數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換

數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換

在目前常見(jiàn)的D/A轉(zhuǎn)換器中，有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器等。A/D轉(zhuǎn)換器的類型也有多種，可以分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器兩大類。在直接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬信號(hào)直接被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；而在間接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬信號(hào)先被轉(zhuǎn)換成某種中間變量（如時(shí)間、頻率等），然后再將中間變量轉(zhuǎn)換為最后的數(shù)字量。第2頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月10.2D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）10.2.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理D/A轉(zhuǎn)換器是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，以電壓或電流的形式輸出。因此，D/A轉(zhuǎn)換器可以看作是一個(gè)譯碼器。一般常用的線性D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出模擬電壓U和輸入數(shù)字量D之間成正比關(guān)系，即U=KD，式中K為常數(shù)。

D/A轉(zhuǎn)換器的一般結(jié)構(gòu)如圖10-1所示，圖中數(shù)據(jù)鎖存器用來(lái)暫時(shí)存放輸入的數(shù)字信號(hào)。n位寄存器的并行輸出分別控制n個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)。通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)，將參考電壓按權(quán)關(guān)系加到電阻解碼網(wǎng)絡(luò)。第3頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月圖10-1DAC方框圖第4頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月10.2.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要電路形式1.權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖10-2權(quán)電阻DAC第5頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

開(kāi)關(guān)Si的位置受數(shù)據(jù)鎖存器輸出的數(shù)碼Di控制，當(dāng)Di=1時(shí)，Si將電阻網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的電阻Ri和基準(zhǔn)電壓UR接通；當(dāng)Di=0時(shí)，Si將電阻Ri接地。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)由n個(gè)電阻（20R~2n-1R）組成，電阻值的選擇應(yīng)使流過(guò)各電阻支路的電流Ii和對(duì)應(yīng)Di位的權(quán)值成正比。例如，數(shù)碼最高位Dn-1，其權(quán)值為2n-1，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)Sn-1，連接的電阻Rn-1=2n-1-(n-1)=20R；最低位D0，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)S0，連接的權(quán)電阻為R0=2n-1-(0)R=2n-1R。因此，對(duì)于任意位Di，其權(quán)值為2i，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)Si，連接的權(quán)電阻值為Ri=2n-1-iR，即位權(quán)（i）越大,對(duì)應(yīng)的權(quán)電阻值就越小。第6頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

集成運(yùn)算放大器，作為求和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的緩沖，主要是減少輸出模擬信號(hào)負(fù)載變化的影響，并將電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出。當(dāng)Di=1時(shí)，Si將相應(yīng)的權(quán)電阻Ri=2n-1-iR與基準(zhǔn)電壓UR接通，此時(shí)，由于運(yùn)算放大器負(fù)輸入端為虛地，該支路產(chǎn)生的電流為當(dāng)Di=0時(shí)，由于Si接地，Ii=0。因此，對(duì)于Di位所產(chǎn)生的電流應(yīng)表示為第7頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月運(yùn)算放大器總的輸入電流為運(yùn)算放大器的輸出電壓為若Rf=1/2R，代入上式后則得第8頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

從上式可見(jiàn)，輸出模擬電壓U的大小與輸入二進(jìn)制數(shù)的大小成正比，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。當(dāng)D=Dn-1…D0=0時(shí)，U=0。當(dāng)D=Dn-1…D0=11…1時(shí)，最大輸出電壓因而U的變化范圍是第9頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月2.倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖10-3R-2R倒T型DAC第10頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

從圖10-3中可以看出，由UR向里看的等效電阻為R，數(shù)碼無(wú)論是0還是1，開(kāi)關(guān)Si都相當(dāng)于接地。因此，由UR流出的總電流為I=UR/R，而流入2R支路的電流是依2的倍速遞減，流入運(yùn)算放大器的電流為第11頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月運(yùn)算放大器的輸出電壓為

若Rf=R，并將I=UR/R代入上式，則有可見(jiàn)，輸出模擬電壓正比于數(shù)字量的輸入。第12頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月10.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率分辨率是指輸入數(shù)字量最低有效位為1時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出可分辨的電壓變化量ΔU與最大輸出電壓Um之比，即分辨率

分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入量的微小變化的反應(yīng)越靈敏。而分辨率與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關(guān)，n越大，分辨率越高。第13頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是實(shí)際輸出值與理論計(jì)算值之差，這種差值，由轉(zhuǎn)換過(guò)程各種誤差引起,主要指靜態(tài)誤差，它包括：①非線性誤差。它是電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的電壓降和電阻網(wǎng)絡(luò)電阻值偏差產(chǎn)生的，常用滿刻度的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。②比例系數(shù)誤差。它是參考電壓UR的偏離而引起的誤差，因UR是比例系數(shù)，故稱之為比例系數(shù)誤差。當(dāng)ΔUR一定時(shí)，比例系數(shù)誤差如圖10-4中的虛線所示。第14頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月圖10-4比率系數(shù)誤差第15頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月③漂移誤差。它是由運(yùn)算放大器零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的誤差。當(dāng)輸入數(shù)字量為0時(shí)，由于運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移，輸出模擬電壓并不為0。這使輸出電壓特性與理想電壓特性產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)位移，如圖10-5中的虛線所示。第16頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月圖10-5漂移誤差第17頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

3.建立時(shí)間從數(shù)字信號(hào)輸入DAC起，到輸出電流（或電壓）達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間為建立時(shí)間。建立時(shí)間的大小決定了轉(zhuǎn)換速度。目前10~12位單片集成D/A轉(zhuǎn)換器（不包括運(yùn)算放大器）的建立時(shí)間可以在1微秒以內(nèi)。第18頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月10.2.4八位集成DAC0832圖10-6集成DAC0832框圖與引腳圖第19頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

它由一個(gè)八位輸入寄存器、一個(gè)八位DAC寄存器和一個(gè)八位D/A轉(zhuǎn)換器三大部分組成，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，可根據(jù)需要接成不同的工作方式。DAC0832中無(wú)運(yùn)算放大器，且是電流輸出，使用時(shí)須外接運(yùn)算放大器。芯片中已設(shè)置了Rfb，只要將9腳接到運(yùn)算放大器的輸出端即可。若運(yùn)算放大器增益不夠，還須外加反饋電阻。第20頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

器件上各引腳的名稱和功能如下：

ILE：輸入鎖存允許信號(hào)，輸入高電平有效。

CS：片選信號(hào)，輸入低電平有效。

WR1：輸入數(shù)據(jù)選通信號(hào)，輸入低電平有效。

WR2：數(shù)據(jù)傳送選通信號(hào)，輸入低電平有效。

XFER：數(shù)據(jù)傳送選通信號(hào)，輸入低電平有效。

D7~D0：八位輸入數(shù)據(jù)信號(hào)。

UREF：參考電壓輸入。一般此端外接一個(gè)精確、穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)源。UREF可在-10V至+10V范圍內(nèi)選擇。

Rfb：反饋電阻（內(nèi)已含一個(gè)反饋電阻）接線端。第21頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月IOUT1：DAC輸出電流1。此輸出信號(hào)一般作為運(yùn)算放大器的一個(gè)差分輸入信號(hào)。當(dāng)DAC寄存器中的各位為1時(shí)，電流最大；為全0時(shí)，電流為0。

IOUT2：DAC輸出電流2。它作為運(yùn)算放大器的另一個(gè)差分輸入信號(hào)（一般接地）。IOUT1和IOUT2滿足如下關(guān)系：

IOUT1+IOUT2=常數(shù)

UCC：電源輸入端（一般取+5V）。

DGND：數(shù)字地。

AGND：模擬地。第22頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

從DAC0832的內(nèi)部控制邏輯分析可知，當(dāng)ILE、CS和WR1同時(shí)有效時(shí)，LE1為高電平。在此期間，輸入數(shù)據(jù)D7~D0進(jìn)入輸入寄存器。當(dāng)WR2和XFER同時(shí)有效時(shí)，LE2為高電平。在此期間，輸入寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)入DAC寄存器。八位D/A轉(zhuǎn)換電路隨時(shí)將DAC寄存器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)（IOUT1+IOUT2）輸出。

DAC0832的使用有雙緩沖器型、單緩沖器型和直通型等三種工作方式。第23頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月圖10-7DAC0832的三種工作方式第24頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月10.3A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)10.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理

A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換過(guò)程通過(guò)取樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟完成。1.取樣和保持

取樣（也稱采樣）是將時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的信號(hào)，即將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。其過(guò)程如圖10-8所示。圖中Ui(t)為輸入模擬信號(hào)，S(t)為采樣脈沖，為取樣后的輸出信號(hào)。第25頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月圖10-8取樣過(guò)程第26頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

在取樣脈沖作用期τ內(nèi)，取樣開(kāi)關(guān)接通，使，在其它時(shí)間（TS-τ）內(nèi)，輸出=0。因此，每經(jīng)過(guò)一個(gè)取樣周期，對(duì)輸入信號(hào)取樣一次，在輸出端便得到輸入信號(hào)的一個(gè)取樣值。為了不失真地恢復(fù)原來(lái)的輸入信號(hào)，根據(jù)取樣定理，一個(gè)頻率有限的模擬信號(hào)，其取樣頻率fS必須大于等于輸入模擬信號(hào)包含的最高頻率fmax的兩倍，即取樣頻率必須滿足：第27頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

模擬信號(hào)經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度τ一般是很短暫的，在下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)之前，應(yīng)暫時(shí)保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。圖10-9（a）是一種常見(jiàn)的取樣保持電路，場(chǎng)效應(yīng)管V為采樣門(mén)，電容C為保持電容，運(yùn)算放大器為跟隨器，起緩沖隔離作用。在取樣脈沖S(t)到來(lái)的時(shí)間τ內(nèi)，場(chǎng)效應(yīng)管V導(dǎo)通，輸入模擬量Ui(t)向電容充電；假定充電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于τ，那么C上的充電電壓能及時(shí)跟上Ui(t)的采樣值。采樣結(jié)束，V迅速截止，電容C上的充電電壓就保持了前一取樣時(shí)間τ的輸入U(xiǎn)i(t)的值，一直保持到下一個(gè)取樣脈沖到來(lái)為止。當(dāng)下一個(gè)取樣脈沖到來(lái)，電容C上的電壓再按輸入U(xiǎn)i(t)變化。在輸入一連串取樣脈沖序列后，取樣保持電路的緩沖放大器輸出電壓Uo（t）便得到如圖10-9（b）所示的波形。第28頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月圖10-9取樣保持電路及輸出波形(a)取樣保持電原理圖；(b)輸出波形圖第29頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月2.量化和編碼

輸入的模擬電壓經(jīng)過(guò)取樣保持后，得到的是階梯波。由于階梯的幅度是任意的，將會(huì)有無(wú)限個(gè)數(shù)值，因此該階梯波仍是一個(gè)可以連續(xù)取值的模擬量。另一方面，由于數(shù)字量的位數(shù)有限，只能表示有限個(gè)數(shù)值(n位數(shù)字量只能表示2n個(gè)數(shù)值)。因此，用數(shù)字量來(lái)表示連續(xù)變化的模擬量時(shí)就有一個(gè)類似于四舍五入的近似問(wèn)題。必須將取樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個(gè)過(guò)程稱為量化。指定的離散電平稱為量化電平。用二進(jìn)制數(shù)碼來(lái)表示各個(gè)量化電平的過(guò)程稱為編碼。兩個(gè)量化電平之間的差值稱為量化間隔S，位數(shù)越多，量化等級(jí)越細(xì)，S就越小。取樣保持后未量化的Uo值與量化電平Uq值通常是不相等的，其差值稱為量化誤差δ，即δ=Uo-Uq。量化的方法一般有兩種：只舍不入法和有舍有入法。第30頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月1)只舍不入法它是將取樣保持信號(hào)Uo不足一個(gè)S的尾數(shù)舍去，取其原整數(shù)。如圖10-10（a）是采用了只舍不入法。區(qū)域（3）中Uo=3.6V時(shí)將它歸并到Uq=3V的量化電平，因此，編碼后的輸出為011。這種方法δ總為正值，δmax≈S。第31頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月圖10-10兩種量化方法的比較(a)只舍不入法；(b)有舍有入法第32頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月2)有舍有入法當(dāng)Uo的尾數(shù)＜S/2時(shí)，用舍尾取整法得其量化值；當(dāng)Uo的尾數(shù)≥S/2時(shí)，用舍尾入整法得其量化值。如圖10-10（b）采用了有舍有入法。區(qū)域（3）中Uo=3.6V，尾數(shù)0.6V≥S/2=0.5V,因此,歸化到Uq=4V,編碼后為100。區(qū)域（5）中Uo=4.1V，尾數(shù)小于0.5V,歸化到4V,編碼后為100。這種方法δ可為正，也可為負(fù)，但是|δmax|=S/2?？梢?jiàn)，它要比第一種方法誤差要小。第33頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

10.3.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要電路形式

ADC電路分成直接法和間接法兩大類。直接法是通過(guò)一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行比較，從而直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。間接法是將取樣后的模擬信號(hào)先轉(zhuǎn)換成時(shí)間t或頻率f,然后再將t或f轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強(qiáng)，一般在測(cè)試儀表中用的較多。第34頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月1.計(jì)數(shù)斜波式A/D轉(zhuǎn)換器圖10-11計(jì)數(shù)斜波式ADC第35頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月2.逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器圖10-12逐次逼近式ADC第36頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

這種轉(zhuǎn)換器是將轉(zhuǎn)換的模擬電壓Ui與一系列的基準(zhǔn)電壓比較。比較是從高位到低位逐位進(jìn)行的，并依次確定各位數(shù)碼是1還是0。轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先將逐位逼近寄存器（SAR）清0，開(kāi)始轉(zhuǎn)換后，控制邏輯將逐位逼近寄存器（SAR）的最高位置1，使其輸出為100…000，這個(gè)數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓Uo，送至比較器與輸入U(xiǎn)i比較。若Uo＞Ui，說(shuō)明寄存器輸出的數(shù)碼大了，應(yīng)將最高位改為0（去碼），同時(shí)設(shè)次高位為1；若Uo≤Ui，說(shuō)明寄存器輸出的數(shù)碼還不夠大，因此，需將最高位設(shè)置的1保留（加碼），同時(shí)也設(shè)次高位為1。然后，再按同樣的方法進(jìn)行比較，確定次高位的1是去掉還是保留（即去碼還是加碼）。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)就是轉(zhuǎn)化后的數(shù)字輸出。例如，一個(gè)待轉(zhuǎn)換的模擬電壓Ui=163mV,逐位逼近寄存器（SAR）的數(shù)字量為八位。第37頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月表10-1Ui=163mV的逐次比較過(guò)程第38頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月圖10-13Ui=163mV逐次比較Uo波形圖第39頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

3.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型ADC的轉(zhuǎn)換原理是先將模擬電壓Ui轉(zhuǎn)換成與其大小成正比的時(shí)間間隔T，再利用基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖通過(guò)計(jì)數(shù)器將T變換成數(shù)字量。圖10-14是雙積分型ADC的原理框圖，它由積分器，零值比較器，時(shí)鐘控制門(mén)G和計(jì)數(shù)器（計(jì)數(shù)定時(shí)電路）等部分構(gòu)成。

第40頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月圖10-14雙積分ADC原理框圖第41頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

積分器：由運(yùn)算放大器和RC積分網(wǎng)絡(luò)組成，這是轉(zhuǎn)換器的核心。它的輸入端接開(kāi)關(guān)S，開(kāi)關(guān)S受觸發(fā)器Fn的控制，當(dāng)Qn=0時(shí)，S接輸入電壓+Ui，積分器對(duì)輸入信號(hào)電壓+Ui（正極性）積分（正向積分）；當(dāng)Qn=1時(shí)，S接基準(zhǔn)電壓-UR（負(fù)極性），積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓-UR積分（負(fù)向積分）。因此，積分器在一次轉(zhuǎn)換過(guò)程中進(jìn)行兩次方向相反的積分。積分器輸出Uo接零值比較器。第42頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

零值比較器：當(dāng)積分器輸出Uo≤0時(shí)，比較器輸出UC=1；當(dāng)積分器輸出Uo>0時(shí)，比較器輸出UC=0。零值比較器輸出UC作為控制門(mén)G的門(mén)控信號(hào)。時(shí)鐘控制門(mén)G：時(shí)鐘控制門(mén)G有兩個(gè)輸入端，一個(gè)接標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖源CP，另一個(gè)接零值比較器輸出UC。當(dāng)零值比較器輸出UC=1時(shí)，G門(mén)開(kāi)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖通過(guò)G門(mén)加到計(jì)數(shù)器；當(dāng)零值比較器輸出UC=0時(shí)，G門(mén)關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖不能通過(guò)G門(mén)加到計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。第43頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

計(jì)數(shù)器（計(jì)數(shù)定時(shí)電路）：它由n+1個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成，觸發(fā)器Fn-1…F1F0構(gòu)成n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，觸發(fā)器Fn實(shí)現(xiàn)對(duì)S的控制。計(jì)數(shù)定時(shí)電路在啟動(dòng)脈沖的作用下，全部觸發(fā)器被置0，觸發(fā)器Fn輸出Qn=0，使開(kāi)關(guān)S接輸入電壓+Ui，同時(shí)n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)（設(shè)電容C上初始值為0，并開(kāi)始正向積分，則此時(shí)Uo≤0，比較器輸出UC=1，G門(mén)開(kāi)）。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)入2n個(gè)脈沖后，觸發(fā)器Fn-1…F1F0狀態(tài)由11…111回到00…000，F(xiàn)n-1(Qn-1)觸發(fā)Fn，使Qn=1，發(fā)出定時(shí)控制信號(hào)，使開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)接至-UR，觸發(fā)器Fn-1…F1F0再?gòu)?0…000開(kāi)始計(jì)數(shù)，并開(kāi)始負(fù)向積分，Uo逐步上升。當(dāng)積分器輸出Uo＞0時(shí)，零值比較器輸出UC=0，G門(mén)關(guān)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，完成一個(gè)轉(zhuǎn)換周期，把與輸入模擬信號(hào)+Ui平均值成正比的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。第44頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月圖10-15雙積分ADC工作波形第45頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月①取樣階段。在啟動(dòng)脈沖作用下，將全部觸發(fā)器置0，由于觸發(fā)器Fn輸出Qn=0，使開(kāi)關(guān)S接輸入電壓+Ui，A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始，+Ui加到積分器的輸入端后，積分器對(duì)+Ui進(jìn)行正向積分。由于此時(shí)Uo≤0，比較器輸出UC=1，G門(mén)開(kāi)，n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，一直到t=T1=2nTCP（TCP為時(shí)鐘周期）時(shí)，觸發(fā)器Fn-1…F1F0狀態(tài)回到00…000，而觸發(fā)器Fn由0翻轉(zhuǎn)為1，由于Qn=1，使開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)接至-UR，至此，取樣階段結(jié)束，可求其中τ=RC為積分時(shí)間常數(shù)。第46頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月當(dāng)+Ui為正極性不變常量時(shí)，Uo（T1）值為②比較階段。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至-UR后，積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行負(fù)向積分，積分器輸出為第47頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

當(dāng)Uo＞0時(shí)，零值比較器輸出UC=0，G門(mén)關(guān)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，完成一個(gè)轉(zhuǎn)換周期。假設(shè)此時(shí)計(jì)數(shù)器已記錄了α個(gè)脈沖，則可求得第48頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

由上式可見(jiàn)，計(jì)數(shù)器記錄的脈沖數(shù)α與輸入電壓+Ui成正比，計(jì)數(shù)器記錄α個(gè)脈沖后的狀態(tài)就表示了+Ui的數(shù)字量的二進(jìn)制代碼，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。這種A/D轉(zhuǎn)換器具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)RC無(wú)關(guān)，從而消除了由于斜波電壓非線性帶來(lái)的誤差，允許積分電容在一個(gè)較寬范圍內(nèi)變化，而不影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。其次，由于輸入信號(hào)積分的時(shí)間較長(zhǎng)，且是一個(gè)固定值T1，而T2正比于輸入信號(hào)在T1內(nèi)的平均值，這對(duì)于疊加在輸入信號(hào)上的干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。最后，這種A/D轉(zhuǎn)換器不必采用高穩(wěn)定度的時(shí)鐘源，它只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期（T1+T2）內(nèi)保持穩(wěn)定即可。這種轉(zhuǎn)換器被廣泛應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器中。第49頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

4.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的電原理圖如圖10-16所示。它由電壓比較器，寄存器和編碼器三部分構(gòu)成。電壓比較器：電壓比較器由電阻分壓器和七個(gè)比較器構(gòu)成。在電阻分壓器中，量化電平依據(jù)有舍有入法進(jìn)行劃分，電阻鏈把參考電壓UR分壓，得到從1/16UR到13/16UR之間七個(gè)量化電平，量化單位為Δ=(2/16)UR=(1/8)UR。然后，把這七個(gè)量化電平分別接到七個(gè)電壓比較器C6~C0的負(fù)輸入端，作為比較基準(zhǔn)。同時(shí)，將模擬輸入U(xiǎn)IN接到七個(gè)電壓比較器的正輸入端，與這七個(gè)量化電平進(jìn)行比較。若UIN大于比較器的參考電平，則比較器的輸出Ci=1，否則Ci=0。第50頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月圖10-16并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器第51頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

寄存器：由七個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成。在時(shí)鐘脈沖CP的作用下，將比較結(jié)果暫時(shí)寄存，以供編碼用。編碼器：由六個(gè)與非門(mén)構(gòu)成。將比較器送來(lái)的七位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制代碼D2、D1、D0。編碼網(wǎng)絡(luò)的邏輯關(guān)系為第52頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月表10-2并聯(lián)型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換關(guān)系第53頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

例如，假設(shè)模擬輸入U(xiǎn)IN=3.8V，UR=8V。當(dāng)模擬輸入U(xiǎn)IN=3.8V加到各級(jí)比較器時(shí)，由于

因此，比較器的輸出C6~C0為0001111。在時(shí)鐘脈沖作用下，比較器的輸出存入寄存器，經(jīng)編碼網(wǎng)絡(luò)輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果：D2D1D0=100。這也就是并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的工作過(guò)程。第54頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

由上述分析可知，并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度很快，其轉(zhuǎn)換速度實(shí)際上取決于器件的速度和時(shí)鐘脈沖的寬度。但電路復(fù)雜，對(duì)于一個(gè)n位二進(jìn)制輸出的并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器，需２n-1個(gè)電壓比較器和2n-1個(gè)觸發(fā)器，編碼電路也隨n的增大變得相當(dāng)復(fù)雜。其轉(zhuǎn)換精度將受分壓網(wǎng)絡(luò)和電壓比較器靈敏度的限制。因此，這種轉(zhuǎn)換器適用于高速，精度較低的場(chǎng)合。第55頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月10.3.3A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率

分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬信號(hào)的分辨能力。從理論上講，一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個(gè)不同量級(jí)，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為（滿量程輸入的1/2n）。例如，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為12位二進(jìn)制數(shù)，最大輸入模擬信號(hào)為10V，則其分辨率為分辨率=第56頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月2.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，轉(zhuǎn)換時(shí)間是從接到轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)開(kāi)始，到輸出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢，需幾百毫秒左右；逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，轉(zhuǎn)換速度在幾十微秒；并聯(lián)型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，僅需幾十納秒時(shí)間。第57頁(yè),共64頁(yè)，星期六，2024年，5月

3.相對(duì)精度在理想情況下，輸入模擬信號(hào)所有轉(zhuǎn)換點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在一條直線上，但實(shí)際的特性不能做到輸入模擬信號(hào)所有轉(zhuǎn)換點(diǎn)在一條直線上。相對(duì)精度是指實(shí)際的轉(zhuǎn)換點(diǎn)偏離理想特性的誤差，一般用最低有效位來(lái)表示。例如，10位二進(jìn)制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器AD571，在室溫（+25℃）和標(biāo)準(zhǔn)電源電壓（U+=+5V，U-=-15V）的條件下，轉(zhuǎn)換誤差≤。當(dāng)使用環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)換誤差也將發(fā)生變化，實(shí)