第九章 數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換

1、第九章第九章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 東北大學(xué)秦皇島分校東北大學(xué)秦皇島分校 自動化工程系自動化工程系 9.1 概述概述 9.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.2.2 倒倒T型型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.2.3 權(quán)電流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.2.6 具有雙極型輸出的具有雙極型輸出的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度 9.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理 9.3.2 取樣取樣-保持定理保持定理 9.3.3 直接直接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器

2、9.3.4 間接間接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.3.4 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度 9.1 概述概述 模模-數(shù)（數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換：模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換：模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換 數(shù)數(shù)-模（模（D/A）轉(zhuǎn)換：數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換：數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換 衡量衡量A/D轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)劣的主要標(biāo)志：轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)劣的主要標(biāo)志： 轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、倒梯形網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器、倒梯形網(wǎng)絡(luò)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、權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器、權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A

3、轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換器、 開關(guān)樹型開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 直接直接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 間接間接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 圖9.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 n位二進(jìn)制數(shù)最高位到最低位的權(quán)依次為位二進(jìn)制數(shù)最高位到最低位的權(quán)依次為2n-1、2n-221、20 權(quán)電阻權(quán)電阻 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò) 模擬開關(guān)模擬開關(guān) 求和放求和放 大器大器 在認(rèn)為運(yùn)算放大器輸入電流為零的條件下在認(rèn)為運(yùn)算放大器輸入電流為零的條件下 )( 0123 IIIIRiRv FFO 由于由于V-0，因而個支路電流分別為：，因而個支路電流分別為： 33

4、dI R VREF 222 dI R VREF 1 2 1 2 dI R VREF 0 2 0 3 dI R VREF 取取RF=R/2，得：，得： )2222( 0 0 1 1 2 2 3 3 24 ddddv REF V O 對對n位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取為轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取為R/2時時 n V n n n n V O D ddddv n REF n REF 2 0 0 1 1 2 2 1 1 2 )2222( 輸出的模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量輸出的模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量Dn 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，所用電阻元器件少：結(jié)構(gòu)簡單，所用電阻元器件少 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：各

5、個電阻的阻值相差較大，因而精度不高：各個電阻的阻值相差較大，因而精度不高 圖9.2.2 雙級權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 雙級權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)雙級權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 阻值比為阻值比為 1：2：4：8 只要取兩極間的串聯(lián)電阻只要取兩極間的串聯(lián)電阻RS=8R，得，得 n VV O Dddddv REFREF 88 2 0 0 1 1 6 6 7 7 2 )2222( 9.2.2 倒倒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 電阻網(wǎng)絡(luò)中只有電阻網(wǎng)絡(luò)中只有R、2R兩種阻值的電阻兩種阻值的電阻 圖圖9.2.3 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 圖圖9.2.4 計算倒計算倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)支路電流的

6、等效電路型電阻網(wǎng)絡(luò)支路電流的等效電路 電路可等效為：電路可等效為： 當(dāng)當(dāng)RF=R，得：，得： )2222(Ri 0 0 1 1 2 2 3 3 24 ddddv REF V O 對對n位輸入的倒位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻為轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻為R時時 n V n n n n V O D ddddv n REF n REF 2 0 0 1 1 2 2 1 1 2 )2222( 輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量Dn成正比成正比 圖圖9.2.5 CB7520（AD7520）的電路原理圖）的電路原理圖 采用倒采用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的單片集成形電阻網(wǎng)絡(luò)的單

7、片集成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 輸入為輸入為10位二進(jìn)制數(shù)，位二進(jìn)制數(shù)，CMOS電路構(gòu)成模擬開關(guān)電路構(gòu)成模擬開關(guān) 使用時需要外加運(yùn)算放大器，外接參考電壓足夠穩(wěn)定使用時需要外加運(yùn)算放大器，外接參考電壓足夠穩(wěn)定 圖圖9.2.6 CB7520中的中的CMOS模擬開關(guān)電路模擬開關(guān)電路 為降低開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻，開關(guān)電路的電源電壓為降低開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻，開關(guān)電路的電源電壓 設(shè)計在設(shè)計在15V左右左右 9.2.3 權(quán)電流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 由于模擬開關(guān)上的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降，引起轉(zhuǎn)換誤差由于模擬開關(guān)上的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降，引起轉(zhuǎn)換誤差 圖圖9.2.7 權(quán)電流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 每個支路電流的大小不

8、再受開關(guān)內(nèi)阻和壓降的影響每個支路電流的大小不再受開關(guān)內(nèi)阻和壓降的影響 電流大小依次電流大小依次 為前一個的為前一個的1/2 圖圖9.2.8 權(quán)電流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中的恒流源轉(zhuǎn)換器中的恒流源 VB和和VEE穩(wěn)定度不變，穩(wěn)定度不變， 則三極管集電極電流恒定則三極管集電極電流恒定 Ei BEEEB i R VVV I 輸出電壓為：輸出電壓為： )2222( )( 0 0 1 1 2 2 3 3 2 0 2 1 2 2 2 32 4 432 dddd ddddRRiv IR IIII FFO F 可見可見vO正比于輸入的數(shù)字量正比于輸入的數(shù)字量 圖圖9.2.9 利用倒利用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的權(quán)電流型

9、型電阻網(wǎng)絡(luò)的權(quán)電流型D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 實(shí)用的權(quán)電流型實(shí)用的權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中經(jīng)常利用倒轉(zhuǎn)換器中經(jīng)常利用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的形電阻網(wǎng)絡(luò)的 分流作用產(chǎn)生所需的一組恒流源分流作用產(chǎn)生所需的一組恒流源 輸出電壓為：輸出電壓為： n R VRn n n n R VR O Dddddv R n REFF R n REFF 2 0 0 1 1 2 2 1 1 2 )2222( 圖圖9.2.10 DAC0808的電路結(jié)構(gòu)框圖的電路結(jié)構(gòu)框圖 優(yōu)點(diǎn)：工作速度較高優(yōu)點(diǎn)：工作速度較高 采用這種結(jié)構(gòu)的器件：采用這種結(jié)構(gòu)的器件：DAC0806、 DAC0807、 DAC0808等等 圖圖9.2.11 DAC0808的

10、典型應(yīng)用的典型應(yīng)用 用用DAC0808構(gòu)成構(gòu)成D/A轉(zhuǎn)換器時需要外接運(yùn)算放大器和產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器時需要外接運(yùn)算放大器和產(chǎn)生 基準(zhǔn)電流用的基準(zhǔn)電流用的RR 若若VREF=10V、RR=5K、RF=5K，則輸出電壓為：，則輸出電壓為： nnREF R R O DDVv R F 88 2 10 2 輸出模擬電壓的變化范圍為輸出模擬電壓的變化范圍為 09.96V 9.2.6 具有雙極性輸出的具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 因為在二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算中通常把帶符號的數(shù)值表示為補(bǔ)碼因為在二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算中通常把帶符號的數(shù)值表示為補(bǔ)碼 的形式，所以希望的形式，所以希望D/A轉(zhuǎn)換器能夠把以補(bǔ)碼形式輸入的正、負(fù)轉(zhuǎn)換器能夠

11、把以補(bǔ)碼形式輸入的正、負(fù) 數(shù)分別轉(zhuǎn)換成正、負(fù)極性的模擬電壓數(shù)分別轉(zhuǎn)換成正、負(fù)極性的模擬電壓 以輸入為以輸入為3位二進(jìn)制補(bǔ)碼位二進(jìn)制補(bǔ)碼 的情況為例，說明轉(zhuǎn)換原理的情況為例，說明轉(zhuǎn)換原理 3位二進(jìn)制補(bǔ)碼可以表示位二進(jìn)制補(bǔ)碼可以表示 從從+3到到-4之間的任何整數(shù)，之間的任何整數(shù)， 與十進(jìn)制數(shù)的對應(yīng)關(guān)系以及與十進(jìn)制數(shù)的對應(yīng)關(guān)系以及 希望得到的輸出模擬電壓如希望得到的輸出模擬電壓如 表表9.2.1所示所示 d0d1d2 -4V-4001 -3V-3101 -2V-2011 -1V-1111 00000 +1V+1100 +2V+2010 +3V+3110 要求的要求的 輸出電壓輸出電壓 對應(yīng)的對應(yīng)的

12、 十進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù) 補(bǔ)碼輸入補(bǔ)碼輸入 表表9.2.1 輸入為輸入為3位二進(jìn)制補(bǔ)碼時位二進(jìn)制補(bǔ)碼時 要求要求D/A轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)換器的輸出 圖圖9.2.15 具有雙極性輸出電壓的具有雙極性輸出電壓的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 如果沒有接反相器如果沒有接反相器G和偏移電阻和偏移電阻RB，他就是一個普通的，他就是一個普通的 3位倒位倒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 增設(shè)了增設(shè)了RB和和VB組成的偏移電路。組成的偏移電路。 若把輸入的若把輸入的3位代碼看作無符號的位代碼看作無符號的3位二進(jìn)制數(shù)（即全是位二進(jìn)制數(shù)（即全是 正數(shù)），并且取正數(shù)），并且取VREF=-8V，則輸入代碼為，則輸入代碼為111時

13、輸出電壓時輸出電壓 vO=7V，而輸入代碼為，而輸入代碼為000時輸出電壓時輸出電壓vO=0V，如表，如表9.2.2所示所示 d0d1d2 -4V0000 -3V+1100 -2V+2010 -1V+3110 0+4001 +1V+5101 +2V+6011 +3V+7111 偏移偏移-4V 后的輸出后的輸出 無偏移無偏移 時的輸出時的輸出 原碼輸入原碼輸入 表表9.2.2 具有偏移的具有偏移的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)換器的輸出 d0d1d2 -4V0000 -3V+1100 -2V+2010 -1V+3110 0+4001 +1V+5101 +2V+6011 +3V+7111 偏移偏移-4V 后

14、的輸出后的輸出 無偏移無偏移 時的輸出時的輸出 原碼輸入原碼輸入 表表9.2.2 具有偏移的具有偏移的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)換器的輸出 d0d1d2 -4V-4001 -3V-3101 -2V-2011 -1V-1111 00000 +1V+1100 +2V+2010 +3V+3110 要求的要求的 輸出電壓輸出電壓 對應(yīng)的對應(yīng)的 十進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù) 補(bǔ)碼輸入補(bǔ)碼輸入 表表9.2.1 輸入為輸入為3位二進(jìn)制補(bǔ)碼時位二進(jìn)制補(bǔ)碼時 要求要求D/A轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)換器的輸出 兩表比較可知，把表兩表比較可知，把表9.2.2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

15、后的輸出電壓恰好同表9.2.1所要求得到的輸出電壓相符所要求得到的輸出電壓相符 把表把表9.2.1中補(bǔ)碼的符號位求反，再加到偏移后的中補(bǔ)碼的符號位求反，再加到偏移后的D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 器上，就可以得到表器上，就可以得到表9.2.2所需要的輸入與輸出關(guān)系所需要的輸入與輸出關(guān)系 構(gòu)成雙極型構(gòu)成雙極型D/A轉(zhuǎn)換器的方法：轉(zhuǎn)換器的方法： 在求和放大器的輸入端接入一個偏移電流，使輸在求和放大器的輸入端接入一個偏移電流，使輸 入最高位為入最高位為1而其他位為而其他位為0時的輸出時的輸出v0=0，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(zhuǎn)換器的輸入轉(zhuǎn)換器的輸入 R VI

16、R V REF B B 22 為了使輸入代碼為為了使輸入代碼為100時的輸出電壓等于零，只要使時的輸出電壓等于零，只要使IB與此與此 時的時的i大小相等即可。故應(yīng)取大小相等即可。故應(yīng)取 9.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度 一、一、D/AD/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度 用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述 分辨率：分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器在理論上可以達(dá)到的精度轉(zhuǎn)換器在理論上可以達(dá)到的精度 轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差：D/A轉(zhuǎn)換器各環(huán)節(jié)在參數(shù)性能和理論值之間轉(zhuǎn)換器各環(huán)節(jié)在參數(shù)性能和理論值之間 的差異的差異 圖圖9.2.16 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性曲線轉(zhuǎn)換

17、器的轉(zhuǎn)換特性曲線 線性誤差：各種因素引起的轉(zhuǎn)換誤差的一個綜合性指標(biāo)，線性誤差：各種因素引起的轉(zhuǎn)換誤差的一個綜合性指標(biāo)， 表示實(shí)際表示實(shí)際D/A轉(zhuǎn)換特性和理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差轉(zhuǎn)換特性和理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差 一般用最低有效位的倍數(shù)表示一般用最低有效位的倍數(shù)表示 產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差的主要原因：產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差的主要原因： 參考電壓參考電壓VREF的波動的波動 運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移 模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓 降、電阻網(wǎng)絡(luò)中阻值的偏差降、電阻網(wǎng)絡(luò)中阻值的偏差 三極管特性的不一致三極管特性的不一致 圖圖9.2.17 比例系數(shù)誤差比例系數(shù)誤差 比例系數(shù)誤差：

18、由比例系數(shù)誤差：由VREF引起的轉(zhuǎn)換誤差引起的轉(zhuǎn)換誤差 圖圖9.2.18 漂移誤差漂移誤差 漂移誤差：由運(yùn)算放大器零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差漂移誤差：由運(yùn)算放大器零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差 圖圖9.2.19 非線性誤差非線性誤差 非線性誤差：由于模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降都非線性誤差：由于模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降都 不可能真正等于零，輸出產(chǎn)生誤差電壓不可能真正等于零，輸出產(chǎn)生誤差電壓 vO3 , , vO3既非常數(shù)也不與輸入數(shù)字量成既非常數(shù)也不與輸入數(shù)字量成 正比，這樣的誤差叫非線性誤差正比，這樣的誤差叫非線性誤差 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中，電阻形電阻網(wǎng)絡(luò)中，電阻 值偏差產(chǎn)生值偏差產(chǎn)生vO4輸出，也是

19、輸出，也是 非線性誤差非線性誤差 最壞的情況下，總的誤差為：最壞的情況下，總的誤差為： | | 4321ooooo vvvvv 目前，常見的集成目前，常見的集成D/A轉(zhuǎn)換器器件有兩大類轉(zhuǎn)換器器件有兩大類 一類器件的內(nèi)部只包含電阻網(wǎng)絡(luò)（或恒流源電路）一類器件的內(nèi)部只包含電阻網(wǎng)絡(luò)（或恒流源電路） 和模擬開關(guān)和模擬開關(guān) 另一類器件的內(nèi)部還包含了運(yùn)算放大器以及參考另一類器件的內(nèi)部還包含了運(yùn)算放大器以及參考 電壓源的發(fā)生電路。電壓源的發(fā)生電路。 使用前一類器件時必須外接參考電壓和運(yùn)算放大使用前一類器件時必須外接參考電壓和運(yùn)算放大 器，這時應(yīng)注意合理地確定對參考電壓源的穩(wěn)定度器，這時應(yīng)注意合理地確定對參考

20、電壓源的穩(wěn)定度 和運(yùn)算放大器零點(diǎn)漂移的要求。和運(yùn)算放大器零點(diǎn)漂移的要求。 二、二、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度 圖圖9.2.20 D/A轉(zhuǎn)換器的建立時間轉(zhuǎn)換器的建立時間 建立時間建立時間tset： ：從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，直到輸出電壓進(jìn)入 從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，直到輸出電壓進(jìn)入 穩(wěn)態(tài)值相差穩(wěn)態(tài)值相差1/2LSB范圍內(nèi)的時間范圍內(nèi)的時間 輸入數(shù)字量的變化越大，輸入數(shù)字量的變化越大， 建立時間越長，所以一般建立時間越長，所以一般 產(chǎn)品說明書中給出的都是產(chǎn)品說明書中給出的都是 從全從全0跳變到全跳變到全1時的建立時的建立 時間時間 在外加運(yùn)算放大器組成完整的在外加運(yùn)算放大器組成

21、完整的D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 器時，如果采用普通的運(yùn)算放大器，則運(yùn)算器時，如果采用普通的運(yùn)算放大器，則運(yùn)算 放大器的建立時間將成為放大器的建立時間將成為D/A轉(zhuǎn)換器建立時轉(zhuǎn)換器建立時 間間tset的主要成分。因此，為了獲得較快的轉(zhuǎn)的主要成分。因此，為了獲得較快的轉(zhuǎn) 換速度，應(yīng)選用轉(zhuǎn)換速率（即輸出電壓的變換速度，應(yīng)選用轉(zhuǎn)換速率（即輸出電壓的變 化速度）較快的運(yùn)算放大器，以縮短運(yùn)算放化速度）較快的運(yùn)算放大器，以縮短運(yùn)算放 大器的建立時間大器的建立時間 9.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 取樣取樣保持保持量化量化 編碼編碼 輸出輸出 A/D轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)變化的模擬

22、量轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的 離散數(shù)字量，其轉(zhuǎn)換過程如下：離散數(shù)字量，其轉(zhuǎn)換過程如下： 一、取樣定理一、取樣定理 圖圖9.3.1 對輸入模擬信號的取樣對輸入模擬信號的取樣 為保證能從取樣信號為保證能從取樣信號 完全恢復(fù)到原來的被取完全恢復(fù)到原來的被取 樣信號，采樣頻率必須樣信號，采樣頻率必須 滿足：滿足： fs2fi(max) 取樣頻率取樣頻率 輸入模擬信輸入模擬信 號最高頻率號最高頻率 分量的頻率分量的頻率 圖圖9.3.2 還原取樣信號所用濾波器的頻率特性還原取樣信號所用濾波器的頻率特性 而在而在fs-fi（ （max）以前迅速下降為 以前迅速下降為0，如圖，

23、如圖9.3.2所示所示 不能無限制地提高取樣頻率，通常取不能無限制地提高取樣頻率，通常取fs=(3-5)fi(max) 為從取樣信號恢復(fù)到原來輸入的模擬量，可以采用低通濾波為從取樣信號恢復(fù)到原來輸入的模擬量，可以采用低通濾波 器，濾波器的電壓傳輸系數(shù)在低于器，濾波器的電壓傳輸系數(shù)在低于fi（max）的范圍內(nèi)保持不變。的范圍內(nèi)保持不變。 二、量化和編碼二、量化和編碼 量化量化：A/D轉(zhuǎn)換時，把取樣電壓表示為某個規(guī)定的最小單位轉(zhuǎn)換時，把取樣電壓表示為某個規(guī)定的最小單位 的整數(shù)倍，這個轉(zhuǎn)換過程叫做量化。的整數(shù)倍，這個轉(zhuǎn)換過程叫做量化。 所取的最小單位叫量化單位，用所取的最小單位叫量化單位，用表示。表

24、示。 編碼編碼：把量化的結(jié)果用代碼表示出來，稱為編碼。：把量化的結(jié)果用代碼表示出來，稱為編碼。 量化誤差量化誤差：因為模擬電壓是連續(xù)的，不一定能被：因為模擬電壓是連續(xù)的，不一定能被整除產(chǎn)生整除產(chǎn)生 的誤差稱為量化誤差。的誤差稱為量化誤差。 圖圖9.3.3 劃分量化電平的兩種方法劃分量化電平的兩種方法 111 110 101 100 011 010 001 000 111 110 101 100 011 010 001 000 輸入 信號 1V 7/8V 6/8V 5/8V 4/8V 3/8V 2/8V 1/8V 0 二進(jìn)制 代碼 輸入 信號 二進(jìn)制 代碼 1V 13/15V 11/15V 9/

25、15V 7/15V 5/15V 3/15V 1/15V 0 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=14/15（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） 例如把例如把0-1V的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制代碼位二進(jìn)制代碼 當(dāng)當(dāng)=1/8V時時當(dāng)當(dāng)=2/15V時時 圖圖9.3.4 對雙極性模擬電壓的量化和編碼對雙極性

26、模擬電壓的量化和編碼 當(dāng)輸入的模擬電壓在正、負(fù)范圍內(nèi)變化時，當(dāng)輸入的模擬電壓在正、負(fù)范圍內(nèi)變化時， 一般采用二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式編碼一般采用二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式編碼 取取=1V， 輸出為輸出為3位二進(jìn)制補(bǔ)碼位二進(jìn)制補(bǔ)碼 最高位為符號位最高位為符號位 9.3.2 取樣取樣-保持電路保持電路 圖圖9.3.5 取樣保持電路的基本形式取樣保持電路的基本形式 vL高電平時高電平時 T導(dǎo)通，導(dǎo)通，vI向向CH充電充電 vL返回低電平返回低電平 T截止，截止，CH上的電壓基本上的電壓基本 保持不變，所以保持不變，所以vO保持不保持不 變，取樣結(jié)果保存變，取樣結(jié)果保存 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：取樣過程取樣過程vI經(jīng)過經(jīng)過RI和和

27、T向向CH充電，限制取樣速度充電，限制取樣速度 圖圖9.3.6 集成取樣保持電路集成取樣保持電路LF198 （a）電路結(jié)構(gòu)（）電路結(jié)構(gòu)（b）典型接法）典型接法 解決方法：電路的輸入端增加一級隔離放大器解決方法：電路的輸入端增加一級隔離放大器 保護(hù)保護(hù)S開關(guān)開關(guān) 取樣過程中電容取樣過程中電容CH上的電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需要的時間上的電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需要的時間 （稱為獲取時間）和保持階段輸出電壓的下降率（稱為獲取時間）和保持階段輸出電壓的下降率vO/ T是是 衡量取樣衡量取樣保持電路性能的兩個最重要的指標(biāo)。在保持電路性能的兩個最重要的指標(biāo)。在LF198 中，采用了雙極型與中，采用了雙極型與MOS型混合

28、工藝。為了提高電路工作速型混合工藝。為了提高電路工作速 度并降低輸入失調(diào)電壓，輸入端運(yùn)算放大器的輸入級采用雙度并降低輸入失調(diào)電壓，輸入端運(yùn)算放大器的輸入級采用雙 極型三極管電路。而在輸出端的運(yùn)算放大器中，輸入級使用極型三極管電路。而在輸出端的運(yùn)算放大器中，輸入級使用 了場效應(yīng)三極管，這就有效地提高了放大器的輸入阻抗，減了場效應(yīng)三極管，這就有效地提高了放大器的輸入阻抗，減 少了保持時間內(nèi)少了保持時間內(nèi)CH上電荷的損失，使輸出電壓的下降率達(dá)到上電荷的損失，使輸出電壓的下降率達(dá)到 10-3（Mv/ sec）以下（當(dāng)外接電容）以下（當(dāng)外接電容CH為為0.01 時）。時）。 輸出電壓下降率與外接電容輸出

29、電壓下降率與外接電容CH電容量大小和漏電情況有電容量大小和漏電情況有 關(guān)。關(guān)。CH的電容量越大、漏電越小，輸出電壓下降率越低。然的電容量越大、漏電越小，輸出電壓下降率越低。然 而加大而加大CH的電容量會使獲取時間變長，所以在選擇的電容量會使獲取時間變長，所以在選擇CH的電容的電容 量大小時應(yīng)兼顧輸出電壓下降率和獲取時間兩方面的要求。量大小時應(yīng)兼顧輸出電壓下降率和獲取時間兩方面的要求。 F 9.3.3 直接直接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量，而不把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量，而不 需要經(jīng)過中間變量需要經(jīng)過中間變量 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型 反饋比較型反饋比較型

30、一、一、 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 圖圖9.3.7 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換原理：轉(zhuǎn)換原理： 輸入電壓與各比較器參考輸入電壓與各比較器參考 電壓比較，確定各比較器電壓比較，確定各比較器 輸出狀態(tài)。輸出狀態(tài)。 2. 在在CP上升沿到來后，比較上升沿到來后，比較 器輸出送寄存器寄存。器輸出送寄存器寄存。 3. 寄存器狀態(tài)經(jīng)編碼器編碼寄存器狀態(tài)經(jīng)編碼器編碼 后輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) 編碼器邏輯函數(shù)式為：編碼器邏輯函數(shù)式為： 12345670 2461 42 QQQQQQQd QQQd Qd d0d1d2Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7 1111111111(13/1

31、51)VREF 0111111110 (11/1513/15)VREF 1011111100(9/1511/15)VREF 0011111000(7/159/15)VREF 1101110000(5/157/15)VREF 0101100000(3/155/15)VREF 1001000000(1/153/15)VREF 0000000000(01/15)VREF 數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出 (代碼轉(zhuǎn)換器輸出代碼轉(zhuǎn)換器輸出) 寄存器狀態(tài)寄存器狀態(tài) （代碼轉(zhuǎn)換器輸入）（代碼轉(zhuǎn)換器輸入） 輸入模擬電壓輸入模擬電壓 vI 表表9.3.1 圖圖9.3.7電路的代碼轉(zhuǎn)換表電路的代碼轉(zhuǎn)換表 轉(zhuǎn)換精度取決于量化電

32、平的劃分，分的越細(xì)，精度轉(zhuǎn)換精度取決于量化電平的劃分，分的越細(xì)，精度 越高。不過分的越細(xì)使用的比較器和觸發(fā)器數(shù)目越大，越高。不過分的越細(xì)使用的比較器和觸發(fā)器數(shù)目越大， 電路越復(fù)雜。電路越復(fù)雜。 優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：需要用很多的電壓比較器和觸發(fā)器，需要用很多的電壓比較器和觸發(fā)器， 需要比較器和觸發(fā)器為需要比較器和觸發(fā)器為2n-1個個 二、反饋比較型二、反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換方法：轉(zhuǎn)換方法： 取一個數(shù)字量加到取一個數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，得到對應(yīng)的輸出模擬電壓，轉(zhuǎn)換器上，得到對應(yīng)的輸出模擬電壓， 將這個電壓和輸入的模擬電壓信號相比較，若不等，調(diào)整數(shù)字將這個電

33、壓和輸入的模擬電壓信號相比較，若不等，調(diào)整數(shù)字 量，直到兩個模擬電壓相等，最后所取的數(shù)字量為轉(zhuǎn)換結(jié)果量，直到兩個模擬電壓相等，最后所取的數(shù)字量為轉(zhuǎn)換結(jié)果 計數(shù)型計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 逐次漸近型逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 反饋比較型反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 圖圖9.3.8 計數(shù)型計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 1. 1. 計數(shù)型計數(shù)型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換開始前，用復(fù)位信號將計數(shù)器置零，轉(zhuǎn)換控制信號轉(zhuǎn)換開始前，用復(fù)位信號將計數(shù)器置零，轉(zhuǎn)換控制信號VL=0 轉(zhuǎn)換開始，轉(zhuǎn)換開始，VL=1，計數(shù)器計數(shù)。，計數(shù)器計數(shù)。vIvO，vB=1，計數(shù)器做加法，計數(shù)器做加法 運(yùn)算，直到運(yùn)算，直到vI=

34、vO，vB=0，計數(shù)器停止計數(shù)，這時計數(shù)器中的，計數(shù)器停止計數(shù)，這時計數(shù)器中的 數(shù)字為所求數(shù)字信號。每次轉(zhuǎn)換完成后數(shù)字為所求數(shù)字信號。每次轉(zhuǎn)換完成后VL下降沿將計數(shù)值置下降沿將計數(shù)值置 入寄存器，以寄存器狀態(tài)作為最終的輸出數(shù)字信號。入寄存器，以寄存器狀態(tài)作為最終的輸出數(shù)字信號。 缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換時間太長缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換時間太長 優(yōu)點(diǎn)：電路簡單優(yōu)點(diǎn)：電路簡單 二、逐次漸近型二、逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 圖圖9.3.9 逐次漸近型逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖 A/D轉(zhuǎn)換器原理如同用天平去稱量一個未知重量的物體時所轉(zhuǎn)換器原理如同用天平去稱量一個未知重量的物體時所 進(jìn)行的操作一樣，

35、所使用的砝碼一個比一個重量少一半。進(jìn)行的操作一樣，所使用的砝碼一個比一個重量少一半。 轉(zhuǎn)換開始前，先將寄存器清零，所以加給轉(zhuǎn)換開始前，先將寄存器清零，所以加給D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的 數(shù)字量也全是數(shù)字量也全是0。轉(zhuǎn)換控制信號。轉(zhuǎn)換控制信號VL變?yōu)楦唠娖綍r開始轉(zhuǎn)換，變?yōu)楦唠娖綍r開始轉(zhuǎn)換， 時鐘信號首先將寄存器的最高位置成時鐘信號首先將寄存器的最高位置成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(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 vO，并送到比較器與輸入信號，并送到比較器與輸入信號vI進(jìn)行比較。進(jìn)行比較。 若若vO vI，說明數(shù)字過大了，這

36、個，說明數(shù)字過大了，這個1應(yīng)去掉；應(yīng)去掉； 若若vO vI，說明數(shù)字還不夠大，這個，說明數(shù)字還不夠大，這個1應(yīng)保留。應(yīng)保留。 然后再按同樣的方法將次高位置然后再按同樣的方法將次高位置1。并比較。并比較vO與與vI的大的大 小，以確定這一位的小，以確定這一位的1是否應(yīng)當(dāng)保留。是否應(yīng)當(dāng)保留。 這樣逐次比較下去，直到最低位比較完為止。這時寄存這樣逐次比較下去，直到最低位比較完為止。這時寄存 器里所存儲的數(shù)碼就是所求的輸出數(shù)字量。器里所存儲的數(shù)碼就是所求的輸出數(shù)字量。 轉(zhuǎn)換原理：轉(zhuǎn)換原理： 圖圖9.3.10 3位逐次漸近型位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路原理圖轉(zhuǎn)換器的電路原理圖 C為電壓比較器，當(dāng)為電壓

37、比較器，當(dāng)vI vO時比較器輸出時比較器輸出vB=0；當(dāng)；當(dāng)vI vO時時 vB=1。FFA、FFB、FFC三個觸發(fā)器組成了三個觸發(fā)器組成了3位數(shù)碼寄存器，觸發(fā)位數(shù)碼寄存器，觸發(fā) 器器FF1FF5和門電路和門電路G1G9組成控制邏輯電路組成控制邏輯電路 轉(zhuǎn)換開始前先將轉(zhuǎn)換開始前先將FA、FB、FC置零，同時將置零，同時將F1F5組成的環(huán)組成的環(huán) 形移位寄存器置成形移位寄存器置成Q1Q2Q3Q4Q5=10000狀態(tài)。控制信號狀態(tài)?？刂菩盘杤L變成高變成高 電平以后，轉(zhuǎn)換開始電平以后，轉(zhuǎn)換開始 第一個第一個CP脈沖到達(dá)以后，脈沖到達(dá)以后， FA被置成被置成1，而，而FFB、FFC被被 置零。這時寄

38、存器的狀態(tài)置零。這時寄存器的狀態(tài) QAQBQC=100加到加到D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 器的輸入端，并在器的輸入端，并在D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 器輸出端得到相應(yīng)的模擬電器輸出端得到相應(yīng)的模擬電 壓壓vO；若；若vI vO，則，則vB=0； vI vO，則，則vB=1。同時移位。同時移位 寄存器右移一位。寄存器右移一位。 使使Q1Q2Q3Q4Q5=01000。 第二個第二個CP脈沖到達(dá)時，脈沖到達(dá)時， FB被置成被置成1，若原來的，若原來的vB=1， 則則FFA被置零。若原來的被置零。若原來的 vB=0，則，則FFA的的1狀態(tài)保留。狀態(tài)保留。 同時移位寄存器右移一位。同時移位寄存器右移一位。 使使Q1Q2Q3Q4

39、Q5=00100。 第三個第三個CP脈沖到達(dá)時，脈沖到達(dá)時， FC被置成被置成1，若原來的，若原來的vB=1， 則則FFB被置被置0。若原來的。若原來的 vB=0，則，則FFB的的1狀態(tài)保留。狀態(tài)保留。 同時移位寄存器右移一位。同時移位寄存器右移一位。 使使Q1Q2Q3Q4Q5=00010。 第四個第四個CP脈沖到達(dá)時，脈沖到達(dá)時， 同樣根據(jù)這時同樣根據(jù)這時vB的狀態(tài)決定的狀態(tài)決定 FFC的的1是否應(yīng)當(dāng)保留。這時是否應(yīng)當(dāng)保留。這時 FA、FB、FC的狀態(tài)就是所的狀態(tài)就是所 要求的轉(zhuǎn)換結(jié)果。同時移位要求的轉(zhuǎn)換結(jié)果。同時移位 寄存器右移一位，變?yōu)榧拇嫫饔乙埔晃?，變?yōu)?00001狀態(tài)。由于狀態(tài)。由于

40、Q5=1，于，于 是是FFA、FFB、FFC的狀態(tài)便的狀態(tài)便 通過門通過門G6、G7、G8送到了送到了 輸出端輸出端 第五個第五個CP脈沖到達(dá)后，脈沖到達(dá)后， 移位寄存器右移一位。移位寄存器右移一位。 使使Q1Q2Q3Q4Q5=10000， 返回初始狀態(tài)。由于返回初始狀態(tài)。由于Q5=0， 門門G6、G7、G8被封鎖，被封鎖， 轉(zhuǎn)換輸出信號隨之消失。轉(zhuǎn)換輸出信號隨之消失。 從這個例子可以看出，從這個例子可以看出，3位輸出的位輸出的A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換器完成一次轉(zhuǎn)換需要換器完成一次轉(zhuǎn)換需要5個時鐘信號周期的時個時鐘信號周期的時 間。如果是間。如果是n位輸出的位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器，則完成轉(zhuǎn)換器，則完成 一

41、次轉(zhuǎn)換所需的時間將為一次轉(zhuǎn)換所需的時間將為n+2個時鐘信號周個時鐘信號周 期的時間。期的時間。 因此，它的轉(zhuǎn)換速度比并聯(lián)比較型因此，它的轉(zhuǎn)換速度比并聯(lián)比較型A/D 轉(zhuǎn)換器低，但比計數(shù)型轉(zhuǎn)換器低，但比計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度 要高的多要高的多 9.3.4 間接間接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 多半屬于電壓多半屬于電壓時間變換型（時間變換型（VT變換型）和變換型）和 電壓電壓頻率變換型（頻率變換型（VF變換型）變換型） 在在VT變換型變換型A/D轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓信轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓信 號轉(zhuǎn)換成與之成正比的時間寬度信號，然后在這個時間寬度里號轉(zhuǎn)換成與之成正比的時間

42、寬度信號，然后在這個時間寬度里 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)字信號電壓的數(shù)字信號 在在VF變換型變換型A/D轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓信轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓信 號轉(zhuǎn)換成與之成正比的頻率信號，然后在一個固定的時間間隔號轉(zhuǎn)換成與之成正比的頻率信號，然后在一個固定的時間間隔 里對得到的頻率信號計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電里對得到的頻率信號計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電 壓的數(shù)字信號壓的數(shù)字信號 一、雙積分型一、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 圖圖9.3.11 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖 轉(zhuǎn)換開始前，轉(zhuǎn)換開始前，VL=0，將計數(shù)器置零，接通開關(guān)，將計數(shù)器置零，接通開關(guān)S0，積分電容，積分電容C 完全放電。完全放電。 開關(guān)開關(guān)S1合到輸入信號合到輸入信號vI一側(cè)，一側(cè)， 積分器正向積分，輸出電壓為：積分器正向積分，輸出電壓為： IO v RC T v 1 2. T1時間到，開關(guān)時間到，開關(guān)S1接至參考電接至參考電 壓