數(shù)字電子技術(shù)（第2版）課件 ch10轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用

第10章D/A和A/D轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用電子電氣基礎(chǔ)課程規(guī)劃教材數(shù)字電子技術(shù)(第2版）01概

述PARTONE電子技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)可以獨(dú)立研究、單獨(dú)設(shè)計，而兩者之間通過模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器和數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器聯(lián)系在一起。A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，送到數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理；處理后的結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號，作為模擬系統(tǒng)的輸入。一個典型的計算機(jī)檢測與控制系統(tǒng)示意圖如圖10.1.1所示。生產(chǎn)過程中的各種物理量，通過傳感器變成模擬電信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，經(jīng)過數(shù)字系統(tǒng)或計算機(jī)處理后，通過D/A轉(zhuǎn)換器將處理結(jié)果還原成模擬信號，最后對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。被監(jiān)控的物理量可以是溫度、濕度、壓力或氣體濃度等。通過圖10丄1所示的閉環(huán)測控系統(tǒng)，可以很方便地構(gòu)建諸如恒溫、恒濕控制或壓力、氣體濃度報警等電路。為了保證處理結(jié)果的準(zhǔn)確性，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器必須要有足夠的轉(zhuǎn)換精度。同時，為了適應(yīng)快速過程的檢測和控制需要，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器必須要有足夠快的轉(zhuǎn)換速度。因此，轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是衡量A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)劣的主要參數(shù)。02D/A轉(zhuǎn)換器PARTTWO權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器本節(jié)主要介紹權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，及倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。此外，還對D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)、常用D/A轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行介紹。一個n位的二進(jìn)制數(shù)用Dn=dn-1dn-2…d1d0表示，則從最高位(MostSignificantBit，MSB)到最低位(LeastSignificantBit，LSB)的權(quán)值依次為2n-1，2n-2，…，21，20。一個4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖如圖10.2.1所示。整個電路由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、4個電子開關(guān)S0?S3和一個求和運(yùn)算放大器組成。電路的輸入數(shù)據(jù)是4位二進(jìn)制數(shù)字量D(d3d2d1d0)，輸岀是模擬電壓uO，工作時還需要一個外部基準(zhǔn)電壓VREF。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖10.2.1所示電路中運(yùn)算放大器的同相輸入端接地，因此反相輸入端為“虛地”。4個權(quán)電阻的公共端接基準(zhǔn)電壓VREF，4位二進(jìn)制數(shù)字量由輸入端d3、32、d1、d0并行輸入，分別用于控制電子開關(guān)S3、S2、S1、S0。當(dāng)某一位二進(jìn)制數(shù)4為“1”時，對應(yīng)開關(guān)Si置向運(yùn)放反相輸入端，即“虛地”，支路電流Ii匯集流入反饋電阻RF；當(dāng)必為“0”時，對應(yīng)開關(guān)Si置向運(yùn)放同相輸入端，即直接接地，支路電流Ii不能流入反饋電阻RF。無論電子開關(guān)Si置向運(yùn)放的反相輸入端（“虛地”），還是同相輸入端（接地），即無論輸入di為“1”還是“0”，各支路電流Ii大小是不變的，即而改變的是各支路電流之和妃（即反饋電阻電流上），它與各支路電流赤和輸入數(shù)字量di之間的關(guān)系為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器由式（10.2.4）可得出，對于n位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻為R/2時，輸出電壓的計算公式為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器由式（10.2.5）可知，n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出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，uO=0，當(dāng)Dn=11…11時，故uO的最大變化范圍是。權(quán)電阻

網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，所用電阻元件數(shù)較少。缺點(diǎn)是各個權(quán)電阻的阻值相差較大，尤其在輸入數(shù)字量的位數(shù)較多時，該問題就更加突出，會給集成制造工藝帶來巨大的困難。例如，當(dāng)數(shù)字量為8位時，若最小權(quán)電阻R=10kΩ，則最大權(quán)電阻將達(dá)到27R=1.28MΩ。要在極為寬廣的阻值范圍內(nèi)保證每個電阻都有很高的精度是十分困難的。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器在倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，只有R和2R兩種阻值的電阻，這非常有利于集成電路的設(shè)計和制造。一個4位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖如圖10.2.2所示。整個電路由4位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、4個電子開關(guān)S0?S3和1個運(yùn)算放大器組成。電路的輸入數(shù)據(jù)是4位二進(jìn)制數(shù)字量D（d3d2d1d0），輸出是模擬電壓uO，工作時還需要一個外部基準(zhǔn)電壓VREF。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖1022所示電路中運(yùn)算放大器的同相輸入端接地，因此反相輸入端為“虛地”。4位二進(jìn)制數(shù)字量由輸入端d3、d2、d1、d0并行輸入，分別用于控制電子開關(guān)S3、S2、S1、S0。當(dāng)某1位二進(jìn)制數(shù)di為“1”時，對應(yīng)開關(guān)置向運(yùn)放反相輸入端，即“虛地”，支路電流Ii匯集流入反饋電阻RF；當(dāng)di為“0”時，對應(yīng)開關(guān)Si置向運(yùn)放同相輸入端，即直接接地，支路電流Ii不能流入反饋電阻RF。與權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器類似，無論電子開關(guān)S，?置向運(yùn)放的反相輸入端（“虛地”），還是同相輸入端（接地），即無論輸入di為“1”還是“0”，各支路電流Ii大小是不變的。在計算倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)中各支路電流時，可將電阻網(wǎng)絡(luò)等效地變換成圖10.2.3所示的形式。不難看出，從AA、BB、CC、DD每個端口向右看，等效電阻都是R，因此從基準(zhǔn)電壓源VREF流入倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的總電流I=VREF/R，而每個支路的電流依次為：倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電子開關(guān)S，?置向運(yùn)放的反相輸入端（“虛地”），或同相輸入端（接地），不會改變每個支路電流Ii的大小，改變的是各支路電流之和iΣ（即反饋電阻電流上），它與各支路電流Ii和輸入數(shù)字量di之間的關(guān)系為時序控制電路設(shè)計由式（10.2.9）可知，n位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出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。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器最大的優(yōu)點(diǎn)是：無論輸入數(shù)字量如何變化，流過基準(zhǔn)電源及各支路的電流始終不變，因此不需要電流建立時間，這有利于提高D/A轉(zhuǎn)換的速度。另外，倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)中只有夫和2R兩種阻值的電阻，便于集成制造。因此，相對于權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用更加廣泛。D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)包括：轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度。1.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度對于D/A轉(zhuǎn)換器，通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述其轉(zhuǎn)換精度。（1）分辨率分辨率可用D/A轉(zhuǎn)換器輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個不同的狀態(tài)，能給出2n個不同等級的輸出電壓。因此，以輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)定義的分辨率能表示D/A轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到的精度。此外，還可以用D/A轉(zhuǎn)換器能分辨的最小輸出電壓（即輸入二進(jìn)制數(shù)最低位為“1”，其余位為“0”）與最大輸出電壓（即輸入二進(jìn)制數(shù)全部位為“1”）的比值來定義分辨率。因此，n位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為例如，對于10位的D/A轉(zhuǎn)換器，其分辨率為D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)（2）轉(zhuǎn)換誤差由于D/A轉(zhuǎn)換器的各個環(huán)節(jié)在參數(shù)、性能上與理論值之間不可避免存在差異，因此實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果是存在轉(zhuǎn)換誤差的。轉(zhuǎn)換誤差可以用最低有效位（LSB）的倍數(shù)表示。1個LSB是指輸入二進(jìn)制數(shù)最低位為“1”，其余位為“0”時對應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，即能分辨的最小輸出電壓。若某D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差為LSB/2，則表示其實(shí)際輸出電壓與理論值之間的絕對誤差小于等于當(dāng)輸入二進(jìn)制數(shù)為“00…01”時輸出電壓的一半。此外，還可以用輸出電壓滿刻度FSR（FullScaleRange）的百分?jǐn)?shù)表示輸出電壓誤差絕對值的大小。而FSR是指輸入二進(jìn)制數(shù)全部位數(shù)為“1”時對應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，即最大輸出電壓。D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)導(dǎo)致D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生誤差的原因有基準(zhǔn)電壓4ef的波動、運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移、電子開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻及導(dǎo)通壓降、電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻值的偏差等。各種因素所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換誤差，其特點(diǎn)也不相同。由式（10.2.9）可知，因基準(zhǔn)電壓波動△VREF引起的誤差電壓該式表明，在基準(zhǔn)電壓波動△庇f一定的情況下，△u01的絕對值與輸入二進(jìn)制數(shù)Dn的大小成正比。因此，將這種由基準(zhǔn)電壓波動引起的轉(zhuǎn)換誤差稱為比例系數(shù)誤差。由運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移所導(dǎo)致的誤差電壓△u02與輸入二進(jìn)制數(shù)以的大小無關(guān)，但它會使得實(shí)際的輸出電壓在原有基礎(chǔ)上向上或向下發(fā)生偏移。因此，將這種由運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移所導(dǎo)致的誤差稱為漂移誤差或平移誤差。D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)由于每個電子開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻及導(dǎo)通壓降不可能完全相同，電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻值的偏差也不可能每個都一樣，因此所產(chǎn)生的誤差電壓△細(xì)3既非常數(shù)，也不會和輸入二進(jìn)制數(shù)Dn成正比。因此，將這一類性質(zhì)的誤差稱為非線性誤差。以上幾類誤差，不存在確定的函數(shù)關(guān)系，所以最壞情況下輸出的總誤差為它們的絕對值之和，即以上分析表明，為了獲得高精度的D/A轉(zhuǎn)換，單純選擇高分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器件是不夠的，還必須要有高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)電壓源，并且要有低漂移的運(yùn)算放大器與之配合。D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)2.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度通常用建立時間tset來定量描述，它是指輸入二進(jìn)制數(shù)發(fā)生變化，直到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差土?LSB范圍以內(nèi)的這段時間。輸入二進(jìn)制數(shù)變化越大，建立時間越長。因此，通常用輸入二進(jìn)制數(shù)從全“0”變?yōu)槿?”時的建立時間來衡量D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。對于外接運(yùn)算放大器的D/A轉(zhuǎn)換器，運(yùn)算放大器的建立時間將成為D/A轉(zhuǎn)換器建立時間tset的主要成分。為了獲得更快的轉(zhuǎn)換速度，應(yīng)選擇轉(zhuǎn)換速率更快的運(yùn)算放大器。常用D/A轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用D/A轉(zhuǎn)換器件的種類很多。以輸入方式分類有串行輸入型和并行輸入型；以輸出方式分類有電流輸出型和電壓輸出型；以輸出通道分類有單通道輸出型和多通道輸出型。實(shí)際應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度、價格、封裝類型及工作電壓等因素去綜合選擇器件類型。1.D/A轉(zhuǎn)換器AD752010位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器AD7520的電路原理圖如圖10.2.4所示，其中虛線框部分為AD7520的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包含倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、電子開關(guān)和反饋電阻，不含運(yùn)算放大器。AD7520的10位數(shù)字量釆用并行輸入，轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流型輸出，實(shí)際使用時需要外接運(yùn)放和基準(zhǔn)電壓源。另外，為降低電子開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻，供電電壓一般在10V左右。常用D/A轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用常用D/A轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用AD7520的外部引腳圖如圖10.2.5所示，引腳功能描述如表10.2.1所示。AD7520的主要性能參數(shù)有：分辨率為10位，轉(zhuǎn)換周期（速度）為500ns，線性誤差為±?LSB（或0.05%FSR），溫度系數(shù)（輸出模擬電壓隨溫度變化而變化的量）為0.001%/°C。常用D/A轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用例10.2.2用AD7520設(shè)計一個輸出電壓為0?5V的鋸齒波發(fā)生電路。解：該電路可由10位二進(jìn)制加法計數(shù)器、AD7520及集成運(yùn)算放大器組成，如圖10.2.6所示。要求輸出電壓為0?5V，因此基準(zhǔn)電壓VREF選用-5V。10位二進(jìn)制加法計數(shù)器從全“0”增加到全“1”，電路的輸出電壓u0從0增加到最大值。計數(shù)是周而復(fù)始的，因此輸出電壓也會按計數(shù)周期從0到最大值循環(huán)變化，從而產(chǎn)生周期性的鋸齒波，如圖10.2.7所示。常用D/A轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用TLC5615是一個串行10位輸入、電壓輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器，只需要3根連線就可以實(shí)現(xiàn)10位D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的串行輸入，易于和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微處理器或微控制器（單片機(jī)）連接，應(yīng)用十分廣泛。TLC5615主要特性有：單5V電源工作、3線串行接口、高阻抗基準(zhǔn)電壓輸入端、轉(zhuǎn)換輸出的最大電壓為2倍基準(zhǔn)輸入電壓、上電時內(nèi)部自動復(fù)位、最大功耗為1.75mW、最大轉(zhuǎn)換頻率（速率）為80kHz。釆用8腳直插式封裝的TLC5615的外部引腳圖如圖10.2.8所示，引腳功能描述如表10.2.2所示。一般情況下，TLC5615的高電平輸入電壓不得低于2.4V，低電平輸入電壓不得高于0.8V，負(fù)載電阻不得小于2kΩ。常用D/A轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用TLC5615的工作時序如圖10.2.9所示。當(dāng)片選CS為低電平時，待D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)按時鐘SCLK的節(jié)拍從DIN端口同步串行輸入，且高位在前，低位在后。在每一個SCLK的上升沿將串行輸入數(shù)據(jù)的一位移入內(nèi)部的16位移位寄存器；每一個SCLK的下降沿將16位移位寄存器數(shù)據(jù)的一位從DOUT端口送出；在片選CS的上升沿將16位移位寄存器的10位有效數(shù)據(jù)鎖存于10位D/A轉(zhuǎn)換寄存器，供轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。常用D/A轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用當(dāng)片選CS為高電平時，待D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)不能按時鐘SCLK的節(jié)拍從DIN端口同步送入16位移位寄存器，DOUT端口保持最近的數(shù)值不變而不進(jìn)入高阻狀態(tài)。由此可見，要想串行輸入和輸出數(shù)據(jù)必爽茜足兩個條件：第一，時鐘SCLK發(fā)生有效跳變；第二，片選CS為低電平。另外，當(dāng)片選CS為高電平時，輸入時鐘SCLK應(yīng)當(dāng)為低電平，且CS的上升和下降沿都應(yīng)發(fā)生在SCLK為低電平期間。常用D/A轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用TLC5615的16位移位寄存器分為高4位虛擬位、低2位填充位以及中間的10位有效位。TLC5615在使用時有兩種方式，即級聯(lián)方式和非級聯(lián)方式。在非級聯(lián)方式下，只需從DIN端口串行輸入12位數(shù)據(jù)，在這12位數(shù)據(jù)中，前10位為輸入的D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，且輸入時高位在前，低位在后，后兩位為填充位，通常取為0。在級聯(lián)方式下，可以將本片TLC5615的DOUT端口連接到下一片的DIN端口，且需要向16位移位寄存器按順序輸入高4位虛擬位、10位有效位和低2位填充位，由于增加了高4位虛擬位，所以整個過程需要16個時鐘脈沖。圖10.2.10所示為TLC5615和AT89C51單片機(jī)的硬件連線圖。其中，AT89C51的P1.0?P1.2分別連接TLC5615的片選CS，串行時鐘輸入端SCLK和串行數(shù)據(jù)輸入端DIN。TLC5615釆用非級聯(lián)方式，基準(zhǔn)電壓VREF選為2.048V，則其最大轉(zhuǎn)換輸出電壓為4.096V。常用D/A轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用3.D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832DAC0832是一種并行8位輸入、電流輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部釆用了倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，D/A轉(zhuǎn)換的建立時間(轉(zhuǎn)換速度)為訴。DAC0832的外部引腳圖如圖10211所示，引腳功能描述如表10.2.3所示。DAC0832內(nèi)部有兩個寄存器，即輸入寄存器和DAC寄存器。當(dāng)ILE為高電平、CS和WRi為低電平時，輸入寄存器工作在寫直通狀態(tài)，否則工作在數(shù)據(jù)鎖存狀態(tài)；當(dāng)XFER或和WR2為低電平時，DAC寄存器工作在寫直通狀態(tài)，否則工作在數(shù)據(jù)鎖存狀態(tài)。因此，DAC0832在使用時有三種連接方式：單緩沖工作方式、雙緩沖工作方式和直通工作方式。常用D/A轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用常用D/A轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用對于單緩沖工作方式，在不要求多個D/A轉(zhuǎn)換器同時輸出時，可釆用此方式。此時，DAC0832內(nèi)部兩個寄存器一個工作在受控鎖存狀態(tài)(即根據(jù)控制信號在數(shù)據(jù)鎖存狀態(tài)和寫直通狀態(tài)之間交替工作)，一個工作在寫直通狀態(tài)。這樣只需一次寫操作，就開始轉(zhuǎn)換，可以提高D/A的數(shù)據(jù)吞吐量。對于雙緩沖工作方式，DAC0832內(nèi)部兩個寄存器都工作在受控鎖存狀態(tài)，可在輸出的同時，釆集下一個數(shù)據(jù)，提高了轉(zhuǎn)換速率；也可在多個轉(zhuǎn)換器同時工作時，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換輸出。DAC0832的直通工作方式如圖10.2.12所示，此時DAC0832內(nèi)部兩個寄存器都工作在寫直通狀態(tài)，輸出隨輸入二進(jìn)制數(shù)的變化而隨時變化。由于DAC0832是電流型輸出，為了轉(zhuǎn)換成電壓，還必須外接一個運(yùn)算放大器，芯片內(nèi)部已設(shè)置了一個反饋電阻，因此只要將DAC0832的Rf引腳與運(yùn)算放大器的輸出端連接即可，此時輸出u0為位數(shù)碼管顯示驅(qū)動電路設(shè)計其中，D為8位二進(jìn)制輸入數(shù)據(jù)，范圍在0?255之間，VREF為外接的基準(zhǔn)電壓。若需要增大運(yùn)算放大器增益，可在RF引腳與運(yùn)算放大器的輸出端之間再串接一個電阻。03A/D轉(zhuǎn)換器PARTTHREEA/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換方法的不同有：并聯(lián)比較型，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，但轉(zhuǎn)換精度不高；反饋比較型，又包括計數(shù)型和逐次逼近型，其中逐次逼近型轉(zhuǎn)換精度高，且轉(zhuǎn)換速度較快；雙積分型，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度較慢。根據(jù)工作原理的不同，A/D轉(zhuǎn)換器可分為直接轉(zhuǎn)換型和間接轉(zhuǎn)換型。直接型A/D轉(zhuǎn)換器可直接將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，工作速度快，并聯(lián)比較型和反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器就屬于這一類；而間接型A/D轉(zhuǎn)換器需要將模擬信號先轉(zhuǎn)換成中間量（如時間、頻率等），然后再將中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，工作速度相對較慢，如雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器就屬于間接型A/D轉(zhuǎn)換器。下面首先介紹A/D轉(zhuǎn)換原理，然后介紹并聯(lián)比較型、反饋比較型和雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，最后對A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)、常見A/D轉(zhuǎn)換器件及應(yīng)用進(jìn)行介紹。A/D轉(zhuǎn)換原理模擬量在時間和幅值上都是連續(xù)的，A/D轉(zhuǎn)換是要得到在時間和幅值上都離散的數(shù)字量。因此，轉(zhuǎn)換只能是在一系列選定的瞬間對輸入的模擬信號進(jìn)行釆樣，然后再轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換首先是對輸入的模擬電信號進(jìn)行釆樣，采樣的結(jié)果要保持一定的時間，而在這段時間內(nèi)完成對采樣結(jié)果的量化編碼。然后，再開始下一次A/D轉(zhuǎn)換。1.采樣與保持如圖10.3.1所示，釆樣就是將時間上連續(xù)變化的信號旳轉(zhuǎn)換為時間上離散的信號us（釆樣信號）。為了能從采樣信號中恢復(fù)原來的被采樣信號，釆樣脈沖彼l必須要有足夠高的頻率。根據(jù)采樣定理可知A/D轉(zhuǎn)換原理其中，公為采樣脈沖頻率，fimax為輸入模擬信號的的最高頻率分量的頻率。在滿足釆樣定理的情況下，可用低通濾波器將處還原為的。該低通濾波器的電壓傳輸系數(shù)在低于fimax的范圍保持不變，而在fs-fimax以前應(yīng)迅速衰減為0，如圖10.3.2所示。A/D轉(zhuǎn)換器的釆樣頻率必須高于式（10.3.1）所規(guī)定的頻率。提高采樣頻率必然使每次轉(zhuǎn)換的時間相應(yīng)縮短，即要求轉(zhuǎn)換電路有更快的轉(zhuǎn)換速度。因此，釆樣頻率不能無限制地提高，通常取fs=(3～5)×fimax即可。A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，因此每次采樣后，需要把釆樣電壓保持一定的時間，如圖10.3.1所示的采樣-保持信號uSH。由于轉(zhuǎn)換是在釆樣結(jié)束后的保持時間內(nèi)完成的，因此轉(zhuǎn)換結(jié)果所釆樣電壓需要保持一定的時間，可由對應(yīng)的模擬電壓是每次釆樣結(jié)束時的S值。A/D轉(zhuǎn)換原理A/D轉(zhuǎn)換原理釆樣電壓需要保持一定的時間，可由釆樣-保持電路來完成。圖10.3.3所示為基本形式的釆樣-保持電路。在釆樣脈沖uL高電平期間，開關(guān)管VT導(dǎo)通，uI向電容C充電，運(yùn)算放大器構(gòu)成同相電壓跟隨器，使得“uO跟隨uI的變化而變化；而在釆樣脈沖uL低電平期間，開關(guān)管Vt截止，考慮到運(yùn)算放大器A有很高的輸入阻抗，可認(rèn)為電容C上的電荷不被泄放，因此uO保持米樣最后一刻的電壓不變，直到下一次采樣。A/D轉(zhuǎn)換原理圖10.3.4所示是常用集成采樣-保持電路LF398的電路結(jié)構(gòu)及其典型接法。其中，A1、A2為兩個運(yùn)算放大器，S為電子開關(guān)，L是邏輯控制電路。uL和VREF是邏輯控制電路的輸入，當(dāng)uL>VREF+VTH時，S閉合，為采樣階段；當(dāng)uL<VREF+VTH時，S斷開，為保持階段。VTH為閾值電壓，約為1.4V，而VREF+通常接地。另外，圖10.3.4所示LF398電路結(jié)構(gòu)中的二極管D1、D2組成了雙向限幅保護(hù)電路，避免由于A1的輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)而使開關(guān)S承受過高的電壓。LF398的2腳是失調(diào)調(diào)整輸入端，通過調(diào)整失調(diào)電壓Vos，可使u1=0時，u0=0。A/D轉(zhuǎn)換原理2.量化與編碼釆樣只是將模擬信號在時間上離散化，而數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，在幅值上也是離散的。因此，釆樣后的信號還需要做進(jìn)一步的處理。A/D轉(zhuǎn)換原理釆樣只是將模擬信號在時間上離散化，而數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，在幅值上也是離散的。因此，釆樣后的信號還需要做進(jìn)一步的處理。任何一個數(shù)字量只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，必須將釆樣-保持電路的輸出電壓表示為這個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這一過程稱為量化，所取的最小數(shù)量單位稱為量化單位，用△表示。顯然，數(shù)字信號最低有效位為1，其他位為0時所代表的數(shù)量就等于△，即1LSB。將量化的結(jié)果用代碼（可以是二進(jìn)制的，也可以是其他進(jìn)制的）表示出來，稱為編碼。這些代碼也就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果。量化過程中，釆樣電壓不一定能被△整除，因此量化后的結(jié)果必然存在誤差，這種誤差稱為量化誤差，用8表示。量化誤差是原理性誤差，是不可避免的，但可以通過合理選擇量化電平、增大量化級數(shù)來盡量減小。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出n位的并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10.3.5所示，它由2n-l個電壓比較器、一個2n-l位的寄存器、一個n位輸出的優(yōu)先編碼器及由2n個精密電阻組成的基準(zhǔn)電壓分壓網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓VREF通過2n個精密電阻構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)，得到2n-1個量化電平送至比較器的反相輸入端。輸入電壓uI與各個比較器的量化電平進(jìn)行比較，產(chǎn)生2n-1位的二進(jìn)制碼，在時鐘CP上升沿鎖入寄存器，最后通過優(yōu)先編碼器得到n位的二進(jìn)制數(shù)（dn-1?d0），完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。顯然，輸入電壓的不同（落在不同的量化區(qū)間），比較得到的2n-1位的二進(jìn)制碼（Qn-1?Q0）也會不同，因而最后通過優(yōu)先編碼器得到的〃位二進(jìn)制數(shù)（dn-1?d0）也不會相同。表10.3.1所示為3位并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的代碼轉(zhuǎn)換表。反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器最大的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快（如8位并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間可達(dá)50ns以下）；另外，電路中包含寄存器，因此可以不附加采樣-保持電路。缺點(diǎn)是要使用很多的電壓比較器和觸發(fā)器，而且分辨率每提高一位，元件數(shù)量就要增加一倍，成本也會相應(yīng)增高。反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理是取一個數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，得到一個對應(yīng)的輸出模擬電壓，將該模擬電壓與待轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓一并送到電壓比較器進(jìn)行比較，若不相等，則調(diào)整所取的數(shù)字量，直到兩個模擬電壓相等為止，最后所取的數(shù)字量就是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。常見的反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器有計數(shù)型和逐次逼近型兩種。反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器1.計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10.3.6所示。轉(zhuǎn)換開始前計數(shù)器復(fù)位為零，轉(zhuǎn)換控制信號uL為低電平，G門被封鎖，計數(shù)器不工作。由于計數(shù)器輸岀為零，因此經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓u0。也為零。待轉(zhuǎn)換電壓uI為正電壓，因此比較器輸岀uB為高電平。反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換時uL變?yōu)楦唠娖?，脈沖源經(jīng)G門送至計數(shù)器CLK端，計數(shù)器開始計數(shù)。隨著計數(shù)的進(jìn)行，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓u0也不斷增加，當(dāng)增至u0等于uI時，比較器輸出期由高電平變?yōu)榈碗娖?，使G門被封鎖，計數(shù)停止。此時，計數(shù)器中所存的數(shù)碼就是所需的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。計數(shù)過程中，計數(shù)值不斷變化，不宜直接輸出。為此，在輸出端設(shè)置了輸出寄存器，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，由外信號的下降沿將計數(shù)器的數(shù)碼置入輸岀寄存器，并以輸出寄存器的結(jié)果作為最終的輸出信號。計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器最大的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時間比較長，當(dāng)輸出n位二進(jìn)制數(shù)碼時，最長的轉(zhuǎn)換時間可達(dá)2n-1倍的時鐘信號周期。但計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)簡單，因此適用于對轉(zhuǎn)換時間沒有嚴(yán)格要求的場合。反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器2.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器為了提高轉(zhuǎn)換速度，在計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上提岀了逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)如圖10.3.7所示。它以逐次逼近寄存器和控制邏輯替代了計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器中的計數(shù)器，以對半查找的方式快速逼近輸入模擬電壓。因此，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度要優(yōu)于計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換開始前先將逐次逼近寄存器清零。轉(zhuǎn)換開始時，控制信號uL變?yōu)楦唠娖剑跁r鐘信號的作用下首先將逐次逼近寄存器最高位設(shè)置成1，使寄存器輸出為100…00，該數(shù)字量被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓輸出uo，并送至比較器與輸入電壓uI進(jìn)行比較。若uo大于uI的，說明數(shù)字量過大，則這個最高位的1應(yīng)該去掉；若uo小于uI，說明數(shù)字量還不夠大，則這個最高位的1應(yīng)該保留。以同樣的方法將次高位置1，并比較uo與uI的大小，以確定次高位的1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，直到最低位比較完成為止。這時逐次逼近寄存器中所存的數(shù)碼就是所需的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器對于n位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間為n+1個時鐘周期，比計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器要快得多；同時，在電路規(guī)模上要比并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器小得多。因此，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中應(yīng)用較為廣泛的一種類型。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是一種間接型A/D轉(zhuǎn)換器。它將輸入模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的時間寬度信號，同時在這個時間寬度里對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。因此，雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓-時間變換型（簡稱V-T變換型）A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10.3.8所示，包括反相積分器、比較器、計數(shù)器、控制邏輯和時鐘脈沖源幾個部分。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換開始前，計數(shù)器清零，轉(zhuǎn)換控制信號uL置為低電平，開關(guān)So接通，使積分電容C完全放電，即起始積分器輸岀電壓u0為0。開始轉(zhuǎn)換時，轉(zhuǎn)換控制信號處變?yōu)楦唠娖?，整個轉(zhuǎn)換過程分兩步進(jìn)行。第一步，將開關(guān)S1置向輸入電壓信號為一側(cè)，讓積分器對的進(jìn)行固定時間幻的積分。輸出電壓u0從0開始逐漸下降，積分結(jié)束時，積分器的輸出電壓u0（小于0）為式（10.3.2）表明，在T1為固定值的情況下，積分器的輸出電壓u0正比于輸入電壓uI。第二步，將開關(guān)SI置向基準(zhǔn)電壓-VREF一側(cè)，積分器向相反方向積分，輸出電壓u0從第一步積分結(jié)束時的電壓開始逐漸上升。若積分器輸出電壓約上升到u0時所經(jīng)歷的時間為T2，則有由式（10.3.3）可知，反向積分到輸出電壓初0為0的這段時間徐與輸入電壓信號T2成正比，即將輸入模擬電壓信號的轉(zhuǎn)換成了與之成正比的時間寬度信號T2。讓計數(shù)器在T2這段時間內(nèi)對固定頻率為fc（fc=1/Tc）的時鐘脈沖CLK計數(shù)，則計數(shù)的結(jié)果D）也一定與uI成正比，即若取T1為Tc的整數(shù)倍，且滿足T1=2nTc，則上式可化為至此，就將一個范圍在0?VREF之間的輸入模擬電壓uI轉(zhuǎn)換成了n位的數(shù)字量D?？傮w電路設(shè)計雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是：第一，抗干擾能力強(qiáng)，積分采樣對交流噪聲有很強(qiáng)的抑制能力，若選擇積分時間幻為20ms的整數(shù)倍，則可有效地抑制工頻干擾；第二，具有良好的穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換，雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器通過兩次積分，使得轉(zhuǎn)換結(jié)果與R、C參數(shù)無關(guān)，因此可以用精度很低的元件實(shí)現(xiàn)精度很高的A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)然，雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器也有很明顯的缺點(diǎn)，即轉(zhuǎn)換速度慢。完成一次轉(zhuǎn)換至少需要（T1+T2）的時間，一秒鐘只能完成幾次到十幾次的轉(zhuǎn)換。因此，它適合精度要求高、抗干擾能力強(qiáng)而轉(zhuǎn)換速度要求不高的場合?？傮w電路設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)有轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度。1.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與D/A轉(zhuǎn)換器類似，A/D轉(zhuǎn)換器通常也釆用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。（1）分辨率分辨率以A/D轉(zhuǎn)換器輸出二進(jìn)制數(shù)（或十進(jìn)制數(shù)）的位數(shù)表示，它說明了A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號的分辨能力，位數(shù)越多，對輸入模擬信號的分辨能力就越強(qiáng)。例如，輸入模擬電壓的范圍為0?5V，輸出8位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小輸入模擬電壓為5V/28≈19.53mV；而輸出10位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小輸入模擬電壓為5V/210≈4.88mV。A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)（2）轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差通常以輸出誤差最大值的形式給出，是指A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別，通常以最低有效位的倍數(shù)給出。例如，某A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差＜±1LSB，則表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得的輸出數(shù)字量之間的誤差小于1個LSB。A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)2.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度可由轉(zhuǎn)換時間來衡量。轉(zhuǎn)換時間是完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間，是指從接收到轉(zhuǎn)換控制信號開始，到輸出得到穩(wěn)定的數(shù)字量所經(jīng)歷的時間。轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類型的A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間在幾十毫秒到幾百亳秒之間；逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間在10?50μ3之間；并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間可達(dá)10ns。A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器件的種類較多，實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)設(shè)計的誤差要求、被測信號的頻率，以及電路結(jié)構(gòu)形式來確定所需A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度、以及接口和封裝形式等參數(shù)。1.A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，具有8路模擬輸入通道，可通過3位地址碼選擇，輸入模擬電壓范圍為0?+5V；分辨率為8位，轉(zhuǎn)換誤差小于±1LSB；采用單+5V電源供電；三態(tài)輸出，與TTL電平兼容；功耗低，約為15mW；轉(zhuǎn)換速度與外接時鐘頻率有關(guān)，典型時鐘頻率為640kHz，轉(zhuǎn)換時間約為