保留。然后，再按同樣的方法將次高位置應予保留。然后，再按同樣的方法將次高位置1，并比較，并比較 與與 的的大小以確定這一位的大小以確定這一位的1是否應當保留。這樣逐位比較下去，直到最低位比較是否應當保留。這樣逐位比較下去，直到最低位比較完為止。這時寄存器里所存的數(shù)碼即是要求的輸出數(shù)字量。完為止。這時寄存器里所存的數(shù)碼即是要求的輸出數(shù)字量。Luouiuoiuuoiuuouiu 圖圖9-12的邏輯電路是一個輸出為的邏輯電路是一個輸出為3位二進制數(shù)碼的逐次漸進位二進制數(shù)碼的逐次漸進型型A/D轉換器。圖中的轉換器。圖中的C為電壓比較器

37、，為電壓比較器， 、 、 三個三個觸發(fā)器組成了觸發(fā)器組成了3位數(shù)碼寄存器，觸發(fā)器位數(shù)碼寄存器，觸發(fā)器 和門電路和門電路 組成控制邏輯電路。組成控制邏輯電路。AFFBFFCFF15FFFF19GG圖圖9-12 3位逐次漸進型位逐次漸進型A/D轉換器的電路原理圖轉換器的電路原理圖 3串并行比較型串并行比較型ADC 為彌補并聯(lián)型為彌補并聯(lián)型A/D轉換器和逐次漸進型轉換器和逐次漸進型A/D轉換器的弱點，要求轉換器轉換器的弱點，要求轉換器高速且高分辨率；要求電路結構簡單，可采用串并比較型高速且高分辨率；要求電路結構簡單，可采用串并比較型A/D轉換器。轉換器。 這種這種A/D轉換器是由兩組并行轉換器是由兩

38、組并行A/D轉換器加上一個轉換器加上一個D/A轉換器和一個求轉換器和一個求和運算放大器組成。圖和運算放大器組成。圖9-13是一個是一個6位串并行比較型位串并行比較型A/D轉換器的原理框圖。轉換器的原理框圖。圖圖9-13 串并行比較型串并行比較型A/D轉換器的原理框圖轉換器的原理框圖 9.2.3 A/D轉換器的重要技術參數(shù)轉換器的重要技術參數(shù)1轉換精度轉換精度 A/D轉換器也采用分辨率（又稱分解度）和轉換誤差來描述轉換器也采用分辨率（又稱分解度）和轉換誤差來描述轉換精度。轉換精度。 （1）分辨率。）分辨率。分辨率是指輸出數(shù)字量變化一個最低位所對應的分辨率是指輸出數(shù)字量變化一個最低位所對應的輸入模

39、擬量需要變化的量。分辨率以輸出二進制或十進制數(shù)的位輸入模擬量需要變化的量。分辨率以輸出二進制或十進制數(shù)的位數(shù)表示，它說明數(shù)表示，它說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。轉換器對輸入信號的分辨能力。 例如例如A/D轉換器的輸出為轉換器的輸出為10位二進制數(shù)，最大輸出信號為位二進制數(shù)，最大輸出信號為5V，那么這個轉換器可以分辨的最小模擬電壓為：那么這個轉換器可以分辨的最小模擬電壓為： 105V4.88mV2A/D轉換器位數(shù)越多，分辨率越高。轉換器位數(shù)越多，分辨率越高。 （2）轉換誤差。）轉換誤差。轉換誤差通常以輸出誤差最大值的形式給出，轉換誤差通常以輸出誤差最大值的形式給出，它表示實際的轉換點偏離

40、理想特性的誤差。一般以最低有效位它表示實際的轉換點偏離理想特性的誤差。一般以最低有效位（LSB）的倍數(shù)給出。例如給出轉換誤差不大于）的倍數(shù)給出。例如給出轉換誤差不大于 。有時也用滿量程輸出的百分數(shù)給出轉換誤差。有時也用滿量程輸出的百分數(shù)給出轉換誤差。 （3）轉換速度。）轉換速度。轉換速度是指轉換速度是指A/D轉換器從接到轉換控制轉換器從接到轉換控制信號起到輸出穩(wěn)定的數(shù)字量為止所用的時間。主要取決于轉換信號起到輸出穩(wěn)定的數(shù)字量為止所用的時間。主要取決于轉換電路的類型，不同類型的電路的類型，不同類型的A/D轉換器的轉換速度相差甚大。通轉換器的轉換速度相差甚大。通常高速的可達數(shù)百毫微秒，中速為數(shù)十微

41、妙，低速為數(shù)十毫秒。常高速的可達數(shù)百毫微秒，中速為數(shù)十微妙，低速為數(shù)十毫秒。1L S B29.2.4 集成集成A/D轉換器轉換器 集成集成A/D轉換器種類繁多，包括八位、十位、十二位、十轉換器種類繁多，包括八位、十位、十二位、十六位等種類六位等種類 .1ADC0809 A/D轉換芯片轉換芯片 ADC0809是典型的是典型的8位逐次逼近式位逐次逼近式A/D轉換器。轉換器。ADC0809采用雙列直插式封裝，共有采用雙列直插式封裝，共有28根管腳。根管腳。ADC0809可以和微機可以和微機直接連接，又由于性能一般能滿足用戶、價格低廉，因此應直接連接，又由于性能一般能滿足用戶、價格低廉，因此應用十分廣

42、泛。用十分廣泛。 如圖如圖9-14所示，所示，ADC0809內(nèi)部由八路模擬開關、地址鎖內(nèi)部由八路模擬開關、地址鎖存器和譯碼器、比較器、電阻網(wǎng)絡、樹狀電子開關、逐次逼存器和譯碼器、比較器、電阻網(wǎng)絡、樹狀電子開關、逐次逼近寄存器、控制與定時電路、三態(tài)輸出鎖存器等所組成。近寄存器、控制與定時電路、三態(tài)輸出鎖存器等所組成。 圖圖9-14 ADC0809的邏輯框圖的邏輯框圖 CBA選擇的通道選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表表9-4 狀態(tài)譯碼與選中模擬電壓輸入通道的關系狀態(tài)譯碼與選中模擬電壓輸入通道的關系 ：八路模擬電壓輸入端，在

43、多路開關控制下，任一：八路模擬電壓輸入端，在多路開關控制下，任一瞬間只能有一路模擬量經(jīng)相應通道輸入到瞬間只能有一路模擬量經(jīng)相應通道輸入到A/D轉換器中的比較放轉換器中的比較放大器。大器。07ININ A、B、C：模擬輸入通道的抵制選擇線。：模擬輸入通道的抵制選擇線。 ALE：地址鎖存允許信號，高電平有效，只有當該信號有：地址鎖存允許信號，高電平有效，只有當該信號有效時，才能將地址信號有效鎖存，并經(jīng)譯碼選中一個通道。效時，才能將地址信號有效鎖存，并經(jīng)譯碼選中一個通道。 START：脈沖輸入信號啟動端，其上升沿用以清除：脈沖輸入信號啟動端，其上升沿用以清除ADC內(nèi)內(nèi)部寄存器，其下降沿用以啟動內(nèi)部控

44、制邏輯，開始進行模數(shù)轉部寄存器，其下降沿用以啟動內(nèi)部控制邏輯，開始進行模數(shù)轉換。換。 CLOCK：轉換定時時鐘脈沖輸入端。它的頻率決定了：轉換定時時鐘脈沖輸入端。它的頻率決定了A/D轉換器的轉換速度。只有時鐘輸入時，控制與時序電路才能工轉換器的轉換速度。只有時鐘輸入時，控制與時序電路才能工作。作。 ：八位數(shù)據(jù)輸出端，可直接接入微型機的數(shù)據(jù)總線。八位數(shù)據(jù)輸出端，可直接接入微型機的數(shù)據(jù)總線。 07DD OE：允許輸出控制端，高電平有效。有效時能打開三態(tài)門，：允許輸出控制端，高電平有效。有效時能打開三態(tài)門，將八位轉換后的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)輸出線上。將八位轉換后的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)輸出線上。 EOC：A/D轉換結

45、束信號，高電平有效。其上跳沿表示轉換結束信號，高電平有效。其上跳沿表示A/D轉換器內(nèi)部已轉換完畢，作為通知數(shù)據(jù)接收設備取走已轉換完轉換器內(nèi)部已轉換完畢，作為通知數(shù)據(jù)接收設備取走已轉換完的數(shù)據(jù)的信號。的數(shù)據(jù)的信號。 和和 ：參考電壓正端和負端。：參考電壓正端和負端。 R E F ()UREF()UVCC為為+5V，GND為地。為地。2ADC574 A/D轉換芯片轉換芯片 AD574就是就是12位逐次逼近式位逐次逼近式A/D轉換器，其轉換精度高、速度轉換器，其轉換精度高、速度快，且內(nèi)部設有時鐘電路和參考電壓源，但價格較高，適用于高快，且內(nèi)部設有時鐘電路和參考電壓源，但價格較高，適用于高精度快速采樣

46、系統(tǒng)中。精度快速采樣系統(tǒng)中。9.3 A/D轉換器和轉換器和D/A轉換器在測控系統(tǒng)中的應用轉換器在測控系統(tǒng)中的應用 在實時數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控系統(tǒng)及智能化儀表中，檢測和在實時數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控系統(tǒng)及智能化儀表中，檢測和控制的對象大部分是模擬信號，如溫度、光強、壓力、速度、控制的對象大部分是模擬信號，如溫度、光強、壓力、速度、流量等。這些量不能直接處理，應該經(jīng)過傳感器將這些物理量流量等。這些量不能直接處理，應該經(jīng)過傳感器將這些物理量變成電量，再由放大器轉換成統(tǒng)一的標準信號。由于信號較多，變成電量，再由放大器轉換成統(tǒng)一的標準信號。由于信號較多，計算機不能同時轉換接收，需要多通道模擬開關進行通道轉換，計算機不能同時轉換接收，需要多通道模擬開關進行通道轉換，分時將這些信號送入采樣分時將這些信號送入采樣/保持電路，并經(jīng)保持電路，并經(jīng)A/D轉換器轉換成數(shù)轉換器轉換成數(shù)字量送計算機，計算機便可對數(shù)字信號進行處理，根據(jù)需要對字量送計算機，計算機便可對數(shù)字信號進行處理，根據(jù)需要對結果進行顯示、報警和打印，同時控制物理過程。而外部的執(zhí)結果進行顯示、報警和打印，同時控制物理過程。