數(shù)模與模數(shù)轉換電路

1、數(shù)模與模數(shù)轉換電路隨著數(shù)字技術，特別是計算機技術的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測領域中，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機技術。由于系統(tǒng)的實際處理對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），要使計算機或數(shù)字儀表能識別和處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉換成數(shù)字信號；而經(jīng)計算機分析、處理后輸出的數(shù)字量往往也需要將其轉換成為相應的模擬信號才能為執(zhí)行機構所接收。這樣，就需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起橋梁作用的電路一一模數(shù)轉換電路和數(shù)模轉換電路。能將模擬信號轉換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉換器（簡稱A/D轉換器）；而將能把數(shù)字信號轉換成模擬信號的電路稱為數(shù)模轉換器（簡稱D/A

2、轉換器），A/D轉換器和D/A轉換器已經(jīng)成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。在本章中，將介紹幾種常用A/D與D/A轉換器的電路結構、工作原理及其應用。D/A轉換器一.D/A轉換器的基本原理數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，對于有權碼，每位代碼都有一定的權。為了將數(shù)字量轉換成模擬量，必須將每1位的代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)了數(shù)字一模擬轉換。這就是構成D/A轉換器的基本思路。圖9.11所示是D/A轉換器的輸入、輸出關系框圖，D。Dm是輸入的n位二進制數(shù)，V。是與輸入二進制數(shù)成比例的輸出電壓。圖9.12所示是一個輸入為3位二

3、進制數(shù)時D/A轉換器的轉換特性，它具體而形象地反映了D/A轉換器的基本功熊。DoD1D/A轉換器Dn-1輸入輸出圖9.1 2 3位D/A轉換器的轉換特性圖9.11D/A轉換器的輸入、輸出關系框圖倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器在單片集成D/A轉換器中，使用最多的是倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器。四位倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器的原理圖如圖9.13所示。S。S3為模擬開關，R-2R電阻解碼網(wǎng)絡呈倒T形，運算放大器A構成求和電路。S由輸入數(shù)碼Di控制，當Di=1時，Si接運放反相輸入端（“虛地”），卜流入求和電路；當Di=O時，S將電阻2R接地。無論模擬開關S處于何種位置，與Si相連的2R電阻均等效接“地”（

4、地或虛地）。這樣流經(jīng)2R電阻的電流與開關位置無關，為確定值。分析R-2R電阻解碼網(wǎng)絡不難發(fā)現(xiàn)，從每個接點向左看的二端網(wǎng)絡等效電阻均為R,流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整倍數(shù)遞減。設由基準電壓源提供的總電流為I（匚Vref/R）,則流過各開關支路（從右到左）的電流分別為1/2、1/4、1/8和1/16。16<21<"8圖9.1一3倒形中陽網(wǎng)絡D/A轉換器于是可得總電流REFDoDiD2Z24327)R22Vref42 R13：Z(Dj-2)=a(9.1.2)輸出電壓RfVREF3(D2i)i=024將輸入數(shù)字量擴展到n位，可得n位倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器輸出模擬

5、量與輸入數(shù)字量之間的一般關系式如下：RfVRef設K十，琳表示括號中的門位二進制數(shù)，則:vo=KNb要使D/A轉換器具有較高的精度，對電路中的參數(shù)有以下要求：(1)基準電壓穩(wěn)定性好；(2)倒T形電阻網(wǎng)絡中R和2R電阻的比值精度要高；(3)每個模擬開關的開關電壓降要相等。為實現(xiàn)電流從高位到低位按2的整倍數(shù)遞減，模擬開關的導通電阻也相應地按2的整倍數(shù)遞增。由于在倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器中，各支路電流直接流入運算放大器的輸入端，它們之間不存在傳輸上的時間差。電路的這一特點不僅提高了轉換速度，而且也減少了動態(tài)過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖脈沖。它是目前廣泛使用的D/A轉換器中速度較快的一種。常用的CMOS

6、開關倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器的集成電路有AD7520(10位)、DAC1210(12位)和AK7546(16位高精度)等。三.權電流型D/A轉換器盡管倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器具有較高的轉換速度，但由于電路中存在模擬開關電壓降，當D/A轉換器的流過各支路的電流稍有變化時，就會產(chǎn)生轉換誤差。為進一步提高轉換精度,可采用權電流型D/A轉換器。1/2、1/4、1/8、1/16。Vo- ) 1原理電路。I 6這組恒流源從高位到低位電流的大小依次為圖9.14權電流型D/A轉換器的原理電路當輸入數(shù)字量的某一位代碼Di=1時，開關Si接運算放大器的反相輸入端，相應的權電流流入求和電路；當Di=0時，開關S

7、i接地。分析該電路可得出Vo=XR=Rt(-D3-D2-D1_LD。)24816I3210(9.1.5)4Rf(Ds2D22Di2Do2)241 3tRi*Di22 i=0采用了恒流源電路之后，各支路權電流的大小均不受開關導通電阻和壓降的影響，這就降低了對開關電路的要求，提高了轉換精度。2采用具有電流負反饋的BJT恒流源電路的權電流D/A轉換器為了消除因各BJT發(fā)射極電壓Vbe的不一致性對D/A轉換器精度的影響，圖中T3T。均采用了多發(fā)射極晶體管，其發(fā)射極個數(shù)是8、4、2、1,即T3T。發(fā)射極面積之比為8:421。這樣，在各BJT電流比值為8:4:2:1的情況下，T3T。的發(fā)射極電流密度相等，

8、可使各發(fā)射結電壓Vbe相同。由于T3T。的基極電壓相同，所以它們的發(fā)射極C3、良、e、e。就為等電位點。在計算各支路電流時將它們等效連接后，可看出倒T形電阻網(wǎng)絡與圖9.1-3中工作狀態(tài)完全相同，流入每個2R電阻的電流從高位到低位依次減少1/2，各支路中電流分配比例滿足8:421的要求。D3>016S3-4S2111XS12R2R2RimIR R RI BB偏置 電流圖9.1-5權電流D/A轉換器的實際電路基準電流Iref產(chǎn)生電路由運算放大器A2、目、Tr、R和一Vee組成，A2和Ri、Tr的cb結組成電壓并聯(lián)負反饋電路，以穩(wěn)定輸出電壓，即Tr的基極電壓。Tr的cb結，電阻R到一Vee為反

9、饋電路的負載，由于電路處于深度負反饋，根據(jù)虛短的原理，其基準電流為：I上_2|211REF訂E3Ri由倒T形電阻網(wǎng)絡分析可知，lE3=l/2,Ie2=I/4,Iei=I/8,忙。=1/16,于是可得輸出電壓為：。二i'Rf(Ds23D222Di21Do2°)24Ri可推得n位倒T形權電流D/A轉換器的輸出電壓6".22n1=0該電路特點為，基準電流僅與基準電壓VREF和電阻R1有關，而與BJT、R、2R電阻無關。這樣，電路降低了對BJT參數(shù)及R、2R取值的要求，對于集成化十分有利。由于在這種權電流D/A轉換器中采用了高速電子開關，電路還具有較高的轉換速度。采用這種權

10、電流型D/A轉換電路生產(chǎn)的單片集成D/A轉換器有AD1408、DAC0806、DAC0808等。這些器件都采用雙極型工藝制作，工作速度較高。四.權電流型D/A轉換器應用舉例圖9.1-6是權電流型D/A轉換器DAC0808的電路結構框圖，圖中D。D?是8位(LSB)(MSB)圖9.1 6權電流型D/A轉換器DAC0808的電路結構框圖數(shù)字量輸入端，I。是求和電流的輸出端。VREF+和VREF-接基準電流發(fā)生電路中運算放大器的反相輸入端和同相輸入端。COMP供外接補償電容之用。VCC和VEE為正負電源輸入端。用DAC0808這類器件構成的D/A轉換器時需要外接運算放大器和產(chǎn)生基準電流用的電阻尺，如

11、圖9.1 - 7所示。Vcc=+5V(LSB) DOD1D2D3D4D5 10D6 11(MSB ) D7 12數(shù)字量輸入13R1 5k Q15 5kQVAEF-Q DAC0808IJ-J_1Vo模擬量輸出16|001 gFVEE=_15V圖9.1 - 7 DAC0808 D/A轉換器的典型應用在Vref=10V、R=5kQ、Rf=5kQ的情況下,根據(jù)式(9.1.7 )可知輸出電壓為當輸入的數(shù)字量在全0和全1之間變化時，輸出模擬電壓的變化范圍為0 9.96V。五.D/A轉換器的主要技術指標1.轉換精度D/A轉換器的轉換精度通常用分辨率和轉換誤差來描述。（1）分辨率一一D/A轉換器模擬輸出電壓可

12、能被分離的等級數(shù)。輸入數(shù)字量位數(shù)越多，輸出電壓可分離的等級越多，即分辨率越高。在實際應用中，往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉換器的分辨率。此外，D/A轉換器也可以用能分辨的最小輸出電壓（此時輸入的數(shù)字代碼只有最低有效位為1其余各位都是0）與最大輸出電壓（此時輸入的數(shù)字代碼各有效位全為1）之比給出。N位D/A轉換器的分辨率可表示為一2'_1它表示D/A轉換器在理論上可以達到的精度。（2）轉換誤差轉換誤差的來源很多，轉換器中各元件參數(shù)值的誤差，基準電源不夠穩(wěn)定和運算放大器的零漂的影響等。D/A轉換器的絕對誤差（或絕對精度）是指輸入端加入最大數(shù)字量（全1）時，D/A轉換器的理論值與實際值之

13、差。該誤差值應低于LSB/2。A55例如，一個8位的D/A轉換器，對應最大數(shù)字量（FFH）的模擬理論輸出值為Vref,256112551-LSB=Vref所以實際值不應超過（）Vref。25122565122轉換速度（1）建立時間（tset）指輸入數(shù)字量變化時，輸出電壓變化到相應穩(wěn)定電壓值所需時間。一般用D/A轉換器輸入的數(shù)字量NB從全o變?yōu)槿?時，輸出電壓達到規(guī)定的誤差范圍（土LSB/2）時所需時間表示。D/A轉換器的建立時間較快，單片集成D/A轉換器建立時間最短可達0.1S以內(nèi)。（2）轉換速率（SR）大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。3.溫度系數(shù)一一指在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度

14、變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1C輸出電壓變化的百分數(shù)作為溫度系數(shù)。9.2A/D轉換器A/D轉換的一般步驟和取樣定理圖9.21模擬量到數(shù)字量的轉換過程在A/D轉換器中，因為輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字信號代碼是離散量，所以進行轉換時必須在一系列選定的瞬間(亦即時間坐標軸上的一些規(guī)定點上)對輸入的模擬信號取樣，然后再把這些取樣值轉換為輸出的數(shù)字量。因此，一般的A/D轉換過程是通過取樣、保持、量化和編碼這四個步驟完成的。1 .取樣定理可以證明，為了正確無誤地用圖9.2-2中所示的取樣信號vs表示模擬信號Vi,必須滿足：fs-2A式中fs取樣頻率，fimax為輸入

15、信號切的最高頻率分量的頻率。在滿足取樣定理的條件下，可以用一個低通濾波器將信號Vs還原為Vl，這個低通濾波器的電壓傳輸系數(shù)A(f)在低于fjmax的范圍內(nèi)應保持不變，而在fs-fimax以前應迅速下降為零，如圖9.2- 3所示。因此，取樣定理規(guī)定了A/D轉換的頻率下限。圖9.2-2對輸入模擬信號的采樣圖9.2-3還原取樣信號所用濾波器的頻率特性因為每次把取樣電壓轉換為相應的數(shù)字量都需要一定的時間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間?？梢姡M行A/D轉換時所用的輸入電壓，實際上是每次取樣結束時的V|值。2 .量化和編碼我們知道，數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，而且在數(shù)值上的變化也不是連

16、續(xù)的。這就是說，任何一個數(shù)字量的大小，都是以某個最小數(shù)量單位的整倍數(shù)來表示的。因此，在用數(shù)字量表示取樣電壓時，也必須把它化成這個最小數(shù)量單位的整倍數(shù)，這個轉化過程就叫做量化。所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用表示。顯然，數(shù)字信號最低有效位中的1表示的數(shù)量大小，就等于。把量化的數(shù)值用二進制代碼表示，稱為編碼。這個二進制代碼就是A/D轉換的輸出信號。既然模擬電壓是連續(xù)的，那么它就不一定能被整除，因而不可避免的會引入誤差，我們把這種誤差稱為量化誤差。在把模擬信號劃分為不同的量化等級時，用不同的劃分方法可以得到不同的量化誤差。假定需要把。+1V的模擬電壓信號轉換成3位二進制代碼，這時便可以取=(1/

17、8)V,并規(guī)定凡數(shù)值在。(1/8)V之間的模擬電壓都當作0X看待，用二進制的000表示；凡數(shù)值在(1/8)V(2/8)V之間的模擬電壓都當作1XA看待，用二進制的001表示,，即(1/8) V。等等,如圖9.2-4(a)所示。不難看出，最大的量化誤差可達模擬電平二進制代碼代表的模擬電平模擬電平二進制代碼代表的模擬電平1V *7/0川7A=(7/8)V7/0hw64=6/80/0C/Q .1O15A= 5/80/OA/Qpoo4 4=4/8Q/Qjoi13A=3/8J/oo/p01024=2/81 /Q -100114=1/8I/O0jooo04= 01V- 13/15-11/1S9/15 -7

18、/15 5/15 -3/15.1/15 074=(14/15)V 64=12/15 5210/15 44=8/15 3A= 6/15 24=4/15 14=2/1511004=0101100 (b)011圖92 4劃分量化電平的兩種方法010001 為了減少量化誤差，通常°0° 采用圖9.2-4 ( b)所示的劃分方法，取量化單位4 = (2/15)V ,并將000代碼所對應的模擬電壓規(guī)定為0(1/15) V，即04/2。這時，最大量化誤差將減少為為4/2= (1/15) V。這個道理不難理解，因為現(xiàn)在把每個二進制代碼所代表的模擬電壓值規(guī)定為它所對應的模擬電壓范圍的中點，所

19、以最大的量化誤差自然就縮小為4 /2二.取樣一保持電路1 .電路組成及工作原理N溝道MOS管T作為取樣開關用。當控制信號Vl為高電平時，T導通，輸入信號W經(jīng)電阻R和T向電容Ch充電。若取R=Rf,則圖9.2-5取樣一保持電路的基本形式充電結束后VO=Vi=Vc。當控制信號返回低電平，T截止。由于Ch無放電回路，所以V。的數(shù)值被保存下來。缺點：取樣過程中需要通過R和T向Ch充電，所以使取樣速度受到了限制。同時，Ri的數(shù)值又不允許取得很小，否則會進一步降低取樣電路的輸入電阻。2.改進電路及其工作原理圖9.2-6是單片集成取樣一保持電路LE198的電路原理圖及符號，它是一個經(jīng)過改進的取樣一保持電路。

20、圖中屬、A2是兩個運算放大器，S是電子開關，L是開關的驅(qū)動電路，當邏輯輸入Vl為1，即Vl為高電平時,S閉和；Vl為0,即低電平時，S斷開。圖9.2-6單片集成取樣一保持電路LE198的電路原理圖及符號（a）電路圖（b）符號當S閉合時，A、A2均工作在單位增益的電壓跟隨器狀態(tài)，所以Vo=Vo=如果將電容Ch接到R2的引出端和地之間，則電容上的電壓也等于Vio當Vl返回低電平以后，雖然S斷開了，但由于Ch上的電壓不變，所以輸出電壓Vo的數(shù)值得以保持下來。在S再次閉合以前的這段時間里，如果W發(fā)生變化，V，o可能變化非常大，甚至會超過開關電路所能承受的電壓，因此需要增加Di和D2構成保護電路。當V。

21、比V。所保持的電壓高（或低）一個二極管的壓降時，Di（或D2）導通，從而將V。限制在Vi+vd以內(nèi)。而在開關S閉和的情況下'V。和Vo相等，故Di和D2均不導通，保護電路不起作用。三.并行比較型A/D轉換器3位并行比較型A/D轉換原理電路如圖9.2-7所示，它由電壓比較器、寄存器和代碼轉換器三部分組成。電壓比較器中量化電平的劃分采用圖9.2-4（b）所示的方式，用電阻鏈把參考電壓Vref1132分壓，得到從±Vref到i3Vref之間7個比較電平，量化單位=-VREf。然后，把這7個151515比較電平分別接到7個比較器GC7的輸入端作為比較基準。同時將將輸入的模擬電壓同時加

22、到每個比較器的另一個輸入端上，與這7個比較基準進行比較。nnTFRE315 二 5V電壓比較器寄存器-代碼轉換器D2（MSB）D1Do（LSB）圖9.27并行比較型A/D轉換器單片集成并行比較型A/D轉換器的產(chǎn)品較多，如AD公司的AD9012（TTL工藝，8位）、AD9002（ECL工藝，8位）AD9020（TTL工藝，10位）等。并行A/D轉換器具有如下特點：（1）由于轉換是并行的，其轉換時間只受比較器、觸發(fā)器和編碼電路延遲時間限制，因此轉換速度最快。（2）隨著分辨率的提高，元件數(shù)目要按幾何級數(shù)增加。一個n位轉換器，所用的比較器個數(shù)為2n.i，如8位的并行A/D轉換器就需要28.仁255個比

23、較器。由于位數(shù)愈多，電路愈復雜，因此制成分辨率較高的集成并行A/D轉換器是比較困難的。（3）使用這種含有寄存器的并行A/D轉換電路時，可以不用附加取樣一保持電路，因為比較器和寄存器這兩部分也兼有取樣保持功能。這也是該電路的一個優(yōu)點。表9.2.13位并行A/D轉換器輸入與輸出轉換關系對照表輸入模擬電壓VI/1（° 幕）vREF13、（15 77）vref（11 2）VREF157、， /cl I（7 ）VREF1515寄存器狀態(tài)（代碼轉換器輸入）Q7Q6 Q5 Q4 Q30000 00000 00000 00000 10001 10001111111數(shù)字量輸出（代碼轉換器輸出）D2D1

24、DO000001010011100&11”5)VREF(H ¥/REF1515(；5 1)VREF001111101111111111111四.逐次比較型A/D轉換器逐次逼近轉換過程與用天平稱物重非常相似。按照天平稱重的思路，逐次比較型A/D轉換器，就是將輸入模擬信號與不同的參考電壓做多次比較，使轉換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量的對應值。4位逐次比較型A/D轉換器的邏輯電路如圖9.28所示。圖中5位移位寄存器可進行并入/并出或串入/串出操作，其輸入端F為并行置數(shù)使能端，高電平有效。其輸入端S為高位串行數(shù)據(jù)輸入。數(shù)據(jù)寄存器由D邊沿觸發(fā)器組成，數(shù)字量從Q4Qi輸出。電路

25、工作過程如下：當啟動脈沖上升沿到達后，F(xiàn)F。FF4被清零，Q5置1,Q5的高電平開啟與門G2,時鐘脈沖CP進入移位寄存器。在第一個CP脈沖作用下，由于移位寄存器的置數(shù)使能端F以由0變1,并行輸入數(shù)據(jù)ABCDE置入，QaQbQcQdQe=01111,Qa的低電平使數(shù)據(jù)寄存器的最高位（Q4）置1,即口Q4Q3Q2Qi=1000。D/A轉換器將數(shù)字量1000轉換為模擬電壓人，送入比較器C與輸入模擬電壓Vi比較，若V|>Vo,則比較器C輸出Vc為1,否則為0。比較結果送D4Di。第二個CP脈沖到來后，移位寄存器的串行輸入端S為高電平，Qa由0變1,同時最高位Qa的0移至次高位Qb。于是數(shù)據(jù)寄存器

26、的Q3由0變1，這個正跳變作為有效觸發(fā)信號加到FF4的CP端，使Vc的電平得以在Q4保存下來。此時，由于其他觸發(fā)器無正跳變觸發(fā)脈沖，vc的信號對它們不起作用。Q3變1后，建立了新的D/A轉換器的數(shù)據(jù)，輸入電壓再與其輸出電壓v7o進行比較，比較結果在第三個時鐘脈沖作用下存于Q3。如此進行，直到Qe由1變0時，使觸發(fā)器FF。的輸出端Q。產(chǎn)生由0到1的正跳變，做觸發(fā)器FR的CP脈沖，使上一次A/D轉換后的Vc電平保存于Qi。同時使Q5由1變。后將G2封鎖，一次A/D轉換過程結束。于是電路的輸出端D3D2DQ0得到與輸入電壓V|成正比的數(shù)字量。VrefD3 ( MSB)D2D1DO (LSB)啟動脈沖

27、lQE Qd QC QB QAcp移位寄存器s +5VFEDCBA+5V圖9.2-8四位逐次比較型A/D轉換器的邏輯電路由以上分析可見，逐次比較型A/D轉換器完成一次轉換所需時間與其位數(shù)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。這種A/D轉換器具有轉換速度快，精度高的特點。常用的集成逐次比較型A/D轉換器有ADC0808/0809系列（8）位、AD575（10位）、AD574A（12位）等。五-雙積分型A/D轉換器雙積分型A/D轉換器是一種間接A/D轉換器。它的基本原理是，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，然后利用時鐘脈沖

28、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。由于該轉換電路是對輸入電壓的平均值進行轉換，所以它具有很強的抗工頻干擾能力，在數(shù)字測量中得到廣泛應用。圖9.29是這種轉換器的原理電路，它由積分器（由集成運放A組成）、過零比較器（C）、時鐘脈沖控制門（G）和定時器/計數(shù)器（FF。FFn）等幾部分組成。(MSB)(LSB)數(shù)字量輸出圖9.2 9雙積分型A/D轉換器+$由定時信號Qn控制。當積分器：積分器是轉換器的核心部分，它的輸入端所接開關Qn為不同電平時，極性相反的輸入電壓V|和參考電壓VREF將分別加到積分器的輸入端，進行兩次方向相反的積分，積分時間常數(shù)T=RC。過零比較器：過零比較器用來確

29、定積分器輸出電壓V。的過零時刻。當V。0時，比較器輸出Vc為低電平；當Vo<0時，VC為高電平。比較器的輸出信號接至時鐘控制門(G)作為關門和開門信號。計數(shù)器和定時器：它由n+1個接成計數(shù)型的觸發(fā)器FF。FFn串聯(lián)組成。觸發(fā)器FF。FFn-1組成n級計數(shù)器，對輸入時鐘脈沖CP計數(shù)，以便把與輸入電壓平均值成正比的時間間隔轉變成數(shù)字信號輸出。當計數(shù)到2n個時鐘脈沖時，F(xiàn)F。FFni均回到0狀態(tài)，而FFn反轉為1態(tài)，Qn=1后，開關&從位置A轉接到B。時鐘脈沖控制門：時鐘脈沖源標準周期Tc,作為測量時間間隔的標準時間。當Vc=1時，與門打開，時鐘脈沖通過與門加到觸發(fā)器FF。的輸入端。下

30、面以輸入正極性的直流電壓Vi為例，說明電路將模擬電壓轉換為數(shù)字量的基本原理。電路工作過程分為以下幾個階段進行：(1)準備階段首先控制電路提供CR信號使計數(shù)器清零，同時使開關S2閉合，待積分電容放電完畢，再S2使斷開。(2)第一次積分階段在轉換過程開始時«=0),開關$與A端接通，正的輸入電壓Vi加到積分器的輸入端。積分器從0V開始對Vi積分：V。=0V|dtT由于V°vOV，過零比較器輸出端Vc為局電平，時鐘控制門G被打開。于是，計數(shù)器在CP作用下從o開始計數(shù)。經(jīng)過2n個時鐘脈沖后，觸發(fā)器FF。FFn-1都翻轉到0態(tài)，而Qn=1,開關Si由A點轉到B點，第一次積分結束。第一

31、次積分時間為：t=Ti=2nTc在第一次積分結束時積分器的輸出電壓Vp為：Vp-J1 V|2%Viu*T1>或T2*t圖9.2-10雙積分型A/D轉換器各點工作波形QnA(3)第二次積分階段當t=ti時，Si轉接到B點，具有與W相反極性的基準電壓一Vref加到積分器的輸入端；積分器開始向相反進行第二次積分；當t=t2時，積分器輸出電壓Vo>OV，比較器輸出Vc=O,時鐘脈沖控制門G被關閉，計數(shù)停止。在此階段結束時vo的表達式可寫為v°(t2)=Vp_L：2(-Vref)dt=O"T1設T2=t2-b,于是有VrefT22nTc、，=V|TT設在此期間計數(shù)器所累計

32、的時鐘脈沖個數(shù)為人，則丁2二入Tc2nTcT2cViVcLL可見，T2與V|成正比，T2就是雙積分A/D轉換過程的中間變量。上式表明,在計數(shù)器中所計得的數(shù)人(入=Qn入QiQ。),與在取樣時間Ti內(nèi)輸入電壓的平均值V|成正比。只要VkVref，轉換器就能將輸入電壓轉換為數(shù)字量，并能從計數(shù)器讀取轉換結果。如果取VREF=2nV，則入=W,計數(shù)器所計的數(shù)在數(shù)值上就等于被測電壓。由于雙積分A/D轉換器在Ti時間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強的抗工頻干擾能力。尤其對周期等于或幾分之一丁的對稱干擾（所謂對稱干擾是指整個周期內(nèi)平均值為零的干擾），從理論上來說，有無窮大的抑制能力。即使當工頻干擾幅度

33、大于被測直流信號，使輸入信號正負變化時，仍有良好的抑制能力。在工業(yè)系統(tǒng)中經(jīng)常碰到的是工頻（50Hz）或工頻的倍頻干擾，故通常選定采樣時間Ti總是等于工頻電源周期的倍數(shù)，如20ms或40ms等。另一方面，由于在轉換過程中，前后兩次積分所采用的是同一積分器。因此，在兩次積分期間（一般在幾十至數(shù)百毫秒之間），R、C和脈沖源等元器件參數(shù)的變化對轉換精度的影響均可以忽略。最后必須指出，在第二次積分階段結束后，控制電路又使開關S2閉合，電容C放電，積分器回零。電路再次進入準備階段，等待下一次轉換開始。單片集成雙積分式A/D轉換器有ADCEK8B（8位，二進制碼）、ADCEK10B（101位，二進制碼）、M

34、C14433（3T立，BCD碼）等。26 .A/D轉換器的主要技術指標1 .轉換精度單片集成A/D轉換器的轉換精度是用分辨率和轉換誤差來描述的。（1）分辨率一一它說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。A/D轉換器的分辨率以輸出二進制（或十進制）數(shù)的位數(shù)表示。從理論上講，n位輸出的A/D轉換器能區(qū)分2n個不同等級的輸入模擬電壓，能區(qū)分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/2n。在最大輸入電壓一定時，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。例如A/D轉換器輸出為8位二進制數(shù)，輸入信號最大值為5V，那么這個轉換器應能區(qū)分輸入信號的最小電壓為19.53mV。（2）轉換誤差一一表示A/D轉換器實際輸出的數(shù)字

35、量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如給出相對誤差wiLSB/2，這就表明實際輸出的數(shù)字量和理論上應得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個字。2 .轉換時間一一指A/D轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠。其中并行比較A/D轉換器轉換速度最高，8位二進制輸出的單片集成A/D轉換器轉換時間可達50ns以內(nèi)。逐次比較型A/D轉換器次之，他們多數(shù)轉換時間在1。50Ps之間，也有達幾百納秒的。間接A/D轉換器的速度最慢，如雙積分A/D轉換器的轉換時間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。在實際應用中，應從系統(tǒng)數(shù)據(jù)總

36、的位數(shù)、精度要求、輸入模擬信號的范圍及輸入信號極性等方面綜合考慮A/D轉換器的選用。例10.2.1某信號采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉換集成芯片在1s（秒）內(nèi)對16個熱電偶的輸出電壓分時進行A/D轉換。已知熱電偶輸出電壓范圍為。0.025V（對應于。450c溫度范圍），需要分辨的溫度為0.1C，試問應選擇多少位的A/D轉換器，其轉換時間為多少？解：對于從。450C溫度范圍，信號電壓范圍為。0.025V，分辨的溫度為0.1C,這相當于衛(wèi)_£一的分辨率。12位A/D轉換器的分辨率為A1所以必須選用13位450450024096的A/D轉換器。系統(tǒng)的取樣速率為每秒16次，取樣時間為62.5ms

37、。對于這樣慢的取樣，任何一個A/D轉換器都可以達到?？蛇x用帶有取樣-保持（S/H）的逐次比較型A/D轉換器或不帶S/H的雙積分式A/D轉換器均可。7 .集成A/D轉換器及其應用在單片集成A/D轉換器中，逐次比較型使用較多，下面我們以ADC0804介紹A/D轉換器及其應用。1. ADC0804引腳及使用說明ADC0804是CMOS集成工藝制成的逐次比較型A/D轉換器芯片。分辨率為8位，轉換時間為100Ps,輸出電壓范圍為05V，增加某些外部電路后，輸入模擬電壓可為土5V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當與計算機連接時，轉換電路的輸出可以直接連接到CPU的數(shù)據(jù)總線上，無需附加邏輯接口電路。CS工RD叵

38、WR |3-CLKININTR E5ZVIN+ 262ADC080420 |VCC 19ICLKR18ID7TT|D6161D515 ID4VIN-AGNDL8VREF/2|9J4JD313 |D212 |D1DGND EOZ11 iDoCSWRINTRRD數(shù)據(jù)輸出100 gsit圖9.211ADC0804弓|腳圖圖9.212ADC0804控制信號的時序圖ADC0804引腳名稱及意義如下：Vin+、Vin-：ADC0804的兩模擬信號輸入端，用以接收單極性、雙極性和差模輸入信號。D7D。：A/D轉換器數(shù)據(jù)輸出端，該輸出端具有三態(tài)特性，能與微機總線相連接。AGND:模擬信號地。DGND:數(shù)字信號地。CLKIN:外電路提供時鐘脈沖輸入端。CLKR:內(nèi)部時鐘發(fā)生器外接電阻端，與CLKIN端配合，可由芯片自身產(chǎn)生時鐘脈沖，其頻率為1/1.1RC。CS:片選信號輸入端，低電平有效，一旦CS有效，表明A/D轉換器被選中，可啟動工作。WR:寫信號輸入，接受微機系統(tǒng)或其他數(shù)字系統(tǒng)