第10章 數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路

第10章數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路【本章內(nèi)容提要】D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理、技術(shù)指標(biāo)及集成DAC0832；A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中的取樣、保持、量化與編碼；逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理；雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理；集成ADC0809簡(jiǎn)介。

本章內(nèi)容提要重點(diǎn)：（1）D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換原理和性能指標(biāo)；（2）A/D轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換原理和性能指標(biāo)；（3）集成D/A和A/D轉(zhuǎn)化器。難點(diǎn)：（1）D/A轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)的物理意義；（2）A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中的量化方法及量化誤差；（3）雙積分型A/D轉(zhuǎn)化器工作原理的分析。實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字與模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換：數(shù)字系統(tǒng)，特別是計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，它們處理的都是不連續(xù)的0、1數(shù)字信號(hào)，處理后的結(jié)果也是數(shù)字信號(hào)。然而實(shí)際所遇到的許多物理量，如語(yǔ)音、溫度、壓力、流量、亮度、速度等都是在數(shù)值和時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量，這些物理量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的電壓或電流也是連續(xù)變化的模擬信號(hào)，這些模擬信號(hào)不能直接送入數(shù)字系統(tǒng)處理，需要把它們先轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后才能輸入數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理。處理后的數(shù)字信息也必須先轉(zhuǎn)換成電模擬量，送到執(zhí)行元件中才能對(duì)控制對(duì)象實(shí)行實(shí)時(shí)控制，進(jìn)行必要的調(diào)整。這一過(guò)程如圖10-1所示。圖10-1

縮寫(xiě)的含義：圖中，A/D轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)稱ADC（AnalogtoDigitalConverter），就是把輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的接口電路，而D/A轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)稱DAC（DigitaltoAnalogConverter），就是把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量（電壓或電流）輸出的接口電路。它們都是數(shù)字系統(tǒng)中必不可少的組成部分。10.1D/A轉(zhuǎn)換器10.1.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖10-3所示是4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖，它由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、4個(gè)模擬開(kāi)關(guān)盒1個(gè)求和放大器組成。圖10-3

電路組成分析：圖10-3中，S3、S2、S1、S0是4個(gè)電子開(kāi)關(guān)，它們的狀態(tài)分別受輸入的數(shù)字信號(hào)代碼d3、d2、d1、d0的取值控制，這里，d3是代碼的最高位（MostSignificantBit，簡(jiǎn)寫(xiě)為MSB），d0是代碼的最低位（LeastSignificantBit，簡(jiǎn)寫(xiě)為L(zhǎng)SB）。代碼為1時(shí)開(kāi)關(guān)接到參考電壓UREF上，代碼為0時(shí)開(kāi)關(guān)接地。故di=1時(shí)有支路電流Ii流向求和放大器，di=0時(shí)支路電流為零。求和放大器是一個(gè)接成負(fù)反饋的運(yùn)算放大器。為了簡(jiǎn)化分析計(jì)算，可以把運(yùn)算放大器近似看成是理想放大器——即它的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為無(wú)窮大，輸入電流為零（輸入電阻為無(wú)窮大），輸出電阻為零。當(dāng)同相輸入端的電位u+高于反相輸入端的電位u-時(shí)，輸出端對(duì)地的電壓uo為正；當(dāng)u-高于u+時(shí)，uo為負(fù)。工作原理分析：當(dāng)參考電壓UREF經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)加到u-時(shí)，只要u-稍高于u+，便在uo產(chǎn)生很負(fù)的輸出電壓。uo經(jīng)反饋電阻RF反饋到u-端使u-降低，其結(jié)果必然使u-≈u+=0。在認(rèn)為運(yùn)算放大器輸入電流為零的條件下可以得到：由于u-≈0，因而各支路電流分別為：（d3=1時(shí)，；d3=0時(shí)，I3=0）

（10-1）將它們代入式（10-1）并取RF=R/2，則得到：(10-2)對(duì)于n位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取R/2時(shí)，輸出電壓的計(jì)算公式可寫(xiě)成:(10-3)式（10-3）表明，輸出的模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量Dn，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)Dn=0時(shí)，uo=0，當(dāng)Dn=11…11時(shí)，，故uo的最大變化范圍是0～。

從式（10-3）中還可以看到，在UREF為正電壓時(shí)輸出電壓uo始終為負(fù)值。要想得到正的輸出電壓，可以將UREF取為負(fù)值。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器小結(jié)：優(yōu)點(diǎn)：圖10-3所示權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所用的電阻元件數(shù)很少。

缺點(diǎn)：是各個(gè)電阻的阻值相差較大，尤其在輸入信號(hào)的位數(shù)較多時(shí)，這個(gè)問(wèn)題就更加突出。要想在極為寬廣的阻值范圍內(nèi)保證每個(gè)電阻都有很高的精度是十分困難的，尤其對(duì)制作集成電路更加不利。為了克服權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中電阻阻值相差太大的缺點(diǎn)，提出一種倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。10.1.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.電路組成圖10-4所示是一個(gè)3位二進(jìn)制倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理電路圖。由圖可見(jiàn)，電阻網(wǎng)絡(luò)中只有R、2R兩種阻值的電阻，這就給集成電路的設(shè)計(jì)和制作帶來(lái)了很大的方便。圖10-4電路組成分析：圖中，d2d1d0是輸入的3位二進(jìn)制數(shù)，它們控制著由N溝道增強(qiáng)型MOS管組成的3個(gè)電子開(kāi)關(guān)S2、S1、S0，R、2R組成倒T型電阻轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)放完成求和運(yùn)算，uo是輸出模擬電壓，UREF是參考電壓（也叫作基準(zhǔn)電壓）。

S2、S1、S0與d2、d1、d0的對(duì)應(yīng)關(guān)系是：當(dāng)d2=1，即為高電平時(shí)，=0為低電平，S2右邊的MOS導(dǎo)通，左邊MOS管截止，將相應(yīng)的2R電阻接到運(yùn)放的反相輸入端，反之若d2=0，=1，S2右邊MOS管截止，左邊MOS管導(dǎo)通，2R電阻接地。d1、d0對(duì)S1、S0的控制作用與d2對(duì)S2的控制作用相同。一般地說(shuō)，輸入n位二進(jìn)制數(shù)中第i位di=1時(shí)，Si就把網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的2R電阻接到求和運(yùn)放的反相輸入端，反之di=0時(shí)，Si則將2R電阻接地。2.工作原理下面通過(guò)具體例子進(jìn)行說(shuō)明。（1）當(dāng)d2d1d0=100時(shí)圖10-5所示是d2d1d0=100時(shí)的等效電路。由于引入了深度電壓負(fù)反饋，集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，而其同相輸入端接地，故其反相輸入端為“虛地”。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)論是從AA端、BB端還是CC端向左看進(jìn)去，其等效電阻均為R，因此，由參考電壓提供的電流I=UREF/R。圖10-5當(dāng)d2d1d0=100時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)，流入求和電路的電流為I

/2，輸出電壓為：（2）當(dāng)d2d1d0=110時(shí)圖10-6所示是d2d1d0=110時(shí)的等效電路，顯然，流入求和電路的電流是I

/2+I

/4，輸出電壓為：（3）當(dāng)d2d1d0=111時(shí)利用類似方法可求得輸出電壓為：（4）表達(dá)式的一般形式根據(jù)d2d1d0為100、110、111時(shí)的分析結(jié)果，可推論得到uO的一般表達(dá)形式為:（10-4）式（10-4）表明，圖10-4所示電路可以將輸入的3位二進(jìn)制數(shù)d2d1d0轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬輸出電壓uo。若令UREF=-8V，那么便可得到圖10-2所示的轉(zhuǎn)換特性。當(dāng)輸入D=dn-1dn-2…d1d0，即為n位二進(jìn)制數(shù)時(shí)，由式（10-4）不難推論出：（10-5）式（10-5）中Ku是將二進(jìn)制數(shù)Dn轉(zhuǎn)換成模擬電壓uo的轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，也可以看成是D/A轉(zhuǎn)換器中的單位電壓：（10-6）單位電壓Ku乘上二進(jìn)制數(shù)D的數(shù)值，所得到的便是輸出模擬電壓uo。10.1.3D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)衡量D/A轉(zhuǎn)換器性能的參數(shù)主要有分辨率、轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度等。1.分辨率分辨率用于描述D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入量微小變化的敏感程度。它是輸入數(shù)字量在只有最低有效位（LSB，LeastSignificantBit）為1（即為00…01）時(shí)的輸出電壓ULSB與輸入數(shù)字量全為1（即為11…11）時(shí)的輸出電壓UM之比。將00…01和11…11代入式（10-5），可得ULSB和UM，因此對(duì)于n位的DAC，其分辨率為

分辨率=ULSB/UM=1/（2n–1）（10-7）例如10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/（210–1）。如果輸出模擬電壓滿量程為10V，那么10位DAC能夠分辨的最小電壓為10/1023≈0.009775V；而8位D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨的最小電壓為10/255≈0.039215V。可見(jiàn)位數(shù)越高，DAC分辨輸出電壓的能力越強(qiáng)。分辨率表示D/A轉(zhuǎn)換器在理論上可以達(dá)到的精度。2.轉(zhuǎn)換精度通常，轉(zhuǎn)換精度用轉(zhuǎn)換誤差和相對(duì)精度來(lái)描述。轉(zhuǎn)換誤差是在對(duì)應(yīng)給定的滿刻度數(shù)字量情況下，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出與理論值之間的誤差。該誤差是由于D/A轉(zhuǎn)換器的增益誤差、零點(diǎn)誤差、線性誤差和噪聲等共同引起的。相對(duì)精度指在滿刻度已校準(zhǔn)的情況下，整個(gè)刻度范圍內(nèi)，對(duì)于任一數(shù)碼的模擬量輸出與其理論值之差。對(duì)于線性的D/A轉(zhuǎn)換器，相對(duì)精度就是非線性度。相對(duì)精度有兩種方法表示，一種是用數(shù)字量最低有效位的位數(shù)LSB表示，另一種是用該偏差的相對(duì)滿刻度值的百分比表示。某DAC精度為±0.1%，滿量程UFS=10V，則該DAC的最大線性誤差電壓：

UE=±0.1%×10V=±10mV對(duì)于n位DAC，精度為±LSB，其最大可能的線性誤差電壓：轉(zhuǎn)換精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念，即使D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率很高，但由于電路的穩(wěn)定性不好等原因，也可能使電路的轉(zhuǎn)換精度不高。3.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度由轉(zhuǎn)換時(shí)間決定，轉(zhuǎn)換時(shí)間是指數(shù)據(jù)變化量是滿度值（輸入由全0變?yōu)槿?或全1變?yōu)槿?）時(shí)，達(dá)到終值±2LSB時(shí)所需的時(shí)間。10.1.4集成DAC集成DAC0832是用CMOS工藝制成的8位DAC轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)字輸入端具有雙重緩沖功能，可根據(jù)需要接成不同的工作方式，特別適用于要求幾個(gè)模擬量同時(shí)輸出的場(chǎng)合。它與微處理器接口很方便。1.DAC0832的主要技術(shù)指標(biāo)

分辨率：8位轉(zhuǎn)換時(shí)間：≤1μs單電源：5～15V線性誤差：≤±0.2%LSB溫度靈敏度：20ppm/oC功耗：20mW2.DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10-7所示。圖10-7DAC0832內(nèi)部由一個(gè)8位輸入寄存器、一個(gè)8位DAC寄存器、一個(gè)8位DAC轉(zhuǎn)換器、邏輯控制電路以及輸出電路的輔助元件RFB等組成。D/A轉(zhuǎn)換器采用了倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)。由于DAC0832有兩個(gè)可以分別控制的數(shù)據(jù)寄存器，所以在使用時(shí)有較大的靈活性，可以接成雙緩沖、單緩沖或直接輸入等工作方式。DAC0832中無(wú)運(yùn)算放大器，且是電流輸出，使用時(shí)需外接運(yùn)算放大器。3.DAC0832的引腳功能DAC0832的引腳排列圖如圖10-8所示。各引腳的功能如下：圖10-8ILE：輸入鎖存允許信號(hào)，輸入高電平有效。：片選信號(hào)，輸入低電平有效。它與ILE結(jié)合起來(lái)可以控制是否起作用。：寫(xiě)信號(hào)1，低電平有效。在和ILE為有效電平時(shí)，用它將數(shù)據(jù)輸入并鎖存于輸入寄存器中。：寫(xiě)信號(hào)2，輸入低電平有效。在為有效電平時(shí)，用它將輸入寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到8位DAC寄存器中。：傳輸控制信號(hào)，輸入低電平有效。用它來(lái)控制是否起作用。在控制多個(gè)DAC0832同時(shí)輸出時(shí)特別有用。DI7～DI0：8位數(shù)字量輸入端。VREF：基準(zhǔn)（參考）電壓輸入端。一般此端外接一個(gè)精確、穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)源。VREF可在-10V～+10V范圍內(nèi)選擇。RFB：反饋電阻。反饋電阻被制作在芯片內(nèi)，用作外接運(yùn)算放大器的反饋電阻，它與內(nèi)部的R-2R電阻相匹配。IOUT1：模擬電流輸出1，接運(yùn)算放大器反相輸入端。其大小與輸入的數(shù)字量DI7～DI0成正比。IOUT2：模擬電流輸出2，接地。其大小與輸入數(shù)字取反后的數(shù)字量DI7～DI0成正比，IOUT1+IOUT2=常數(shù)。VCC：電源輸入端（一般為+5V～+15V）。DGND：數(shù)字地。AGND：模擬地。4.DAC0832的工作方式DAC0832內(nèi)部有兩個(gè)寄存器，所以它可以有雙緩沖型、單緩沖型和直通型等幾種工作方式。如果工作在直通方式，則沒(méi)有鎖存功能；如果工作在緩沖方式，則有一級(jí)或二級(jí)鎖存能力。雙緩沖方式：DAC0832內(nèi)部有兩個(gè)8位寄存器，可以進(jìn)行雙緩沖操作，即在對(duì)某數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的同時(shí)，又可以進(jìn)行下一數(shù)據(jù)的采集，故轉(zhuǎn)換速度較高。這一特點(diǎn)特別適用于要求多片DAC0832的多個(gè)模擬量同時(shí)輸出的場(chǎng)合。在各片的ILE置為高電平、和為低電平的控制下，有關(guān)數(shù)據(jù)分別被輸入各個(gè)相應(yīng)的DAC0832的八位輸入寄存器。當(dāng)需要進(jìn)行同時(shí)模擬輸出時(shí)，在和均為低電平的作用下，把各輸入寄存器中數(shù)據(jù)同時(shí)傳送給各自的DAC寄存器。各個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)轉(zhuǎn)換，同時(shí)給出模擬輸出。單緩沖方式：在不要求多片D/A同時(shí)輸出時(shí)，可以采用單緩沖方式，使兩個(gè)寄存器之一始終處于直通狀態(tài)，這時(shí)只需一次操作，因而可以提高D/A的數(shù)據(jù)吞吐量，直通方式：如果兩級(jí)寄存器都處于常通狀態(tài)，這時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出將跟隨數(shù)字輸入隨時(shí)變化，這就是直通方式。這種情況是將DAC0832直接應(yīng)用于連續(xù)反饋控制系統(tǒng)中，作數(shù)字增量控制器使用。

5.DAC0832與微機(jī)的連接圖10-9所示為DAC0832與80X86計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接的典型電路，它屬于單緩沖方式。圖中的電位器用于滿量程調(diào)整。圖10-9DAC0832在輸入數(shù)字量為單極性數(shù)字時(shí)，輸出電路可接成單極性工作方式；在輸入數(shù)字量為雙極性數(shù)字時(shí)，輸出電路可接成雙極性工作方式。所謂單極性輸出是指微處理機(jī)輸出到D/A轉(zhuǎn)換器的代碼為00H～FFH，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓要么全為負(fù)值，要么全為正值。輸出極性總與基準(zhǔn)電壓的極性相反。所謂雙極性輸出是指微處理機(jī)輸出到DAC的數(shù)字量有正負(fù)之分，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓也有正負(fù)極性之分。如控制系統(tǒng)中對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)正電壓和負(fù)電壓。10.2A/D轉(zhuǎn)換器

功能：A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬電壓量ui轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量D輸出，D為n位二進(jìn)制代碼dn-1dn-2…d1d0。

分類：A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，按工作原理可分為直接型和間接型兩大類。前者直接將模擬電壓轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字代碼，而后者是將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成一個(gè)中間量（如時(shí)間或頻率），然后將中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。下面首先說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換的一般原理和步驟，再分別介紹直接型中的逐次漸近比較型A/D轉(zhuǎn)換器和間接型中的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。10.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟ADC的輸入電壓信號(hào)ui在時(shí)間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字量D是離散的，所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)必須按一定的頻率對(duì)輸入的信號(hào)ui進(jìn)行取樣，得到取樣信號(hào)uS，并在兩次取樣之間使uS保持不變，從而保證將取樣值轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的數(shù)字量。因此，A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程是通過(guò)取樣、保持、量化、編碼4個(gè)步驟完成的。通常取樣和保持用同一個(gè)電路實(shí)現(xiàn)，量化和編碼也是在轉(zhuǎn)換過(guò)程同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。1.取樣與保持

取樣是將在時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的模擬量，如圖10-10所示?？梢钥吹剑瑸榱擞萌有盘?hào)uS準(zhǔn)確地表示輸入信號(hào)ui，必須有足夠高的取樣頻率fS，取樣頻率fS越高就越能準(zhǔn)確地反映ui的變化。那么如何來(lái)確定取樣頻率呢？圖10-10對(duì)任何模擬信號(hào)進(jìn)行諧波分析時(shí)，均可以表示為若干正弦信號(hào)之和，若諧波中最高頻率為fi

max，則根據(jù)取樣定理，取樣頻率應(yīng)滿足：

fS≥2fimax（10-8）此時(shí)，取樣信號(hào)uS就能準(zhǔn)確地反映輸入信號(hào)ui。由于取樣時(shí)間極短，取樣輸出uS為一串?dāng)嗬m(xù)的窄脈沖。而要把一個(gè)取樣信號(hào)數(shù)字化需要一定時(shí)間，因此在兩次取樣之間應(yīng)將取樣的模擬信號(hào)存儲(chǔ)起來(lái)以便進(jìn)行數(shù)字化，這一過(guò)程稱為保持。2.量化與編碼數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在數(shù)值上的變化也是不連續(xù)的。也就是說(shuō)，任何一個(gè)數(shù)字量的大小都是以某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍來(lái)表示的。因此，在用數(shù)字量表示取樣電壓時(shí)，也必須把它化成這個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，所規(guī)定的最小數(shù)量單位稱為量化單位，用△表示。將量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示稱為編碼。這個(gè)二進(jìn)制代碼就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)。輸入模擬電壓通過(guò)取樣保持后轉(zhuǎn)換成階梯波，其階梯幅值仍然是連續(xù)可變的，所以它就不一定能被量化單位△整除，因而不可避免地會(huì)引起量化誤差。對(duì)于一定的輸入電壓范圍，輸出的數(shù)字量的位數(shù)越高，△就越小，因此量化誤差也越小。而對(duì)于一定的輸入電壓范圍、一定位數(shù)的數(shù)字量輸出，不同的量化方法，量化誤差的大小也不同。量化的方法有兩種，下面將分別說(shuō)明。設(shè)輸入電壓ui的輸入電壓范圍為0～UM，輸出為n位的二進(jìn)制代碼?，F(xiàn)取UM=1V，n=3。第一種量化方法：取△=UM/2n=（1/23）V=（1/8）V，規(guī)定0△表示0V＜ui＜（1/8）V，對(duì)應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為000；1△表示（1/8）V＜ui＜（2/8）V，對(duì)應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為001；…；7△表示（7/8）V＜ui＜1V，對(duì)應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為111，如圖10-11（a）所示。顯然，這種量化方法的最大量化誤差為△。第二種量化方法：取△=2UM/（2n+1–1）=（2/15）V，并規(guī)定0△表示0V＜ui＜（1/15）V，對(duì)應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為000；1△表示（1/15）V＜ui＜（3/15）V，對(duì)應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為001；…；7△表示（13/15）V＜ui＜1V，對(duì)應(yīng)的輸出二進(jìn)制代碼為111，如圖10-11（b）所示。顯然，這種量化方法的最大量化誤差為△/2。實(shí)際電路中多采用這種量化方法。圖10-1110.2.2取樣保持電路取樣保持電路實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的取樣和保持兩個(gè)步驟。其基本形式如圖10-12所示。它由N溝道MOS管T作為取樣開(kāi)關(guān)、存儲(chǔ)電容C和運(yùn)放等組成。當(dāng)取樣控制信號(hào)uL為高電平時(shí)，T導(dǎo)通，輸入信號(hào)ui經(jīng)電阻Ri向電容C充電。取Ri=Rf且忽略運(yùn)放的凈輸入電流，則充電結(jié)束后uo=uC=-uI。取樣控制信號(hào)uL躍變?yōu)榈碗娖胶?，MOS管T截止，由于電容C上的電壓uC保持基本不變，即取樣的結(jié)果被保持下來(lái)直到下一個(gè)取樣控制信號(hào)的到來(lái)?？梢钥闯?，只有電容C的漏電越小，運(yùn)放的輸入阻抗越大，uo保持的時(shí)間才越長(zhǎng)。圖10-12顯然，取樣過(guò)程是一個(gè)充電過(guò)程，且Ri越小，充電時(shí)間越短，取樣頻率可以越高；在充電過(guò)程中，電路的輸入電阻為Ri，為使電路從信號(hào)源索取的電流小些，則要求輸入電阻大；因此取樣速度與輸入阻抗產(chǎn)生了矛盾。下面介紹在圖10-12所示電路基礎(chǔ)上改進(jìn)而得的電路，如圖10-13所示。A1和A2是兩個(gè)運(yùn)放，取樣控制信號(hào)uL通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路L控制開(kāi)關(guān)S。uL=1時(shí)，開(kāi)關(guān)S閉合。A1和A2工作在單位增益的電壓跟隨狀態(tài)，則ui=uo/=uC=uo；uL=0時(shí)，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)。由于電容C沒(méi)有放電回路，uC保持ui不變，所以輸出uo也保持ui不變。圖10-13開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，電路處于保持階段，如果ui變化，uo/可能變化非常大，甚至?xí)^(guò)開(kāi)關(guān)電路能夠承受的電壓，因此用二極管D1、D2構(gòu)成保護(hù)電路。當(dāng)uo/比保持電壓uo高（或低）一個(gè)二極管的壓降UD時(shí)，D1（或D2）導(dǎo)通，從而使uo/=uo+UD（或uo/=uo-UD）。在開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)uo/=uo，所以D1和D2不導(dǎo)通，保護(hù)電路不起作用。由于電路在取樣開(kāi)關(guān)與輸入信號(hào)之間加一級(jí)運(yùn)放A1，提高了輸入阻抗。同時(shí)由于運(yùn)放A1輸出阻抗小，使電容充、放電過(guò)程加快，從而提高了取樣速度。10.2.3逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器是直接型A/D轉(zhuǎn)換器，也是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中用得最多的一種電路。其轉(zhuǎn)換過(guò)程類似于天平稱物的過(guò)程，天平的一端放物M，一端放砝碼。用天平將各種質(zhì)量的砝碼按一定規(guī)律與M進(jìn)行比較、取舍，直到天平基本平衡，這時(shí)天平托盤(pán)中砝碼的質(zhì)量之和就表示M的質(zhì)量。圖10-14所示是逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖。它由比較器、n位D/A轉(zhuǎn)換器、n位寄存器、控制電路、輸出電路、時(shí)鐘信號(hào)CP以及參考電壓源等組成。輸入為ui，輸出為n位二進(jìn)制代碼。圖10-14轉(zhuǎn)換開(kāi)始之前將寄存器清零（dn-1dn-2…d1d0=00…00）。開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)，控制電路先將寄存器的最高位置1（dn-1=1），其余位全為0，使寄存器輸出為（dn-1dn-2…d1d0=1…00），這組數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uX后通過(guò)電壓比較器與ui進(jìn)行比較。若ui＞uX，說(shuō)明寄存器中的數(shù)字不夠大，則將這一位的1保留；若ui＜uX，說(shuō)明寄存器中的數(shù)字太，則將這一位的1清除，從而決定了dn-1的值。然后將次高位置1（dn-2=1），再通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器將此時(shí)寄存器的輸出（dn-1dn-2…d1d0=dn-11…00）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uX，通過(guò)uX與ui比較決定dn-2的取值。依此類推，逐位比較，一直到最低位為止。下面以3位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路為例，如圖10-15所示，具體說(shuō)明轉(zhuǎn)換過(guò)程和轉(zhuǎn)換時(shí)間。圖10-15圖中FF2、FF1和FF0組成3位數(shù)碼寄存器；觸發(fā)器FFa～FFe和門(mén)G1～G5構(gòu)成控制電路，其中FFa～FFe接成環(huán)形計(jì)數(shù)器，門(mén)G6～G8為輸出電路。在轉(zhuǎn)換開(kāi)始前使QaQbQcQdQe=10000，且Q2=Q1=Q0=0。第一個(gè)CP信號(hào)到達(dá)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器右移一位，使Qb=1、Qa=Qc=Qd=Qe=0，并且將數(shù)碼寄存器的最高位FF2置1，F(xiàn)F1和FF0置0。這時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入代碼為d2d1d0=100，由此可在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓uX。通過(guò)比較器C對(duì)ui與uX進(jìn)行比較，若ui＜uX，比較器輸出uC為高電平；若ui≥uX，則uC為低電平。第二個(gè)CP信號(hào)到達(dá)時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器右移一位，使Qc=1、Qa=Qb=Qd=Qe=0。若uC為高電平（ui＜uX），說(shuō)明寄存器中的數(shù)字太大，則將這一位的1清除，即將FF2置0；若uC=0（ui≥uX），說(shuō)明寄存器中的數(shù)字不夠大，則將這一位的1保留，即FF2保持1，從而確定了數(shù)碼寄存器中“Q2”的值。與此同時(shí)，Qc的高電平將次高位FF1置1。這時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入代碼為d2d1d0=Q210，輸出為這個(gè)代碼相應(yīng)的模擬電壓uX。通過(guò)對(duì)ui與uX進(jìn)行比較決定比較器C的輸出uC。第三個(gè)CP信號(hào)到達(dá)時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器再右移一位，使Qd=1、Qa=Qb=Qc=Qe=0。根據(jù)比較器的輸出uC確定FF1的值，也就是確定了數(shù)碼寄存器中“Q1”的值，同時(shí)將寄存器FF0置1。這時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入代碼為d2d1d0=Q2Q11，輸出為這個(gè)代碼相應(yīng)的模擬電壓uX。通過(guò)對(duì)ui與uX進(jìn)行比較決定比較器C的輸出uC。第四個(gè)CP信號(hào)到達(dá)時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器再右移一位，使Qe=1、Qa=Qb=Qc=Qd=0。根據(jù)比較器的輸出uC確定FF0的值，也就是確定了數(shù)碼寄存器中“Q0”的值。Qe=1將門(mén)G6～G8打開(kāi)，寄存器FF2、FF1和FF0的狀態(tài)“Q2Q1Q0”作為轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。第五個(gè)CP信號(hào)到達(dá)時(shí)，Qa=1、Qb=Qc=Qd=Qe=0且Q2=Q1=Q0=0，電路回到初態(tài)準(zhǔn)備下一次轉(zhuǎn)換?？梢?jiàn)，3位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器完成1次轉(zhuǎn)換需要5個(gè)時(shí)鐘CP周期。依此類推，n位A/D轉(zhuǎn)換器需要（n+2）個(gè)CP周期。10.2.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是間接型A/D轉(zhuǎn)換器中最常用的一種。它與直接型A/D轉(zhuǎn)換器相比具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器首先將輸入的模擬電壓ui轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間量T，再在時(shí)間間隔T內(nèi)對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)的結(jié)果就是一個(gè)正比于ui的數(shù)字量。圖10-16所示為雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖，它由積分器、比較器、n位計(jì)數(shù)器、控制電路、固定頻率時(shí)鐘源CP、開(kāi)關(guān)S2～S0以及基準(zhǔn)電壓等組成。輸入為模擬電壓ui，輸出為n位二進(jìn)制代碼。下面結(jié)合工作波形說(shuō)明它的轉(zhuǎn)換過(guò)程。圖10-16電路的工作分為兩個(gè)積分階段。轉(zhuǎn)換開(kāi)始前開(kāi)關(guān)S0閉合使電容C完全放電，計(jì)數(shù)器清零。第一階段為定時(shí)積分，積分時(shí)間為T(mén)1?？刂齐娐穼㈤_(kāi)關(guān)S1閉合，開(kāi)關(guān)S2和S0斷開(kāi)。積分器對(duì)輸入模擬電壓ui積分，其輸出（10-9）式中T1、R和C均為常數(shù)，因此uo與ui成正比。若uI1＞uI2，則定時(shí)積分的終值|uo1|＞|uo2|，如圖10-17所示。第二階段為反向積分，并在積分的同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)?？刂齐娐穼㈤_(kāi)關(guān)S2閉合，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S0保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)。積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓（-UREF）進(jìn)行積分，與此同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)。由于基準(zhǔn)電壓（-UREF）與ui極性相反，因此積分器的積分方向與定時(shí)積分時(shí)相反，|uo|逐漸減小。當(dāng)uo=0時(shí)，比較器的輸出uC產(chǎn)生躍變，且通過(guò)控制電路停止積分和計(jì)數(shù)。該過(guò)程所需時(shí)間為T(mén)2，因此（10-10）可見(jiàn)，第二階段的積分時(shí)間T2是一個(gè)與輸入電壓ui成正比的量。若時(shí)鐘脈沖的固定頻率為fCP，則第二階段結(jié)束時(shí)計(jì)數(shù)器的輸出為：D=T2·fCP=T2/TCP（10-11）TCP為CP的周期。將式（10-8）代入式（10-10），可得（10-12）可見(jiàn)，數(shù)字量D與輸入模擬電壓ui成正比，如圖10-17所示波形。圖10-1710.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率分辨率用于描述A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入量微小變化的敏感程度。A/D轉(zhuǎn)換器的輸出是n位二進(jìn)制代碼，因此在輸入電壓范圍一定時(shí)，位數(shù)越多，量化誤差也就越小，轉(zhuǎn)換精度也越高，分辨能力也越強(qiáng)。但分辨率僅僅表示A/D轉(zhuǎn)換器在理論上可以達(dá)到的精度。2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度常用轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述。它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量的差別，通常用最低位的位數(shù)表示。轉(zhuǎn)換誤差是綜合性誤差，它是量化誤差、電源波動(dòng)以及轉(zhuǎn)換電路中各種元件所造成的誤差的總和。實(shí)際的轉(zhuǎn)換精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念。分辨率很高，但由于電路的穩(wěn)定性不好等原因，可能使電路的轉(zhuǎn)換精度并不高。3.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度用完成1次轉(zhuǎn)換時(shí)間來(lái)表示。它是從接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)起，到輸出端