第8章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換

1、第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 第八章第八章 數(shù)數(shù)/模與模模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 8.1 DAC 8.2 ADC 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 一、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念和作用一、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念和作用 數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量( (電壓或電電壓或電流流) )，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。 實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器 Digital - Analog Converter，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱 D/A 轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或 DAC。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出即將模擬電量轉(zhuǎn)

2、換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器 Analog - Digital Converter，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱 A/D 轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或 ADC。 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 為何要進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？為何要進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？ 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例壓力傳感器壓力傳感器溫度傳感器溫度傳感器流量傳感器流量傳感器四四路路模模擬擬開開關(guān)關(guān)數(shù)數(shù)字字處處理理系系統(tǒng)統(tǒng)DAC模擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控制器液位傳感器液位傳感器DACDAC模

3、擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控制器生生 產(chǎn)產(chǎn) 控控 制制 對(duì)對(duì) 象象DACADC二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 8.1DAC 一、一、DAC的基本概念的基本概念 1. 轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換特性 DAC電路輸入的是電路輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)字信息位二進(jìn)制數(shù)字信息B(Bn-1,Bn-2, ,B1、 B0)，其，其最低位最低位(LSB)的的B0和和最高位最高位(MSB)的的Bn-1的權(quán)分別為的權(quán)分別為20和和2n-1，故，故B按權(quán)展開式為按權(quán)展開式為 100011221122222niiinnnnBBBBBB第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 DAC電路輸出的

4、是與輸入數(shù)字量電路輸出的是與輸入數(shù)字量成正比例成正比例的的電壓電壓uO或或電流電流iO，即，即 102)(niiiOOBKBKiu或式中式中K為轉(zhuǎn)換比例常數(shù)為轉(zhuǎn)換比例常數(shù)。DAC框圖如圖框圖如圖8-2所示。所示。圖圖 8 - 2DAC框圖框圖 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 ULSB1000001010 011 100234567BUmuO 或 iO101 110 111圖圖 8 3 轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換特性 當(dāng)當(dāng)n=3時(shí)，時(shí)，DAC轉(zhuǎn)換電路的輸出與輸入轉(zhuǎn)換特性如圖轉(zhuǎn)換電路的輸出與輸入轉(zhuǎn)換特性如圖8 - 3所示，輸出為階梯波。所示，輸出為階梯波。 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 2. 分辨率分辨率 121nm

5、LSBUU分辨率分辨率 n越大，越大，DAC的分辨能力越高的分辨能力越高(分辨率越小分辨率越小)。 DAC的分辨率，即為電路所能分辨的最小輸出電壓增量的分辨率，即為電路所能分辨的最小輸出電壓增量ULSB與滿刻度輸出電壓與滿刻度輸出電壓UMSB(Um)之比。之比。Um = uO|D = 11 1 = ( 2n 1 ) ULSBn 位均為位均為 1 最小輸出電壓增量最小輸出電壓增量，就是輸入數(shù)字量中最低位（，就是輸入數(shù)字量中最低位（LSB）B0狀狀態(tài)變化引起對(duì)應(yīng)輸出電壓變化的幅值態(tài)變化引起對(duì)應(yīng)輸出電壓變化的幅值ULSB。 例如例如, 當(dāng)當(dāng)n=10時(shí)，時(shí)，DAC分辨率分辨率= ; 當(dāng)當(dāng)n=11時(shí)，時(shí)

6、，DAC分辨率分辨率 。 0001121100005 . 012111第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 3. 精度精度 (1) 非線性誤差非線性誤差：它是由電子開關(guān)導(dǎo)通的電壓降和電阻網(wǎng)絡(luò)：它是由電子開關(guān)導(dǎo)通的電壓降和電阻網(wǎng)絡(luò)電阻值偏差產(chǎn)生的，常用滿刻度的百分?jǐn)?shù)表示。電阻值偏差產(chǎn)生的，常用滿刻度的百分?jǐn)?shù)表示。 (2) 比例系數(shù)誤差比例系數(shù)誤差：它是參考電壓：它是參考電壓UR偏離引起的誤差，也用偏離引起的誤差，也用滿刻度的百分?jǐn)?shù)表示。滿刻度的百分?jǐn)?shù)表示。 (3) 漂移誤差漂移誤差：它是由集成運(yùn)放漂移產(chǎn)生的誤差。增益的改：它是由集成運(yùn)放漂移產(chǎn)生的誤差。增益的改變也會(huì)引起增益誤差。變也會(huì)引起增益誤差。 4.

7、 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換也稱輸出建立時(shí)間。它是從輸入數(shù)字信號(hào)時(shí)開始，到轉(zhuǎn)換也稱輸出建立時(shí)間。它是從輸入數(shù)字信號(hào)時(shí)開始，到輸出電壓或電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值時(shí)所需要的時(shí)間。輸出電壓或電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值時(shí)所需要的時(shí)間。 精度是實(shí)際輸出值與理論計(jì)算值之差。精度是實(shí)際輸出值與理論計(jì)算值之差。第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 二、常用二、常用 DAC 的類型的類型常用的有常用的有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) DAC、 R - - 2R 倒倒 T 形形電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò) DAC和和權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)權(quán)電流網(wǎng)絡(luò) DAC。其中，后兩者轉(zhuǎn)換速度快，性。其中，后兩者轉(zhuǎn)換速度快，性能好，因而被廣泛采用，權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)能好，因而被廣泛采用，權(quán)電流網(wǎng)絡(luò) DAC

8、 轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換精度高，性能最佳。性能最佳。 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 （一）電路組成（一）電路組成三、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)三、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) D / A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 模擬開關(guān)模擬開關(guān) Si 受各位輸入數(shù)字量控制，當(dāng)受各位輸入數(shù)字量控制，當(dāng) Bi =1 1 時(shí)，開關(guān)時(shí)，開關(guān) Si 接到接到 1 1 端，電阻端，電阻 Ri 與基準(zhǔn)電壓與基準(zhǔn)電壓UR相連；相連；當(dāng)當(dāng) Bi =0 0 時(shí)，開關(guān)時(shí)，開關(guān) Si 則接到則接到 0 0 端，電阻端，電阻 Ri 接地。接地。0 00 0iFS0+- -uOS1S2S3B3B2B1B0iRFUR22R21RI020RI123RI2I30 01 11 11 11 10

9、0+- -A(LSB)(MSB)模擬開關(guān)模擬開關(guān)求和運(yùn)算求和運(yùn)算 放大器放大器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 當(dāng)電子開關(guān)當(dāng)電子開關(guān) S0 S3 都接都接 1 1 端時(shí)，流入求和運(yùn)算放大器輸入端時(shí)，流入求和運(yùn)算放大器輸入端的總電流端的總電流 i為為 i= I3+ I2+ I1+ I0= UR20RB3+ UR21RB2+ UR22RB1+ UR23RB0 UR23R( 23B3+ 22B2+ 21B1+ 20B0 )= 由于由于 i= - i F ，故運(yùn)算放大器的輸出電壓，故運(yùn)算放大器的輸出電壓 uO為為 uO= iF RF= - -iRF= - -RF UR23R( 23B3+

10、 22B2+ 21B1+ 20B0 ) （二）工作原理（二）工作原理第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 對(duì)于對(duì)于 n 位位權(quán)電阻權(quán)電阻 D / A 轉(zhuǎn)換器，則有轉(zhuǎn)換器，則有 uO= - -iRF= - -RF UR2n-1R( 2n-1 Bn-1+ 2n-2Bn-2+ 21B1+ 20B0 )當(dāng)取當(dāng)取RF=R/2時(shí)，則有時(shí)，則有 uO=- UR 2n( 2n-1 Bn-1+ 2n-2Bn-2+ 21B1+ 20B0 )- UR 2n = Bi 2i i=0 n-1例如例如：UR=-8V，輸入八位二進(jìn)制數(shù)碼為，輸入八位二進(jìn)制數(shù)碼為11001011，則輸出電，則輸出電壓為壓為VuO34. 6203288第

11、八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 S0+- -uOS1S2S3B3B2B1B0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30 01 11 11 11 10 00 00 0RRR ( (一一) ) 電路組成與轉(zhuǎn)換原理電路組成與轉(zhuǎn)換原理 四、四、R - 2R 倒倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC 由倒由倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)和一個(gè)電流型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)和一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換電路電壓轉(zhuǎn)換電路( (簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱 I/U 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路) )組成。組成。模擬開關(guān)模擬開關(guān) Si 打向打向“1”側(cè)側(cè)時(shí)，相應(yīng)時(shí)，相應(yīng) 2R 支路支路接虛接虛地地；打向打向“0”側(cè)側(cè)時(shí)，相應(yīng)時(shí)，相應(yīng) 2R 支

12、路支路接地接地。故無論開。故無論開關(guān)打向哪一側(cè)，倒關(guān)打向哪一側(cè)，倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖：型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖：第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC從從 A、B、C 節(jié)點(diǎn)向左看去，各節(jié)點(diǎn)對(duì)地的等效電阻均為節(jié)點(diǎn)向左看去，各節(jié)點(diǎn)對(duì)地的等效電阻均為 2R。因此，因此，I = VREFRI3 =I2I2 =I32=I4I1 =I22=I8I0 =I12=I16第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 模擬開關(guān)模擬開關(guān) Si 受相應(yīng)數(shù)字位受相應(yīng)數(shù)字位 Bi 控制。當(dāng)控制。當(dāng) Bi = 1 時(shí)，開時(shí)，開關(guān)合向關(guān)合向“1”側(cè)，相應(yīng)側(cè)，相應(yīng)支路電

13、流支路電流 Ii 輸出輸出；Bi = 0 時(shí)，開關(guān)時(shí)，開關(guān)合向合向“0”側(cè)，側(cè)， Ii 流入地而不能輸出。流入地而不能輸出。S0+- -uOS1S2S3B3B2B1B0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30 01 11 11 11 10 00 00 0RRRu0 = - - i RF = - - B I0 RF = - - B RRV 4FREF2i = B3 I3 + B2 I2 + B1 I1 + B0 I0 = ( B3 23 + B2 22 + B1 21 + B0 20 ) I0 = B I0對(duì)對(duì) n 位位 DAC， uO= - - B RRVn 2F

14、REF若取若取 RF = R， 則則uO= - - B nV2REFuO= - - B RRV 4FREF2 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中各支路電流恒定不變，故在開形電阻網(wǎng)絡(luò)中各支路電流恒定不變，故在開關(guān)狀態(tài)變化時(shí)不需電流建立時(shí)間，因而轉(zhuǎn)換速度高。關(guān)狀態(tài)變化時(shí)不需電流建立時(shí)間，因而轉(zhuǎn)換速度高。1022niiinFREFBRRV1022niiinREFBV第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 （一）（一） 電路組成電路組成i 位電子模擬開關(guān)位電子模擬開關(guān) Si 由相應(yīng)輸入數(shù)據(jù)由相應(yīng)輸入數(shù)據(jù) Bi 控制。當(dāng)控制。當(dāng)Bi=1 1時(shí)，時(shí)，Si接接1 1，恒流源接運(yùn)算放大器的反向端，并，恒流源接運(yùn)算放大器的反向端，并提提供

15、恒流供恒流 Ii ；當(dāng)；當(dāng)Bi = 0 0時(shí)，時(shí)， Si 接接0 0，恒流源，恒流源接地接地。S0+- -uOS1S2S3B3B2B1B0iRF- -VREFI / 20 01 11 11 11 10 00 00 0I / 4I / 16I / 8- -+(LSB)(MSB)I/U轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 權(quán)電流權(quán)電流恒流源恒流源模擬開關(guān)模擬開關(guān)五、權(quán)電流型五、權(quán)電流型 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 當(dāng)電子開關(guān)當(dāng)電子開關(guān) Si 都接都接 1 1 端時(shí)，最高位代碼對(duì)應(yīng)支路的恒流源端時(shí)，最高位代碼對(duì)應(yīng)支路的恒流源電流為電流為 I / 2，相鄰位支路的恒流源電流依次減半。故運(yùn)算放大，相鄰位支路的恒

16、流源電流依次減半。故運(yùn)算放大器的輸出電壓器的輸出電壓 uO 為為 對(duì)于對(duì)于 n 位權(quán)電流型位權(quán)電流型 D / A 轉(zhuǎn)換器，則有轉(zhuǎn)換器，則有 uO = RF I 2n( 2n-1 Bn-1+ 2n-2Bn-2+ 21B1+ 20B0 ) uO = iRF=RFI24( 23B3+ 22B2+ 21B1+ 20B0 )= RF (I2B3+I8B1+ I16B0 )I4B2+（二）（二） 工作原理工作原理1022niiinFBIR第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 六、集成六、集成DAC 1IO1IO2GNDD0D1D2D3D4D5D6D7D8D9RfUREF UDDAD75202345678910111

17、213141516圖圖 8 7 AD7520引腳圖引腳圖 D0D9 為為10個(gè)數(shù)碼控制位，個(gè)數(shù)碼控制位，控制著內(nèi)部控制著內(nèi)部CMOS的電流開的電流開關(guān)。關(guān)。 IO1和和IO2為電流輸出端。為電流輸出端。Rf端為反饋電阻端為反饋電阻Rf的一個(gè)的一個(gè)引出端，另一個(gè)引出端和引出端，另一個(gè)引出端和IO1端連接在一起。端連接在一起。 UREF 端為基準(zhǔn)電壓輸入端。端為基準(zhǔn)電壓輸入端。 +UDD 端接電源的正端。端接電源的正端。 GND 端為接地端。端為接地端。第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 8.2ADC 一、一、ADC的組成的組成 1. ADC的兩個(gè)組成部分及其作用的兩個(gè)組成部分及其作用 輸入模擬電壓uI(

18、t)CPsSADC的采樣保持電路C采樣值展寬信號(hào)ADC的量化編碼電路xn1(MSB)x1x0(LSB)輸出數(shù)字量X(n位)u I(t)圖圖 8 - 8ADC的組成部分的組成部分 采樣保持電路采樣保持電路量化編碼電路量化編碼電路第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 采樣開關(guān)采樣開關(guān)S的控制信號(hào)的控制信號(hào)CPs的頻率的頻率fs必須滿足公式必須滿足公式 fs2f imax fimax為輸入電壓頻譜中的最高頻率。為輸入電壓頻譜中的最高頻率。 這樣就能將采樣保持后的這樣就能將采樣保持后的 不失真地恢復(fù)成輸入電壓不失真地恢復(fù)成輸入電壓uI(t)。該公式稱為。該公式稱為采樣定理采樣定理。 )(tuI (1) 采樣保持

19、電路采樣保持電路CuIuIVCPsA圖圖 8 10 采樣保持電路原理圖采樣保持電路原理圖 采樣脈沖采樣脈沖采樣：采樣：把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。為時(shí)間離散的信號(hào)。保持：保持：保持采樣信號(hào)，使有充分時(shí)保持采樣信號(hào)，使有充分時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 CPsT采樣保持保持采樣采樣保持采樣保持采樣TsuI(t)u I(t)uI(t)u I(t)tt圖圖 8 9 采樣保持前后的波形舉例采樣保持前后的波形舉例 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 (2) 量化編碼電路量化編碼電路 將介于兩個(gè)離散電平之間的采樣值，用某種方式整理歸將介于兩

20、個(gè)離散電平之間的采樣值，用某種方式整理歸并到這兩個(gè)離散電平之一的方式及過程稱為并到這兩個(gè)離散電平之一的方式及過程稱為“量化量化”。 將量化后的有限個(gè)整量值用將量化后的有限個(gè)整量值用n位一組位一組的某種數(shù)字代碼的某種數(shù)字代碼(如如二進(jìn)制碼、二進(jìn)制碼、BCD碼或碼或Gray碼等碼等)對(duì)應(yīng)描述以形成對(duì)應(yīng)描述以形成數(shù)字量數(shù)字量，這，這種用數(shù)字代碼表示量化幅值的過程稱作種用數(shù)字代碼表示量化幅值的過程稱作“編碼編碼”。 簡(jiǎn)單說簡(jiǎn)單說就是把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。就是把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 2. 量化方式和量化誤差量化方式和量化誤差 (1) 只舍不入法只舍不入法 當(dāng)輸入

21、當(dāng)輸入uI在某兩個(gè)相鄰的量化值之間，即在某兩個(gè)相鄰的量化值之間，即 skusk1) 1(k為整數(shù)為整數(shù)) 式中式中s為量化的最小數(shù)量單位，稱作為量化的最小數(shù)量單位，稱作“量化間隔量化間隔”。 這時(shí)采取只舍不入的方法，將這時(shí)采取只舍不入的方法，將uI不足一個(gè)不足一個(gè)s的尾數(shù)舍去，的尾數(shù)舍去，取其原整數(shù)，即取取其原整數(shù)，即取uI的量化值為的量化值為skuI) 1(*如如s=1V，uI=2.8V時(shí)，時(shí)，VuI2*第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 (2) 四舍五入法四舍五入法 當(dāng)當(dāng)uI的尾數(shù)不足的尾數(shù)不足 時(shí)，用舍尾取整法得其量化值；當(dāng)時(shí)，用舍尾取整法得其量化值；當(dāng)uI的尾數(shù)等于或大于的尾數(shù)等于或大于 時(shí)，

22、則入整。時(shí)，則入整。 例如例如，已知，已知s=1V,則則uI=2.1V時(shí)，時(shí)，uI=2V; uI=2.7V時(shí)時(shí) 。 VuI3*2s2s量化誤差量化誤差：量化過程中造成的被測(cè)輸入信號(hào)與量化值之間的：量化過程中造成的被測(cè)輸入信號(hào)與量化值之間的誤差。誤差。*IIuu 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 000000011101100010量化電壓6543210s采樣保持信號(hào)(1)(2)(3)(4)(5)(6)二進(jìn)制代碼000001100110100010量化電壓6543210s采樣保持信號(hào)(1)(2)(3)(4)(5)(6)0.51.52.53.54.55.5(a)(b)圖圖 8 11 兩種量化方法的比較兩

23、種量化方法的比較 只舍不入只舍不入四舍五入四舍五入s=1第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 二、二、ADC電路電路 1. 雙積分雙積分ADC 雙積分雙積分ADC又稱雙斜率又稱雙斜率ADC，是，是間接法的一種間接法的一種，它先，它先將模擬電壓將模擬電壓uI轉(zhuǎn)換成與之大小對(duì)應(yīng)的時(shí)間轉(zhuǎn)換成與之大小對(duì)應(yīng)的時(shí)間T，再在時(shí)間間隔，再在時(shí)間間隔T內(nèi)用計(jì)數(shù)器對(duì)固定頻率計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量就正比內(nèi)用計(jì)數(shù)器對(duì)固定頻率計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量就正比于輸入模擬電壓。于輸入模擬電壓。 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 S uIRA1uAA2UCC積分器過零比較器 URQnFnRQn1Fn1RQ1F1RQ0F0RGCPuG啟動(dòng)Dn

24、1D1D0圖 8 12 雙積分A/D電路原理圖 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 T2T1=2nTCPtouGtoUCtUA0ouAoUSt URuIotQn圖 8 13 雙積分ADC工作波形 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 (1) 采樣階段：在啟動(dòng)脈沖作用下，將全部觸發(fā)器置0。 由于Qn=0，使開關(guān)S與輸入信號(hào)uI連接, A/D轉(zhuǎn)換開始。uI加至積分器的輸入端后，積分器對(duì)uI進(jìn)行積分，輸出為 dtuutA101式中，=RC，為積分時(shí)間常數(shù)。 由于uA0，過零比較器輸出UC=1，G門打開，n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)，一直到 時(shí)，觸發(fā)器F0Fn-1又全部回到0，而觸發(fā)器Fn由0翻至1，Qn=1，開關(guān)S轉(zhuǎn)

25、接至基準(zhǔn)電源-UR，采樣階段結(jié)束。此時(shí):CPnTTt21ICPnIAAuTuTUu210第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 (2) 比較階段：開關(guān)S轉(zhuǎn)接至基準(zhǔn)電源-UR后，積分器對(duì)-UR進(jìn)行積分，積分器輸出 )(2)(11101TtUuTdtUUuRCPntTRAA 當(dāng)uA0時(shí)，過零比較器輸出UC=0，G門被封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。假設(shè)此時(shí)計(jì)數(shù)器已記錄了N個(gè)脈沖，則 CPNTTtT12代入上式得 021CPRCPnANTUuTu求得 IRnuUN2第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 2. 逐次逼近式逐次逼近式ADC 基本思想是基本思想是：將大小不同的參考電壓與采樣保持后的電：將大小不同的參考電壓與采樣保持后的電

26、壓壓uI逐步進(jìn)行比較，比較結(jié)果以相應(yīng)的二進(jìn)制代碼表示。逐步進(jìn)行比較，比較結(jié)果以相應(yīng)的二進(jìn)制代碼表示。 n位逐次逼近式位逐次逼近式ADC完成一次轉(zhuǎn)換需要完成一次轉(zhuǎn)換需要n+2個(gè)時(shí)鐘脈沖周個(gè)時(shí)鐘脈沖周期。期。n為為ADC的位數(shù)。的位數(shù)。第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 AQASuI比較器D/A轉(zhuǎn)換器RJK1FGQBSRJKQCSRJKQDSRJKURU R0 1 2 3 4時(shí)序分配器CPD QD3D QD2D QD1D QD0圖 8 14 四位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 表表8-1 輸出與輸入數(shù)碼的關(guān)系輸出與輸入數(shù)碼的關(guān)系第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 假設(shè)：D/A轉(zhuǎn)換器的基

27、準(zhǔn)電壓UR=8V，采樣保持信號(hào)電壓uI=6.25V。 首先，在節(jié)拍脈沖CP0作用下，使JK觸發(fā)器的狀態(tài)置為QDQCQBQA=1000，則D/A轉(zhuǎn)換器輸出參考電壓 (見表 8-1)，所以 。由于 ，比較器輸出F=1，G=0。這樣，各級(jí)觸發(fā)器的J=1，K=0。 RRUU)16/8(VUR41uUR 接著，節(jié)拍脈沖CP1到來，其下跳沿觸發(fā)JK觸發(fā)器D，使QD=1，同時(shí)CP1使觸發(fā)器C置1。這樣，在CP1作用后，JK觸發(fā)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=1100。D/A轉(zhuǎn)換器輸出參考電壓:由于 ， 比較器輸出F=1，G=0。這樣，各級(jí)觸發(fā)器的J=1, K=0。 VUURR68)16/12()16/12(1u

28、UR第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 CP1作用結(jié)束后，CP2節(jié)拍脈沖到來，其下跳沿觸發(fā)JK觸發(fā)器C，使QC=1。同時(shí)CP2使觸發(fā)器B置1。這樣，在CP2作用后，JK觸發(fā)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=1110。D/A轉(zhuǎn)換器輸出參考電壓 。由于， 比較器輸出F=0，G=1。這樣，各級(jí)觸發(fā)器的J=0，K=1。 CP2作用結(jié)束后，CP3節(jié)拍脈沖到來，其下跳沿觸發(fā)JK觸發(fā)器B，使QB=0。同時(shí)CP3使觸發(fā)器A置1。這樣，在CP3作用下，JK觸發(fā)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=1101。D/A轉(zhuǎn)換器輸出參考電壓 。由于 ，比較器輸出F=0，G=1。這樣，各級(jí)觸發(fā)器的J=0，K=1。 VUURR68)16/12()1

29、6/14(1uURVUURR5 . 68)16/13()16/13(1uUR第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 CP3作用結(jié)束后，CP4節(jié)拍脈沖到來，其下跳沿觸發(fā)J K 觸 發(fā) 器 A ， 使 QA= 0 ， J K 觸 發(fā) 器 的 狀 態(tài) 為QDQCQBQA=1100。CP4節(jié)拍脈沖的上升沿觸發(fā)暫存器各D觸發(fā)器，將JK觸發(fā)器狀態(tài)1100存入到暫存器中。暫存器的輸出D3D2D1D0=1100，即為輸入模擬電壓uI=6.25V的二進(jìn)制代碼。 暫存器輸出的是并行二進(jìn)制代碼。同時(shí)從上面分析中可見，比較器F端順序輸出的恰好是1100串行輸出的二進(jìn)制代碼。 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 C71315URRC611

30、15URRC5915URRC4715URRC3515URRC2315URRC1115URRR2電阻分壓器(量化標(biāo)尺)比較器輸入電壓uI(08 V)DQF7CPQDQF6CPQDQF5CPQDQF4CPQDQF3CPQDQF2CPQDQF1CPQCP寄存器G1&G2&G3&G4&UR=8 VG5&G6&(MSB)B2B2= Q4B1B1= Q2Q4 Q6(LSB)B0B0= Q1Q2 Q3Q4 Q5Q6 Q7輸出數(shù)字量X編碼器(代碼變換的組合電路)圖圖 8 - 16三位二進(jìn)制數(shù)的并行比較型三位二進(jìn)制數(shù)的并行比較型ADC電路電路 3. 并行比較型并行比較型ADC第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 輸入模擬

31、電壓的范圍uI=08V, uIm=8V；輸出三位二進(jìn)制代碼(n=3)。采用四舍五入的量化方式，量化間隔 。量化標(biāo)尺是用電阻分壓器形成 各分度值的，并作為各比較器C1C7的比較參考電平。因采用四舍五入法量化，第一個(gè)比較器的參考電平應(yīng)取 。采樣保持后的輸入電壓uI與這些分度值相比較，當(dāng)uI大于比較參考電平時(shí)，比較器輸出1電平，反之輸出0電平，從而各比較器輸出電平的狀態(tài)就與輸入電壓量化后的值相對(duì)應(yīng)。各比較器輸出并行送至由D觸發(fā)器構(gòu)成的寄存器內(nèi)，再經(jīng)過編碼電路將比較器的輸出轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制代碼x2x1x0。輸入電壓與代碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 8 - 2 所示。 Vuusn1516152122Im1ImRRRUUU1513,153,151VUsR1581512第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 表表82 輸入電壓與代碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系輸入電壓與代碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系 第八章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 三、三、ADC的主要技術(shù)指標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo) 1. 分辨率分辨率 分辨率指分辨率指ADC輸出數(shù)字量的輸出數(shù)字量的最低位變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)最低位變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)，對(duì)應(yīng)應(yīng)輸入模擬量的變化量輸入模擬量的變化量。mVUm53.19256528分辨率分辨率