第9章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(第五版)

1、第第9章章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換學(xué)習(xí)要點：學(xué)習(xí)要點：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)換轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計算器的工作原理及相關(guān)計算掌握并行比較、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)第第9章章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換概述概述 能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱稱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；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換

2、為模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和和DAC是是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。接口。 多多路路開開關(guān)關(guān) 數(shù)數(shù)字字控控制制計計算算機機 DAC ADC 功功率率放放大大 功功率率放放大大 執(zhí)執(zhí)行行機機構(gòu)構(gòu) 執(zhí)執(zhí)行行機機構(gòu)構(gòu) 加加熱熱爐爐 加加熱熱爐爐 溫溫度度傳傳感感器器 溫溫度度傳傳感感器器 信信號號放放大大 信信號號放放大大 多多路路開開關(guān)關(guān) 9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器將數(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DAC模擬

3、量模擬量A = K D O = K NB 概述概述9.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對于有權(quán)碼，數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的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)換成相應(yīng)的模擬量，大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量， 然后將這些模擬量相加，即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，可得到與數(shù)字量成正比的模擬量， 從而實現(xiàn)數(shù)字量從而實現(xiàn)數(shù)字量-模擬模擬量的轉(zhuǎn)換。量的轉(zhuǎn)換。 NDb424b323b222b121b020 124123022021120將二進制數(shù)將二進制

4、數(shù)ND(11001)B轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。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2 2、D/A轉(zhuǎn)換器的組成轉(zhuǎn)換器的組成數(shù)碼數(shù)碼寄存器寄存器n位位模擬開關(guān)模擬開關(guān)解碼解碼網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)求和求和電路電路n位位數(shù)字量數(shù)字量輸入輸入模擬量模擬量輸出輸出基準電壓基準電壓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來存放用來存放數(shù)字量的各數(shù)字量的各位數(shù)碼位數(shù)碼由輸入數(shù)由輸入數(shù)字量控制字量控制產(chǎn)生權(quán)電流產(chǎn)生權(quán)電流將權(quán)電流將權(quán)電流相加產(chǎn)生與相加產(chǎn)生與輸入成正比輸入成正比的模擬電壓的模擬電壓 i Rf=R vO S0 VREF + S1 S2 S3 + 基基準準

5、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 )iii(iRvfO0123RDVi33REF8 224REFVDiR112REFVDiRRDVi0REF0 iiiREFREFODV)DDD(DVv2222230001122333 3、實現(xiàn)、實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路轉(zhuǎn)換的原理電路按解碼網(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

6、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4 4、D/A轉(zhuǎn)換器的分類轉(zhuǎn)換器的分類9.1.2 倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1、4位位倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Rf+vOA2RI/2S32RI/4S22RI/8S12RI/16S02RI/16I/8I/4I/2Ii+VREF(MSB)D3D2D1(LSB)D0RRR電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)基準電壓基準電壓模擬模擬電子開關(guān)電子開關(guān)求和運算求和運算放大器放大器輸入輸入4位位

7、二進制數(shù)二進制數(shù)輸出輸出模擬電壓模擬電壓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 不論模擬開關(guān)接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接不論模擬開關(guān)接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是還是0，各支路的電流不變。，各支路的電流不變。分別從每個節(jié)點處向左看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是分別從每個節(jié)點處向左看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是R。D/A轉(zhuǎn)換器的倒轉(zhuǎn)換器的倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)Rf+vOA2RI/2S32RI/4S22RI/8S12RI/16S0

8、2RI/16I/8I/4I/2Ii+VREF(MSB)D3D2D1(LSB)D0RRRRf+vOA2RI/2S32RI/4S22RI/8S12RI/16S02RI/16I/8I/4I/2Ii+VREF(MSB)D3D2D1(LSB)D0RRRRVIREF30413223140)2(2)2222(iiiREFREFDRVDDDDRVi304)2(2iiiREFffODVRRRiv關(guān)于關(guān)于D/ /A轉(zhuǎn)換器精度的討論轉(zhuǎn)換器精度的討論(1)基準電壓穩(wěn)定性好；基準電壓穩(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；(4)為實現(xiàn)電流從高位到低位按為實現(xiàn)電流

9、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。 為提高為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求：轉(zhuǎn)換器的精度，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；10)2(2niiinREFfODVRRv2 2、集成、集成 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器RF+vOA2R2R2R2R2RVREFD9D2D1D0RRR2R2RRD8D7R10kIOUT1IOUT2AD7533使用

10、使用: :1)要外接運放，要外接運放， 2)運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻，也可采用外接電阻。運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻，也可采用外接電阻。9010)2(2iiiREFfODVRRvRR2RIOUT1IOUT2T1T2T3T5T4T7T6T8T9VDDDiCMOS模擬開關(guān)電路模擬開關(guān)電路1、4位權(quán)電流位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器權(quán)電流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器的原理電路轉(zhuǎn)換器的原理電路9.1.3 權(quán)電流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器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。 304)2(2iiiffODRIRiv權(quán)電流權(quán)電

11、流型型D/A轉(zhuǎn)換器中的恒流源轉(zhuǎn)換器中的恒流源 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。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。3014)2(2iiiREFffODRVRRiv2、實際的權(quán)電流、實際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 (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

12、TC R 2R 2R 2R 2R 2R R R R VEE I = IREF =1RREFV 偏偏 置置 電電 流流 16I +I/2I/4I/8I/169.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式 256255REFV 256129REFV 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)數(shù) 字字 量量MSB LSB十進十進制數(shù)制數(shù)2的補碼的補碼偏移二進制碼偏移二進制

13、碼模擬量模擬量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0vO/VLSB1271261011271280000111110010011001001100100110010011001001100100111011011110001100100110010011001001100100110010011001001110110127126101127128常用雙極性編碼常用雙極性編碼注：表中注：表中VLSB=VREF/2562562222122218781BREFREFREFREFBREFBREFREFONVV)VVN(VNVV D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

14、 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 （1）分辨率）分辨率 其定義為其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。n位位DAC最多有最多有2n個模擬輸出電壓。其分辨率即為個模擬輸出電壓。其分辨率即為2n 。位數(shù)越多位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。（2）轉(zhuǎn)換精度）轉(zhuǎn)換精度 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。包括：值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)

15、換誤差。包括：比例系數(shù)誤差（由比例系數(shù)誤差（由VREF引起）；引起）；失調(diào)誤差（由運算放大器的零點漂移引起）；失調(diào)誤差（由運算放大器的零點漂移引起）；非線性誤差（由模擬開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻誤差等引起）。非線性誤差（由模擬開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻誤差等引起）。（3）轉(zhuǎn)換速度）轉(zhuǎn)換速度 當(dāng)當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出電壓達到規(guī)轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出電壓達到規(guī)定誤差范圍所需要的時間。通常用建立時間和轉(zhuǎn)換速率來描述。定誤差范圍所需要的時間。通常用建立時間和轉(zhuǎn)換速率來描述。9.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標RF+vOA2R2R2R2R2RVREFD9D2

16、D1D0RRR2R2RRD8D7R10KIOUT1IOUT2AD7533vI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9.1.6 D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用RF+vOA2R2R2R2R2RVREFD9D2D1D0RRR2R2RRD8D7R10KIOUT1IOUT2AD7533vI+vOARIOUT1IOUT2vI倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)根據(jù)虛斷有根據(jù)虛斷有:RDDDDVIIIIIREFI109922110092102/ )2222( IIIRv/REFOVv IIRDDDDvRvOI10992211002/ )2222()2222/(2 /9922110010DDDDvvAIOV脈

17、沖波產(chǎn)生電路脈沖波產(chǎn)生電路 vO Q0 Q1 Q2 Q3 CPD0D1D2D3 10V & CR CEP CET PE 1 74LS163 + A Rf IOUT1 IOUT2 D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9 VREF AD7533 vO /mV D 140 100 60 20 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)成十進制計數(shù)器：00001001iiiREFODVv229010D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9A

18、D7533D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9AD7533Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q910位位可可逆逆計計數(shù)數(shù)器器CP加加/減減加減控加減控制電路制電路VREF+IOUT1IOUT2vO1RFVREF+IOUT1IOUT2vO2RF計數(shù)脈沖計數(shù)脈沖脈脈沖沖波波產(chǎn)產(chǎn)生生電電路路iiiREFODVv229010121090222iiiREFODVv三角波三角波拋物波拋物波本節(jié)小結(jié)本節(jié)小結(jié)D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的二進制數(shù)字信轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的二進制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號輸出。號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號輸出。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制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)據(jù)工

19、作原理基本上可分為二進制權(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。由于轉(zhuǎn)換器兩大類。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位二進制數(shù)，則位二進制數(shù)，則D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：的輸出電壓為：1022n-iiinREFfO)(DVRRv9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的一般工作過程轉(zhuǎn)換器的一般工作過程dn-1d1d0數(shù)字量輸出(n位)ADC的數(shù)字化編碼電

20、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、斷開的控制下重復(fù)接通、斷開的過程。的過程。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上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模上的電壓保持不變，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。 + + vI vO CH S A1 A2 vC vO，vI vO vI 0 (a) 電路圖電路圖 (b) 波

21、形圖波形圖 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t 采樣脈沖（采樣脈沖（fS） 開關(guān)驅(qū)開關(guān)驅(qū) 動電路動電路 t0時刻時刻S閉合，閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個放被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個放大器的增益都為大器的增益都為1，因此這一階段，因此這一階段vO跟隨跟隨vI變化，即變化，即vO vI。t1時刻采樣階段結(jié)束，時刻采樣階段結(jié)束，S斷開，電路處于保持階段。若斷開，電路處于保持階段。若A2的輸入的輸入阻抗為無窮大，阻抗為無窮大，S為理想開關(guān)，則為理想開關(guān)，則CH沒有放電回路，兩端保持沒有放電回路，兩端保持充電時的最終電壓值不變，

22、從而保證電路輸出端的電壓充電時的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓vO維持維持不變。不變。1 1、取樣與保持、取樣與保持2 2、量化與編碼、量化與編碼 將采樣保持電路的輸出電壓歸化為最小量值的整數(shù)倍的過程叫做將采樣保持電路的輸出電壓歸化為最小量值的整數(shù)倍的過程叫做。數(shù)字量最小單位所對應(yīng)的最小量值叫做數(shù)字量最小單位所對應(yīng)的最小量值叫做。用二進制代碼來表示各。用二進制代碼來表示各個量化電平的過程，叫做個量化電平的過程，叫做。一個。一個n位二進制數(shù)只能表示位二進制數(shù)只能表示2n個量化電平，量個量化電平，量化過程中不可避免會產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為化過程中不可避免會產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為。量化級分

23、得越多。量化級分得越多（n越大），量化誤差越小。越大），量化誤差越小。 取最小量化單位取最小量化單位=Vm/2n取最小量化單位取最小量化單位=2Vm/(2n+11)111110101100011010001000111110101100011010001000輸入信號1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二進制代碼輸入信號二進制代碼1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模擬電壓7=7/8（V）6=6/8（V）5=5/8（V）4=4/8（V）3=3/8（V）2=2/8（V）1=1/8（V）0 =0 （V）代表的模擬電壓7=1

24、4/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4= 8/15（V）3= 6/15（V）2= 4/15（V）1= 2/15（V）0 = 0 (V）9.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器+C1+C2+C3+C4+C5+C6+C7VREFRRRRRRRR/2C11DC11DC11DC11DC11DC11DC11DCO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7QQQQQQQI1I2I3I4I5I6I7優(yōu)優(yōu)先先編編碼碼器器D0(LSB)D1D2(MSB)vICPVREF/153VREF/155VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/1513VREF/150vIVREF

25、/15時，時，7個比較器輸出全為個比較器輸出全為0，CP到來后，到來后，7個觸個觸發(fā)器都置發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為：。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為：D2D1D0000VREF/15vI 3VREF/15時，時，7個比較器中只有個比較器中只有C7輸出為輸出為1，CP到來后，只有觸發(fā)器到來后，只有觸發(fā)器FF7置置1，其余觸發(fā)器仍為，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為：碼后輸出的二進制代碼為：D2D1D0=0013VREF/15 vI5VREF/15時，比較器時，比較器C7、C6輸出為輸出為1，CP到來到來后，觸發(fā)器后，觸發(fā)器FF7、FF6置置1。

26、經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為：為： D2D1D00105VREF/15vI7VREF/15時，比較器時，比較器C7、 C6、 C5輸出為輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器到來后，觸發(fā)器FF7、 FF6、 FF5置置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為：的二進制代碼為：D2D1D0011 依此類推，可以列出依此類推，可以列出vI為不同等級時寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)為不同等級時寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進制數(shù)。的輸出二進制數(shù)。模模 擬擬 輸輸 入入比比 較較 器器 狀狀 態(tài)態(tài)數(shù)數(shù) 字字 輸輸 出出vICO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7

27、D2 D1 D00 0 0 0 0 0 00 0 00 0 0 0 0 0 10 0 10 0 0 0 0 1 10 1 00 0 0 0 1 1 10 1 10 0 0 1 1 1 11 0 00 0 1 1 1 1 11 0 10 1 1 1 1 1 11 1 01 1 1 1 1 1 11 1 1REFV)0(151REFV)(153151REFV)(155153REFV)(157155REFV)(159157REFV)(1511159REFV)(15131511REFV)1(1513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同時加到所有比較器的輸同時加到所有比較器的輸入

28、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公司的公司的AD9012 (TTL工

29、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。 電路特點電路特點9.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1 1、轉(zhuǎn)換原理、轉(zhuǎn)換原理所加砝碼所加砝碼 重量重量 結(jié)果結(jié)果 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

30、保留克砝碼保留13 克克所用砝碼重量：所用砝碼重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克。克。設(shè)待秤重量設(shè)待秤重量Wx = 13克?？?。基準電壓基準電壓UREFn位位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器第一個第一個CP10 0010 000.5UREFuIuO1uIuO0第二個第二個CP01 00Dn-11 000.75UREF or 0.25UREF1or 0uIuOuIuO1 0 轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。電路由啟動脈沖啟動后，轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。電路由啟動脈沖啟動后，開始轉(zhuǎn)換，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成開始轉(zhuǎn)換，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為，使輸出數(shù)字為1000。這個數(shù)碼

31、被。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uO，送到，送到比較器中與比較器中與uI進行比較。若進行比較。若uIuO，說明數(shù)字過大了，則最高位，說明數(shù)字過大了，則最高位應(yīng)保存應(yīng)保存0；若；若uIuo，說明數(shù)字還不夠大，則最高位應(yīng)保存，說明數(shù)字還不夠大，則最高位應(yīng)保存1。然。然后，再按同樣的方式將次高位置成后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這，并且經(jīng)過比較以后確定這個個1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是

32、所要求的數(shù)字量輸出。CPDn-1Dn-2 Dn-3D1D0u0 (V)uIuO?11 0 0 000.5UREF1（D n-1為為1）/0（D n-1為為0）2Dn-1 1 0 000.75/0.25UREF1（D n-2為為1）/0（D n-2為為0）3Dn-1 Dn-2 1 001（D n-3為為1）/0（D n-3為為0）nDn-1Dn-2 Dn-3D111（D 0為為1）/0（D 0為為0）例：8位A/D轉(zhuǎn)換器，輸入模擬量uI=6.84V， D/A轉(zhuǎn)換器基準電壓 UREF=10V。相對誤差僅為0.06%。轉(zhuǎn)換精度取決于位數(shù)。CPD7D6D5D4D3D2D1D0u0 (V)uIuO？11

33、000000052110000007.53101000006.254101100006.8755101010006. 56256101011006.718757101011106.7968758101011116.8359375uIuO為1否則為0 101011118 8位逐次比較型位逐次比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器波形圖轉(zhuǎn)換器波形圖 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)換所需時轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時間與其位數(shù)間與其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位

34、數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短。時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短。 電路特點電路特點：對輸入模擬電壓和基準電壓進行兩次積分，先在一固定時間內(nèi)對對輸入模擬電壓和基準電壓進行兩次積分，先在一固定時間內(nèi)對輸入模擬電壓進行積分，將其變換成與之成正比的輸入模擬電壓進行積分，將其變換成與之成正比的Up，接著對基準電壓進行接著對基準電壓進行積分，將其變換成與之成正比的時間間隔積分，將其變換成與之成正比的時間間隔T，再利用計數(shù)器測出此時間間隔，再利用計數(shù)器測出此時間間隔，則計數(shù)器所計的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓。則計數(shù)器所計的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓。9.2.4 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器

35、積分器積分器檢零檢零比較器比較器時鐘脈沖時鐘脈沖控制門控制門計數(shù)器計數(shù)器 積分器：積分器： Qn=0，對被測電壓，對被測電壓uI進行積分；進行積分； Qn=1，對基準電壓，對基準電壓UREF進行積分。進行積分。 檢零比較器檢零比較器C： 當(dāng)當(dāng)uO0時，時，uC0； 當(dāng)當(dāng)uO0時，時，uC1。 計數(shù)器：為計數(shù)器：為n1位異步二進制計數(shù)器。位異步二進制計數(shù)器。 第一次計數(shù)，是從第一次計數(shù)，是從0開始直到開始直到2n對對CP脈沖計數(shù)，形成固定時間脈沖計數(shù)，形成固定時間 T12nTC（TC為為CP脈沖的周期），到達脈沖的周期），到達T1時間時，時間時，Qn1，使，使S1從從A點轉(zhuǎn)接到點轉(zhuǎn)接到B點。點。

36、 第二次計數(shù)，是將時間間隔第二次計數(shù)，是將時間間隔T2變成脈沖個數(shù)變成脈沖個數(shù)N保存下來。保存下來。 時鐘脈沖控制門時鐘脈沖控制門G1： 當(dāng)當(dāng)uC =1時，門時，門G1打開，打開，CP脈沖通過門脈沖通過門G1加到計數(shù)器加到計數(shù)器輸入端。輸入端。先定時（先定時（T1）對）對uI正向積正向積分，得到分，得到Up，UpuI；再對再對UREF積分，積分器積分，積分器的輸出將從的輸出將從Up線性上升到線性上升到零。這段積分時間是零。這段積分時間是T2，T2UpuI；在在T2期間內(nèi)計數(shù)器對時鐘期間內(nèi)計數(shù)器對時鐘脈沖脈沖CP計得的個數(shù)為計得的個數(shù)為N，NT2UpuI 。準備階段準備階段：轉(zhuǎn)換控制信號：轉(zhuǎn)換控

37、制信號CR0，將計數(shù)器清，將計數(shù)器清0，并通過，并通過G2接通開關(guān)接通開關(guān)S2，使電容，使電容C放電；同時，放電；同時，Qn0使使S1接通接通A點。點。采樣階段采樣階段：當(dāng)：當(dāng)t0時，時，CR變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)S2斷開，積分斷開，積分器從器從0開始對開始對uI積分，積分器的輸出電壓從積分，積分器的輸出電壓從0V開始下降，即開始下降，即tIOdtuRCu01 與此同時，由于與此同時，由于uO0，故，故uC1，G1被打開，被打開，CP脈沖通過脈沖通過G1加到加到FF0上，計數(shù)器從上，計數(shù)器從0開始計數(shù)。直到開始計數(shù)。直到當(dāng)當(dāng)tt1時，時，F(xiàn)F0FFn-1都翻轉(zhuǎn)為都翻轉(zhuǎn)為0態(tài)，而態(tài)，而

38、Qn翻轉(zhuǎn)為翻轉(zhuǎn)為1態(tài)，態(tài)，將將S1由由A點轉(zhuǎn)接到點轉(zhuǎn)接到B點，采樣階段到此結(jié)束。若點，采樣階段到此結(jié)束。若CP脈脈沖的周期為沖的周期為TC，則，則T12nTC。設(shè)設(shè)UI為輸入電壓在為輸入電壓在T1時間間隔內(nèi)的平均值，則第時間間隔內(nèi)的平均值，則第一次積分結(jié)束時積分器的輸出電壓為一次積分結(jié)束時積分器的輸出電壓為 ：ICnIIPURCTURCTdtuRCUt21101比較階段比較階段：在：在t=t1時刻，時刻，S1接通接通B點，點，UREF加到積分器的輸加到積分器的輸入端，積分器開始反向積分，入端，積分器開始反向積分，uO開始從開始從Up點以固定的斜率回點以固定的斜率回升，此時有：升，此時有：21)

39、(2)(112ttREFICnREFPOttRCUURCTdtURCUu當(dāng)當(dāng)tt2時，時，uO正好過零，正好過零，uC翻轉(zhuǎn)為翻轉(zhuǎn)為0，G1關(guān)閉，計數(shù)器關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)。在停止計數(shù)。在T2期間計數(shù)器所累計的期間計數(shù)器所累計的CP脈沖的個數(shù)為脈沖的個數(shù)為N，且，且有有T2NTC。 設(shè)設(shè)T2 t2 t1，此時則有：，此時則有：ICnREFURCTTRCU22IREFCnUUTT22可見，可見，NT2UPuI，實現(xiàn)了，實現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換，N為轉(zhuǎn)換結(jié)果。為轉(zhuǎn)換結(jié)果。 由于由于T2NTC，所以有：，所以有：IREFnCUUTTN221.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)RC無關(guān)，從而消無關(guān)，從而消除了積分非線性帶來的誤差。除了積分非線性帶來的誤差。2.由于雙積分由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換器在T1時間內(nèi)采的是輸時間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強的抗工頻干入電壓的平均值，因此具有很強的抗工頻干擾的能力。擾的能力。 3.只要求時鐘源在一個轉(zhuǎn)換周期時間內(nèi)保持穩(wěn)只要求時鐘源在一個轉(zhuǎn)換周期時間內(nèi)保持穩(wěn)定即