第九章模數(shù)與數(shù)模轉換器(康華光)

1、湖南科技大學Analog Digital Converter and Digital Analog Converter9.1 D/A轉換器轉換器9.2 A/D轉換器。轉換器。9 模數(shù)與數(shù)模轉換器模數(shù)與數(shù)模轉換器湖南科技大學3、正確理解、正確理解D/A、A/D轉換器的主要參數(shù)。轉換器的主要參數(shù)。1、掌握倒、掌握倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器轉換器(DAC)、集成、集成D/A轉換器轉換器的工作原理及相關計算。的工作原理及相關計算。2、掌握并行比較、逐次比較、雙積分、掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉換器轉換器(ADC)的工作原理及其特點。的工作原理及其特點。教學基本要求教學基本要求湖南科

2、技大學A/DA/D 轉換器轉換器 D/AD/A 轉換器轉換器 模擬模擬 控制器控制器 工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象 模模 擬擬 傳感器傳感器 ADC和和DAC已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流將溫度、壓力、流量、應力等物理量量、應力等物理量轉換為模擬電量。轉換為模擬電量。計算機進行數(shù)字處計算機進行數(shù)字處理（如計算、濾理（如計算、濾波）、保存等波）、保存等用模擬量作為用模擬量作為控制信號控制信號數(shù)字控制數(shù)字控制 計算機計算機概述概述湖南科技大學湖南科技大學9.1 D/A轉換器轉換器9.1.1 D/A轉換的基本原理轉換的基本原理

3、9.1.2 倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器轉換器9.1.4 D/A轉換器的輸出方式轉換器的輸出方式9.1.3 權電流權電流D/A轉換器轉換器9.1.5 D/A轉換器的技術指標轉換器的技術指標9.1.6 D/A轉換器的應用轉換器的應用湖南科技大學將數(shù)字量轉換為與之成正比模擬量將數(shù)字量轉換為與之成正比模擬量 。n n位位數(shù)字量數(shù)字量DAC9.1 D/A轉換器轉換器模擬量模擬量1 1、數(shù)、數(shù) / / 模轉換器模轉換器: :A = K D O = K NB 湖南科技大學 數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的， 對于有權碼，每對于有權碼，每位代碼都有一定的權值，如能將每

4、一位代碼按其權的大位代碼都有一定的權值，如能將每一位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，小轉換成相應的模擬量， 然后，將這些模擬量相加，即然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，可得到與數(shù)字量成正比的模擬量， 從而實現(xiàn)數(shù)字量從而實現(xiàn)數(shù)字量-模模擬量的轉換。擬量的轉換。 實現(xiàn)實現(xiàn)D/A轉換的基本思想轉換的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120將二進制數(shù)將二進制數(shù)ND(11001)B轉換為十進制數(shù)。轉換為十進制數(shù)。9.1.1 D/A轉換的基本原理轉換的基本原理湖南科技大學 D/A轉換器的組成轉換器的組成: 數(shù)數(shù)碼碼 寄寄存存器器 n

5、n位位模模擬擬開開關關 解解碼碼 網(wǎng)網(wǎng)絡絡 求求和和 電電路路 基基準準電電壓壓 n n位位數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入 模模擬擬量量 輸輸出出 DAC的數(shù)字數(shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入的數(shù)字數(shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入用存放在數(shù)用存放在數(shù)字寄存器中的字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)字量的各位數(shù)碼數(shù)碼由輸入數(shù)字由輸入數(shù)字量控制量控制產(chǎn)生權電流產(chǎn)生權電流將權電流相將權電流相加產(chǎn)生與輸入加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬成正比的模擬電壓電壓湖南科技大學 i Rf=R vO S0 VREF + S1 S2 S3 + 基基準準電電壓壓 電電子子開開關關 R R /2 R /4 R /8 求求和和電電路路 (LSB) D2 D

6、3 (MSBD0 D1 鎖鎖存存器器 數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入 電電阻阻網(wǎng)網(wǎng)絡絡 i0 i1 I2 i2 i3 A 模模擬擬量量輸輸出出 實現(xiàn)實現(xiàn)D/A轉換的原理電路轉換的原理電路)iiii (R0123O fvRDVi33REF8 RDVi224REF R RD D2V2V1REF 1iRDVi0REF0 iiiODV)DDDD(V222223000112233 REFREFv，, 湖南科技大學 D/A轉換器的分類轉換器的分類:按解碼網(wǎng)絡按解碼網(wǎng)絡結構分類結構分類 T型電阻網(wǎng)絡型電阻網(wǎng)絡DAC倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡DAC權電流權電流DAC 權電阻網(wǎng)絡權電阻網(wǎng)絡DAC 按模擬電子開按模擬電子開

7、關電路分類關電路分類 CMOS開關型開關型DAC雙極型開關型雙極型開關型DAC 電流開關型電流開關型DAC ECL電流開關型電流開關型DAC D/A 轉轉換換器器湖南科技大學9.1.2 倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器轉換器 vO Rf +VREF 2R D0 D1 D2 D3 S0 S1 S2 S3 i 2R 2R 2R (LSB) (MSB) 8I 16I 4I 2I I 2R + R R R I/16 I/8 I/4 I/2 Di=0, Si則將電阻則將電阻2R接地接地Di=1, Si接運算放大器反相端，電流接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路流入求和電路 電阻網(wǎng)絡電阻網(wǎng)絡模擬

8、電子開關模擬電子開關求和運算放大器求和運算放大器輸輸出出模模擬擬電電壓壓輸入輸入4位二進制數(shù)位二進制數(shù)根據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關根據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關Si處于處于何種位置，與何種位置，與Si相連的相連的2R電阻將接電阻將接“地地” 或虛地或虛地。 1、4位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器轉換器基準電壓基準電壓 電阻網(wǎng)絡電阻網(wǎng)絡 模擬電子開關模擬電子開關 求和運算放大器求和運算放大器湖南科技大學D/A轉換器的倒轉換器的倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡基準電源基準電源VREF提供的總電流為：提供的總電流為：I =？流過各開關支路的電流：流過各開關支路的電

9、流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？ 2R 2R 2R 2R 2R R R R VREF I A B C D A B C D RVIREF I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個流入每個2R電阻的電流從高位到低位按電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。的整數(shù)倍遞減。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1= VREF / 8R I0= VREF /16 R湖南科技大學流入運放的總電流：流入運放的總電流： i I0 + I1 + I2 + I3)2D2D2D2D(RV13223140 REF輸出模擬電壓：輸出模擬電壓：

10、10i)2D(RR2VniifnREFO 30i4)2D(2VRRRiiiREFffO (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R 8I 16I 4I 2I R R R I +VREF + 8I 16I 4I 2I 湖南科技大學4 位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡DAC的輸出模擬電壓：的輸出模擬電壓： Ofi R 3ifREFi40(2 )2iRVDR n 位倒位倒T T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡DAC有：有： n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR REFfn,2VRKR令：令：n 1iBi0(2 )iND則則 O = K

11、 NB 在電路中輸入的每一個在電路中輸入的每一個二進制數(shù)二進制數(shù)NB，均能得到與之成正比的，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。模擬電壓輸出。 湖南科技大學AD7533D/A轉換器轉換器 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VREF AD7520 RF 10K 10K 20K 使用使用:1):1)要外接運放，要外接運放， 2)2)運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻 ， 也可采用外接電阻也可采用外接電阻）2.集成集成D/A轉換器轉換器10位位CMOS電流開關型電流開關型D/A轉換

12、器轉換器 9iREFfOi100(2 )2iVRDR 湖南科技大學關于關于D/A轉換器精度的討論轉換器精度的討論(1)基準電壓穩(wěn)定性好；基準電壓穩(wěn)定性好；(2) 倒倒T形電阻網(wǎng)絡中形電阻網(wǎng)絡中R和和2R電阻比值的精度要高；電阻比值的精度要高；(4)為實現(xiàn)電流從高位到低位按為實現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開關的整數(shù)倍遞減，模擬開關的導通電阻也相應地按的導通電阻也相應地按2的整數(shù)倍遞增。的整數(shù)倍遞增。為進一步提高為進一步提高D/A轉換器的精度，可采用權電流型轉換器的精度，可采用權電流型D/A轉換器。轉換器。 n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR 為提高為提高D/A轉換器的精度，

13、對電路參數(shù)的要求：轉換器的精度，對電路參數(shù)的要求： (3) 每個模擬開關的開關電壓降要相等每個模擬開關的開關電壓降要相等湖南科技大學Di =1時，開關時，開關S Si i接運放的反相端接運放的反相端; ; Di= 0時，開關時，開關S Si i接地接地。 9.1.3 權電流權電流D/A轉換器轉換器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 1. 4位權電流位權電流D/A轉換器轉換器湖南科技大學在恒流源電路中，各支路權電流的大小均不受開關導通電阻和壓在恒流源電路中，各支路權電流的大小均不受開關導通電阻和壓降的影響

14、，這樣降低了對開關電路的要求，提高了轉換精度。降的影響，這樣降低了對開關電路的要求，提高了轉換精度。)D16ID8ID4ID2I(RRi0123 ffO )2D2D2D2D(R2I001122334 f 30ii42DR2Iif (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 湖南科技大學實際的權電流實際的權電流D/A轉換器電路轉換器電路REF32O32401110(222)22ffR Vi RDDRDD電壓恒定電壓恒定各各BJT的的 發(fā)射發(fā)射結電壓相等結電壓相等基準電流產(chǎn)生電路基準電流產(chǎn)生電路 (MSB) D1 D

15、0 (LSB) i Rf O D3 D2 S3 S2 S1 S0 8I 16I 4I 2I VREF + A1 R1 + A2 IBB IEC IEO IE1 IE2 IE3 IREF Tr T3 T2 T1 T0 TC R 2R 2R 2R 2R 2R R R R VEE I = IREF =1RREFV 偏偏 置置 電電 流流 16I + + +- -湖南科技大學9.1.4 D/A轉換器的輸出方式轉換器的輸出方式 256255REFV 256129REFV 256128REFV 256127REFV 2561REFV 2560REFV8位位D/A轉換器在單極性輸出時的輸入轉換器在單極性輸出

16、時的輸入/輸出關系輸出關系000000001000000011111110000000011000000111111111模擬量模擬量 數(shù)字量數(shù)字量MSB LSB湖南科技大學十十進進制制數(shù)數(shù)2的補碼的補碼偏移二進制碼偏移二進制碼模模擬擬量量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0 0/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126 100000001100000011000000000100000000-11111111101111111-1 -1271000000100000001-127-12810000000000

17、00000-128 *表中VLSB=VREF/256湖南科技大學 25622221BREFREFREF8REFBREF1ONVVVVNV )( D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 2R1 O VREF 1 R=Rf R1 R1 + + A1 A2 NB 8 位位倒倒 T 形形電電阻阻 網(wǎng)網(wǎng)絡絡 D/A 轉轉換換器器 i 1 湖南科技大學9.1.5 D/A轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標分辨率：其定義為分辨率：其定義為D/A轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。級數(shù)。n位位DAC最多有最多有2n個模擬輸出電壓。位數(shù)越多個模擬輸出電壓。位數(shù)越多D

18、/A轉換轉換器的分辨率越高。器的分辨率越高。 分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。給出。n位位D/A轉換器的分辨率可表示為轉換器的分辨率可表示為121n1、分辨率、分辨率湖南科技大學2、轉換精度：、轉換精度：轉換精度是指對給定的數(shù)字量，轉換精度是指對給定的數(shù)字量，D/A轉換器實際值與轉換器實際值與理論值之間的最大偏差。理論值之間的最大偏差。產(chǎn)生原因：由于產(chǎn)生原因：由于D/A轉換器中各元件參數(shù)值存在誤轉換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各差，如基準電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各種因素的影

19、響。種因素的影響。幾種轉換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非幾種轉換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等線性誤差等湖南科技大學9.1.6 集成集成D/A轉換器的應用轉換器的應用(1) 數(shù)字式可編程增益控制電路數(shù)字式可編程增益控制電路 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I 2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF 湖南科技大學 D2 D7 OD0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF O - + R IOUT2I

20、 IOUT1 倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡RDDDvRvOI109911002/ )2.22(/OVIA)2.22/(299110010DDDIout1out1 I0 0 + I1 1 + I2 2 + I9 9RDDDVREF109911002/ )2.22(1OUTIIR/v 根據(jù)虛斷有根據(jù)虛斷有:REFOV 湖南科技大學(2) 脈沖波產(chǎn)生電路脈沖波產(chǎn)生電路 vO Q0 Q1 Q2 Q3 CP D0 D1 D2 D3 10V & CR CEP CET PE 1 74LS163 + A Rf IOUT1 IOUT2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 VREF

21、AD7520 19.5 39.1 58.5 78 97.5 117 136.5 156 175.5 vO /mV D 140 100 60 20 0000 t CP 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000 74163具同步清零功能具同步清零功能74163和與非門構成十進制計數(shù)器：和與非門構成十進制計數(shù)器：00001001湖南科技大學9.2.6 集成集成A/D轉換器及其應用轉換器及其應用9.2 A/D 轉換器轉換器9.2.1 A/D轉換的一般工作過程轉換的一般工作過程9.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉換器轉換器9.2.3 逐次比較

22、型逐次比較型A/D轉換器轉換器9.2.4 雙積分式雙積分式A/D轉換器轉換器9.2.5 A/D轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標湖南科技大學概述概述ADCDnD0輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量I 輸入模擬電壓輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉換成對應的數(shù)字量。能將模擬電壓成正比地轉換成對應的數(shù)字量。1. A/D功能功能:9.2 A/D 轉換器轉換器湖南科技大學 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型 特點特點: 轉換速度快轉換速度快,轉換時間轉換時間 10ns 1 s, 但電路復雜。但電路復雜。 逐次逼近型逐次逼近型 特點特點: 轉換速度適中轉換速度適中,轉換時間轉換時間 為幾為幾 s 100 s, 轉換精度高，在

23、轉換精度高，在轉換速度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡轉換速度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡。 雙積分型雙積分型 特點特點: 轉換速度慢轉換速度慢,轉換時間轉換時間 幾百幾百 s 幾幾ms,但抗干擾能力最強。但抗干擾能力最強。2. A/D轉換器分類轉換器分類湖南科技大學取取樣樣時間上離散的信號時間上離散的信號保持、量化保持、量化量值上也離散的信號量值上也離散的信號編碼編碼模擬信號模擬信號時間上和量值上都連續(xù)時間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號數(shù)字信號時間上和量值上都離散時間上和量值上都離散9.2.1 A/D轉換的一般工作過程轉換的一般工作過程 A/D轉換器一般要包括轉換器一般要包括取樣，取樣，

24、保持，量化及編碼保持，量化及編碼4個過程個過程。湖南科技大學1. 取樣與保持取樣與保持 采樣是將隨時間連續(xù)變化的模采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉換為在時間離散的模擬量擬量轉換為在時間離散的模擬量。 采樣信號采樣信號S(t)的頻率愈高，所采的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實地復現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻地復現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定率由采樣定理確定。 采樣定理：設采樣信號采樣定理：設采樣信號S(t)的頻的頻率為率為fs，輸入模擬信號，輸入模擬信號 I(t)的最的最高頻率分量的頻率為高頻率分量的頻率為fimax，則則 fs 2fimaxS(t)=

25、1:開關閉合開關閉合S(t)=0:開關斷開開關斷開 O(t) I(t) TG S(t) 0 0 0 O (t) S(t) I (t) t t t TS 湖南科技大學 I t O t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 (b) 波形圖 采得模擬信號轉換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量采得模擬信號轉換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的?；幋a過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。擬信號保持一段時間。采樣采樣保持保持取樣與保持取樣與保持電路及工作原理電路及工作原理 I A1 A2 S CH

26、開開關關驅驅 動動電電路路 采采樣樣保保持持 控控制制電電路路 O 湖南科技大學2. 量化量化數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣保持電路的輸出電壓還需保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上，任何數(shù)字量只按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數(shù)字量。轉換器輸出的數(shù)字量。 3.編碼編碼湖南科技大學在量化過程中由

27、于所采樣電壓不一定能被在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被 整除，所以量化前整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用 表示。表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉換器的位數(shù)越轉換器的位數(shù)越 多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。 兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。 4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式量

28、化方式湖南科技大學LSB1max V8701V86V85V84V83V82V811111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v輸入信號輸入信號編碼編碼量化后量化后電壓電壓量化中把不足一個量化單位的部量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理?；瘑挝徊糠职匆粋€量化單位處理。最大量化誤差為：最大量化誤差為：最小量化單位最小量化單位1/8V=1LSB= 1/8 V例：將例：將01V電壓轉換為電壓轉換為3位二進制代碼位二進制

29、代碼a ) 只舍不入量化方式只舍不入量化方式:湖南科技大學量化過程將不足半個量化單位部量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最大量化誤差為：最小量化單位：最小量化單位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v輸入信號輸入信號編碼編碼模擬模擬電平電平V1513V1511V159V157V155V153V1512LSBmax =1LSB= 2

30、/15 V2LSBmax 1/15V例：將例：將01V電壓轉換為電壓轉換為3位二進制代碼位二進制代碼b )四舍五入量化方式四舍五入量化方式:湖南科技大學9.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉換器轉換器 R I VREF VREF 13 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 15 VREF 1 15 R R R/2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 1D C1 Q I1 1D C1 Q I2 1D C1 Q I3 1D C1 Q I4 1D C1 Q I5 1D C1 Q I6

31、 1D C1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)優(yōu)先先編編碼碼器器 (LSB(M SB)0 電壓比較器電壓比較器輸入模擬輸入模擬電壓電壓精密電阻精密電阻網(wǎng)絡網(wǎng)絡精密參考精密參考電壓電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)輸出數(shù)字量字量1、電路組成、電路組成湖南科技大學 R I VR E F R C P R R R R R R /2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C0 1 C0 2 C0 3 C0 4 C0 5 C0 6 C0 7 1 D C 1 Q I1 1 D C 1 Q

32、I2 1 D C 1 Q I3 1D C 1 Q I4 1D C 1 Q I5 1D C 1 Q I6 1D C 1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)優(yōu)先先編編碼碼器器 (L S B )D0 (M S B)0 VI=8VREF/151111000001湖南科技大學 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VRE

33、F /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值根據(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)的關系。比較器的輸出狀態(tài)由與各比較器輸出狀態(tài)的關系。比較器的輸出狀態(tài)由D D觸發(fā)器存觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先

34、編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。 湖南科技大學3、電路特點：、電路特點：在并行在并行A/D轉換器中，輸入電壓轉換器中，輸入電壓 I同時加到所有比較器的輸同時加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數(shù)字量是與入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數(shù)字量是與 I輸輸入時刻同時獲得的。所以它的轉換時間最短。入時刻同時獲得的。所以它的轉換時間最短。 缺點是電路復雜，如三位缺點是電路復雜，如三位ADC需需7個比較器、個比較器、7個觸發(fā)器、個觸發(fā)器、8個電阻。位數(shù)越多，電路越復雜。個電阻。位數(shù)越多，電路越復雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取

35、分級并為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并行轉換的方法。行轉換的方法。 單片集成并行比較型單片集成并行比較型A/D轉換器的產(chǎn)品很多，如轉換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的公司的AD9012 (TTL工藝工藝8位位)、AD9002 (ECL工藝，工藝，8位位)、AD9020 (TTL工藝，工藝，10位位)等。等。 湖南科技大學所加砝碼所加砝碼重量重量 結果結果 9.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉換器轉換器逐次逼近轉換過程與用天平稱物重非常相似逐次逼近轉換過程與用天平稱物重非常相似 。第一次第一次8 克克砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，8克砝碼保留克砝碼保留8 克克第二次

36、第二次再加再加4克克砝碼總重仍砝碼總重仍 待測重量待測重量Wx ， 2克砝碼撤除克砝碼撤除12 克克第四次第四次再加再加1克克砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ， 1克砝碼保留克砝碼保留13 克克1. 轉換原理轉換原理 所用砝碼重量：所用砝碼重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克?？?。設待秤重量設待秤重量Wx = 13克?？恕：峡萍即髮W1. 轉換原理轉換原理 I 啟動脈沖啟動脈沖 CP 時鐘時鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數(shù)字數(shù)字 量輸出量輸出 D/A 轉換器轉換器 O VREF D0 D1

37、Dn-2 Dn-1 1 0 0 0 1 0 0 0 5V I 5V 1 A=6.84VVREF=10V第一個第一個CP：湖南科技大學1. 轉換原理轉換原理 第二個第二個CP： I 啟動脈沖啟動脈沖 CP 時鐘時鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數(shù)字數(shù)字 量輸出量輸出 D/A 轉換器轉換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 1 0 0 1 1 0 0 7.5V10 I 7.5V I=6.84VVREF=10V湖南科技大學1. 轉換原理轉換原理 第三個第三個CP： I 啟動脈沖啟動脈沖 CP 時

38、鐘時鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數(shù)字數(shù)字 量輸出量輸出 D/A 轉換器轉換器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 0 1 0 1 0 1 0 6.25V I 6.25V 101 A=6.84VVREF=10V湖南科技大學 7.50000 6.2500 6.8750 6.5625 6.71875 6.796875 6.835937 0.00 5.0000 10 s CP 啟啟 動動 脈脈 沖沖 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 O V 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

39、轉轉 換換 時時 間間 = 80 s t / s 10000000 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 111000000101000001011000010101000101011001010111010101111湖南科技大學小結：小結：1、 逐次比較型逐次比較型A/D轉換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉換轉換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉換精度越高；精度越高；2、逐次比較型、逐次比較型A/D轉換器完成一次轉換所需時間與轉換器完成一次轉換所需時間與其位數(shù)其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關，位數(shù)愈少，時鐘頻率和時鐘脈沖頻率有關，位數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉換所需時間越短越高，

40、轉換所需時間越短； 湖南科技大學9.2.4 雙積分式雙積分式A/D轉換器轉換器1、雙積分式雙積分式A/D轉換器的基本指導思想轉換器的基本指導思想 對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而得到相應的數(shù)字量輸出。雙積分式得到相應的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉換器也稱轉換器也稱為電壓時間數(shù)字式積分器為電壓時間數(shù)字式積分器 。湖南科技大學 + + + I S1 S2 R FFn S1

41、VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & 數(shù)字量輸數(shù)字量輸C A B G G n 級計數(shù)器級計數(shù)器 定定時時信信號號 (MSB) (LSB) Tc 1、電路組成、電路組成湖南科技大學 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & 數(shù)字量輸數(shù)字量輸C A

42、B G G n 級計數(shù)器級計數(shù)器 定定時時信信號號 (MSB) (LSB) Tc 0 00 00 00 00 0Cr信號將計數(shù)器清零；開關信號將計數(shù)器清零；開關S2閉合，待積分電容放電完畢后，閉合，待積分電容放電完畢后，斷開斷開S2 使電容的初始電壓為使電容的初始電壓為0。2、工作原理、工作原理準備階段：準備階段：湖南科技大學 tdt0IO1 經(jīng)過經(jīng)過2n個個CP11TVI (2) 第一次積分：第一次積分：t = t0時，開關時，開關S1與與A端相接，積分器開始對端相接，積分器開始對 I積分。積分。經(jīng)經(jīng)2n個個CP后后,開關切換到開關切換到B， ，=VP。第一積分時間為第一積分時間為2nTC

43、+ + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-D1 D0 & C A B G G n 級級計計數(shù)數(shù)器器 定定時時信信號號 湖南科技大學VREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進行第二次積分；當加到積分器的輸入端，積分器反方向進行第二次積分；當t=t2時積分器輸出電壓時積分器輸出電壓 O0，比較器輸出，比較器輸出 C=0，時鐘脈沖控制，時鐘脈沖控制門門G被關閉，計數(shù)停止。被關閉，計數(shù)停止。(3) 第二次積分：第二次積分： +

44、 + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 QQn-1 QFF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-D1 D0 & C A B G G n 級級計計數(shù)數(shù)器器 定定時時信信號號 湖南科技大學 S1 Qn 0 0 O 0 C 0 C 0 T1 T2 t1 t2 + I VREF T1 T2 P t t t t t T1=2nTC1112nCPTTVVV OI01tdt 21O2pREF1( )()0tttVVdtnREF2CI2VTTVnC2IREF2 TTVV T2= Tc n2IcREF2TVTVT2=t1 t2 在計數(shù)器所計的數(shù)在計數(shù)器所計的數(shù) =Qn-1Q1Q0， 就是就是A/D轉換器得到的結果。轉換器得到的結果。湖南科技大學9.2.4 雙積分式雙積分式A/D轉換器轉換器n