西安電子科大【數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)】第8章

西安電子科大【數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)】第8章第一頁(yè)，共76頁(yè)。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展,其應(yīng)用越來(lái)越廣,特別是計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)、通信、生物工程、醫(yī)療等其他領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào),因此需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能送給數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理。同時(shí),往往還需要把處理后得到的數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào),作為最后的輸出。8.1概述第二頁(yè)，共76頁(yè)。我們把將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的電路或器件稱(chēng)為數(shù)字－模擬轉(zhuǎn)換器,又稱(chēng)D/A轉(zhuǎn)換器或稱(chēng)DAC；將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的電路或器件稱(chēng)為模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器,又稱(chēng)A/D轉(zhuǎn)換器或稱(chēng)ADC。為了保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性,D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器必須有足夠的精度,同時(shí),為了適應(yīng)快速過(guò)程的控制和檢測(cè)的需要,D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器還必須有足夠快的轉(zhuǎn)換速度。因此,轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度乃是衡量D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)劣的主要標(biāo)志。本章主要介紹D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理和常見(jiàn)的典型電路。第三頁(yè)，共76頁(yè)。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T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器等幾種類(lèi)型。A/D轉(zhuǎn)換器的類(lèi)型也有多種,可分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器兩大類(lèi)。在常見(jiàn)的直接A/D轉(zhuǎn)換器中,又有并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器和反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器兩類(lèi)。目前使用的間接A/D轉(zhuǎn)換器大多都屬于電壓－時(shí)間變換型,如雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器和電壓－頻率變換型兩類(lèi)。

第四頁(yè)，共76頁(yè)。8.2D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)

8.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.電路組成

圖8―1所示為四位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖。它由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)20R、21R、22R、23R,電子模擬開(kāi)關(guān)S0、S1、S2、S3,基準(zhǔn)電壓UREF及求和運(yùn)算放大器組成。第五頁(yè)，共76頁(yè)。圖8―１權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器第六頁(yè)，共76頁(yè)。電子模擬開(kāi)關(guān)S0～S3受輸入數(shù)字信號(hào)d0～d3控制,如果第i位數(shù)字信號(hào)di=1,則Si接位置1,相應(yīng)的電阻Ri和基準(zhǔn)電壓UREF接通；若di=0,則Si接位置0,Ri接地。 求和運(yùn)算放大器用于將權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)流入A的電流iΣ轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓u0輸出。調(diào)節(jié)反饋電阻RF的大小,可使輸出的模擬電壓u0符合要求。同時(shí),求和運(yùn)算放大器又是權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和輸出負(fù)載的緩沖器。第七頁(yè)，共76頁(yè)。

2.工作原理

下面分析圖8―1所示權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓和輸入數(shù)字信號(hào)之間的關(guān)系。在假設(shè)運(yùn)算放大器輸入電流為零的條件下可以得到:(8.2.1)第八頁(yè)，共76頁(yè)。取RF=R/2,則得到:(8.2.2)對(duì)于n位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,當(dāng)反饋電阻取為R/2時(shí),輸出電壓的計(jì)算公式可寫(xiě)成:(8.2.3)第九頁(yè)，共76頁(yè)。【例8.1】在圖8―1所示權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中,設(shè)UREF=-8V,RF=R/2,試求:(1)當(dāng)輸入數(shù)字量d3d2d1d0=0001時(shí),輸出電壓值。(2)當(dāng)輸入數(shù)字量d3d2d1d0=0101時(shí),輸出電壓值。(3)當(dāng)輸入最大數(shù)字量時(shí),輸出電壓值。解:(1)根據(jù)式(8.2.2),可求得輸入數(shù)字量d3d2d1d0=0001時(shí)的輸出電壓為第十頁(yè)，共76頁(yè)。(2)根據(jù)式(8.2.2),可求得輸入數(shù)字量d3d2d1d0=0101時(shí)的輸出電壓為(3)根據(jù)式(8.2.2),可求得輸入最大數(shù)字量d3d2d1d0=1111時(shí)的輸出電壓為第十一頁(yè)，共76頁(yè)。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,所用的電阻元件數(shù)較少。它的缺點(diǎn)是各個(gè)電阻的阻值相差比較大,尤其是在輸入信號(hào)的位數(shù)較多時(shí),這個(gè)問(wèn)題更突出。例如當(dāng)輸入信號(hào)增加到八位時(shí),如果取權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)中最小的電阻為R=10kΩ，那么最大的電阻阻值將達(dá)到27R(=1.28MΩ),兩者相差128倍之多。要想在極為寬廣的阻值范圍內(nèi)保證每個(gè)電阻都有很高的精度是十分困難的,尤其對(duì)制作集成電路更加不利。為了克服權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中電阻阻值相差太大的缺點(diǎn),常采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。第十二頁(yè)，共76頁(yè)。8.2.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.電路組成圖8―2所示為四位R－2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖。和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器相比,除電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈倒T型外,電阻網(wǎng)絡(luò)中只有R,2R兩種阻值的電阻,這就給集成電路的設(shè)計(jì)和制作帶來(lái)了很大的方便。第十三頁(yè)，共76頁(yè)。圖8―2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器第十四頁(yè)，共76頁(yè)。2.工作原理電子模擬開(kāi)關(guān)Ｓ0～S3受輸入數(shù)字信號(hào)d0～d3控制。如果第i位數(shù)字信號(hào)di=1,Si接求和運(yùn)算放大器的虛地端；當(dāng)di=0時(shí),Si接地。可見(jiàn),無(wú)論輸入數(shù)字信號(hào)為0還是為1,即無(wú)論各電子模擬開(kāi)關(guān)接“0”端還是接“1”端,各支路的電流都直接流入地或流入求和運(yùn)算放大器的虛地端,所以對(duì)于倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō),各2R電阻的上端相當(dāng)于接地。由圖8―2看出,基準(zhǔn)電壓UREF對(duì)地電阻為R,其流出的電流i=UREF/R是固定不變的,而每個(gè)支路的電流依次為I/2、I/4、I/8、I/16,因此，(8.2.4)第十五頁(yè)，共76頁(yè)。在求和放大器的反饋電阻阻值等于R的條件下輸出電壓為(8.2.5)對(duì)于n位輸入的倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,在求和放大器的反饋電阻阻值為R的條件下,輸出的模擬電壓的計(jì)算公式為(8.2.6)第十六頁(yè)，共76頁(yè)。由上式可看出,輸出電壓和輸入數(shù)字量成正比。由于不論電子模擬開(kāi)關(guān)接“0”端還是接“1”端,電阻2R的上端總是接地或接求和運(yùn)算放大器的虛地端,因此流經(jīng)2R支路上的電流不會(huì)隨開(kāi)關(guān)狀態(tài)的變化而改變,它不需要建立時(shí)間,所以電路的轉(zhuǎn)換速度提高了。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的電阻數(shù)量雖比權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)多,但它只有R和2R兩種阻值,因而克服了權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻阻值多,差別大的缺點(diǎn),便于集成化。因此，R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器得到了廣泛的應(yīng)用。第十七頁(yè)，共76頁(yè)。但無(wú)論是權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器還是倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,在分析的過(guò)程中,都把電子模擬開(kāi)關(guān)當(dāng)作理想開(kāi)關(guān)處理,沒(méi)有考慮它們的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通電壓降。而實(shí)際上這些開(kāi)關(guān)總有一定的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通電壓降,而且每個(gè)開(kāi)關(guān)的情況不完全相同。它們的存在無(wú)疑將引起轉(zhuǎn)換誤差,影響轉(zhuǎn)換精度。為了克服這一問(wèn)題,常采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。第十八頁(yè)，共76頁(yè)。8.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器1.電路組成

圖8―3所示為四位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖。它由權(quán)電流I/16、I/8、I/4、I/2,電子模擬開(kāi)關(guān)S0、S1、S2、S3,基準(zhǔn)電壓UREF及求和運(yùn)算放大器組成。

電子模擬開(kāi)關(guān)S0～S3受輸入數(shù)字信號(hào)d0～d3控制,如果第i位數(shù)字信號(hào)di=1,則相應(yīng)的開(kāi)關(guān)Si將權(quán)電流源接至運(yùn)算放大器的反相輸入端；若di=0,其相應(yīng)的開(kāi)關(guān)將電流源接地。第十九頁(yè)，共76頁(yè)。圖8―3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器第二十頁(yè)，共76頁(yè)。恒電流源電路經(jīng)常使用圖8―4所示的電路結(jié)構(gòu)形式。只要在電路工作時(shí)UB和UEE穩(wěn)定不變,則三極管的集電極電流可保持恒定,不受開(kāi)關(guān)內(nèi)阻的影響。電流的大小近似為

(8.2.7)第二十一頁(yè)，共76頁(yè)。圖8―４權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器中的電流源第二十二頁(yè)，共76頁(yè)。

2.工作原理

在權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中,有一組恒電流源,每個(gè)恒電流源的大小依次為前一個(gè)的1/2,和二進(jìn)制輸入代碼對(duì)應(yīng)的權(quán)成正比。輸出電壓為(8.2.8)第二十三頁(yè)，共76頁(yè)。可見(jiàn),輸出電壓u0正比于輸入的數(shù)字量,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器各支路電流的疊加方法與傳輸方式和R－2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器相同,因而也具有轉(zhuǎn)換速度快的特點(diǎn)。此外,由于采用了恒流源,每個(gè)支路電流的大小不再受開(kāi)關(guān)內(nèi)阻和壓降的影響,從而降低了對(duì)開(kāi)關(guān)電路的要求。第二十四頁(yè)，共76頁(yè)。8.2.4D/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)字量的最低有效位為1時(shí),對(duì)應(yīng)輸出可分辨的電壓變化量ΔU與最大輸出電壓之比,即分辨率＝(8.2.9)例如,10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可以表示為分辨率越高,轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入量的微小變化的反應(yīng)就越靈敏。第二十五頁(yè)，共76頁(yè)。如果輸出模擬電壓滿(mǎn)量程為10V,那么10位D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨的最小電壓是10/1023(≈0.009775)V,而八位D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨的最小電壓是10/255(≈0.039125)V,可見(jiàn),D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越高,分辨輸出電壓的能力就越強(qiáng)。第二十六頁(yè)，共76頁(yè)。

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)程的各種誤差引起,主要是靜態(tài)誤差。它包括:(1)非線性誤差。它是由電子開(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(mǎn)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UREF的偏離引起的誤差。以圖8―2的倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器為例,如果UREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值ΔUREF,則輸出將產(chǎn)生誤差電壓:(8.2.10)

第二十七頁(yè)，共76頁(yè)。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明,由UREF的變化所引起的誤差和輸入數(shù)字量的大小是成正比的。因此把由ΔUＲＥＦ引起的轉(zhuǎn)換誤差叫做比例系數(shù)誤差。圖8―5中以虛線表示出了當(dāng)ΔUREF一定時(shí),輸出的電壓值偏離理論值的情況。(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,輸出的模擬電壓并不為0。這使實(shí)際輸出電壓值與理想電壓值產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)位移,如圖8―6中虛線所示。第二十八頁(yè)，共76頁(yè)。圖8―5比例系數(shù)誤差第二十九頁(yè)，共76頁(yè)。圖8―６漂移誤差第三十頁(yè)，共76頁(yè)?！纠?.２】在圖8―2的倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中,外接參考電壓UREF=-10Ｖ。為保證UREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起的誤差小于1/2LSB(最低有效位),試計(jì)算UREF的相對(duì)穩(wěn)定度應(yīng)取多少？

解:先計(jì)算對(duì)應(yīng)于1/2LSB輸入的輸出電壓。由式(8.2.6)可知,當(dāng)輸入代碼只有LSB=1而其余各位均為0時(shí)的輸出電壓為第三十一頁(yè)，共76頁(yè)。故與1/2LSB相對(duì)應(yīng)的輸出電壓絕對(duì)值為其次,計(jì)算由于參考電壓UREF變化ΔUREF所引起的輸出電壓變化Δu0,由式(8.2.6)可知,在n位輸入的D/A轉(zhuǎn)換器中,由ΔUREF引起的輸出電壓變化應(yīng)為第三十二頁(yè)，共76頁(yè)。而且在數(shù)字量所有各位全為1時(shí)Δu0最大。這時(shí)的輸出電壓絕對(duì)值為根據(jù)題意,Δu0必須小于等于1/2LDB對(duì)應(yīng)的輸出電壓,于是得到第三十三頁(yè)，共76頁(yè)。

3.建立時(shí)間

從數(shù)字信號(hào)輸入DAC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1μs以?xún)?nèi)。故得到參考電壓UREF的相對(duì)穩(wěn)定度為第三十四頁(yè)，共76頁(yè)。8.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理

在A/D轉(zhuǎn)換器中,因?yàn)檩斎氲哪M信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的,而輸出的數(shù)字信號(hào)是離散的,所以轉(zhuǎn)換只能在一系列選定的瞬間對(duì)輸入的模擬信號(hào)取樣,然后再把這些取樣值轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量。因此,A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程是首先對(duì)輸入的模擬電壓信號(hào)取樣,取樣結(jié)束后進(jìn)入保持時(shí)間,在這段時(shí)間內(nèi)將取樣的電壓量化為數(shù)字量,并按一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。然后,再開(kāi)始下一次取樣。8.3A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)第三十五頁(yè)，共76頁(yè)。

1.取樣與保持取樣是將時(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8―７所示。圖中,ui(t)是輸入模擬信號(hào),s(t)為取樣脈沖,uo(t)為取樣后的輸出信號(hào)。第三十六頁(yè)，共76頁(yè)。圖8―７取樣過(guò)程第三十七頁(yè)，共76頁(yè)。 在取樣脈沖作用的周期τ內(nèi),取樣開(kāi)關(guān)接通,使uo(t)=ui(t),在其他時(shí)間(Ts-τ)內(nèi),輸出等于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(mǎn)足:

fs≥2fmax

(8.3.1)第三十八頁(yè)，共76頁(yè)。模擬信號(hào)經(jīng)取樣后,得到一系列樣值脈沖。取樣脈沖寬度τ一般是很短暫的,在下一個(gè)取樣脈沖到來(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8―８(a)是一種常見(jiàn)的取樣保持電路,場(chǎng)效應(yīng)管V為取樣門(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。第三十九頁(yè)，共76頁(yè)。假定充電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于τ,那么電容C上的充電電壓就能及時(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次取樣時(shí)間τ的輸入ui(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)時(shí),電容C上的電壓uo(t)再按輸入ui(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8―8（b）所示的波形。第四十頁(yè)，共76頁(yè)。圖8―８取樣保持電路及輸出波形(a)取樣保持電路原理圖;（b）輸出波形圖第四十一頁(yè)，共76頁(yè)。

2.量化與編碼正如前面所講,數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是不連續(xù)的,而且在幅度上的變化也是不連續(xù)的。因此，任何一個(gè)數(shù)字量的大小都可用某個(gè)最小量單位的整數(shù)倍來(lái)表示。而采樣－保持后的電壓仍是連續(xù)可變的,在將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量時(shí),就必須把它與一些規(guī)定個(gè)數(shù)的離散電平進(jìn)行比較,凡介于兩個(gè)離散電平之間的取樣值,可按某種方式近似地用這兩個(gè)離散電平中的一個(gè)表示。

這種取整并歸的方式和過(guò)程稱(chēng)為數(shù)值量化,簡(jiǎn)稱(chēng)量化。所取的最小數(shù)量單位叫做量化單位,用Δ表示。顯然,數(shù)字信號(hào)最低有效位（LSB）的1所代表的數(shù)量大小就等于Δ。第四十二頁(yè)，共76頁(yè)。把量化的結(jié)果用代碼（可以是二進(jìn)制,也可是其他進(jìn)制）表示出來(lái),稱(chēng)為編碼。這些代碼就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果。量化的方法有兩種:一種是只舍不入,另一種是有舍有入。

只舍不入的方法是:取最小量化單位Δ=Um/2n(其中，Um為輸入模擬電壓的最大值;n為輸出數(shù)字代碼的位數(shù)),將0~Δ之間的模擬電壓歸并到0·Δ,把Δ~2Δ之間的模擬電壓歸并到1·Δ,依次類(lèi)推。這種方法產(chǎn)生的最大量化誤差為Δ。例如,把0~1V的模擬電壓轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制代碼，則Δ=1/23V=1/8V,規(guī)定凡數(shù)值在0～1/8V之間的模擬電壓歸并到0·Δ；第四十三頁(yè)，共76頁(yè)。用二進(jìn)制數(shù)000表示,凡數(shù)值在(1/8～2/8)V之間的模擬電壓歸并到1·Δ,用二進(jìn)制數(shù)001表示;等等，如圖8―9（a）所示。不難看出,這種量化方法可能帶來(lái)的最大量化誤差可達(dá)1/8V。第四十四頁(yè)，共76頁(yè)。圖8―９劃分量化的兩種方法及其編碼第四十五頁(yè)，共76頁(yè)。

8.3.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要電路形式

ADC電路分為直接法和間接法兩大類(lèi)。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,從而將模擬量直接轉(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電壓信號(hào)先轉(zhuǎn)換成一個(gè)中間變量（時(shí)間t或頻率f）,然后再將中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度較低,但轉(zhuǎn)換精度可提高,且抗干擾性強(qiáng)。第四十六頁(yè)，共76頁(yè)。常用的直接A/D轉(zhuǎn)換器有并聯(lián)比較型和反饋比較型兩類(lèi)。目前使用的間接A/D轉(zhuǎn)換器多半都屬于電壓-時(shí)間變換型（簡(jiǎn)稱(chēng)U―T變換型）和電壓-頻率變換型（簡(jiǎn)稱(chēng)U―F變換型）。下面介紹常用的電路。

1.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)如圖8―10所示,它由電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換電路三部分組成。其輸入為0～UREF間的模擬電壓,輸出為三位二進(jìn)制數(shù)碼d2d1d0。第四十七頁(yè)，共76頁(yè)。圖8―10并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器第四十八頁(yè)，共76頁(yè)。表8―１并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換關(guān)系第四十九頁(yè)，共76頁(yè)。代碼轉(zhuǎn)換器是一個(gè)組合邏輯電路,根據(jù)表8―１可以寫(xiě)出代碼轉(zhuǎn)換電路輸出與輸入間的邏輯函數(shù)式:(8.3.2)按照上式即可得到圖8―10中的代碼轉(zhuǎn)換電路。第五十頁(yè)，共76頁(yè)。

例如,假設(shè)模擬輸入電壓ui=3.8V,UREF=8V。當(dāng)模擬輸入電壓ui加到各級(jí)比較器時(shí),由于因此比較器的輸出C7～C1為０００１１１１。在時(shí)鐘脈沖作用下,比較器的輸出存入寄存器,經(jīng)代碼轉(zhuǎn)換電路輸出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。第五十一頁(yè)，共76頁(yè)。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。其缺點(diǎn)是電路復(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,代碼轉(zhuǎn)換電路隨n的增大變得相當(dāng)復(fù)雜。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度主要取決于量化電平的劃分,分得越細(xì),精度越高。但分得過(guò)細(xì),使用的比較器和觸發(fā)器數(shù)目就越大,電路就更加復(fù)雜。此外,轉(zhuǎn)換精度還受參考電壓的穩(wěn)定度和分壓電阻相對(duì)精度以及電壓比較器靈敏度的影響。第五十二頁(yè)，共76頁(yè)。

2.反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器在反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器中經(jīng)常采用的有計(jì)數(shù)型和逐次漸近型兩種方案。計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖8―11所示。它由電壓比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器以及輸出寄存器等幾部分組成。第五十三頁(yè)，共76頁(yè)。圖8―11計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖第五十四頁(yè)，共76頁(yè)。轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先用復(fù)位信號(hào)將計(jì)數(shù)器置零,而且轉(zhuǎn)換控制信號(hào)應(yīng)停留在uL=0的狀態(tài)。這時(shí)邏輯門(mén)被封鎖,計(jì)數(shù)器不工作。計(jì)數(shù)器加給D/A轉(zhuǎn)換器的是全０信號(hào),因此D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓uo=0。如果ui為正電壓信號(hào),則ui>uo,比較器的輸出電壓uB=１。當(dāng)uL變成高電平時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換,脈沖源發(fā)出的脈沖經(jīng)過(guò)邏輯門(mén)G加到計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)輸入端CP，計(jì)數(shù)器開(kāi)始作加法計(jì)數(shù)。隨著計(jì)數(shù)的進(jìn)行,D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓uo也不斷增加。當(dāng)uo增至uo＝ui時(shí),比較器的輸出電壓變成uB=０,將邏輯門(mén)G封鎖,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這時(shí),計(jì)數(shù)器中所存的數(shù)字就是所求的輸出信號(hào)。第五十五頁(yè)，共76頁(yè)。由于在轉(zhuǎn)換過(guò)程中,計(jì)數(shù)器中的數(shù)字不停地變化,因此不宜將計(jì)數(shù)器的狀態(tài)直接作為輸出信號(hào)。為此,在輸出端設(shè)置了輸出寄存器。在每次轉(zhuǎn)換完成以后,用轉(zhuǎn)換控制信號(hào)uL的下降沿將計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字置入輸出寄存器中,而以寄存器的狀態(tài)作為最終的輸出信號(hào)。 計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器電路簡(jiǎn)單,但速度很慢,當(dāng)輸出為n位二進(jìn)制數(shù)碼時(shí),最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為(2n-1)×TCP（TCP為計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖周期）。第五十六頁(yè)，共76頁(yè)。為了提高轉(zhuǎn)換速度,在計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上又產(chǎn)生了逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器。逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖8―12所示。它由電壓比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、時(shí)鐘脈沖源和控制邏輯等幾部分組成。第五十七頁(yè)，共76頁(yè)。圖8―12逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖第五十八頁(yè)，共76頁(yè)。這種轉(zhuǎn)換是將轉(zhuǎn)換的模擬電壓uo與一系列基準(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,先將寄存器清零。轉(zhuǎn)換控制信號(hào)uL變?yōu)楦唠娖綍r(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換,時(shí)鐘信號(hào)首先將寄存器的最高位置１,使其輸出為１００…００,這個(gè)數(shù)字量被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo,送至比較器與輸入信號(hào)ui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,同時(shí)設(shè)次高位為１；若uo≤ui,說(shuō)明寄存器輸出的數(shù)碼不夠大,應(yīng)將最高位設(shè)置的１保留,同時(shí)也設(shè)次高位為１。第五十九頁(yè)，共76頁(yè)。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。這樣逐位比較下去,一直到最低位為止。比較完畢后,寄存器的狀態(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,逐次漸近寄存器的數(shù)字量為八位,則整個(gè)比較過(guò)程如表8―２所示,D/A轉(zhuǎn)換器輸出的u

o反饋電壓變化波形如圖8―13所示。第六十頁(yè)，共76頁(yè)。表8―2ui＝163mV的逐次比較過(guò)程第六十一頁(yè)，共76頁(yè)。圖8―13ui=163mV逐次比較uo波形圖第六十二頁(yè)，共76頁(yè)。逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換速度。對(duì)于一個(gè)n位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換一次需要時(shí)間為(n+2)TCP,位數(shù)越多,轉(zhuǎn)換時(shí)間就相應(yīng)增長(zhǎng)。與并聯(lián)比較型相比,它的速度要低一些,但所需硬件較少，因而對(duì)在速度要求不是特別高的場(chǎng)合,逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用最為廣泛。 逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的精度主要取決于其中D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和線性度、參考電壓的穩(wěn)定性和電壓比較器的靈敏度。由于高精度的D/A轉(zhuǎn)換器已能實(shí)現(xiàn),因此逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器可達(dá)到很高的精度。第六十三頁(yè)，共76頁(yè)。

3.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理是將模擬電壓ui轉(zhuǎn)換成與其大小成正比的時(shí)間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8―14是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖。它包含積分器、比較器、計(jì)數(shù)器、控制邏輯和時(shí)鐘信號(hào)源幾部分。圖8―15是這個(gè)電路的工作波形圖。第六十四頁(yè)，共76頁(yè)。圖8―14雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖第六十五頁(yè)，共76頁(yè)。圖8―15雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作波形第六十六頁(yè)，共76頁(yè)。下面討論它的工作過(guò)程和這種A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)。

轉(zhuǎn)換開(kāi)始前（轉(zhuǎn)換控制信號(hào)uL=0）,先將計(jì)數(shù)器清零,并將開(kāi)關(guān)S2合上,使積分電容器完全放電。當(dāng)uL=1時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換。其轉(zhuǎn)換過(guò)程分兩個(gè)階段進(jìn)行:(1)取樣階段。將開(kāi)關(guān)S1接至輸入信號(hào)電壓ui一側(cè),則積分器的輸出電壓uo為(8.3.3)第六十七頁(yè)，共76頁(yè)。由上式可知,當(dāng)輸入模擬電壓ui為正時(shí),uo(t)<0,所以比較器的輸出C0=1,與門(mén)G打開(kāi),周期為T(mén)CP的時(shí)鐘脈沖經(jīng)與門(mén)G使n位加法計(jì)數(shù)器從零開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)滿(mǎn)2n個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí),計(jì)數(shù)器回到全零狀態(tài),而觸發(fā)器Fn輸出Q則由０變１,從而使邏輯控制電路將開(kāi)關(guān)S1由ui一側(cè)改接到-UREF一側(cè)。至此,取樣階段結(jié)束,并開(kāi)始對(duì)基準(zhǔn)電壓-UREF進(jìn)行反向積分。由上面的分析可知,取樣階段的積分時(shí)間為一常數(shù),用T1表示,則(8.3.4)第六十八頁(yè)，共76頁(yè)。因而積分器的輸出電壓uo(t)為(8.3.5)