數(shù)電教材第11章數(shù)模和模數(shù)轉換課件

1、第十一章 數(shù)模和模數(shù)轉換內容提要: 本章主要介紹數(shù)模轉換（D/A)和模數(shù)轉換（A/D)的基本原理和常見的典型電路。 在數(shù)模轉換電路中，主要介紹權電阻網(wǎng)絡型數(shù)模轉換器、倒梯形電阻網(wǎng)絡型數(shù)模轉換器，另外也介紹了權電流型數(shù)模轉換器、開關樹型數(shù)模轉換器以及權電容型網(wǎng)絡型數(shù)模轉換器。 在模數(shù)轉換電路中，首先介紹模數(shù)轉換器一般框圖原理和步驟，然后介紹采樣保持電路和模數(shù)轉換器的主要類型。 在介紹數(shù)模轉換器和模數(shù)轉換器電路的基礎上，也講述它們的轉換精度和速度等主要參數(shù)。11.1 概述 在計算機控制系統(tǒng)中，被控量一般為非電量，如溫度、壓力、位移等，首先由傳感器將它們轉化成連續(xù)變化的模擬量，再由模/數(shù)轉換器轉換成

2、數(shù)字量，送到計算機中進行處理和計算。處理后要經過數(shù)/模轉換器將計算機輸出的數(shù)字量轉換成模擬量，加到執(zhí)行機構，以調節(jié)被控對象的大小。一個計算機控制系統(tǒng)的框圖如圖11.1.1所示。1.用途：11.1 概述圖11.1.2為一個溫度控制系統(tǒng)：傳感器放大器A/D轉換微型計算機控制對象D/A轉換電加熱爐熱電偶執(zhí)行機構圖11.1.2溫度時間2、主要性能指標 為了保證數(shù)據(jù)處理結果的準確性，A/D轉換器和D/A轉換器必須有足夠的轉換精度，另外對于過程控制和檢測需求， A/D轉換器和D/A轉換器必須有足夠的轉換速度。故轉換精度和轉換速度是A/D轉換器和D/A轉換器的主要性能指標。11.1 概述3、概念及分類（1）

3、 D/A轉換器： 目前常用的D/A轉換器有權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器、倒梯形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器、權電流型D/A轉換器、權電容型D/A轉換器以及開關樹型D/A轉換器等幾種類型。 將數(shù)字信號轉換成模擬信號的過程稱為數(shù)/模轉換（Digital to Analog），實現(xiàn)的電路稱為D/A轉換器，簡寫成DAC（DigitalAnalog Converter）。2.A/D轉換器： A/D轉換器的類型可分成直接A/D轉換器和間接A/D轉換器。在直接A/D轉換器中，輸入的模擬電壓信號直接被轉換成相應的數(shù)字信號；而在間接A/D轉換器中，輸入的模擬信號首先被轉換成某種中間變量（如時間、頻率等），然后再將這個中間量轉

4、換成輸出的數(shù)字量。11.1 概述 將模擬信號轉換成數(shù)字信號的過程稱為模/數(shù)轉換（Analog to Digital），實現(xiàn)的電路稱為A/D轉換器，簡寫為ADC（AnalogDigital Converter）。注：根據(jù)數(shù)字量的輸入輸出方式可以將D/A轉換器分成并行輸入和串行輸入兩種類型，將A/D轉換器分成并行輸出和串行輸出兩種類型。由于D/A轉換器電路的工作原理較A/D轉換器簡單，且是A/D轉換器電路的組成部分，故先介紹D/A轉換器。11.2 D/A轉換器 數(shù)字量是用代碼按位數(shù)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，必須將每一位的代碼按其權的大小轉換成相應的

5、模擬量，然后相加，即可得與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)數(shù)字模擬的轉換。D111101D/AA(電壓 或 電流) ？D/A轉換器的目的為：圖11.2.1為n 位D/A轉換器的原理框圖11.2 D/A轉換器 D/A轉換器是由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關電路、解碼電路、求和電路及基準電壓及部分組成。 數(shù)字量是以串行或并行方式輸入并存儲在數(shù)碼寄存器中，寄存器輸出的每位數(shù)碼驅動對應數(shù)位上的電子開關將電阻解碼網(wǎng)絡中獲得的相應數(shù)位權值送入求和電路中，求和電路將各位權值相加就得到與數(shù)字量相應的模擬量。*按解碼網(wǎng)絡結構不同把D/A分為：如權電阻網(wǎng)絡型、倒梯形電阻網(wǎng)絡型、權電流型、權電容型以及開關樹型。*按模擬開

6、關電路的不同把D/A分為：CMOS開關型和雙極型開關型，其中雙極型開關D/A轉換器又分為電流開關型和ECL電流開關型。其中CMOS型功耗低，但速度慢。雙極型的轉換速度快。11.2 D/A轉換器11.2.1 權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器一個多位二進制數(shù)可表示為其中：2n-1、2n221、20稱為最高位（Most Significant Bit，簡稱MSB）到最低位（Least Significant Bit，簡稱LSB）的權。圖11.2.2 圖11.2.2是4位權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器的原理圖，它是由權電阻網(wǎng)絡、4個電子模擬開關和1個求和放大器組成。11.2.1 權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器1.組成：11.2

7、.1 權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器（1）S3S0:為電子開關，其狀態(tài)受輸入數(shù)碼d3d0的取值控制。當di1時開關接到參考電壓VREF上，有支路電流Ii流向求和放大器；當di0時開關接地，支路電流Ii為零。（2）求和放大器A：為一個接成負反饋的理想運算放大器。即：AV，iI0，Ro0。由于負反饋，存在虛短和虛斷，即VV0， iI0。（3）VREF：基準電壓11.2.1 權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器2.輸出電壓的計算：由于V V0，故各電流為輸出電壓為11.2.1 權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器取RFR / 2，則輸出電壓為11.2.1 權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器上式標明，輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量Dn成正比。注：1.

8、若VREF取正值，則輸出電壓為負值。若想輸出電壓為正值，可以將VREF取負值。11.2.1 權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器2. 此電路的優(yōu)點是電路結構簡單，所用的電阻元件少。缺點是各個電阻的阻值相差較大，輸入數(shù)字量的位數(shù)越多，差別就越大，故很難保證電阻的精確度。為了克服這個缺點，在輸入數(shù)字量較多時可采用圖11.2.3所示的電路。11.2.1 權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器其輸出電壓為11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器 為了克服權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器電阻阻值相差太大的缺點，改進電路為倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器，如圖11.2.4所示。圖11.2.411.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器根據(jù)“虛短”“虛地”

9、，有VV，無論開關打在哪一面，流過每個支路的電流始終不變。故可等效成圖11.2.5所示電路。RRRR圖11.2.5總的電流為RRRR圖11.2.511.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器由于故輸出電壓為11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器 對于n位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器，在求和放大器的反饋電阻為R時，其輸出的模擬電壓為上式說明輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量成正比，其其輸出公式與權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器相同。11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器圖11.2.6為采用倒T型電阻網(wǎng)絡的單片集成D/A轉換器CB7520(AD7520)的電路。11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器圖11.

10、2.6其輸入為10位二進制數(shù)，采用CMOS電路構成的模擬開關。輸出電壓為11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器圖11.2.6注：在使用CB7520時需要外接運算放大器，反饋電阻可以采用內部的電阻R，也可以外接反饋電阻接到Iout1和vo之間。外接參考電壓VREF必須有足夠的精度，才能確保應有的轉換精度。圖11.2.611.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器CB7520(AD7520)的應用：CB7520(AD7520)可用作單極性電壓輸出，其連接電路如圖11.2.7所示。11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器其中反相輸入的電壓輸出為11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器同相輸入的電壓輸出

11、為：11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器對應的輸出輸入的關系如表11-1所示（反相）11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器注：在圖11.2.7電路中，RW1可調節(jié)反饋電阻的阻值，使得運算放大器的放大比例系數(shù)增加，從而達到提高滿量程輸出電壓的目的；11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器*RW2起到減小滿量程的目的，因為它是和內部電阻網(wǎng)絡的等效電阻串聯(lián)，從而改變電流I；11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器*RW3是運算放大器的調零電阻。11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器*在實際應用中，D/A轉換器輸入的數(shù)字量可能是正數(shù)，也可能是負數(shù)，這就要求D/A轉換器能將不同極性的數(shù)字量轉換成

12、正、負極性的模擬電壓，工作在雙極性方式，這個內容在下面介紹11.2.3 權電流型D/A轉換器 在前面介紹的權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器和倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器中，都沒有考慮開關的導通電阻和導通壓降，而是當成理想開關處理，這無疑會引起轉換誤差，影響轉換精度。 解決這個問題采用的一種方法是利用一組恒流源構成“權”，其原理電路如圖11.2.8所示。由于采用恒流源，每個支路電流的大小不再受開關內阻合壓降的影響，故而降低了對開關電路的要求。圖11.2.9是常采用的恒流源電路。其電流為：11.2.3 權電流型D/A轉換器當輸入的數(shù)字量為1時，相應的開關將恒流源接到運算放大器的輸入端；當輸入的數(shù)字量為0時，相

13、應的開關將恒流源接地由圖11.2.8可得11.2.3 權電流型D/A轉換器圖11.2.10為權電流型D/A轉換器的原理電路此電路中利用倒T形電阻網(wǎng)絡，目的是為了減少電阻的種類。11.2.3 權電流型D/A轉換器11.2.3 權電流型D/A轉換器其中： (1)各個管子的基極接到一起，若各管的VBE相同，則各發(fā)射極處于相同的電位，各支路電流的計算和倒T形電阻網(wǎng)絡一樣，即流過每個電阻的電流依次減少1/2。為了保證發(fā)射結壓降相等，發(fā)射極電流較大的管子增加了發(fā)射結的面積。(2) 恒流源IBO用來給各管提供必須的偏置電流11.2.3 權電流型D/A轉換器(3)運算放大器A1、三極管TR、電阻RR、R構成基

14、準電流發(fā)生電路。其基準電流為則輸出電壓為11.2.3 權電流型D/A轉換器采用權電流型單片集成D/A轉換器有DAC0806、DAC0807、DAC0808等，它們都采用雙極型三極管，工作速度較高。*DAC0808為8位D/A轉換器，其典型應用電路如圖11.2.11所示。11.2.3 權電流型D/A轉換器其中d0d8為8位數(shù)字量輸入端，Io是求和電流輸出端。11.2.3 權電流型D/A轉換器VR、 VR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供外接補償電容的，VCC和VEE為正負電源輸入端。*11.2.5 權電容網(wǎng)絡D/A轉換器（自學）*11.2.4 開關樹型D/A轉換器

15、（自學）11.2.6 具有雙極性輸出的D/A轉換器 由于D/A轉換器中數(shù)字量有正負之分，此時要求輸出電壓也應有正負，這就要求D/A轉換器工作于雙極性方式。 由于二進制算術運算中通常都把帶符號的數(shù)值用補碼的形式表示，故希望D/A轉換器能夠把以補碼形式輸入的正、負數(shù)分別轉換成正負極性輸出的模擬電壓。為了簡單起見，下面以3位補碼的情況為例，說明如何實現(xiàn)D/A轉換器的雙極性工作方式。 表11-2是3位二進制數(shù)從3V到4V的補碼表示形式及希望得到的模擬電壓輸出。輸入為3位二進制補碼。最高位為符號位，正數(shù)為0，負數(shù)為111.2.6 具有雙極性輸出的D/A轉換器 此表數(shù)值若用普通的3位倒梯形電阻網(wǎng)絡的D/A

16、轉換器實現(xiàn)，其電路如圖11.2.12所示。其輸出電壓為11.2.6 具有雙極性輸出的D/A轉換器則對應表112的數(shù)字量輸出為對照表11-2，若把上表的正常輸出電壓偏移4V,則可得到表11-2的正負電壓輸出。11.2.6 具有雙極性輸出的D/A轉換器 為了得到表11-3中在輸入代碼為100時，輸出電壓為0V，此時電路如圖11.2.13所示11.2.6 具有雙極性輸出的D/A轉換器圖11.2.13則應在d2 d1 d0100時 ，其 另外對照表11-2和11-3可知兩個最高位（符號位）為取反的形式，故將最高位取反后加到普通D/A轉換器上即可得到雙極型輸出，如圖11.2.13所示。11.2.6 具有

17、雙極性輸出的D/A轉換器圖11.2.13如CB7520接成雙極性輸出的電路如圖11.2.15所示。11.2.6 具有雙極性輸出的D/A轉換器一般地構成雙極性輸出的D/A轉換器的方法：只要在求和放大器的輸入端接入一個偏移電流，使輸入最高位為1,而其他各位輸入為0時的輸出vo=0。同時將輸入的符號位（最高位）反相后接到一般的D/A轉換器地輸入，就得到了雙極性輸出的D/A轉換器。11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度一 、D/A轉換器的轉換精度 在D/A轉換器中，通常用分辨率和轉換誤差來描述轉換精度。 分辨率用于表示D/A轉換器對輸入微小量變化敏感程度的，定義為D/A轉換器模擬輸出電壓可能分

18、成的等級數(shù)，從0000到1111全部2n個不同的狀態(tài)，給出2n個不同的輸出電壓，位數(shù)越多，等級越多，意味著分辨率越高。所以在實際應用中，往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉換器的分辨率。1. 分辨率：（理論精度）另外也用D/A轉換器能夠分辨出的最小電壓與最大電壓之比表示分辨率，即如10位D/A轉換器的分辨率為11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度2.轉換誤差（實際精度） 由于D/A轉換器的各個環(huán)節(jié)在參數(shù)及性能上和理論值存在著差異，如基準電壓不夠穩(wěn)定、運算放大器的零點漂移、模擬開關的導通內阻和導通壓降、電阻網(wǎng)絡中電阻阻值的偏差以及三極管特性不一致等等因素，都會使得實際精度與轉換誤差有關系。

19、轉換誤差是表示由各種因素引起誤差的一個綜合性的指標，它表示實際的D/A轉換器特性和理論轉換特性之間的最大偏差，如圖11.2.16所示圖11.2.16*轉換誤差一般用最低有效位的倍數(shù)表示，如1LSB，即為輸出的模擬電壓和理論值之間的絕對誤差小于等于輸入為0001時的輸出電壓。有時也用絕對誤差與輸出電壓滿刻度的百分數(shù)來表示11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度3、轉換誤差分析 轉換誤差包括比例系數(shù)誤差、失調誤差和非線性誤差等。由不同因素引起的轉換誤差各有不同的特點。下面以4位倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器來介紹各種因素引起誤差的情況。a. 比例系數(shù)誤差： 當基準電壓VREF偏離標準值VREF時

20、，會在輸出端產生誤差電壓v01 。 由VREF引起的轉換誤差，叫做比例系數(shù)誤差。11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度由于4位倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器的輸出電壓為則由VREF產生的誤差為上式標明，由VREF引起的誤差和輸入數(shù)字量的大小成正比的，故稱為比例系數(shù)誤差。圖11.2.17中的虛線為在一定的VREF時， vo偏離理論值的情況。圖11.2.17b. 失調誤差（漂移誤差或平移誤差）11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度 由于運算放大器的零點漂移所造成的誤差，其誤差電壓vo 2的大小與輸入的數(shù)字量無關，輸出電壓特性曲線將發(fā)生平移。如圖11.2.18所示。圖11.2.18 由于

21、模擬開關的導通電阻和導通壓降都不能為零，故而它們的存在肯定會引起輸出產生誤差電壓 vo3 。由于每個開關的導通電阻不一定相等，接地時和接VREF的壓降也不一定相同，故 vo3即非常數(shù)，也不和輸入數(shù)字量成正比,這種誤差就是非線性誤差，它沒有一定的規(guī)律。還有電阻網(wǎng)絡的電阻阻值得偏差，也會產生非線性誤差vo4 。如圖11.2.19所示c. 非線性誤差11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度圖11.2.19故為了獲得高精度的D/A轉換器，不僅要有高的分辨率，還要選用高穩(wěn)定度的參考電壓VREF和低漂移地運算放大器與之配合，才可能獲得較高的轉換精度。11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度注：

22、目前常用的有兩類D/A轉換器：一類只包含電阻網(wǎng)絡（或恒流源電路）和模擬開關；另一類除此之外還包含運算放大器及參考電源發(fā)生電路。對于第一類必須外接參考電壓和運算放大器，應該注意合理確定參考電壓源穩(wěn)定度和運算放大器的零點漂移的要求。二 、D/A轉換器的轉換速度 當D/A轉換器輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出的模擬量并不能立即達到所對應的輸出電壓，它需要一段建立時間。通常用建立時間tset來定量描述D/A轉換器的轉換速度。注意：建立時間 tset：從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，直到輸出電壓進入與穩(wěn)態(tài)值相差1LSB/2范圍以內所用的時間。如圖11.2.20所示。11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度

23、由于數(shù)字量的變化越大，建立的時間就越長，故一般產品給出的是輸入從全0跳變到全1(或反之）時的建立時間。目前在不包含運算放大器的D/A轉換器中， tset最小為0.1s以內；在包含運算放大器的集成D/A轉換器中， tset最小為1.5 s以內。*在外加運算放大器的D/A轉換器中，由于運算放大器的轉換速度會影響D/A轉換器的轉換速率，故應選用轉換速率高的運算放大器，以縮短運算放大器的建立時間。11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度例11.2.1 在10位倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器CB7520中，外接參考電壓VREF10V，為保證VREF偏離標準值所引起的誤差小于（1/2）LSB，試計算VR

24、EF的相對穩(wěn)定度應取多少？解： a. 計算1 LSB /2所對應的輸出電壓：當LSB1,其余為0時，輸出電壓為故（1/2）LSB的輸出電壓絕對值為11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度n 位倒T形電阻網(wǎng)絡的輸出電壓為最低位對于CB7520b. 計算由于VREF的變化 VREF所引起的輸出電壓的變化vo在n 位D/A轉換器中， VREF引起的輸出電壓的變化為：則當輸入的數(shù)字量全為1時，誤差最大，但應小于等于1LSB /2，故11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度對于CB7520則有則參考電壓的相對穩(wěn)定度為而允許參考電壓的變化量僅為注：上面計算為輸入、輸出處于穩(wěn)態(tài)下得出的，輸入靜態(tài)

25、誤差。在動態(tài)時，還有附加的動態(tài)轉換誤差。11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度例 11.2.2 某一測量儀器中有一個D/A轉換器，若要求該D/A轉換器的精度小于0.05%，試問應選多少位的D/A轉換器？解：若要求D/A轉換器的精度小于0.05%，也是要求D/A轉換器的實際輸出值和理論值之間的誤差（絕對誤差），一般應低于 1LSB /2，即兩邊同除輸入為全為1時的最大電壓得：11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度即由于10位D/A轉換器的分辨率也可表示為故由于10位D/A轉換器分辨率為11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度故應取十位或十位以上的D/A轉換器。由于輸入的模擬

26、信號在時間上是連續(xù)的，輸出的數(shù)字信號在時間和幅值都是是離散的，因此轉換時一般要經過取樣、保持、量化和編碼 四個過程。實際中有時取樣和保持、量化和編碼會同時實現(xiàn)。11.3 A/D轉換器11.3.1 A/D轉換的基本原理D111101A/DA(電壓 或 電流)？A/D轉換器是將模擬量轉換成數(shù)字量 所以A/D轉換過程是首先對輸入模擬電壓信號進行取樣，然后保持并將取樣電壓量化為數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉換結果。一 取樣定理 取樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉換為時間離散的模擬量。 為了使得取樣信號能逼近輸入模擬信號，則取樣信號應該有足夠高的頻率。為了保證取樣信號將被取樣信號恢復，其頻率關系必須滿足

27、取樣定理。圖11.3.1為對某個輸入信號進行采樣的波形。其中vs為取樣信號，vI 表示輸入的模擬信號。11.3.1 A/D轉換的基本原理圖11.3.1取樣定理為：一般取注：在取樣電路每次取得的模擬信號轉換為數(shù)字信號時都需要一定的時間,而且為了給后續(xù)的量化編碼提供一個穩(wěn)定值，則每次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時間。一般取樣和保持過程往往是通過取樣保持電路同時完成的。11.3.1 A/D轉換的基本原理 若fs為取樣信號的頻率， fi（max）為輸入模擬信號的最高頻率分量的頻率，則它們必須滿足二 、量化和編碼11.3.1 A/D轉換的基本原理1.量化 數(shù)字量不僅時間上是離散的，而且數(shù)值上也

28、是離散的，所以任何一個數(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。將采樣電壓表示為最小數(shù)量單位（）的整數(shù)倍，稱為量化。所取得最小數(shù)量單位叫做量化單位，用表示，它是數(shù)字信號最低位（LSB）為1,其它位為0時所對應的模擬量，即1LSB。如圖11.2.3所示 將量化的結果用代碼（可以是二進制，也可以是其他進制）表示出來，這個過程稱為編碼，這些代碼也是A/D轉換器的輸出數(shù)字量。3. 量化誤差： 由于模擬電壓是連續(xù)的，那么不可能所有的電壓都能被量化單位整除，所以量化過程不可避免地會引入誤差，這種誤差就叫做量化誤差。量化誤差屬于原理性誤差，無法消除。A/D轉換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值就越小

29、，量化誤差也越小。2.編碼：11.3.1 A/D轉換的基本原理4.量化方式：a. 只舍不入量化方式以3位A/D轉換器為例 設輸入電壓vI為01V，取量化單位1/8 V，量化中把不足量化單位部分舍棄，如01/8 V都當成0V處理，用000表示；在1/82/8V都當成1 處理，即當成1/8V處理，用001表示，依此類推，如圖11.3.2（a）所示，其最大量化誤差為 。11.3.1 A/D轉換的基本原理注：由于后者的量化誤差比前者小，所以大多數(shù)A/D轉換器采用四舍五入的量化方式。 取量化單位為 2/15 V，量化中將不足半個量化單位部分舍去，對于等于或大于半個量化單位的部分按一個量化單位處理。如01

30、/15 V 當0V處理，用000表示；在1/153/15 V當成1 處理，即2/15 V，用001表示，依此類推，如圖11.3.2(b）所示，其最大量化誤差為1/2 。b. 四舍五入量化方式11.3.1 A/D轉換的基本原理當輸入的模擬電壓為正負范圍內變化時，一般采用二進制補碼的形式編碼。11.3.2 取樣保持電路取樣保持電路的原理圖及輸出波形如圖11.3.3所示1.原理電路：圖11.3.3 該電路是由放大器A、保持電容CH和開關驅動電路組成。其中vI為輸入的模擬電壓， vL為取樣控制信號,T為N溝道增強型MOS管，做為模擬開關，2.工作原理：11.3.2 取樣保持電路圖11.3.3a.當取樣

31、控制電壓vL為高電平時，NMOS管導通，輸入電壓vI通過R1和T給電容CH充電。若取R1 RF，并設運放為理想的，則vo vc vIb.當取樣電壓vL為低電平時，NMOS管截止，CH上的電壓在這段時間內基本不變，則輸出電壓也不變，取樣結果被保存下來，即vo vc vI。 CH漏電越小，運放的輸入阻抗越高，則保持的時間也越長。注：圖11.3.4的電路由于充電時通過R1和T，它們將影響取樣速度。而若減小R1則會降低電路的輸入電阻。采取得措施是在電路的輸入端增加一級隔離放大器。3. 單片集成取樣保持電路LF398圖11.3.311.3.2 取樣保持電路 圖11.3.5 （a）是LF398的電路結構圖

32、，圖11.3.5 （b）是其典型接法。圖11.3.5A1、 A2是兩個運算放大器，S是模擬開關，L是控制開關S的邏輯單元，vL和VREF是邏輯單元的兩個輸入電壓信號。圖11.3.511.3.2 取樣保持電路當 vL VREFVTH時，S接通；當vL 0，則vI vo ，比較器的輸出電壓vB1；圖11.3.8b.當vL為高電平時，開始進行轉換，脈沖源發(fā)出的脈沖經過門G加到計數(shù)器時鐘脈沖輸入端CLK，計數(shù)器開始加法計數(shù)。隨著計數(shù)的進行，D/A轉換器的輸出電壓不斷增加。 圖11.3.811.3.4 反饋比較型A/D轉換器c.當增加到vIvo時，比較器輸出vB變成低電平，并將門G封鎖，計數(shù)器停止計數(shù)，

33、此時計數(shù)器的狀態(tài)就是所求的輸出數(shù)字信號。圖11.3.811.3.4 反饋比較型A/D轉換器11.3.4 反饋比較型A/D轉換器注： a.由于轉換過程中計數(shù)器的數(shù)字不斷變化，所以不能將計數(shù)器的狀態(tài)做為輸出的數(shù)字信號，而是在輸出端設置可輸出寄存器，并在vL的下降沿的控制下，寄存器的狀態(tài)為最終的輸出數(shù)字信號。圖11.3.8b. 此方案的缺點是轉換時間長。當輸出為n位二進制數(shù)碼時，最長的轉換時間是2n1倍的時鐘脈沖信號周期。由于此電路結構簡單，常用在對轉換速度要求不高的場合。11.3.4 反饋比較型A/D轉換器圖11.3.82.逐次漸近型A/D轉換器 為了提高轉換速度，在計數(shù)型A/D轉換器的基礎上，產

34、生逐次漸近型A/D轉換器。雖然也是反饋比較型A/D轉換器，但D/A轉換器的數(shù)字量的給出方式不同。11.3.4 反饋比較型A/D轉換器原理：逐次漸近就如稱重物，如13g的重物，有砝碼8g、4g、2g、1g。比較過程如表11.3.1所示11.3.4 反饋比較型A/D轉換器圖11.3.9逐次漸近型A/D轉換器的工作原理框圖如圖11.3.9所示。組成:比較器C、D/A轉換器、寄存器、時鐘脈沖源和控制邏輯等。工作原理：a.逐次漸近寄存器清零；b. 先設寄存器狀態(tài)為最高位為1,其他位為0（如4位A/D轉換器為1000），經過D/A轉換器后，送到比較器比較。若vo vI ，則去掉這個1;若vo vI ，則保

35、留這個1.然后再將次高位設置成1,再進行比較，逐位比較下去，直到最低位為止。這是寄存器所存的數(shù)碼即為輸出的數(shù)字量。圖11.3.911.3.4 反饋比較型A/D轉換器特點：電路不太復雜，速度較快其組成為：*由FF1FF5構成順序脈沖發(fā)生器，其波形如圖11.3.11所示。圖11.3.10為3位逐次漸近型A/D轉換器的電路原理圖。11.3.4 反饋比較型A/D轉換器圖11.3.10*由FFAFFC構成3位數(shù)碼寄存器，其輸出為三位二進制數(shù)d2d1d0.11.3.4 反饋比較型A/D轉換器圖11.3.10*G1G9組成控制邏輯電路。*運算放大器構成比較器，用它比較輸入電壓 vI和vo的大小 。若vI v

36、o ，則vB為低電平，其比較器輸出端接到三個控制與門的輸入端圖11.3.1011.3.4 反饋比較型A/D轉換器若設D/A轉換器的參看電壓VREF8V，輸入的模擬電壓為vI5.86V,則轉換過程如下：圖11.3.1011.3.4 反饋比較型A/D轉換器(1) 開始前將FFA FFB置零，同時將環(huán)形計數(shù)器FF1FF5置成Q1Q5= 10000。(2) 當vL為高電平時，轉換開始。當?shù)?個脈沖到達后，此時QAQBQC100 ，若D/A轉換器為T形電阻網(wǎng)絡型，則，輸出電壓（不包含求和放大器）為11.3.4 反饋比較型A/D轉換器圖11.3.1011.3.4 反饋比較型A/D轉換器圖11.3.10由于

37、vo vI,則比較器輸出為0,同時Q1Q5= 01000。(3) 當?shù)?個脈沖上升沿來時， QAQBQC110 。此時故比較器輸出為1,同時Q1Q5= 00100圖11.3.1011.3.4 反饋比較型A/D轉換器(4) 當?shù)?個脈沖上升沿來時， QAQBQC101 。此時故比較器輸出為0,同時Q1Q5= 00010(5) 當?shù)?個脈沖上升沿來時， QAQBQC101 。此時Q1Q5= 00001,若取數(shù)據(jù)則可并行輸出。11.3.4 反饋比較型A/D轉換器圖11.3.102004/12/25(6) 第5個脈沖來后， Q1Q5= 10000 ，返回初態(tài)，同時門G6G8被封鎖，轉換輸出信號消失。圖

38、11.3.1011.3.4 反饋比較型A/D轉換器注：a. 為了減小量化誤差，使D/A轉換器輸出產生/2的偏移量；b. 轉換時間比計數(shù)器型的要少(n+2個脈沖），轉換速度高，當然比并聯(lián)型的要低，但電路要簡單的多；轉換過程示意圖如11.3.11所示.11.3.4 反饋比較型A/D轉換器圖11.3.10c.位數(shù)越高，轉化精度越高。此種類型的A/D轉換器是最常用的一種。11.3.4 反饋比較型A/D轉換器11.3.5 雙積分型A/D轉換器 雙積分型A/D轉換器屬于間接A/D轉換器，雙積分型簡稱為 VT變換型，它首先把輸入的模擬電壓信號轉換成與之成正比的時間寬度信號，然后在這個時間寬度里對固定頻率的時

39、鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)的結果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。最常用的間接A/D轉換器還有電壓頻率變換型（簡稱VF變換型）兩類。 VF變換型A/D轉換器首先是把輸入的模擬電壓信號轉換成與之成正比的頻率信號，然后在一個固定的時間間隔里對得到的頻率信號計數(shù)，計數(shù)的結果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。圖11.3.12是雙積分型A/D轉換器的原理性框圖。它包含積分器、比較器、計數(shù)器、邏輯控制和時鐘信號源幾部分。11.3.5 雙積分型A/D轉換器圖11.3.12a.組成：轉換開始前（轉換控制信號vL0）先將計數(shù)器清零，并接通開關So，使電容完全放電。11.3.5 雙積分型A/D轉換器當vL1 轉換開始（S0

40、斷開），其步驟如下a. 使開關S1合到輸入信號vI 一側:積分器對vI在固定時間T1進行積分，其輸出電壓為 上式說明，在固定時間T1的條件下，積分器的輸出電壓vo與輸入電壓vI 成正比。 11.3.5 雙積分型A/D轉換器b.開關S1打在VREF一側:此時積分器反向積分若設積分器輸出電壓到零時所需時間為T2，則即11.3.5 雙積分型A/D轉換器由此可見，T2與輸入信號vI成正比。11.3.5 雙積分型A/D轉換器圖11.3.13其電壓輸出波形如圖11.3.13所示。若計數(shù)器在時間T2內對固定頻率fC（ fC1/TC）的時鐘脈沖進行計數(shù)，則計數(shù)結果也一定與vI 成正比。即設T1=NTC，則上式

41、可變成即輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電壓成正比。而且輸入電壓與反向積分的時間成正比。 對于雙積分過程的控制，可由圖11.3.14所示的邏輯電路來完成。11.3.5 雙積分型A/D轉換器圖11.3.14此電路是由n位計數(shù)器（異步）、附加觸發(fā)器FFA、模擬開關So和S1的驅動電路L0、L1、控制門G組成。11.3.5 雙積分型A/D轉換器控制過程為：a. 轉換開始前：轉換控制信號 vL0 ，門G輸出為1,各觸發(fā)器被置零，同時，S0被關閉，C完全放電。11.3.5 雙積分型A/D轉換器b. 轉換開始：轉換控制信號vL1，S0斷開，S1接到輸入信號vI一側，積分器開始對輸入電壓vI進行積分。由于積分器A輸

42、出為負電壓，故比較器C輸出為高電平，門G打開，計數(shù)器對vG 端的脈沖計數(shù)。 c. 當計數(shù)器計滿2n個脈沖（T1時間）后，自動返回全0狀態(tài)，同時給FFA一個進位信號，使FFA置1。L1動作使得S1打在VREF一側，開始反向積分。當積分器的輸出到0時，比較器輸出為低電平，將門G封鎖，一次轉換結束。11.3.5 雙積分型A/D轉換器由于T1=2nTC（TC為時鐘脈沖的周期），即N2n，故輸出的數(shù)字量為：11.3.5 雙積分型A/D轉換器圖11.3.13例11.3.1 在雙積分A/D電路中，設基準電壓VREF10V，計數(shù)器的位數(shù)為n10，計數(shù)脈沖的頻率為10kHz則完成一次轉換最長需要多長時間？若輸入

43、的模擬電壓vI5V，試求轉換時間和輸出的數(shù)字量各為多少？11.3.5 雙積分型A/D轉換器解：（1）完成一次的時間為TT1T2，當T1 T2時，完成的一次轉換的時間最長，故（2）若輸入的模擬電壓vI5V，所用的轉換時間11.3.5 雙積分型A/D轉換器輸出的數(shù)字量為*雙積分型A/D轉換器的優(yōu)點：a. 工作性能穩(wěn)定。由于積分時間和參數(shù)RC無關，且T1=NTC，最后轉換結果與時鐘周期無關，故可以用精度比較低的元器件獲得較高精度的雙積分型A/D轉換器。b. 抗干擾能力強。由于雙積分型A/D轉換器在時間T1內采的是輸入電壓的平均值，故對平均值為零的工頻或工頻的倍頻具有很強的抗干擾能力。*雙積分型A/D

44、轉換器的缺點：工作速度低。對于前述的雙積分型A/D轉換器來說，每完成一次轉換所需時間應在2T1以上，記不應低于2n+1TC。若加上轉換前的準備時間，則完成一次轉換所需時間更長一些。雙積分型A/D轉換器的轉換速度一般都在每秒幾十次以內11.3.5 雙積分型A/D轉換器*雙積分型A/D轉換器的轉換精度要受計數(shù)器的位數(shù)、比較器的靈敏度、運算放大器和比較器的零點漂移、積分器的漏電、時鐘頻率的瞬時波動等多種因素的影響。11.3.5 雙積分型A/D轉換器*故為了提高精度采取得措施除了增加計數(shù)器的位數(shù)外，還要抑制比較器和積分器的零點漂移。實際電路中都增加了零點漂移的自動補償電路。另外為了防止時鐘在轉換過程中

45、發(fā)生波動，可以使用石英晶體振蕩器。*單片集成的雙積分型A/D轉換器有ADCEK8B（8位，二進制）、ADCEK10B（10位，二進制）、MC14433 ( 位，BCD碼）等。還有可以直接驅動LCD和LED數(shù)碼管的CB7106/7126、CB7107/7127。11.3.6 VF變換型A/D轉換器V-F變換型A/D轉換器的電路結構框圖如圖11.3.14所示圖11.3.141.組成： VF變換型A/D轉換器是由VF變換器（也稱壓控振蕩器，簡稱為VCO）、計數(shù)器及其時鐘信號控制閘門、寄存器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等組成2.工作原理：11.3.6 VF變換型A/D轉換器 當vG變成高電平后，VF變換器輸出的脈沖通過門G加到計數(shù)器的技術脈沖上。由于VF變換器輸出頻率fout與輸入電壓vI成正比，故在每個固定脈寬TG時間內記錄的脈沖數(shù)目也與輸入的電壓vI成正比。圖11.3.14圖11.3.1411.3.6 VF變換型A/D轉換器 為了防止轉換過程中輸出的數(shù)字跳動，則在轉換過程結束時，由vG的下降沿控制將輸出的數(shù)字量