第十一章 數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換

1、第十一章第十一章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換（4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 本章主要介紹數(shù)模轉(zhuǎn)換（本章主要介紹數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A)和模數(shù)轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D)的基本原理和常見的典型電路。的基本原理和常見的典型電路。 在數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中，主要介紹權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型數(shù)在數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中，主要介紹權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器、倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，另外模轉(zhuǎn)換器、倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，另外也介紹了權(quán)電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換器、開關(guān)樹型數(shù)模轉(zhuǎn)也介紹了權(quán)電流型數(shù)模轉(zhuǎn)換器、開關(guān)樹型數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及權(quán)電容型網(wǎng)絡(luò)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器。換器以及權(quán)電容型網(wǎng)絡(luò)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，首先介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換器一在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，首先介紹模

2、數(shù)轉(zhuǎn)換器一般框圖原理和步驟，然后介紹采樣保持電路和模般框圖原理和步驟，然后介紹采樣保持電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要類型。數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要類型。 在介紹數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路的基礎(chǔ)在介紹數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路的基礎(chǔ)上，也講述它們的轉(zhuǎn)換精度和速度等主要參數(shù)。上，也講述它們的轉(zhuǎn)換精度和速度等主要參數(shù)。11.1 概述概述 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，被控量一般為非電量，如溫度、壓在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，被控量一般為非電量，如溫度、壓力、位移等，首先由傳感器將它們轉(zhuǎn)化成連續(xù)變化的模擬量，力、位移等，首先由傳感器將它們轉(zhuǎn)化成連續(xù)變化的模擬量，再由模再由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和計(jì)算。數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換

3、成數(shù)字量，送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和計(jì)算。處理后要經(jīng)過數(shù)處理后要經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，模轉(zhuǎn)換器將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，加到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以調(diào)節(jié)被控對象的大小。加到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以調(diào)節(jié)被控對象的大小。一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的框圖如圖一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的框圖如圖11.1.1所示。所示。圖圖11.1.2為一個(gè)溫度控制系統(tǒng)：為一個(gè)溫度控制系統(tǒng)：傳感器傳感器放大器放大器A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)控制控制對象對象D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電加熱爐電加熱爐熱電偶熱電偶執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖圖11.1.2溫度溫度時(shí)間時(shí)間2、主要性能指標(biāo)、主要性能指標(biāo) 為了保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性，為了保證

4、數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性，A/D轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器必須有足夠的轉(zhuǎn)換精度，另外對于過程控制和檢測需求，器必須有足夠的轉(zhuǎn)換精度，另外對于過程控制和檢測需求， A/D轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器必須有足夠的轉(zhuǎn)換速度。故轉(zhuǎn)換器必須有足夠的轉(zhuǎn)換速度。故是是A/D轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)。轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)。 目前常用的目前常用的D/A轉(zhuǎn)換器有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、倒梯形電轉(zhuǎn)換器、倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電容型轉(zhuǎn)換器、權(quán)電容型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器以及開關(guān)樹型以及開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器等幾種類型。轉(zhuǎn)換器等幾種類型

5、。 將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程稱為數(shù)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換模轉(zhuǎn)換（Digital to Analog），實(shí)現(xiàn)的電路稱為），實(shí)現(xiàn)的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，簡寫成簡寫成DAC（DigitalAnalog Converter）。）。2.A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器： A/D轉(zhuǎn)換器的類型可分成直接轉(zhuǎn)換器的類型可分成直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器。在直接器。在直接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬電壓信號直接被轉(zhuǎn)換成相轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬電壓信號直接被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號；而在間接應(yīng)的數(shù)字信號；而在間接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬信號首先被轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬信號首先被

6、轉(zhuǎn)換成某種中間變量（如時(shí)間、頻率等），然后再將這個(gè)中間轉(zhuǎn)換成某種中間變量（如時(shí)間、頻率等），然后再將這個(gè)中間量轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量。量轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量。 將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程稱為模將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital），實(shí)現(xiàn)的電路稱為），實(shí)現(xiàn)的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，簡寫為簡寫為ADC（AnalogDigital Converter）。）。注：根據(jù)數(shù)字量的輸入輸出方式可以將注：根據(jù)數(shù)字量的輸入輸出方式可以將D/A轉(zhuǎn)換器分成轉(zhuǎn)換器分成并行輸入和串行輸入兩種類型，將并行輸入和串行輸入兩種類型，將A/D轉(zhuǎn)換器分成并行轉(zhuǎn)換器分成并行輸出

7、和串行輸出兩種類型。輸出和串行輸出兩種類型。由于由于D/A轉(zhuǎn)換器電路的工作轉(zhuǎn)換器電路的工作原理較原理較A/D轉(zhuǎn)換器簡單，且是轉(zhuǎn)換器簡單，且是A/D轉(zhuǎn)換器電路的組成部轉(zhuǎn)換器電路的組成部分，故先介紹分，故先介紹D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 數(shù)字量是用代碼按位數(shù)組合起來表示的，對于有數(shù)字量是用代碼按位數(shù)組合起來表示的，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每一位的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相模擬量，必須將每一位的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后相加，即可得與數(shù)字量成正比的總應(yīng)的模擬量，然后相加，即可得

8、與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬的轉(zhuǎn)換。模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬的轉(zhuǎn)換。D111101D/AA(電壓 或 電流) ？D/A轉(zhuǎn)換器的目的為：轉(zhuǎn)換器的目的為：圖圖11.2.1為為n 位位D/A轉(zhuǎn)換器的原理框圖轉(zhuǎn)換器的原理框圖 D/A轉(zhuǎn)換器是由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關(guān)電路、轉(zhuǎn)換器是由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關(guān)電路、解碼電路、求和電路及基準(zhǔn)電壓及部分組成。解碼電路、求和電路及基準(zhǔn)電壓及部分組成。 數(shù)字量是以串行或并行方式輸入并存儲在數(shù)碼寄存器中，數(shù)字量是以串行或并行方式輸入并存儲在數(shù)碼寄存器中，寄存器輸出的每位數(shù)碼驅(qū)動對應(yīng)數(shù)位上的電子開關(guān)將電阻解碼寄存器輸出的每位數(shù)碼驅(qū)動對應(yīng)數(shù)位上的電子開關(guān)將

9、電阻解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位權(quán)值送入求和電路中，求和電路將各位網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位權(quán)值送入求和電路中，求和電路將各位權(quán)值相加就得到與數(shù)字量相應(yīng)的模擬量，這就是權(quán)值相加就得到與數(shù)字量相應(yīng)的模擬量，這就是D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的原理。原理。*按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同把按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同把D/A分為：分為： 如權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型、倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)型、權(quán)電流型、權(quán)電容如權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型、倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)型、權(quán)電流型、權(quán)電容型以及開關(guān)樹型。型以及開關(guān)樹型。 CMOS開關(guān)型和雙極型開關(guān)型，其中雙極型開關(guān)開關(guān)型和雙極型開關(guān)型，其中雙極型開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器又分為電流開關(guān)型和器又分為電流開關(guān)型和ECL電流開關(guān)型。其中電流開關(guān)型。其

10、中CMOS型功耗低，型功耗低，但速度慢。雙極型的轉(zhuǎn)換速度快。但速度慢。雙極型的轉(zhuǎn)換速度快。一個(gè)多位二進(jìn)制數(shù)可表示為一個(gè)多位二進(jìn)制數(shù)可表示為0011221101212222ddddddddDnnnnnnn其中：其中：2n-1、2n221、20稱為最高位（稱為最高位（Most Significant Bit，簡稱，簡稱MSB）到最低位（）到最低位（Least Significant Bit，簡稱，簡稱LSB）的權(quán)。）的權(quán)。 圖圖11.2.2是是4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖，它轉(zhuǎn)換器的原理圖，它是由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、是由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、4個(gè)電子模擬開關(guān)和個(gè)電子模擬開關(guān)和1個(gè)求和放大器個(gè)求和放

11、大器組成。組成。1.組成：組成：圖圖11.2.2權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開關(guān)求和放大器（1）S3S0:為電子開為電子開關(guān)，其狀態(tài)受輸入數(shù)關(guān)，其狀態(tài)受輸入數(shù)碼碼d3d0的取值控制。的取值控制。當(dāng)當(dāng)di1時(shí)開關(guān)接到時(shí)開關(guān)接到參考電壓參考電壓VREF上，有上，有支路電流支路電流Ii流向求和流向求和放大器；當(dāng)放大器；當(dāng)di0時(shí)時(shí)開關(guān)接地，支路電流開關(guān)接地，支路電流Ii為零。為零。RVIRVIRVIRVIRVIREFREFREFREFiREFi031221302222權(quán)電流：圖圖11.2.2（2）求和放大器）求和放大器A：為一個(gè)接成負(fù)反饋為一個(gè)接成負(fù)反饋的理想運(yùn)算放大器。的理想運(yùn)算放大器。即：即：AV，iI0，R

12、o0。由于負(fù)反饋，。由于負(fù)反饋，存在虛短和虛斷，存在虛短和虛斷，即即VV0， iI0。（3）VREF：基準(zhǔn)電壓：基準(zhǔn)電壓圖圖11.2.22.輸出電壓的計(jì)算：輸出電壓的計(jì)算：)(01230IIIIRIRvFF由于由于V V0，故各電流為，故各電流為001122338,42,dRVIdRVIdRVIdRVIREFREFREFREF，輸出電壓為輸出電壓為圖圖11.2.2取取RFR / 2，則輸出，則輸出電壓為電壓為)2222(2)222()(0011223340312230123ddddVdRVdRVdRVdRVRIIIIRiRvREFREFREFREFREFFFFo圖圖11.2.2上式標(biāo)明，輸出的

13、模擬電壓與輸入的數(shù)字量上式標(biāo)明，輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量Dn成正比。成正比。的最大變化范圍是故輸出電壓時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)REFnnREFnnVVvv2120,2121111D; 00000D0n0n 注：注：1.若若VREF取正值，則輸出電壓為負(fù)值。若想輸出取正值，則輸出電壓為負(fù)值。若想輸出電壓為正值，可以將電壓為正值，可以將VREF取負(fù)值。取負(fù)值。)2222(2001122334ddddVvREFo2. 此電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，所用的電阻元件少。此電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，所用的電阻元件少。缺點(diǎn)是各個(gè)電阻的阻值相差較大，輸入數(shù)字量的位數(shù)缺點(diǎn)是各個(gè)電阻的阻值相差較大，輸入數(shù)字量的位數(shù)越多，差

14、別就越大，故很難保證電阻的精確度。越多，差別就越大，故很難保證電阻的精確度。其輸出電壓為其輸出電壓為nREFREFDVddddddddVv80011223344556677802)22222222(2 為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在輸入數(shù)字量較多時(shí)可采用為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在輸入數(shù)字量較多時(shí)可采用圖圖11.2.3所示的電路。所示的電路。11.2.2 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 為了克服權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)為了克服權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電阻阻值相差太大轉(zhuǎn)換器電阻阻值相差太大的缺點(diǎn)，改進(jìn)電路為倒的缺點(diǎn)，改進(jìn)電路為倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，如圖轉(zhuǎn)換器，如圖11.2.4所示。所示。圖圖11.2

15、.4 根據(jù)根據(jù)“虛虛短短”“”“虛地虛地”，有，有VV，無論開關(guān)打，無論開關(guān)打在哪一面，流過每個(gè)在哪一面，流過每個(gè)支路的電流始終不變。支路的電流始終不變。故可等效成圖故可等效成圖11.2.5所示電路。所示電路。RRRR圖圖11.2.5則總的電流為則總的電流為RRRR圖圖11.2.5)()()()(16842010123IdIdIdIdiIdiIdiiii流入地端時(shí)，流入時(shí)，RVIREF由于由于故輸出電壓為故輸出電壓為DVddddRVRRiVREFREFO40011223342)2222(21)16()8()4()2(0123IdIdIdIdiRVIREF 對于對于n位輸入的倒位輸入的倒T形電阻

16、網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，在求轉(zhuǎn)換器，在求和放大器的反饋電阻為和放大器的反饋電阻為R時(shí)，其輸出的模擬電壓為時(shí)，其輸出的模擬電壓為nnREFnnnnnREFoDVddddVv2)2222(200112211 上式說明輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量成正比，其上式說明輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量成正比，其其輸出公式與權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)其輸出公式與權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器相同。轉(zhuǎn)換器相同。REFnnOnnVVD2120120,范圍為為“正”取“負(fù)”則得OREFVV圖圖11.2.6為采用倒為采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的單片集成型電阻網(wǎng)絡(luò)的單片集成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器CB7520(AD7520)的電路。的電路。圖圖11.2.

17、6其輸入為其輸入為10位二進(jìn)制數(shù)，采用位二進(jìn)制數(shù)，采用CMOS電路構(gòu)成的模擬開關(guān)。電路構(gòu)成的模擬開關(guān)。輸出電壓為輸出電壓為圖圖11.2.61000118899102)2222(2DVddddVvnREFREFo 注：在使用注：在使用CB7520時(shí)需要外接運(yùn)算放大器，反饋電阻時(shí)需要外接運(yùn)算放大器，反饋電阻可以采用內(nèi)部的電阻可以采用內(nèi)部的電阻R，也可以外接反饋電阻接到，也可以外接反饋電阻接到Iout1和和vo之間。外接參考電壓之間。外接參考電壓VREF必須有足夠的精度，才能必須有足夠的精度，才能確保應(yīng)有的轉(zhuǎn)換精度。確保應(yīng)有的轉(zhuǎn)換精度。圖圖11.2.6CB7520(AD7520)的應(yīng)用：的應(yīng)用：CB

18、7520(AD7520)可用作單可用作單極性電壓輸出，其連接電路如圖極性電壓輸出，其連接電路如圖11.2.7所示。所示。其中反相輸入的電壓輸出為其中反相輸入的電壓輸出為1010102DVRRRvREFW同相輸入的電壓輸出為：同相輸入的電壓輸出為：10101102)1 (DVRRvREFW 對應(yīng)的輸出輸入的對應(yīng)的輸出輸入的關(guān)系如表關(guān)系如表11-1所示（反所示（反相）相）1010102DVRRRvREFW（RW1=0）注：注：在圖在圖11.2.7電路中，電路中，RW1可調(diào)節(jié)反饋電阻的阻值，使得運(yùn)可調(diào)節(jié)反饋電阻的阻值，使得運(yùn)算放大器的放大比例系數(shù)增加，從而達(dá)到提高滿量程輸出電壓的算放大器的放大比例系

19、數(shù)增加，從而達(dá)到提高滿量程輸出電壓的目的；目的；RW2起到減小滿量程的目的，因?yàn)樗呛蛢?nèi)部電阻網(wǎng)起到減小滿量程的目的，因?yàn)樗呛蛢?nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電阻串聯(lián)，從而改變電流絡(luò)的等效電阻串聯(lián)，從而改變電流I；RW3是運(yùn)算放大器的調(diào)零電阻。是運(yùn)算放大器的調(diào)零電阻。*在實(shí)際應(yīng)用中，在實(shí)際應(yīng)用中，D/A轉(zhuǎn)換器輸轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量可能是正數(shù)，也可入的數(shù)字量可能是正數(shù)，也可能是負(fù)數(shù)，這就要求能是負(fù)數(shù)，這就要求D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器能將不同極性的數(shù)字量轉(zhuǎn)換器能將不同極性的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成正、負(fù)極性的模擬電壓，工成正、負(fù)極性的模擬電壓，工作在雙極性方式，這個(gè)內(nèi)容在作在雙極性方式，這個(gè)內(nèi)容在下面介紹下面介紹11.2.3 權(quán)電

20、流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器（自學(xué)）轉(zhuǎn)換器（自學(xué)） 在前面介紹的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)在前面介紹的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和倒轉(zhuǎn)換器和倒T形電阻形電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，都沒有考慮開關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通轉(zhuǎn)換器中，都沒有考慮開關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降，而是當(dāng)成理想開關(guān)處理，這無疑會引起轉(zhuǎn)換誤壓降，而是當(dāng)成理想開關(guān)處理，這無疑會引起轉(zhuǎn)換誤差，影響轉(zhuǎn)換精度。差，影響轉(zhuǎn)換精度。 解決這個(gè)問題解決這個(gè)問題采用的一種方法采用的一種方法是利用一組恒流是利用一組恒流源構(gòu)成源構(gòu)成“權(quán)權(quán)”，其原理電路如圖其原理電路如圖11.2.8所示。所示。 由于采用恒流源，每個(gè)支路電流的大小不再受開關(guān)由于采用恒流源，每個(gè)支路電流的大小不再受開關(guān)

21、內(nèi)阻合壓降的影響，故而降低了對開關(guān)電路的要求。內(nèi)阻合壓降的影響，故而降低了對開關(guān)電路的要求。圖圖11.2.9是常采用的恒流源是常采用的恒流源電路。其電流為：電路。其電流為：EiEEBEBiRVVVI 當(dāng)輸入的數(shù)當(dāng)輸入的數(shù)字量為字量為1時(shí)，相應(yīng)時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)將恒流源的開關(guān)將恒流源接到運(yùn)算放大器接到運(yùn)算放大器的輸入端；當(dāng)輸?shù)妮斎攵?；?dāng)輸入的數(shù)字量為入的數(shù)字量為0時(shí)，時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)將恒相應(yīng)的開關(guān)將恒流源接地流源接地)2222(2)16842(0011223340123ddddIRdIdIdIdIRiRvFFFo由圖由圖11.2.8可得可得圖圖11.2.10為權(quán)電流型為權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器的原理電路轉(zhuǎn)

22、換器的原理電路此電路中利用倒此電路中利用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)，目的是為了減少電阻形電阻網(wǎng)絡(luò)，目的是為了減少電阻的種類。的種類。其中：其中： (1)各個(gè)管子的基極接到一起，若各管的各個(gè)管子的基極接到一起，若各管的VBE相同，則各發(fā)相同，則各發(fā)射極處于相同的電位，各支路電流的計(jì)算和倒射極處于相同的電位，各支路電流的計(jì)算和倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)一樣，形電阻網(wǎng)絡(luò)一樣，即流過每個(gè)電阻的電流依次減少即流過每個(gè)電阻的電流依次減少1/2。為了保證發(fā)射結(jié)壓降相等，。為了保證發(fā)射結(jié)壓降相等，發(fā)射極電流較大的管子增加了發(fā)射結(jié)的面積。發(fā)射極電流較大的管子增加了發(fā)射結(jié)的面積。(2) 恒流源恒流源IBO用來給各管提供必須的偏置電流用來

23、給各管提供必須的偏置電流(3)運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器A1、三極管、三極管TR、電阻、電阻RR、R構(gòu)成基準(zhǔn)構(gòu)成基準(zhǔn)電流發(fā)生電路。其基準(zhǔn)電流為電流發(fā)生電路。其基準(zhǔn)電流為IRVIRREFREF則輸出電壓為則輸出電壓為nRREFFRREFFFoDRVRddddRVRddddIRv40011223340011223342)2222(2)2222(2 采用權(quán)電流型單片集成采用權(quán)電流型單片集成D/A轉(zhuǎn)換器有轉(zhuǎn)換器有DAC0806、DAC0807、DAC0808等，它們都采用雙極型三極管，等，它們都采用雙極型三極管，工作速度較高。工作速度較高。*DAC0808為為8位位D/A轉(zhuǎn)換器，其典型應(yīng)轉(zhuǎn)換器，其典型應(yīng)用電

24、路如圖用電路如圖11.2.11所所示。示。其中其中d0d8為為8位數(shù)位數(shù)字量輸入端，字量輸入端， Io是是求和電流輸出端。求和電流輸出端。VR、 VR接基準(zhǔn)電接基準(zhǔn)電流發(fā)生電路中運(yùn)算放流發(fā)生電路中運(yùn)算放大器的反相輸入端和大器的反相輸入端和同相輸入端。同相輸入端。COMP供外接補(bǔ)償電容的，供外接補(bǔ)償電容的，VCC和和VEE為正負(fù)電源為正負(fù)電源輸入端。輸入端。*11.2.4 開關(guān)樹型開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器（自學(xué)）轉(zhuǎn)換器（自學(xué)）11.2.6 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 由于由于D/A轉(zhuǎn)換器中數(shù)字量有正負(fù)之分，此時(shí)要求輸轉(zhuǎn)換器中數(shù)字量有正負(fù)之分，此時(shí)要求輸出電壓也應(yīng)有正負(fù)，這就要

25、求出電壓也應(yīng)有正負(fù)，這就要求D/A轉(zhuǎn)換器工作于雙極性轉(zhuǎn)換器工作于雙極性方式。方式。 由于二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算中通常都把帶符號的數(shù)值用由于二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算中通常都把帶符號的數(shù)值用補(bǔ)碼的形式表示，故希望補(bǔ)碼的形式表示，故希望D/A轉(zhuǎn)換器能夠把以補(bǔ)碼形式轉(zhuǎn)換器能夠把以補(bǔ)碼形式輸入的正、負(fù)數(shù)分別轉(zhuǎn)換成正負(fù)極性輸出的模擬電壓。輸入的正、負(fù)數(shù)分別轉(zhuǎn)換成正負(fù)極性輸出的模擬電壓。為了簡單起見，下面以為了簡單起見，下面以3位補(bǔ)碼的情況為例，說明如何位補(bǔ)碼的情況為例，說明如何實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器的雙極性工作方式。轉(zhuǎn)換器的雙極性工作方式。 表表11-2是是3位二進(jìn)制數(shù)從位二進(jìn)制數(shù)從3V到到4V的補(bǔ)碼表示形的補(bǔ)碼表示形式及希

26、望得到的模擬電壓輸出。輸入為式及希望得到的模擬電壓輸出。輸入為3位二進(jìn)制補(bǔ)碼。位二進(jìn)制補(bǔ)碼。最高位為符號位，正數(shù)為最高位為符號位，正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為，負(fù)數(shù)為1 此表數(shù)值若用普通的此表數(shù)值若用普通的3位倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)的位倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，其電路如圖轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，其電路如圖11.2.12所示。所示。其輸出電壓為其輸出電壓為)222(280011223dddvo 則對應(yīng)表則對應(yīng)表112的數(shù)字的數(shù)字量輸出為量輸出為 對照表對照表11-2，若把上表的正常輸出電壓偏移，若把上表的正常輸出電壓偏移4V,則可得到表則可得到表11-2的正負(fù)電壓輸出。的正負(fù)電壓輸出。 為了得到表為了得到表11-3中在

27、輸入代碼為中在輸入代碼為100時(shí)，輸出電壓時(shí)，輸出電壓為為0V，此時(shí)電路如圖，此時(shí)電路如圖11.2.13所示所示圖圖11.2.13則應(yīng)在則應(yīng)在d2 d1 d0100時(shí)時(shí) ，其，其RVIRVIiREFBBB22 另外對照表另外對照表11-2和和11-3可知兩個(gè)最高位（符號位）可知兩個(gè)最高位（符號位）為取反的形式，故將最高位取反后加到普通為取反的形式，故將最高位取反后加到普通D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器上即可得到雙極型輸出，如圖器上即可得到雙極型輸出，如圖11.2.13所示。所示。圖圖11.2.13 如如CB7520接接成雙極性輸出的成雙極性輸出的電路如電路如 圖圖11.2.15所示。所示。一般地構(gòu)成雙極性輸

28、出的一般地構(gòu)成雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器的方法：只要在求轉(zhuǎn)換器的方法：只要在求和放大器的輸入端接入一個(gè)偏移電流，使輸入最高位和放大器的輸入端接入一個(gè)偏移電流，使輸入最高位為為1,而其他各位輸入為而其他各位輸入為0時(shí)的輸出時(shí)的輸出vo=0。同時(shí)將輸入的。同時(shí)將輸入的符號位（最高位）符號位（最高位）反相后接到一般反相后接到一般的的D/A轉(zhuǎn)換器地轉(zhuǎn)換器地輸入，就得到了輸入，就得到了雙極性輸出的雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。11.2.7 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 在在D/A轉(zhuǎn)換器中，通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描轉(zhuǎn)換器中，通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。述轉(zhuǎn)換精度

29、。 分辨率用于表示分辨率用于表示D/A轉(zhuǎn)換器對輸入微小量變化敏轉(zhuǎn)換器對輸入微小量變化敏感程度的，定義為感程度的，定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能分成轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能分成的等級數(shù)，從的等級數(shù)，從0000到到1111全部全部2n個(gè)不同的狀態(tài)，個(gè)不同的狀態(tài)，給出給出2n個(gè)不同的輸出電壓，位數(shù)越多，等級越多，意個(gè)不同的輸出電壓，位數(shù)越多，等級越多，意味著分辨率越高。所以在實(shí)際應(yīng)用中，往往用輸入數(shù)味著分辨率越高。所以在實(shí)際應(yīng)用中，往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。轉(zhuǎn)換器的分辨率。121)212()22(A/D0nREFnnnREFVV轉(zhuǎn)換器的分辨率 另外也用另外也用D

30、/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨出的最小電壓與最大轉(zhuǎn)換器能夠分辨出的最小電壓與最大電壓之比表示分辨率，即電壓之比表示分辨率，即如如10位位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為轉(zhuǎn)換器的分辨率為001. 010231121102.轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差（實(shí)際精度）（實(shí)際精度）: 由于由于D/A轉(zhuǎn)換器的各個(gè)環(huán)節(jié)在參數(shù)及性能上和理論轉(zhuǎn)換器的各個(gè)環(huán)節(jié)在參數(shù)及性能上和理論值存在著差異，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定、運(yùn)算放大器的值存在著差異，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定、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)通壓降、電阻網(wǎng)零點(diǎn)漂移、模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降、電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值的偏差以及三極管特性不一致等等因素，絡(luò)中電阻阻值的偏差以及三極管特性不一致等

31、等因素，都會使得實(shí)際精度與轉(zhuǎn)換誤差有關(guān)系。都會使得實(shí)際精度與轉(zhuǎn)換誤差有關(guān)系。 轉(zhuǎn)換誤差是表示由各種因素引起誤差的一個(gè)綜合轉(zhuǎn)換誤差是表示由各種因素引起誤差的一個(gè)綜合性的指標(biāo)，它表示實(shí)際的性的指標(biāo)，它表示實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換器特性和理論轉(zhuǎn)換特轉(zhuǎn)換器特性和理論轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差，如圖性之間的最大偏差，如圖11.2.16所示所示圖圖11.2.16 *轉(zhuǎn)換誤差一般用最轉(zhuǎn)換誤差一般用最低有效位的倍數(shù)表示，低有效位的倍數(shù)表示，如如1LSB，即為輸出的模，即為輸出的模擬電壓和理論值之間的擬電壓和理論值之間的絕對誤差小于等于輸入絕對誤差小于等于輸入為為0001時(shí)的輸出電壓。時(shí)的輸出電壓。有時(shí)也用絕對誤差與輸有時(shí)

32、也用絕對誤差與輸出電壓滿刻度的百分?jǐn)?shù)出電壓滿刻度的百分?jǐn)?shù)來表示來表示 轉(zhuǎn)換誤差包括比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性轉(zhuǎn)換誤差包括比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等。由不同因素引起的轉(zhuǎn)換誤差各有不同的特點(diǎn)。誤差等。由不同因素引起的轉(zhuǎn)換誤差各有不同的特點(diǎn)。下面以下面以4位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器來介紹各種因素轉(zhuǎn)換器來介紹各種因素引起誤差的情況。引起誤差的情況。a. 比例系數(shù)誤差：比例系數(shù)誤差： 當(dāng)基準(zhǔn)電壓當(dāng)基準(zhǔn)電壓VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值偏離標(biāo)準(zhǔn)值VREF時(shí)，會在輸出時(shí)，會在輸出端產(chǎn)生誤差電壓端產(chǎn)生誤差電壓v01 。 由由VREF引起的轉(zhuǎn)換誤差，引起的轉(zhuǎn)換誤差，叫做比例系數(shù)誤差。叫做比例系

33、數(shù)誤差。由于由于4位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為:)2222(20011223340ddddVvREF則由則由VREF產(chǎn)生的誤差為產(chǎn)生的誤差為REFVddddv)2222(2100112233401上式標(biāo)明，由上式標(biāo)明，由VREF引起的引起的誤差和輸入數(shù)字量的大小誤差和輸入數(shù)字量的大小成正比的，故稱為比例系成正比的，故稱為比例系數(shù)誤差。數(shù)誤差。 圖圖11.2.17中的虛線為中的虛線為在一定的在一定的VREF時(shí)，時(shí)， vo偏偏離理論值的情況，離理論值的情況，vo1即即為比例系數(shù)誤差。為比例系數(shù)誤差。圖圖11.2.17b. 失調(diào)誤差（漂移誤差或平移誤差）失

34、調(diào)誤差（漂移誤差或平移誤差） 由于運(yùn)算放大器由于運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移所造成的的零點(diǎn)漂移所造成的誤差，其誤差電壓誤差，其誤差電壓vo 2的大小與輸入的數(shù)字的大小與輸入的數(shù)字量無關(guān)，輸出電壓特量無關(guān)，輸出電壓特性曲線將發(fā)生平移。性曲線將發(fā)生平移。如圖如圖11.2.18所示，所示， vo2即為失調(diào)誤差即為失調(diào)誤差 。圖圖11.2.18 由于模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻由于模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降都不能為零，故而和導(dǎo)通壓降都不能為零，故而它們的存在肯定會引起輸出產(chǎn)它們的存在肯定會引起輸出產(chǎn)生誤差電壓生誤差電壓 vo3 。由于每個(gè)。由于每個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通電阻不一定相等，開關(guān)的導(dǎo)通電阻不一定相等，接地時(shí)和接接地時(shí)和

35、接VREF的壓降也不一的壓降也不一定相同，故定相同，故 vo3即不是常數(shù)，即不是常數(shù)，也不和輸入數(shù)字量成正比也不和輸入數(shù)字量成正比,這種這種誤差就是非線性誤差，它沒有誤差就是非線性誤差，它沒有一定的規(guī)律。另外還有電阻網(wǎng)一定的規(guī)律。另外還有電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻阻值得偏差，也會產(chǎn)絡(luò)的電阻阻值得偏差，也會產(chǎn)生非線性誤差生非線性誤差vo4 ，如圖，如圖11.2.19所示。所示。圖圖11.2.19c. 非線性誤差非線性誤差對值相加總誤差：幾種誤差的絕*故為了獲得高精度的故為了獲得高精度的D/A轉(zhuǎn)換器，不僅要有高的分辨率，轉(zhuǎn)換器，不僅要有高的分辨率，還要選用高穩(wěn)定度的參考電壓還要選用高穩(wěn)定度的參考電壓VREF和

36、低漂移地運(yùn)算放和低漂移地運(yùn)算放大器與之配合，才可能獲得較高的轉(zhuǎn)換精度。大器與之配合，才可能獲得較高的轉(zhuǎn)換精度。注：目前常用的有兩類注：目前常用的有兩類D/A轉(zhuǎn)換器：一類只包含電阻網(wǎng)轉(zhuǎn)換器：一類只包含電阻網(wǎng)絡(luò)（或恒流源電路）和模擬開關(guān)；另一類除此之外還絡(luò)（或恒流源電路）和模擬開關(guān)；另一類除此之外還包含運(yùn)算放大器及參考電源發(fā)生電路。對于第一類必包含運(yùn)算放大器及參考電源發(fā)生電路。對于第一類必須外接參考電壓和運(yùn)算放大器，應(yīng)該注意合理確定參須外接參考電壓和運(yùn)算放大器，應(yīng)該注意合理確定參考電壓源穩(wěn)定度和運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移的要求?？茧妷涸捶€(wěn)定度和運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移的要求。 當(dāng)當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量發(fā)

37、生變化時(shí)，輸出的轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出的模擬量并不能立即達(dá)到所對應(yīng)的輸出電壓，它需要一模擬量并不能立即達(dá)到所對應(yīng)的輸出電壓，它需要一段建立時(shí)間。通常用建立時(shí)間段建立時(shí)間。通常用建立時(shí)間tset來定量描述來定量描述D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。器的轉(zhuǎn)換速度。建立時(shí)間建立時(shí)間 tset：從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，直到輸：從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，直到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差1LSB/2范圍以內(nèi)所用的時(shí)范圍以內(nèi)所用的時(shí)間。如圖間。如圖11.2.20所示。所示。注意：注意：由于數(shù)字量的變化越由于數(shù)字量的變化越大，建立的時(shí)間就越長，故大，建立的時(shí)間就越長，故一般產(chǎn)品給

38、出的是輸入從全一般產(chǎn)品給出的是輸入從全0跳變到全跳變到全1(或反之）時(shí)的建或反之）時(shí)的建立時(shí)間。立時(shí)間。*在外加運(yùn)算放大器的在外加運(yùn)算放大器的D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器中，由于運(yùn)算放大器的換器中，由于運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速度會影響轉(zhuǎn)換速度會影響D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，故應(yīng)選用轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速率，故應(yīng)選用轉(zhuǎn)換速率高的運(yùn)算放大器，以縮速率高的運(yùn)算放大器，以縮短運(yùn)算放大器的建立時(shí)間。短運(yùn)算放大器的建立時(shí)間。目前在不包含運(yùn)算放大器的目前在不包含運(yùn)算放大器的D/A轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換器中， tset最小為最小為0.1s以內(nèi)；在包含運(yùn)算放大以內(nèi)；在包含運(yùn)算放大器的集成器的集成D/A轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換器中， tset最小為最小為1

39、.5 s以內(nèi)。以內(nèi)。例例11.2.1 在在10位倒位倒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CB7520中，中，外接參考電壓外接參考電壓VREF10V，為保證，為保證VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起的誤差小于（起的誤差小于（1/2）LSB，試計(jì)算，試計(jì)算VREF的相對穩(wěn)定度的相對穩(wěn)定度應(yīng)取多少？（自學(xué)）應(yīng)取多少？（自學(xué)）解：解： a. 計(jì)算計(jì)算1 LSB /2所對應(yīng)的輸出電壓：所對應(yīng)的輸出電壓：)2222(200112211ddddVvnnnnnREFo 當(dāng)當(dāng)LSB1,其余為其余為0時(shí)，輸出電壓為時(shí)，輸出電壓為nREFoVv2n 位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓為形電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓為故

40、（故（1/2）LSB的輸出電壓絕對值為的輸出電壓絕對值為12212nREFnREFoVVv112REFoVv對于對于CB7520b. 計(jì)算由于計(jì)算由于VREF的變化的變化VREF所引起的輸出電壓的變所引起的輸出電壓的變化化vo 在在n 位位D/A轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換器中， VREF引起的輸出電壓的引起的輸出電壓的變化為：變化為：REFnnnnnVddddv )2222(2100112210則當(dāng)輸入的數(shù)字量全為則當(dāng)輸入的數(shù)字量全為1時(shí)，誤差最大，但應(yīng)小于等于時(shí)，誤差最大，但應(yīng)小于等于1LSB /2，故故102212nREFREFnnVVv1110102212REFREFVV對于對于CB7520則有則有

41、則參考電壓的相對穩(wěn)定度為則參考電壓的相對穩(wěn)定度為%05. 0212112211111010REFREFVV1110102212REFREFVV而允許參考電壓的變化量僅為而允許參考電壓的變化量僅為mVVVREFREF512221021122101011111010注：上面計(jì)算為輸入、輸出處于穩(wěn)態(tài)下得出的，輸入靜注：上面計(jì)算為輸入、輸出處于穩(wěn)態(tài)下得出的，輸入靜態(tài)誤差。在動態(tài)時(shí)，還有附加的動態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。態(tài)誤差。在動態(tài)時(shí)，還有附加的動態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。1110102212REFREFVV例例 11.2.2 某一測量儀器中有一個(gè)某一測量儀器中有一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，若要求該轉(zhuǎn)換器，若要求該D/A轉(zhuǎn)換器的精度小于轉(zhuǎn)

42、換器的精度小于0.05%，試問應(yīng)選多少位的，試問應(yīng)選多少位的D/A轉(zhuǎn)換器？（自學(xué)）轉(zhuǎn)換器？（自學(xué)）解：若要求解：若要求D/A轉(zhuǎn)換器的精度小于轉(zhuǎn)換器的精度小于0.05%，也是要求，也是要求D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出值和理論值之間的誤差（絕對誤轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出值和理論值之間的誤差（絕對誤差），一般應(yīng)低于差），一般應(yīng)低于 1LSB /2，即即LBSoUv21兩邊同除輸入為全為兩邊同除輸入為全為1時(shí)的最大電壓得：時(shí)的最大電壓得：mLBSmoUUUv21轉(zhuǎn)換器的分辨率轉(zhuǎn)換器精度ADAD/21/即即由于由于10位位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率也可表示為轉(zhuǎn)換器的分辨率也可表示為故故由于由于10位位D/A轉(zhuǎn)換器分辨率為轉(zhuǎn)

43、換器分辨率為%1 . 0%05. 02121/n轉(zhuǎn)換器的分辨率AD%097. 0%10012110121A/Dn轉(zhuǎn)換器的分辨率轉(zhuǎn)換器的分辨率轉(zhuǎn)換器精度ADAD/21/故應(yīng)取十位或十位以上的故應(yīng)取十位或十位以上的D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 由于輸入的模擬信號在時(shí)間上是連續(xù)的，輸出的由于輸入的模擬信號在時(shí)間上是連續(xù)的，輸出的數(shù)字信號在時(shí)間和幅值都是是離散的，因此轉(zhuǎn)換時(shí)一數(shù)字信號在時(shí)間和幅值都是是離散的，因此轉(zhuǎn)換時(shí)一般要經(jīng)過般要經(jīng)過取樣、保持、量化和編碼取樣、保持、量化和編碼 四個(gè)過程。實(shí)際中四個(gè)過程。實(shí)際中有時(shí)取樣和保持、量化和編碼會同時(shí)實(shí)現(xiàn)。有時(shí)取樣和保持、量化和編碼會同時(shí)實(shí)現(xiàn)。11.3 A/D轉(zhuǎn)換

44、器轉(zhuǎn)換器D111101A/DA(電壓電壓 或或 電流電流)？ A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 其原理框其原理框圖如下：圖如下： 所以所以A/D轉(zhuǎn)換過程是首先對輸入模擬電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換過程是首先對輸入模擬電壓信號進(jìn)行取樣，然后保持并將取樣電壓量化為數(shù)字量，并按一取樣，然后保持并將取樣電壓量化為數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。 取樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離取樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散的模擬量。散的模擬量。 圖圖11.3.1為對某個(gè)輸入為對某個(gè)輸入信號進(jìn)行采樣的波形。其信號進(jìn)行采樣的波形。其中中vs為取樣

45、信號，為取樣信號，vI 表示輸表示輸入的模擬信號。入的模擬信號。圖圖11.3.1 為了使得取樣信號能逼近輸入模擬信號，則取樣為了使得取樣信號能逼近輸入模擬信號，則取樣信號應(yīng)該有足夠高的頻率。為了保證取樣信號將被取信號應(yīng)該有足夠高的頻率。為了保證取樣信號將被取樣信號恢復(fù)，其頻率關(guān)系必須滿足取樣定理。樣信號恢復(fù)，其頻率關(guān)系必須滿足取樣定理。 若若fs為取樣信號的頻率，為取樣信號的頻率， fi（max）為輸入模擬信號為輸入模擬信號的最高頻率分量的頻率，則它們必須滿足的最高頻率分量的頻率，則它們必須滿足(max)2isff 一般取一般取(max)53(isff 注：在取樣電路每次取得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)

46、字信號時(shí)都需要注：在取樣電路每次取得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時(shí)都需要一定的時(shí)間一定的時(shí)間,而且為了給后續(xù)的量化編碼提供一個(gè)穩(wěn)定值，則每而且為了給后續(xù)的量化編碼提供一個(gè)穩(wěn)定值，則每次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時(shí)間。一般取樣次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時(shí)間。一般取樣和保持過程往往是通過取樣保持電路同時(shí)完成的。和保持過程往往是通過取樣保持電路同時(shí)完成的。 數(shù)字量不僅時(shí)間上是離散的，而且數(shù)值上也是離數(shù)字量不僅時(shí)間上是離散的，而且數(shù)值上也是離散的，所以任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的散的，所以任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。將采

47、樣電壓表示為最小數(shù)量將采樣電壓表示為最小數(shù)量單位（單位（）的整數(shù)倍，稱為量化）的整數(shù)倍，稱為量化。所取得最小數(shù)量單位。所取得最小數(shù)量單位叫做量化單位，用叫做量化單位，用表示，它是數(shù)字信號最低位表示，它是數(shù)字信號最低位（LSB）為）為1,其它位為其它位為0時(shí)所對應(yīng)的模擬量，即時(shí)所對應(yīng)的模擬量，即1LSB。如圖如圖11.2.3所示所示 將量化的結(jié)果用代碼（可以是二進(jìn)制，也可以是將量化的結(jié)果用代碼（可以是二進(jìn)制，也可以是其他進(jìn)制）表示出來，這個(gè)過程稱為編碼，這些代碼其他進(jìn)制）表示出來，這個(gè)過程稱為編碼，這些代碼也是也是A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量。轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量。 由于模擬電壓是連續(xù)的，那么不可能所

48、有的電壓由于模擬電壓是連續(xù)的，那么不可能所有的電壓都能被量化單位都能被量化單位整除，所以量化過程不可避免地會整除，所以量化過程不可避免地會引入誤差，這種誤差就叫做量化誤差。量化誤差屬于引入誤差，這種誤差就叫做量化誤差。量化誤差屬于原理性誤差，無法消除。原理性誤差，無法消除。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值就越小，量化誤差也越小。離散電平之間的差值就越小，量化誤差也越小。2.編碼：編碼：4.量化方式：量化方式： 以以3位位A/D轉(zhuǎn)換器為例，轉(zhuǎn)換器為例，如圖如圖11.3.2（a）所示。設(shè)輸）所示。設(shè)輸入電壓入電壓vI為為01V，取量化單，取量化單位位1/8 V，量化

49、中把不，量化中把不足量化單位部分舍棄，如足量化單位部分舍棄，如01/8 V都當(dāng)成都當(dāng)成0V處理，用處理，用000表示；在表示；在1/82/8V都當(dāng)都當(dāng)成成1 處理，即當(dāng)成處理，即當(dāng)成1/8V處處理，用理，用001表示，依此類表示，依此類推，其最大量化誤差為推，其最大量化誤差為 。注：由于后者的量化誤差比前者小，所以大多數(shù)注：由于后者的量化誤差比前者小，所以大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器采用四舍五入的量化方式。換器采用四舍五入的量化方式。 取量化單位為取量化單位為 2/15 V，如圖，如圖11.3.2(b）所示，量）所示，量化中將不足半個(gè)量化單位部化中將不足半個(gè)量化單位部分舍去，對于等于或大于半分舍去，對

50、于等于或大于半個(gè)量化單位的部分按一個(gè)量個(gè)量化單位的部分按一個(gè)量化單位處理。如化單位處理。如01/15 V 當(dāng)當(dāng)0V處理，用處理，用000表示；在表示；在1/153/15 V當(dāng)成當(dāng)成1 處理，處理，即即2/15 V，用，用001表示，依此表示，依此類推，其最大量化誤差為類推，其最大量化誤差為1/2 。b. b. 四舍五入量化方式四舍五入量化方式當(dāng)輸入的模擬電壓為正負(fù)范圍內(nèi)變化時(shí)，一般采用當(dāng)輸入的模擬電壓為正負(fù)范圍內(nèi)變化時(shí)，一般采用二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式編碼。二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式編碼。取樣保持電路的原理圖及輸出波形如圖取樣保持電路的原理圖及輸出波形如圖11.3.3所示所示圖圖11.3.3 該電路是由放大器該

51、電路是由放大器A、保持電容、保持電容CH和開關(guān)驅(qū)動電和開關(guān)驅(qū)動電路組成。其中路組成。其中vI為輸入的模擬電壓，為輸入的模擬電壓， vL為取樣控制信為取樣控制信號號,T為為N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管，做為模擬開關(guān)，管，做為模擬開關(guān)，2.工作原理：工作原理：圖圖11.3.3a.當(dāng)取樣控制電壓當(dāng)取樣控制電壓vL為高電平為高電平時(shí)，時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，輸入電管導(dǎo)通，輸入電壓壓vI通過通過R1和和T給電容給電容CH充電。充電。若取若取R1 RF，并設(shè)運(yùn)放為理，并設(shè)運(yùn)放為理想的，則想的，則vo vc vIb.當(dāng)取樣電壓當(dāng)取樣電壓vL為低電平時(shí)，為低電平時(shí)，NMOS管截止，管截止，CH上的電壓在這上的電

52、壓在這段時(shí)間內(nèi)基本不變，則輸出電壓段時(shí)間內(nèi)基本不變，則輸出電壓也不變，取樣結(jié)果被保存下來，也不變，取樣結(jié)果被保存下來，即即vo vc vI。 CH漏電越小，運(yùn)放的輸入阻抗越高，則保持的時(shí)漏電越小，運(yùn)放的輸入阻抗越高，則保持的時(shí)間也越長。間也越長。注：圖注：圖11.3.4的電路由的電路由于充電時(shí)通過于充電時(shí)通過R1和和T，它們將影響取樣速度。它們將影響取樣速度。而若減小而若減小R1則會降低電則會降低電路的輸入電阻。采取得路的輸入電阻。采取得措施是在電路的輸入端措施是在電路的輸入端增加一級隔離放大器。增加一級隔離放大器。3. 單片集成取樣保持電路單片集成取樣保持電路LF398圖圖11.3.3 圖圖

53、11.3.5 （a）是）是LF398的電路結(jié)構(gòu)圖，圖的電路結(jié)構(gòu)圖，圖11.3.5 （b）是其典型接法。）是其典型接法。圖圖11.3.5其中：其中：*A1、 A2是兩個(gè)運(yùn)算放大器，是兩個(gè)運(yùn)算放大器，S是模擬開關(guān)，是模擬開關(guān)，L是控制開關(guān)是控制開關(guān)S的邏輯單元的邏輯單元圖圖11.3.5* vL和和VREF是邏輯單元的兩個(gè)輸入電壓信號。當(dāng)是邏輯單元的兩個(gè)輸入電壓信號。當(dāng) vL VREFVTH時(shí)，時(shí)，S接通；當(dāng)接通；當(dāng)vL 0，則，則vI vo ，比較器的輸出電壓，比較器的輸出電壓vB1；圖圖11.3.8b.當(dāng)當(dāng)vL為高電平時(shí)，開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，脈沖源發(fā)出的脈沖經(jīng)過門為高電平時(shí)，開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，脈沖源發(fā)出的

54、脈沖經(jīng)過門G加到計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖輸入端加到計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖輸入端CLK，計(jì)數(shù)器開始加法計(jì)數(shù)。隨著計(jì)計(jì)數(shù)器開始加法計(jì)數(shù)。隨著計(jì)數(shù)的進(jìn)行，數(shù)的進(jìn)行，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓不斷增加。轉(zhuǎn)換器的輸出電壓不斷增加。 圖圖11.3.8c.當(dāng)增加到當(dāng)增加到vIvo時(shí)，比較器輸出時(shí)，比較器輸出vB變成低電平，并將門變成低電平，并將門G封鎖，封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，此時(shí)計(jì)數(shù)器的狀態(tài)就是所求的輸出數(shù)字信號。計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，此時(shí)計(jì)數(shù)器的狀態(tài)就是所求的輸出數(shù)字信號。注：注： a.由于轉(zhuǎn)換過程中計(jì)數(shù)器的數(shù)字不斷變化，所以不能將計(jì)由于轉(zhuǎn)換過程中計(jì)數(shù)器的數(shù)字不斷變化，所以不能將計(jì)數(shù)器的狀態(tài)做為輸出的數(shù)字信號，而是在輸出端設(shè)置可輸出

55、寄數(shù)器的狀態(tài)做為輸出的數(shù)字信號，而是在輸出端設(shè)置可輸出寄存器，并在存器，并在vL的下降沿的控制下，寄存器的狀態(tài)為最終的輸出的下降沿的控制下，寄存器的狀態(tài)為最終的輸出數(shù)字信號。數(shù)字信號。圖圖11.3.8b. 此方案的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間長。當(dāng)輸出為此方案的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間長。當(dāng)輸出為n位二進(jìn)制數(shù)碼時(shí)，最位二進(jìn)制數(shù)碼時(shí)，最長的轉(zhuǎn)換時(shí)間是長的轉(zhuǎn)換時(shí)間是倍的時(shí)鐘脈沖信號周期。由于此電路結(jié)構(gòu)倍的時(shí)鐘脈沖信號周期。由于此電路結(jié)構(gòu)簡單，常用在對轉(zhuǎn)換速度要求不高的場合。簡單，常用在對轉(zhuǎn)換速度要求不高的場合。2.逐次漸近型逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 為了提高轉(zhuǎn)換速度，在計(jì)數(shù)型為了提高轉(zhuǎn)換速度，在計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的基

56、礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生逐次漸近型產(chǎn)生逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器。雖然也是反饋比較型轉(zhuǎn)換器。雖然也是反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器，但轉(zhuǎn)換器，但D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量的給出方式不同。轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量的給出方式不同。工作原理：工作原理： 逐次漸近就如稱重逐次漸近就如稱重物，如物，如13g的重物，有的重物，有砝碼砝碼8g、4g、2g、1g。比較過程如表比較過程如表11.3.1所所示示次就夠了只要比較 n圖圖11.3.9逐次漸近型逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理框圖如圖轉(zhuǎn)換器的工作原理框圖如圖11.3.9所示。所示。它由比較器它由比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存轉(zhuǎn)換器、寄存器、時(shí)鐘脈沖源器、時(shí)鐘脈沖源和控制邏輯等。和

57、控制邏輯等。工作原理：工作原理：a.逐次漸近寄存逐次漸近寄存器清零；器清零；b. 先設(shè)寄存器狀態(tài)為最高位為先設(shè)寄存器狀態(tài)為最高位為1,其他位為其他位為0（如（如4位位A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器為換器為1000），經(jīng)過），經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器后，送到比較器比較。轉(zhuǎn)換器后，送到比較器比較。若若vo vI ，則去掉，則去掉這個(gè)這個(gè)1;若若vo vI ，則保留這個(gè)則保留這個(gè)1.然后然后再將次高位設(shè)置再將次高位設(shè)置成成1,再進(jìn)行比較，再進(jìn)行比較，逐位比較下去，逐位比較下去，直到最低位為止。直到最低位為止。這是寄存器所存這是寄存器所存的數(shù)碼即為輸出的數(shù)碼即為輸出的數(shù)字量。的數(shù)字量。圖圖11.3.9特點(diǎn)：電路不太復(fù)雜，速度

58、較快特點(diǎn)：電路不太復(fù)雜，速度較快*由由FF1FF55個(gè)個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成順觸發(fā)器構(gòu)成順序脈沖發(fā)生器，序脈沖發(fā)生器，各觸發(fā)器的輸各觸發(fā)器的輸出波形，如圖出波形，如圖11.3.11所示。所示。圖圖11.3.10為為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。圖圖11.3.10*由由FFAFFC構(gòu)構(gòu)成成3位數(shù)碼寄存位數(shù)碼寄存器，其輸出為三器，其輸出為三位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)d2d1d0.*G1G9組成控組成控制邏輯電路。制邏輯電路。圖圖11.3.10*運(yùn)算放大器構(gòu)運(yùn)算放大器構(gòu)成比較器，用它成比較器，用它比較輸入電壓比較輸入電壓 vI和和vo的大小的大小 。若若vI vo ，則，則

59、vB為低為低電平，其比較器輸出端接到三個(gè)控制與門的輸電平，其比較器輸出端接到三個(gè)控制與門的輸入端。入端。 若設(shè)若設(shè)D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的參看電壓換器的參看電壓VREF8V，輸入，輸入的模擬電壓為的模擬電壓為vI5.86V,則則如下：如下：(1) 開始前將開始前將FFA FFB置零，置零，同時(shí)將環(huán)形計(jì)數(shù)同時(shí)將環(huán)形計(jì)數(shù)器器FF1FF5置成置成Q1Q5= 10000。圖圖11.3.10(2) 當(dāng)當(dāng)vL為高電為高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換開始。平時(shí)，轉(zhuǎn)換開始。當(dāng)?shù)诋?dāng)?shù)?個(gè)脈沖到個(gè)脈沖到達(dá)后，此時(shí)達(dá)后，此時(shí)QAQBQC100 ，若若D/A轉(zhuǎn)換器為轉(zhuǎn)換器為T形電阻網(wǎng)絡(luò)型，形電阻網(wǎng)絡(luò)型，則，輸出電壓則，輸出電壓（不包含求和放（

60、不包含求和放大器）為大器）為I0011223V4)222(2vdddVvREFo圖圖11.3.10由于由于vo vI，則比較器輸出為，則比較器輸出為0,同時(shí)同時(shí)Q1Q5= 01000。(3) 當(dāng)?shù)诋?dāng)?shù)?個(gè)脈沖個(gè)脈沖上升沿來時(shí)，上升沿來時(shí)， QAQBQC110 。此時(shí)此時(shí):IREFovVdddVv6)222(20011223圖圖11.3.10故比較器輸出為故比較器輸出為1，同時(shí)，同時(shí)Q1Q5= 00100(4) 當(dāng)?shù)诋?dāng)?shù)?個(gè)脈沖個(gè)脈沖上升沿來時(shí)，上升沿來時(shí)， QAQBQC101 。此時(shí)此時(shí)IREFovVdddVv5)222(20011223圖圖11.3.10故比較器輸出為故比較器輸出為0，同時(shí)同