AD和DA轉(zhuǎn)換（課堂PPT）

1、D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 權(quán)電流型權(quán)電流型DAC DAC的主要技術(shù)指標的主要技術(shù)指標 DAC小結(jié)小結(jié)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1、D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理121012102222nnnnDdddd輸出模擬量輸出模擬量 1210OO1210()(2222 )nnnnVIKDK dddd或二進制數(shù)二進制數(shù)D的按權(quán)展開式為的按權(quán)展開式為 2、D/A轉(zhuǎn)換器的一般構(gòu)成轉(zhuǎn)換器的一般構(gòu)成 D/A轉(zhuǎn)換器一般由轉(zhuǎn)換器一般由數(shù)碼緩沖寄存器數(shù)碼緩沖寄存器、模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān)、參考參考電壓電壓、解碼網(wǎng)絡(luò)解碼網(wǎng)絡(luò)

2、和和求和電路求和電路等組成。等組成。 數(shù)字量以串行或并行方式輸入，并存儲在數(shù)碼緩沖寄存數(shù)字量以串行或并行方式輸入，并存儲在數(shù)碼緩沖寄存器中；寄存器的輸出驅(qū)動對應(yīng)數(shù)位上的電子開關(guān)，將在解碼器中；寄存器的輸出驅(qū)動對應(yīng)數(shù)位上的電子開關(guān)，將在解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位的權(quán)值送入求和電路；求和電路將各網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位的權(quán)值送入求和電路；求和電路將各位權(quán)值相加，便得到與數(shù)字量對應(yīng)的模擬量。位權(quán)值相加，便得到與數(shù)字量對應(yīng)的模擬量。n位數(shù)字位數(shù)字量輸入量輸入模擬量模擬量輸出輸出n 位位D/A轉(zhuǎn)換器方框圖轉(zhuǎn)換器方框圖數(shù)碼緩沖數(shù)碼緩沖寄存器寄存器n位數(shù)控位數(shù)控模擬開關(guān)模擬開關(guān)解碼網(wǎng)絡(luò)解碼網(wǎng)絡(luò)求和電路求和電路參考

3、電壓參考電壓 按解碼網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不同，有按解碼網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不同，有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、倒倒T型電阻型電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)DAC、 權(quán)電流型權(quán)電流型DAC等。等。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器主要由轉(zhuǎn)換器主要由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)模擬開關(guān)、求和運算放大器求和運算放大器和和基準電源基準電源VREF四部分組成。四部分組成。 1）電路組成）電路組成REF33VIdRREF222VIdRREF1122VIdRREF0032VIdROFF3210()VR iRIIII 3210REF32104(2222 )2Vdddd 2）工作原理）工作原理對于對于n n位的權(quán)電

4、阻網(wǎng)絡(luò)位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器: : 1210REFO1210(2222 )2nnnnnVVdddd 特點特點：結(jié)構(gòu)比較簡單，所用的電阻元件數(shù)很少。：結(jié)構(gòu)比較簡單，所用的電阻元件數(shù)很少。 缺點缺點：各個電阻的阻值相差較大，尤其在輸入信號的位數(shù)較：各個電阻的阻值相差較大，尤其在輸入信號的位數(shù)較多時，這個問題就更加突出。多時，這個問題就更加突出。 輸出電壓的范圍輸出電壓的范圍: : 3）電路特點）電路特點倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 當某位數(shù)碼為當某位數(shù)碼為1時，相應(yīng)的開關(guān)將電阻接到運算放大器時，相應(yīng)的開關(guān)將電阻接到運算放大器A的反相的反相輸入端（求和點虛地）；輸入端（求和點虛地

5、）； 當某位數(shù)碼為當某位數(shù)碼為0時，相應(yīng)的開關(guān)將電阻接到運算放大器的同相時，相應(yīng)的開關(guān)將電阻接到運算放大器的同相輸入端（地）。輸入端（地）。 1）電路組成）電路組成基準電源基準電源VREF提供的總電流為：提供的總電流為：I =？流過各開關(guān)支路的電流：流過各開關(guān)支路的電流：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=

6、 VREF / 2RI2= VREF / 4RI1= VREF / 8RI0= VREF /16 R2）工作原理）工作原理流入運放的總電流：流入運放的總電流： 輸出模擬電壓：輸出模擬電壓： 30ii4REFffO)2(2iDVRRRi (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 321024816IIIIidddd將輸入數(shù)字量擴展到將輸入數(shù)字量擴展到n位：位： 1n0iifnREFO)2(2iDRRV 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

7、的特點是：轉(zhuǎn)換器的特點是： 電阻種類少，只有電阻種類少，只有R和和2R兩種，有利于提高制作精度兩種，有利于提高制作精度; 模擬開關(guān)在地和虛地之間轉(zhuǎn)換，不論開關(guān)狀態(tài)如何，各模擬開關(guān)在地和虛地之間轉(zhuǎn)換，不論開關(guān)狀態(tài)如何，各支路的電流始終不變，因此不需要電流建立時間；支路的電流始終不變，因此不需要電流建立時間； 各支路電流直接流入運算放大器的輸入端，不存在傳輸各支路電流直接流入運算放大器的輸入端，不存在傳輸時間差，因而提高了轉(zhuǎn)換速度，并減小了動態(tài)過程中輸時間差，因而提高了轉(zhuǎn)換速度，并減小了動態(tài)過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖峰脈沖。出端可能出現(xiàn)的尖峰脈沖。n 位倒位倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有：有：

8、 n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR REFfn,2VRKR令：令：n 1iBi0(2 )iND則則 O = K 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，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。的模擬電壓輸出。 -UR+-AuoS2S3S1S0RFD3D2D1D0I16I8I4I2i)2222(16332211003210DDDDIIIIIi)2222(16332211000DDDDIRiRUFF權(quán)電流型權(quán)電流型DACDAC的主要技術(shù)指標有：的主要技術(shù)指標有：轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度。1、分辨率、分辨率分辨率用于表征分辨率用于表征D

9、/A轉(zhuǎn)換器對輸入微小量變化的敏感程度。轉(zhuǎn)換器對輸入微小量變化的敏感程度。 定義為定義為D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。轉(zhuǎn)換器的模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。n位位DAC有有2n個不同的模擬量個不同的模擬量輸出值，即分辨率為輸出值，即分辨率為2n，實際中通常用實際中通常用輸入數(shù)字量的有輸入數(shù)字量的有效位數(shù)效位數(shù)表示表示DAC的分辨率，的分辨率，顯然位數(shù)越多，分辨率越高。顯然位數(shù)越多，分辨率越高。如如10位、位、8位等。位等。另外也用另外也用DAC的最小非零輸出電壓的最小非零輸出電壓與最大輸出電壓與最大輸出電壓之比之比來表示分辨率來表示分辨率:121maxmin nooVV分辨率分

10、辨率 DAC的轉(zhuǎn)換精度通常用的轉(zhuǎn)換精度通常用分辨率分辨率、轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差來描述。來描述。主要技術(shù)指標主要技術(shù)指標05/75001 010 011 100 101 110 111vo/VD0002、轉(zhuǎn)換誤差、轉(zhuǎn)換誤差用最低有效位的倍數(shù)表示。用最低有效位的倍數(shù)表示。如：某個如：某個DAC的轉(zhuǎn)換誤差為的轉(zhuǎn)換誤差為1/2LSB，表示輸出模擬電壓與理論值之間的絕對誤差小于等表示輸出模擬電壓與理論值之間的絕對誤差小于等于輸入數(shù)字代碼為于輸入數(shù)字代碼為001時輸出電壓的一半。時輸出電壓的一半。用輸出電壓滿刻度的百分數(shù)表示。用輸出電壓滿刻度的百分數(shù)表示。（1）造成轉(zhuǎn)換誤差的主要原因）造成轉(zhuǎn)換誤差的主要原因

11、：參考電壓參考電壓 VREF的波動的波動 比例系數(shù)誤差比例系數(shù)誤差運算放大器的零點漂移運算放大器的零點漂移 失調(diào)誤差失調(diào)誤差模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通電壓模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通電壓電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值偏差等電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值偏差等轉(zhuǎn)換誤差：指輸出模擬電壓的轉(zhuǎn)換誤差：指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差實際值與理想值之差的最大值。的最大值。 非線性誤差非線性誤差（2）轉(zhuǎn)換誤差的表示方法）轉(zhuǎn)換誤差的表示方法 ：如：如：1（FSR）建立時間建立時間 tSet ：輸入由全輸入由全0變?yōu)槿優(yōu)槿?，輸出電壓與穩(wěn)，輸出電壓與穩(wěn)態(tài)值相差（態(tài)值相差（LSB/2)所需的時間。所需的時間。一般一般DAC的的tset

12、0. 1 s 。這個參數(shù)的值越小越好這個參數(shù)的值越小越好 ，3、轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換速度當當DAC輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出的模擬量需要延遲一段時間后輸出的模擬量需要延遲一段時間后才能達到對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值，通常用建才能達到對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值，通常用建立時間和轉(zhuǎn)換速率來描述。立時間和轉(zhuǎn)換速率來描述。轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 ：在大信號工作狀態(tài)下，模擬輸出電壓的最大變化率。在大信號工作狀態(tài)下，模擬輸出電壓的最大變化率。u能夠?qū)?shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路稱為能夠?qū)?shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(DAC)uDAC的電路結(jié)構(gòu)形式主要有權(quán)電阻型、倒的電路結(jié)構(gòu)形式主要有權(quán)電阻型、倒T

13、型電阻網(wǎng)絡(luò)及權(quán)型電阻網(wǎng)絡(luò)及權(quán) 電流型，目前電流型，目前TTL產(chǎn)品多為權(quán)電流型（精度高、速度快），產(chǎn)品多為權(quán)電流型（精度高、速度快）， CMOS產(chǎn)品多采用倒產(chǎn)品多采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)（功耗低）。型電阻網(wǎng)絡(luò)（功耗低）。uDAC的模擬輸出電壓與輸入的二進制數(shù)成正比，其通式為：的模擬輸出電壓與輸入的二進制數(shù)成正比，其通式為： 10)2(niiiODKVuDAC的主要技術(shù)為轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度的主要技術(shù)為轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換精度用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差表示；轉(zhuǎn)換精度用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差表示；轉(zhuǎn)換速度用建立時間和轉(zhuǎn)換速率表示。轉(zhuǎn)換速度用建立時間和轉(zhuǎn)換速率表示。BNK DAC小結(jié)小結(jié)【例【例1】已知某】已知某8位位D

14、/A轉(zhuǎn)換器的輸入為轉(zhuǎn)換器的輸入為11010001時，輸出時，輸出VO=2.09V，求輸入為，求輸入為00111100時的輸出電壓值。時的輸出電壓值。VDVKniiiO01. 0)11010001(09. 2)2(2101 VDKVniiiO6 . 06001. 0)2(102 10)2(niiiODKV解：解：DAC的模擬輸出電壓的通式為：的模擬輸出電壓的通式為：【例【例2】在】在10位二進制數(shù)位二進制數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器中，已知其最大滿刻度輸轉(zhuǎn)換器中，已知其最大滿刻度輸出模擬電壓出模擬電壓Vom=5V，求最小分辨電壓，求最小分辨電壓VLSB和分辨率。和分辨率。解：解：vVVnOMLSB005.01

15、02351210231121maxminnooVV分辨率分辨率 【例【例3】已知】已知D/A轉(zhuǎn)換器，其最小分辨電壓轉(zhuǎn)換器，其最小分辨電壓VLSB=4mV，最大，最大滿刻度輸出電壓滿刻度輸出電壓Vom=10V，求該轉(zhuǎn)換器輸入二進制數(shù)字量的位，求該轉(zhuǎn)換器輸入二進制數(shù)字量的位數(shù)。數(shù)。 解：解：DAC的分辨率：的分辨率：12nOMLSBVV) 1(log2LSBVVn121maxmin nooVV分辨率分辨率 【例【例4】10位倒位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器如圖所示，當轉(zhuǎn)換器如圖所示，當R=Rf時：時：（1）試求輸出電壓的取值范圍；）試求輸出電壓的取值范圍；（2）若要求電路輸入數(shù)字量為）若要

16、求電路輸入數(shù)字量為200H時輸出電壓時輸出電壓VO=5V，試，試問問VREF應(yīng)取何值？應(yīng)取何值？ A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換的一般過程轉(zhuǎn)換的一般過程 并行比較型并行比較型ADC 逐次比較型逐次比較型ADC 雙積分型雙積分型ADC ADC的主要技術(shù)指標的主要技術(shù)指標 ADC小結(jié)小結(jié)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬量的輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的輸出轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬量的輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的輸出。 一個完整的一個完整的A/D轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換過程，通常要經(jīng)過通常要經(jīng)過取樣取樣和和保持保持、量化量化和和編碼編碼步驟步驟。 取樣：取樣：將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時間上

17、離散時間上離散的的模擬量過程模擬量過程。 保持：保持：保持取樣信號，使有充分時間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。保持取樣信號，使有充分時間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。 量化：量化：把取樣保持電路的輸出信號用把取樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的整單位量化電壓的整數(shù)倍數(shù)倍表示。方法一般有兩種：舍尾取整、四舍五入。表示。方法一般有兩種：舍尾取整、四舍五入。 編碼：編碼：把量化的結(jié)果用二進制代碼表示。把量化的結(jié)果用二進制代碼表示。 取樣（也稱采樣）是將時間上連續(xù)變化的信號，取樣（也稱采樣）是將時間上連續(xù)變化的信號，轉(zhuǎn)換為時間轉(zhuǎn)換為時間上離散的信號上離散的信號，即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等，即將時間上連續(xù)變化的模擬

18、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。間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。fi(t)fO(t)S(t)模擬開關(guān)模擬開關(guān)S(t)取樣脈沖取樣脈沖 fO(t) 樣值脈沖輸出樣值脈沖輸出fi(t)模擬輸入模擬輸入為了保證能從采樣信號為了保證能從采樣信號將原信號恢復(fù)，要求：將原信號恢復(fù)，要求：fS ： 采樣頻率采樣頻率 ； fi max ： fi(t)的最高頻率分量。的最高頻率分量。max2iSff 采樣定理采樣定理在工程設(shè)計中通常取：在工程設(shè)計中通常?。簃ax53iSff）（ 模擬信號經(jīng)采樣后，得到一系列模擬信號經(jīng)采樣后，得到一系列取樣脈沖取樣脈沖。采樣脈沖寬度。采樣脈沖寬度一

19、一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應(yīng)暫時保持所般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應(yīng)暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉(zhuǎn)換。一般取樣與保持過程取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉(zhuǎn)換。一般取樣與保持過程都是同時完成的。都是同時完成的。在采樣脈沖在采樣脈沖S(t)到來的時間到來的時間內(nèi)，內(nèi)，T導(dǎo)通，導(dǎo)通， vI向電容向電容C充電，假充電，假定充電時間遠小于定充電時間遠小于，則：則：vO(t) vC(t) vI(t)。（采樣）（采樣）采樣結(jié)束，采樣結(jié)束，T截止，電容無放電回路，輸出電壓得以保持，直截止，電容無放電回路，輸出電壓得以保持，直到下一個采樣脈沖到來為止。到下一個采樣脈沖到來為止。

20、（保持）（保持）tvOvI采采樣樣保保持持采采樣樣保保持持采采樣樣保保持持采采樣樣保保持持采采樣樣保保持持 數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，而且數(shù)值大小的變化數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，而且數(shù)值大小的變化也是不連續(xù)的。這就是說，也是不連續(xù)的。這就是說，任何一個數(shù)字量的大小只能是某任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。因此因此 ，在進行，在進行 A / D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換時也必須把采樣電壓化為這個最小單位的整數(shù)倍。這個轉(zhuǎn)化時也必須把采樣電壓化為這個最小單位的整數(shù)倍。這個轉(zhuǎn)化過程就叫做過程就叫做 “量化量化”。 所取的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用所取的最

21、小數(shù)量單位叫做量化單位，用“ ”表示。表示。若數(shù)若數(shù)字信號最低有效位用字信號最低有效位用LSB表示，表示，1LSB所代表的數(shù)量就等于所代表的數(shù)量就等于 。 把量化的結(jié)果用代碼把量化的結(jié)果用代碼 (二進制或二二進制或二 十十 進制進制 )表示出來，表示出來，稱為稱為 “ 編碼編碼 ” ，這些代碼就是，這些代碼就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果。由于模轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果。由于模擬電壓是連續(xù)的，它不一定能被擬電壓是連續(xù)的，它不一定能被 整除，因而量化過程不可避整除，因而量化過程不可避免地會引入誤差免地會引入誤差“量化誤差量化誤差”。 量化誤差為原理誤差，是不可消除的，位數(shù)越大，誤差越量化誤差為原理誤差，是不可消除

22、的，位數(shù)越大，誤差越小。采用不同方法劃分量化電平，會有不同的誤差。小。采用不同方法劃分量化電平，會有不同的誤差。（1）舍尾取整法）舍尾取整法01V1/82/83/84/85/86/87/801234567000001010011100101110111V8/1 取量化單位取量化單位 nm/2V 0 0之間的模擬電壓歸并到之間的模擬電壓歸并到0 0 2之間的模擬電壓歸并到之間的模擬電壓歸并到1 1 此此方法產(chǎn)生的最大量化誤差為方法產(chǎn)生的最大量化誤差為 （2）四舍五入法）四舍五入法01V1/153/155/157/159/1511/1513/1501234567000001010011100101

23、110111V15/2 取量化單位取量化單位 n+1m2/(21)V 0 0/2之間的模擬電壓歸并到之間的模擬電壓歸并到0 0 /23/2之間的模擬電壓歸并到之間的模擬電壓歸并到1 1 此此方法產(chǎn)生的最大量化誤差為方法產(chǎn)生的最大量化誤差為/2 分類分類按工作原理：按工作原理：直接直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器兩類。轉(zhuǎn)換器兩類。 直接直接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器： 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器和逐次比較型轉(zhuǎn)換器和逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 間接間接A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器： 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器、電壓頻率轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器、電壓頻率轉(zhuǎn)換型型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 R I VREF VRE

24、F 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 1D C1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)先編碼器優(yōu)先編碼器 (LSB(MSB)0 電壓比較器電壓比較器輸入模擬輸入模擬電壓電壓電阻分壓電阻分壓器器寄存器寄存器VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511

25、VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)輸出數(shù)字量字量1、電路組成、電路組成并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器VREF 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 3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1

26、1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF 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(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)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。 R I VR E F R C P R R R R R R /2

27、+ 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 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/151111000001VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/153、電路特點：、電路特點：在并行在并行A/D轉(zhuǎn)換器

28、中，輸入電壓轉(zhuǎn)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。所以它的入時刻同時獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時間最短轉(zhuǎn)換時間最短。但轉(zhuǎn)換精度受。但轉(zhuǎn)換精度受分壓電阻、基準電壓、比較器的閾值電壓精度的影響，分壓電阻、基準電壓、比較器的閾值電壓精度的影響，精度精度較差較差。 電路復(fù)雜電路復(fù)雜，如三位，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個電個電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。單片集成并行比較型單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的

29、產(chǎn)品很多，如轉(zhuǎn)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。 逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似 。1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)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(shè)待秤重量設(shè)待秤重量Wx = 13克?？?。逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器砝碼重砝碼重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克 砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，故保留，故保留砝

30、碼總重仍砝碼總重仍 待測重量待測重量Wx ，故撤除，故撤除砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，故保留，故保留暫時結(jié)果暫時結(jié)果8 克克12 克克12 克克13 克克 結(jié)結(jié) 論論2. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 O VREF D0 D1 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：逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器第二個

31、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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)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第三個第三個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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 O VREF D0 D

32、1 Dn-2 Dn-1 0 0 1 0 1 0 1 0 6.25V I 6.25V 101 A=6.84VVREF= -10V 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 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換時時間間 = 80 s t / s 10000000 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 11100000010100000101100001010100010

33、10110010101110101011111） 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；精度越高；2）逐次比較型）逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時間與轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時間與其位數(shù)其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時鐘頻率和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短； 3、電路特點：、電路特點： 雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想 對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的

34、入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的時間寬度信號時間寬度信號，然，然后利用計數(shù)器在這個時間寬度里后利用計數(shù)器在這個時間寬度里對固定頻率的時鐘脈沖進對固定頻率的時鐘脈沖進行計數(shù)行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬信號的數(shù)字量。雙，計數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬信號的數(shù)字量。雙積分式積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓時間數(shù)字式積分器轉(zhuǎn)換器也稱為電壓時間數(shù)字式積分器 。雙積分式雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FFn-1 1 QQn-1 QFF1 1 FF0 1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R C

35、P Cr Dn-1 D1 D0 & 數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出 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 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器是常用的一種間接轉(zhuǎn)換器是常用的一種間接A/DA/D轉(zhuǎn)換器。主要由轉(zhuǎn)換器。主要由積分積分器器、過零比較器過零比較器、時鐘脈沖控制門時鐘脈沖控制門、計數(shù)器計數(shù)器等幾個部分組成。等幾個部分組成。 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FFn-1 1 QQn-1 QFF1 1 FF0 1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R C

36、P Cr Dn-1 D1 D0 & 數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出 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 0 00 00 00 00 0準備階段：準備階段：工作原理工作原理 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 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 & C A B G G n 級計數(shù)器級計數(shù)器 定定時時信信號號 CnIItpTRCVTRCVdtVV2110I1經(jīng)過經(jīng)過2n個個CP

37、(2) 第一次積分：第一次積分：VC=VOHQn=1(3) (3) 第二次積分：第二次積分： + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FFn-1 1 QQn-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 & C A B G G n 級計數(shù)器級計數(shù)器 定定時時信信號號 0)(1()(21REF2ttpOdtVVtVVC=VOL 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=2nT

38、C1112nCPTTVVV 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(zhuǎn)換器得到的結(jié)果。轉(zhuǎn)換器得到的結(jié)果。nC2IREF2 TTVV優(yōu)點：優(yōu)點：1.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)RC無關(guān)，從而消除了積分非無關(guān)，從而消除了積分非線性帶來的誤差。線性帶來的誤差。2.由于雙積分由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換器在T1時間內(nèi)采的是輸入電壓的平時間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強的抗干擾的能力。

39、均值，因此具有很強的抗干擾的能力。 T1=2nTC3. T2正比于正比于T1 時間內(nèi)的時間內(nèi)的VI，這樣對疊加在，這樣對疊加在VI上的干擾有上的干擾有較強的抑制能力。較強的抑制能力。n2IcREF2TVTV主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)（1 1）轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度: :分辨率分辨率、轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差 分辨率分辨率：指引起：指引起ADC的輸出二進制數(shù)字量最低有效位變動一個的輸出二進制數(shù)字量最低有效位變動一個數(shù)碼時，輸入模擬量的最小變化量。它說明數(shù)碼時，輸入模擬量的最小變化量。它說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。信號的分辨能力。 如如，輸入模擬電壓滿量程為輸入模擬電壓滿量程為10V 8位的

40、位的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器可以分辨的最小輸入電壓可以分辨的最小輸入電壓 81039.06mV210位的位的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器可以分辨的最小輸入電壓可以分辨的最小輸入電壓 10109.76mV2轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差：通常以相對誤差的形式給出通常以相對誤差的形式給出，它表示它表示A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器實實際輸出的數(shù)字量和理想輸出數(shù)字量之間的差別際輸出的數(shù)字量和理想輸出數(shù)字量之間的差別，并用最低有并用最低有效位的倍數(shù)表示效位的倍數(shù)表示。 （2）轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度：指指完成一次完成一次A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換所需時間轉(zhuǎn)換所需時間。 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類型型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差甚遠。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差甚遠。 并行比較并行比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(8位）位） 逐次比較型逐次比較