數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器

第9章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.2A/D轉(zhuǎn)換器教學(xué)要求1.掌握倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、集成D/A轉(zhuǎn)換器7533的工作原理及相關(guān)計(jì)算。2.理解D/A轉(zhuǎn)換器的兩種輸出方式。3.掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理及其特點(diǎn)。4.了解D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)及典型應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換的應(yīng)用

模擬傳感器

A/D

轉(zhuǎn)換器

數(shù)字控制

計(jì)算機(jī)

D/A

轉(zhuǎn)換器

模擬

控制器

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制對(duì)象

ADC和DAC已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。傳感器(溫度、壓力、流量、位移等）計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計(jì)算、濾波）、數(shù)據(jù)保存等用模擬量作為控制信號(hào)能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)；而將能將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A);轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是衡量它們的重要技術(shù)指標(biāo)。NB是n位二進(jìn)制代碼的輸入數(shù)字量。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每1位的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換。此即D/A轉(zhuǎn)換器的基本思想。1.n位D/A轉(zhuǎn)換器的示意圖如下：9.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理D0D1???vOD/A轉(zhuǎn)換器Dn-2Dn-1NB(iO)9·1D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）2.4位D/A轉(zhuǎn)換器的原理電路如圖9.1.2所示：電路由電子開關(guān)、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、求和電路、基準(zhǔn)電壓、鎖存器等組成。圖9.1.2鎖存器D0D1D2D3數(shù)字量輸入或者懸空S0S1S2S3鎖存器D0D1D2D3數(shù)字量輸入或者懸空當(dāng)電路中Rf=R,則有:S0S1S2S3i0i1i2i33.n位D/A轉(zhuǎn)換器的一般方框圖如下：基準(zhǔn)電壓n位模擬開關(guān)解碼網(wǎng)絡(luò)求和電路數(shù)碼寄存器n位數(shù)字量輸入模擬量輸出解碼網(wǎng)絡(luò)一般有倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)、T形電阻網(wǎng)絡(luò)、權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)等；電子開關(guān)也有TTL型和CMOS型，據(jù)此不同的組合可有不同類型的D/A轉(zhuǎn)換器。-

+RfRRR2R2R2R2R2RI/8S0S1S2S3D0(LSB)D1D2D3I/2I/4I/16I/2I/4I/8I/16v0+VREFi∑(MSB)I圖9.1.4倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1、4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理Si由Di控制，Di＝0時(shí)，Si將電阻2R接地；Di＝1時(shí)，Si將電阻2R接（相應(yīng)電流也送）運(yùn)放“－”端。處于線性運(yùn)用狀態(tài)的運(yùn)放，虛地使每條2R電阻支路的電流恒定，與開關(guān)狀態(tài)無(wú)關(guān)。由圖可得流入運(yùn)放的總電流：分析電路可知，從每個(gè)節(jié)點(diǎn)向左看，每個(gè)二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻均為R。與開關(guān)相連的電阻2R上的電流從高位到低位按2的負(fù)整數(shù)冪遞減。如圖所示-

+RfRRR2R2R2R2R2RI/8S0S1S2S3D0(LSB)D1D2D3I/2I/4I/16I/2I/4I/8I/16v0+VREFi∑(MSB)I輸出電壓：

可見電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)NB,均能在其輸出端得到與之成正比的模擬電壓VO。

由上式可見，要提高D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，電路參數(shù)的選擇要注意以下幾點(diǎn)：①基準(zhǔn)電壓要穩(wěn)定，要求高時(shí)可選用帶隙基準(zhǔn)電壓源。②倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R電阻的精度要高。③每個(gè)模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等。以保證各支路的電流按2的整數(shù)倍遞減。④運(yùn)放的零點(diǎn)漂移要小。2.集成D/A轉(zhuǎn)換器(1)AD7533D/A轉(zhuǎn)換器AD7533D/A轉(zhuǎn)換器是10位CMOS電流開關(guān)形D/A轉(zhuǎn)換器，為電流輸出型。使用時(shí)外加運(yùn)放，反饋電阻可外加或用片內(nèi)電阻。圖9.1.5AD7533內(nèi)部電路2R-

+RF2RD9RR2R2RD7D8v0+VREFR10kΩ20kΩ10kΩIOUT1IOUT2R2R2R2RD0D1D2RRS0S9S1S2S7S8圖9.1.5電路AD7533引腳圖18234567IOUT1GND169151413121110RFIOUT2D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0V+VREF2RRRT1T2T3T4T5T6T7T8T9IOUT2IOUT1VDDDiT1~T3組成電平轉(zhuǎn)移電路,使輸入信號(hào)能與TTL電平兼容，即使TTL的高電平提高以適應(yīng)CMOS的需要。Di=1時(shí)，T9導(dǎo)通，權(quán)電流經(jīng)T9流入運(yùn)放的反相端；Di=0時(shí)，T8導(dǎo)通，權(quán)電流經(jīng)T8接地。圖9.1.6CMOS模擬開關(guān)電路(2)電子開關(guān)電路之一T9驅(qū)動(dòng)電路T8驅(qū)動(dòng)電路9·1·3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器由于倒T電阻形網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器存在模擬開關(guān)電壓降，會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差，權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器可以提高轉(zhuǎn)換精度。v0-

+RfS0S1S2S3D0(LSB)D1D2D3-VREFi∑(MSB)I/2I/4I/8I/16圖9.1.7權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器的原理電路用一組恒流源代替T型電阻網(wǎng)絡(luò)1、4位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器上圖電路中，當(dāng)輸入數(shù)字量的某一位代碼Di=1時(shí)，開關(guān)Si接運(yùn)放的反相輸入端，相應(yīng)的權(quán)電流流入求和電路；當(dāng)Di=0時(shí)，開關(guān)Si接地分析該電路，可得出-

+RfS0S1S2S3D0(LSB)D1D2D3-VREFi∑(MSB)I/2I/4I/8I/16電路分析：采用了恒流源電路后，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這就降低了對(duì)開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。圖9.1.8實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路VREFRf恒流源采用了具有電流負(fù)反饋的BJT恒流源電路。給各管提供基極偏流×RR2R2Rv0-VEE-

+S0S1S2S3D0(LSB)D1D2D3i∑(MSB)IE3I/4I/8A2R1-+2R2R2RRRIECIEOIE1IE2IREFTrT3T2T1TOTCIBBI=IREF=VREF/R1偏置電流A1I/22、實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路分析可得到輸出電壓為：上式表明，基準(zhǔn)電流IREF即輸出電壓VO僅與基準(zhǔn)電壓VREF和電阻R1有關(guān)，而與BJT、R、2R電阻無(wú)關(guān)。這樣，電路降低了對(duì)BJT參數(shù)及R、2R取值的要求，對(duì)于集成化十分有利。常用的此類轉(zhuǎn)換器有AD1408、DAC0806、DAC0808等。9·1·4D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式常用的D/A轉(zhuǎn)換器絕大部分是數(shù)字電流轉(zhuǎn)換器，輸出量是電流。如要實(shí)現(xiàn)電壓輸出，還須轉(zhuǎn)換。輸出電壓為0伏到正滿度值，或?yàn)?伏到負(fù)滿度值的稱為單極性輸出方式。采用單極性輸出方式時(shí)，輸入數(shù)字量采用自然二進(jìn)制碼。±VREF（255/256）︰±VREF（129/256）±VREF（128/256）±VREF（127/256）︰±VREF（1/256）±VREF（0/256）1111111︰00000011000000001111111︰0000000100000000

模擬量

數(shù)字量

MSBLSB表9.1.18位D/A轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時(shí)的輸入/輸出關(guān)系倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器單極性電壓輸出的電路如下：+RFi∑倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器VOD0D1Dn-1VREF對(duì)倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，如果R=Rf,則有在實(shí)際應(yīng)用中，D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量有正極性也有負(fù)極性。這就要求D/A轉(zhuǎn)換器能將不同極性的數(shù)字量對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換為正、負(fù)極性的模擬電壓，工作于雙極性方式。雙極性D/A轉(zhuǎn)換器常用的編碼有：2的補(bǔ)碼、偏移二進(jìn)制碼及符號(hào)-數(shù)值碼（符號(hào)位加數(shù)值碼）等。下表是對(duì)應(yīng)關(guān)系。表9.1.2常用雙極性及輸出模擬量十進(jìn)制數(shù)

2的補(bǔ)碼偏移二進(jìn)制碼模擬量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0VO/VLSB1271260111111101111110：1111111111111110：127126：10-1-127-128

000000010000000011111111：1000000110000000

100000011000000001111111：0000000100000000

10-1：-127-128比較表9·1·2和表9·1·1可見，偏移二進(jìn)制碼與無(wú)符號(hào)二進(jìn)制碼形式上相同，它實(shí)際上是將二進(jìn)制碼對(duì)應(yīng)的模擬量的0值偏移至80H，使偏移后的數(shù)中，只有大于128的才是正數(shù)，而小于128的則為負(fù)數(shù)。所以，若將單極性8位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓減去VREF/2(80H所對(duì)應(yīng)的模擬量），就可得到極性正確的偏移二進(jìn)制碼輸出電壓。若D/A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量是2的補(bǔ)碼，則先將它轉(zhuǎn)換為偏移二進(jìn)制碼，然后輸入到上述D/A轉(zhuǎn)換電路中就可實(shí)現(xiàn)其雙極性輸出。而2的補(bǔ)碼加80H并舍棄進(jìn)位就可得到偏移二進(jìn)制碼。實(shí)現(xiàn)2的補(bǔ)碼加80H只需將2的補(bǔ)碼的高位求反即可。于是可得采用2的補(bǔ)碼輸入的8位雙極性輸出D/A轉(zhuǎn)換電路如下：由圖得A12R1D08位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器D1VREF

1

D2D3D4D5D6D7i∑+R=RfVI+R1VONBR1A29·1·5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1、分辨率

分辨率是D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入微小量變化敏感程度的表征。其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。等級(jí)越多，分辨率愈高。所以，實(shí)際應(yīng)用中，n位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸入數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示，也可以用級(jí)數(shù)2n表示.9·1·5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)2、轉(zhuǎn)換精度D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的模擬量與理論值之間存在誤差，因而將這些誤差的最大值定義為轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換誤差有比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差。（1）比例系數(shù)誤差：實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率與理想特性曲線斜率的偏差。如在n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，當(dāng)VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值△VREF時(shí)，就會(huì)在輸出端產(chǎn)生誤差電壓△VO

△VO=001010011100101110111VO/VREF07/83/85/81/23/81/41/8△vo理想實(shí)際比例系數(shù)誤差圖9.1.103位D/A轉(zhuǎn)換器的比例系數(shù)誤差（2）失調(diào)誤差：由運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移引起，其大小與輸入數(shù)字量無(wú)關(guān)，該誤差使輸出電壓的轉(zhuǎn)換特性曲線發(fā)生平移，3位D/A轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差如圖所示。圖9.1.113位D/A轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差失調(diào)誤差為模擬量的實(shí)際起始數(shù)值與理想起始數(shù)值之差。001010011100101110111VO/VREF07/83/85/81/23/81/41/8△vo理想實(shí)際(3)非線性誤差:是一種沒(méi)有一定變化規(guī)律的誤差，一般用在滿刻度范圍內(nèi)，偏移理想的轉(zhuǎn)移特性的最大值來(lái)表示。模擬開關(guān)處于不同的位置有不同的導(dǎo)通電壓和導(dǎo)通電阻，各電阻支路電阻誤差不同等都可能導(dǎo)致非線性誤差。綜上所述，高精度的D/A轉(zhuǎn)換器必需是高分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器、高穩(wěn)定度的VREF和低零點(diǎn)漂移的運(yùn)放相配合才能實(shí)現(xiàn)。3.轉(zhuǎn)換速度當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出的模擬量并不是立即達(dá)到所對(duì)應(yīng)的值，它需要一定的時(shí)間。通常用建立時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率兩參數(shù)來(lái)描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。建立時(shí)間（tset)：輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí),輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定值(達(dá)到誤差±LSB/2時(shí)）所需時(shí)間。一般用輸入數(shù)字量從全0變到全1時(shí)表示。轉(zhuǎn)換速率（SR)：大信號(hào)工作狀態(tài)下，模擬輸出電壓的最大變化率。4.溫度系數(shù)：輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度時(shí)溫度升1度輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。9·1·6D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用前已介紹，AD7533D/A轉(zhuǎn)換器是10位CMOS電流開關(guān)形D/A轉(zhuǎn)換器。電路如下。2R-

+RF2RD9RR2R2RD7D8v0+VREFR10kΩ20kΩ10kΩIOUT1IOUT2R2R2R2RD0D1D2RR圖9.1.5AD7533內(nèi)部電路D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用廣泛，舉例如下：(1)數(shù)字式可編程增益控制電路根據(jù)虛地原理，由圖得2RI=VI/RVO/R-

+RF2RD9RR2R2RD7D8VREFRIOUT1IOUT2R2R2R2RD0D1D2RR圖9.1.12數(shù)字式可編程增益控制電路vIVOAD7533⑵脈沖波產(chǎn)生電路由AD7533、運(yùn)算放大器及4位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LVC163（同步清零）組成的波形產(chǎn)生電路如圖9.1.13（a）所示。圖9.1.13波形產(chǎn)生電路計(jì)數(shù)器采用反饋清零法，組成模10計(jì)數(shù)器。在時(shí)鐘脈沖作用下，輸出狀態(tài)為0000—1001。圖9.1.13波形產(chǎn)生電路前已分析，計(jì)數(shù)器輸出狀態(tài)為0000～1001。由公式：可得VO波形如圖（b）如采用可逆計(jì)數(shù)器可得三角波。9·2A/D(模數(shù))轉(zhuǎn)換器（ADC）9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程三、量化和編碼二、取樣定理

fS≥2fimax一、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟

取樣——保持——量化——編碼

A/D轉(zhuǎn)換器要將時(shí)間上連續(xù)，幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散，幅值也離散的數(shù)字信號(hào)，它一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個(gè)過(guò)程。A/D轉(zhuǎn)換器概述ADCDn~D0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓能將模擬量成正比地轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。A/D功能:1.取樣與保持

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S(t)vO(t)tOOvI(t)Ott(b)各信號(hào)波形TS圖9.2.1取樣過(guò)程采樣信號(hào)S(t)的頻率愈高，所采得信號(hào)愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。合理的采樣頻率fs由采樣定理確定。則fs≥2fimax

(9.2.1)vO(t)vI(t)S(t)(a)傳輸門TG如fimax為輸入信號(hào)最高頻率分量的頻率

要將取樣電路每次采得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取樣電路后要加保持電路，將所采樣的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間。取樣與保持過(guò)程往往是通過(guò)采樣與保持電路同時(shí)完成的。電路要求：AV1AV2=1,A1

的Ri

高，A2

的Ri高、Ro低。采樣不能放電保持1.取樣與保持9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程（1）電路及工作原理工作原理：在t=t0時(shí)，開關(guān)S閉合，電容被迅速充電，由于AV1·

AV2=1因此VO=VI,在t0~t1時(shí)間間隔內(nèi)是取樣階段。當(dāng)t=t1時(shí)刻，開關(guān)S斷開,進(jìn)入t1到t2的保持階段。⒉量化與編碼

■為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，還必需將取樣-保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上。即將輸出電壓表示為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這一轉(zhuǎn)化過(guò)程稱為數(shù)值量化，簡(jiǎn)稱量化?！隽炕蟮臄?shù)值最后還須通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)。編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。■量化過(guò)程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位，用△表示。它是數(shù)字信號(hào)最低位為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬量，即1LSB。量化誤差：量化過(guò)程中由于取樣電壓不一定能被△整除而存在的量化前后的誤差。轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，1LSB所對(duì)應(yīng)的△越小，量化誤差越小。量化的方法一般有：舍尾取整法和四舍五入法。以3位A/D轉(zhuǎn)換器為例，設(shè)輸入信號(hào)VI的變化范圍為0~1V。用舍尾取整方式時(shí)，取△=（1∕8）V，量化中把不足量化單位的部分舍去，如數(shù)值在0~（1∕8）V間當(dāng)作0△，用二進(jìn)制數(shù)000表示，數(shù)值在（1∕8）V~（2∕8）V間當(dāng)作1△，用二進(jìn)制數(shù)001表示······。這種量化方式的最大誤差為△。(1)量化及量化誤差用四舍五入方式時(shí)，取△=（2/15）V，量化中把不足半個(gè)量化單位的部分舍去，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位的部分按一個(gè)量化單位處理。如數(shù)值在0~（1/15）V之間當(dāng)作0△，用二進(jìn)制數(shù)000表示，數(shù)值在（1/15）V~（3/15）V間當(dāng)作1△，用二進(jìn)制數(shù)001表示,數(shù)值在（3/15）V~（5/15）V間當(dāng)作2△，用二進(jìn)制數(shù)010表示······這種量化方式的最大誤差為1/2△。即最大量化誤差為因此，大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器采用四舍五入方式只舍不入量化方式:量化中把不足1個(gè)量化單位的部分舍棄；最大量化誤差為：四舍五入量化方式:量化過(guò)程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。其最大量化誤差為：（2）兩種量化方式圖象說(shuō)明01V1111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v輸入信號(hào)編碼模擬電平01V110101100011010001000輸入信號(hào)編碼模擬電平0Δ=0v1Δ=2/15v2Δ=4/15v3Δ=6/15v4Δ=8/15v5Δ=10/15v6Δ=12/15v7Δ=14/15v111■A/D(模數(shù))轉(zhuǎn)換器的種類按工作原理可分為兩類：直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器直接A/D轉(zhuǎn)換器:可將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較快，典型電路有并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器和逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。間接A/D轉(zhuǎn)換器：先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為某一中間量（時(shí)間或頻率），然后將中間量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較慢，典型電路有雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器和電壓頻率轉(zhuǎn)換型A/D轉(zhuǎn)換器。9.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器一、電路組成（P448—圖9.2.4）比較器組、寄存器組、編碼器二、工作原理三、主要特點(diǎn)轉(zhuǎn)換精度主要取決于量化電平的劃分，精度越高，所用的器件越多，電路越復(fù)雜。n位轉(zhuǎn)換器需轉(zhuǎn)換速度最快。9.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器1、電路組成

電壓比較器輸入模擬電壓電阻分壓器參考電壓D觸發(fā)器VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量9.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器2、工作原理11VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15VI=8VREF/1511110000001111優(yōu)先級(jí)別I7最高I1最低001vivO比較器的輸出狀態(tài)由寄存器存儲(chǔ)經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。屬四舍五入量化方式模擬輸入

比較器輸狀態(tài)數(shù)字輸出CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1DO

0≤vI<VREF/15VREF/15≤vI<3VREF/153VREF/15≤vI<5VREF/155VREF/15≤vI<7VREF/157VREF/15≤vI<9VREF/159VREF/15≤vI<11VREF/1511VREF/15≤vI<13VREF/1513VREF/15≤vI<VREF

000000

0

00000

0

1

0000

0

11

000

0

11100

0

11110

0

11111

0

111111

1111111

000001010011100101110111表9.2.13位并行A/D轉(zhuǎn)換器輸入與輸出關(guān)系對(duì)照表根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。9.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時(shí)加到所有比較器的輸入端，從I加入到三位數(shù)字量穩(wěn)定輸出所經(jīng)歷的時(shí)間為比較器、D觸發(fā)器和編碼器延遲時(shí)間之和。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與I輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它具有最短的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三位ADC需比較器的個(gè)數(shù)目為7個(gè)，n位轉(zhuǎn)換器需2n-1個(gè)比較器。位數(shù)越多矛盾越突出。3、電路特點(diǎn)：9.2.3

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用天平稱物重非常相似

。所加砝碼重量第一次第二次第三次第四次再加4克再加2克再加1克8克砝碼總重<待測(cè)重量Wx，8克砝碼保留砝碼總重仍<待測(cè)重量Wx，4克砝碼保留砝碼總重>待測(cè)重量Wx，2克砝碼撤除砝碼總重＝待測(cè)重量Wx，1克砝碼保留

結(jié)果8克12克12克13克

1.轉(zhuǎn)換原理

所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設(shè)待秤重量Wx=13克。稱重過(guò)程

逐次漸近寄存器清零寄存器最高有效位置1

DAC比較器比較

Vo>VI?保留此位的1將此位的1清除寄存器次高有效位置1VOVIADC邏輯控制電路寄存器最低有效位置1……yesno最后寄存器輸出數(shù)字量按照稱重思路，將輸入電壓與不同的參考電壓做多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量。工作原理示意如下：由以上工作原理示意圖，可設(shè)計(jì)電路組成框圖如下：第一個(gè)時(shí)鐘脈沖使移位寄存器最高位置1其它位置0—比較—決定存1或0，然后第二個(gè)時(shí)鐘脈沖使移位寄存器次高位置1······控制邏輯電路電壓比較器D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘移位寄存器數(shù)據(jù)寄存器VREFv′OvICPDn-1Dn-2D1D0數(shù)字量輸出模擬量輸入啟動(dòng)脈沖圖9.2.5逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器框圖9.2.3

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器1.轉(zhuǎn)換原理詳解

100…0100…0I

≥VREF/2

1（1）啟動(dòng)后第1個(gè)CP到來(lái)設(shè)VREF＝10V,VI=6.84V9.2.3

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器1.轉(zhuǎn)換原理

010…0110…010I

<3/4VREF

（2）第2個(gè)CP到來(lái)設(shè)VREF＝10V,VI=6.84V9.2.3

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器1.轉(zhuǎn)換原理001…0101…0I

≥5/8VREF

101（3）第3個(gè)CP到來(lái)設(shè)VREF＝10V,VI=6.84V10000000I=6.84VVREF=10V101011119.2.3

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果為D7~D0=10101111轉(zhuǎn)換時(shí)間=80μ

st100001111101D1D2D3F為并行置數(shù)端，高電平有效S為高位串行輸入D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓O＝VREF/2,

送入比較器C與I比較；若I＞

O則比較器C輸出c為1，否則為0。比較結(jié)果（1或0）送至數(shù)據(jù)寄存器的D4~D1。2.4位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路圖9·2·74位轉(zhuǎn)換器電路01D31111011D1D2D3002.4位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路1D21110111D1D2D30D32.4位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路1D21101111D1D2D3D3D12.4位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路小結(jié)：

1、

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；

2、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間與其位數(shù)n和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短；9.2.3

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器3、逐次比較型A/D的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度較快、精度高，應(yīng)用較為廣泛。常用的集成逐次比較型A/D有ADC0808/0809系列（8位）、AD575(10位)、AD574A(12位)等。9.2.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器1.原理電路組成示意R1J1KC1FFnQn1R1J1KC1FFn-1Qn-11R1J1KC1FF1Q11R1J1KC1FF0Q01&C+A+TCCPGvCvO+vI-VREFABCS2S1vS1RCRDn-1D1D0(MSB)(LSB)n級(jí)計(jì)數(shù)器數(shù)字量輸出vG在某固定時(shí)間內(nèi)對(duì)vI求積分，將其平均值變換為與之正比的時(shí)間間隔，通過(guò)計(jì)數(shù)得到數(shù)字量輸出。10.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器00000(1)準(zhǔn)備階段2.工作原理CR信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零；開關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開S2。9.2.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器t=0時(shí)，開關(guān)S1與A端接通，正的被測(cè)電壓I加到積分器的輸入端。積分器開始對(duì)I積分，o為負(fù)值，C為1使計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到進(jìn)位脈沖使Qn=1為止。t=T1=2nTCS

(2)第一次積分工作原理：＜

＜

＜

＜

FFn

1

FFn-1

1

Q1

Qn-1

Qn

FF1

1

FF0

1

1J

C1

1K

R

1J

C1

1K

R

1J

C1

1K

R

1J

C1

1K

R

CP

Cr

Dn-1

D1

D0

&

G

uG

信號(hào)

(MSB)

(LSB)

Tc

1001000+

-

+

-

2

R

uO

uC

C

1uS1

-VREFB

+AvI(3)第二次積分VREF加到積分器的輸入端，積分器開始向相反方向進(jìn)行第二次積分；當(dāng)t=t2時(shí)，積分器輸出電壓O≥0，比較器輸出C=0，時(shí)鐘脈沖控制門G被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。工作原理0T1=2nTC?

T2=Tc

T2=t2

t1

在計(jì)數(shù)器中所計(jì)的數(shù)=Qn-1…Q1Q0，(就是A/D轉(zhuǎn)換器得到的結(jié)果。第一次定時(shí)積分結(jié)束時(shí)輸出電壓

第二次積分階段

A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程歸納：■計(jì)數(shù)器清零，S2閉合，電容C放電。①S1合向A端，積分器對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行定時(shí)積分，積分器輸出與輸入電壓成正比。積分時(shí)間固定為T1②S1合向基準(zhǔn)電壓，積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行反向積分，積分時(shí)間與上次的積分輸出成正比。積分時(shí)間為T2QnOtvSIOtvoOtvCOtvGOt-VREFT1T2T1T2VPt1t2+vIλ②①圖9.2.9雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器各處工作波形雙積分型ADC的特點(diǎn)：性能穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)工作速度低適用于要求精度高，速度要求不高的場(chǎng)合9.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)間：是指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換信號(hào)到來(lái)開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。時(shí)間少-速度快。并行比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高，逐次比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度次之，間接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最慢

分辨率：對(duì)輸入信號(hào)的分辯能力。

用輸出的二進(jìn)制或十進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，n位A/D能區(qū)分出輸入信號(hào)的最小電壓為Vimax/2n.9·2·6集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用IN0~IN7-:8路模擬信號(hào)輸入端。D7~D0：8位數(shù)字信號(hào)輸出端。有三態(tài)特性。CLOCK:時(shí)鐘信號(hào)輸入端。ADC0809是AD公司采用CMOS工藝生產(chǎn)的一種8位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部電路如圖9.2.10所示。片內(nèi)有8通道模擬開關(guān)，可接入8個(gè)模擬量輸入。由于有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，輸出的數(shù)字量可直接與連接在計(jì)算機(jī)CPU數(shù)據(jù)總線相接，而無(wú)需附加接口電路。引腳作用如下：ADDA、ADDB、ADDC:地址碼輸入端，不同的地址碼選擇不同通道的模擬量輸入。ALE：地址碼鎖存輸入端，當(dāng)輸入地址碼穩(wěn)定后，ALE的上升沿將地址信號(hào)鎖存于地址鎖存器內(nèi)。VREF(+)、VREF(－):分別為參考電壓的正負(fù)輸入端，一般情況下，分別接VCC、GND。START:啟動(dòng)信號(hào)輸入端，該信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)片內(nèi)寄存器被復(fù)位，在其下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換。OE:輸出允許控制輸入端。當(dāng)OE=1時(shí)，三態(tài)輸出緩沖器的輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線。EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)EOC變?yōu)楦唠娖?，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入三態(tài)輸出緩沖器，EOC可以作為向CPU發(fā)出的中斷請(qǐng)求信號(hào)。（1）轉(zhuǎn)換時(shí)序圖9.2.11ADC0809控制信號(hào)的定時(shí)圖ADC0809使用時(shí)注意以下幾點(diǎn)：（2）要進(jìn)行參考電壓的調(diào)節(jié)。(3)正確接地。模擬電路電源數(shù)字電路電源模擬電路數(shù)字電路A/D轉(zhuǎn)換器A圖9.2.12正確的地線連接⒉ADC0809的典型應(yīng)用圖9.2.13單通道微機(jī)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖模擬信號(hào)輸入ADC0809RAM8位數(shù)據(jù)總線控制總線D0D7接口D0D7至其他裝置至其他裝置微處理器控制器VISTARTEOCCSRD2/WR2ALE第九章小結(jié)倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器工作原理輸入與輸出的定量關(guān)系

模數(shù)轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程及采樣定理

并行比較型、逐次比較型、雙積分型D/A轉(zhuǎn)換器工作原理輸入與輸出的定量關(guān)系

A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)是轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度附：集成運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)虛斷i+=i-=0虛短U+=U-輸出UO=-IR·RRIR+C1U-U+UO附：運(yùn)放積分器的工作原理S2uIRCuO-+習(xí)題選解解：（1）所以9.1.110位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器如圖9.1.1所示。（1）試求輸出電壓的取值范圍。（2）若要求電路輸入數(shù)字量為200H時(shí)輸出電壓VO＝5V,試問(wèn)VREF應(yīng)取何值？圖9.1.1(2)200H=29,所以根據(jù)上式變換得9.1.3在圖9.1.4所示的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，設(shè)Rf=R,外接參考電壓VREF=-10V,為保證VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起的誤差小于LSB/2，試計(jì)算VREF的相對(duì)穩(wěn)定度應(yīng)取多少？圖9.1.4倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器解：由教材P440的9.1.12式(取絕對(duì)值）對(duì)本題1LSB=1/16VREF最大誤差ΔVO發(fā)生在數(shù)字為最大(D3D2D1D0=1111)15時(shí)于是有解（1）(AD7533中RF=R)(2)由P438~439的討論可知，2的補(bǔ)碼最高位反相后即得偏移二進(jìn)制碼。對(duì)本題，當(dāng)9.1.4由AD7533組成雙極性輸出D/A轉(zhuǎn)換器如圖題9.1.4所示。（1）根據(jù)電路寫出輸出電壓VO的表達(dá)式。（2）試問(wèn)實(shí)現(xiàn)輸入為2的補(bǔ)碼時(shí)的雙極性輸出電路中VB、RB、VREF和片內(nèi)的R應(yīng)滿足什么關(guān)系？時(shí)，VO=0,即由此得此即為所求。顯然，VREF和VB應(yīng)為不同極性。這才能實(shí)現(xiàn)偏移二進(jìn)制碼的雙極性輸出。即原圖D9應(yīng)先接到一個(gè)反相器的輸入端，反相器的輸出端接到AD7533的最高位處，并要求其中D9D8……D0為2的補(bǔ)碼，D9反相后變?yōu)槠贫M(jìn)制碼。1D9電路的連接圖解：把74161接成9進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器，輸出端接到AD7533的低4位輸入端，其高6位輸入端接地。而AD7533與運(yùn)放接成單極性輸出即可。電路圖如下：9.1.6試用D/A轉(zhuǎn)換器AD7533和計(jì)數(shù)器74161組成如圖題9.1.6所示的階梯波形發(fā)生器，要求畫出完整的電路圖。圖題9.1.6VREF應(yīng)為正極性還是負(fù)極性？9.2.1在圖9.2.4所示并行比較器A/D轉(zhuǎn)換器中VREF=7V,試問(wèn)電路的最小量化單位△等于多少？當(dāng)VI=2.4V時(shí)，輸出數(shù)字量D2D1D0=?模擬輸入

比較器輸狀態(tài)數(shù)字輸出CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1DO

0≤vI<V