第9章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換

1第九章數(shù)－模和模－數(shù)轉(zhuǎn)換9.1概述9.2D/A轉(zhuǎn)換器9.3A/D轉(zhuǎn)換器本章小結(jié)2內(nèi)容提要:本章系統(tǒng)講授數(shù)一模轉(zhuǎn)換（把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量）和模－數(shù)轉(zhuǎn)換（把模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量）的基本原理和常見的典型電路。在數(shù)一模轉(zhuǎn)換電路中，分別介紹了權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)一模轉(zhuǎn)換器。倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)一模轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型數(shù)一模轉(zhuǎn)換器、開關(guān)樹型數(shù)一模轉(zhuǎn)換器以及權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)數(shù)一模轉(zhuǎn)換器。在模一數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，首先介紹了模一數(shù)轉(zhuǎn)換的一般原理和步驟，然后分別講述采樣一保持電路和模一數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要類型。在講述各種轉(zhuǎn)換電路工作原理的基礎(chǔ)上，還著重討論了轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度問題。39.1概述模-數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換：模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換數(shù)-模（D/A）轉(zhuǎn)換：數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換衡量A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)劣的主要標(biāo)志為轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、倒梯形網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器直接A/D轉(zhuǎn)換器間接A/D轉(zhuǎn)換器第九章數(shù)－模和模－數(shù)轉(zhuǎn)換49.2D/A轉(zhuǎn)換器(DigitalAnalogConverter)9.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器n位二進(jìn)制數(shù)最高位到最低位的權(quán)依次為2n-1、2n-2…21、20圖9.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開關(guān)求和放大器MostSignificantBitLastSignificantBit5在認(rèn)為運(yùn)算放大器為理想的條件下由于V-≈0，因而個(gè)支路電流分別為：取RF=R/2，得：(9.2.1)(9.2.2)（d3、d2、d1、d0為1或0）6可見，DAC的輸出模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量Dn權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)解碼電路的特點(diǎn)是：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用電阻元器件少。缺點(diǎn)：各個(gè)電阻的阻值相差較大，很難保證每個(gè)電阻都有很高的精度，因而轉(zhuǎn)換精度不高。對(duì)n位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取為R/2時(shí)，可得：(9.2.3)7圖9.2.2雙級(jí)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器雙級(jí)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器阻值比為1:2:4:8只要取兩極間的串聯(lián)電阻RS=8R，得89.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

電阻網(wǎng)絡(luò)中只有R、2R兩種阻值的電阻圖9.2.3倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器相應(yīng)位如果是1，則對(duì)應(yīng)支路電流被求和，如果為0，則直接流如地，不求和。9圖9.2.4計(jì)算倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)支路電流的等效電路電路可等效為：AA、BB、CC、DD左視電阻為R，或說每節(jié)點(diǎn)的左視電阻都為2R因此得到：10當(dāng)RF=R時(shí)，得：對(duì)n位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻為R時(shí)可見：輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量Dn成正比(9.2.4)(9.2.5)11圖9.2.5CB7520（AD7520）的電路原理圖圖9.2.2是一種采用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的單片集成D/A轉(zhuǎn)換器。輸入為10位二進(jìn)制數(shù)，CMOS電路構(gòu)成模擬開關(guān)；反饋電阻可使用內(nèi)部電阻，也可外界，以便調(diào)整轉(zhuǎn)換系數(shù)。使用時(shí)需要外加運(yùn)算放大器，外接參考電壓足夠穩(wěn)定12圖9.2.6CB7520中的CMOS模擬開關(guān)電路為降低開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻，開關(guān)電路的電源電壓設(shè)計(jì)在15V左右。但由于模擬開關(guān)上的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降不可能為0，因此會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤差。139.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器圖9.2.7權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器每個(gè)支路電流的大小不再受開關(guān)內(nèi)阻和壓降的影響電流大小依次為前一個(gè)的1/214圖9.2.8權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中的恒流源如果保證VB和VEE穩(wěn)定度不變，則三極管集電極電流恒定輸出電壓為：可見vO正比于輸入的數(shù)字量(9.2.6)(9.2.7)15圖9.2.9利用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)用的權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中經(jīng)常利用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用產(chǎn)生所需的一組恒流源基準(zhǔn)電流源16則輸出電壓為對(duì)于n位DAC，則輸出電壓為：(9.2.8)(9.2.9)(9.2.10)17圖9.2.10DAC0808的電路結(jié)構(gòu)框圖因?yàn)椴捎玫碾p極型工藝，因此這種電路工作速度較高。采用這種結(jié)構(gòu)的器件：DAC0806、DAC0807、DAC0808等18圖9.2.11DAC0808的典型應(yīng)用用DAC0808構(gòu)成D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)需要外接運(yùn)算放大器和產(chǎn)生基準(zhǔn)電流用的RR。若VREF=10VRR=5KRF=5kΩ則輸出電壓為：輸出模擬電壓的變化范圍為0—9.96V(9.2.11)199.2.4開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器

開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器電路由電阻分壓器和接成樹狀的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)成。圖9.2.12開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器圖中所有開關(guān)的狀態(tài)分別受3位輸入代碼d2d1d0的狀態(tài)的控制。20開關(guān)樹型DAC的特點(diǎn)：所用電阻種類單一，而且在輸出端基本不取電流的情況下，對(duì)開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻要求不高。但位數(shù)較多時(shí)很難保證每個(gè)電阻都非常一致。輸入為n位二進(jìn)制數(shù)的D/A轉(zhuǎn)換器(9.2.12)(9.2.13)219.2.5權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

這種結(jié)構(gòu)也是一種并行輸入的D/A轉(zhuǎn)換器，是利用了電容分壓的原理工作。圖9.2.13權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換前令所有開關(guān)接地，讓電容放電完畢，然后再把SD端開，再并行輸入轉(zhuǎn)換代碼。22如果令總電容為Ct，則：因此得到輸入信號(hào)為任何狀態(tài)時(shí)的輸出電壓為：(9.2.14)(9.2.15)23權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器重要特點(diǎn)：1.輸出電壓的精度只與各個(gè)電容器電容量的比例有關(guān)，而與它們電容量的絕對(duì)值無關(guān)。2.輸出電壓的穩(wěn)態(tài)值不受開關(guān)內(nèi)阻及參考電壓源內(nèi)阻的影響。3.穩(wěn)態(tài)下權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)不消耗功率。權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器主要缺點(diǎn)：在輸入數(shù)字量位數(shù)較多時(shí)各個(gè)電容器的電容量相差很大，這不僅會(huì)占用很大的硅片面積影響集成度，而且由于電容充、放電時(shí)間的增加也降低了電路的轉(zhuǎn)換速度。249.2.6具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器因?yàn)樵诙M(jìn)制算術(shù)運(yùn)算中通常把帶符號(hào)的數(shù)值表示為補(bǔ)碼的形式，所以希望D/A轉(zhuǎn)換器能夠把以補(bǔ)碼形式輸入的正、負(fù)數(shù)分別轉(zhuǎn)換成正、負(fù)極性的模擬電壓例如：3位二進(jìn)制補(bǔ)碼可以表示從+3到-4之間的任何整數(shù)，與十進(jìn)制數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及希望得到的輸出模擬電壓如表9.2.1所示若把輸入的3位代碼看作無符號(hào)的3位二進(jìn)制數(shù)（即全是正數(shù)），并且取VREF=-8V，則輸入代碼為111時(shí)輸出電壓vO=7V，而輸入代碼為000時(shí)輸出電壓vO=0V，如表9.2.2所示25兩把表9.2.1中補(bǔ)碼的符號(hào)位求反，再加到偏移后的D/A轉(zhuǎn)換器上，就可以得到表9.2.2所需要的輸入，再把表9.2.2中間一列的輸出電壓偏移-4V，則偏移后的輸出電壓恰好同表9.2.1所要求得到的輸出電壓相符。實(shí)現(xiàn)電路如圖9.2.15.26圖9.2.15具有雙極性輸出電壓的D/A轉(zhuǎn)換器如果沒有接反相器G和偏移電阻RB，他就是一個(gè)普通的3位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器為了得到雙極性電壓輸出，電路中增設(shè)了RB和VB組成的偏移電路。27因此，可以總結(jié)出構(gòu)成雙極型D/A轉(zhuǎn)換器的一般方法方法：在求和放大器的輸入端接入一個(gè)偏移電流，使輸入最高位為1而其他位為0時(shí)的輸出v0=0，同時(shí)將輸入的符號(hào)位反相后接到一般的D/A轉(zhuǎn)換器的輸入。為了使輸入代碼為100時(shí)的輸出電壓等于零，只要使IB與此時(shí)的i∑大小相等即可。故應(yīng)取(9.2.16)289.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度

一、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度

通常用DAC的分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述其轉(zhuǎn)換精度：分辨率：指D/A轉(zhuǎn)換器在理論上可以達(dá)到的精度。取決于它能接收的數(shù)字位數(shù)以及相應(yīng)的輸出電壓（或電流）的臺(tái)階數(shù)?？梢杂每煞直娉鰜淼淖钚‰妷号c最大電壓之比來表示。對(duì)于n為DAC其分辨率為：

轉(zhuǎn)換誤差：指D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際轉(zhuǎn)換特性與理想轉(zhuǎn)換特性間的最大偏差。它是由各種因素引起的轉(zhuǎn)換誤差的一個(gè)綜合性指標(biāo)。29圖9.2.16D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性曲線轉(zhuǎn)換誤差一般用最低有效位的倍數(shù)表示，如1LSB。也可用輸出電壓滿刻度FSR的百分?jǐn)?shù)表示。產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差的主要原因如：●參考電壓VREF的波動(dòng)●運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移與失調(diào)電壓?！衲M開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降●電阻網(wǎng)絡(luò)中阻值的偏差●三極管特性的不一致30圖9.2.17比例系數(shù)誤差比例系數(shù)誤差：由參考電壓的波動(dòng)△VREF引起的轉(zhuǎn)換誤差。(9.2.17)這種誤差引起轉(zhuǎn)換特性的斜率發(fā)生改變，誤差大小與輸入數(shù)字量大小正正比。31圖9.2.18漂移誤差2.漂移誤差（零點(diǎn)誤差，失調(diào)誤差）由運(yùn)算放大器零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差這種誤差是有放大器的失調(diào)電壓引起的，體現(xiàn)在使轉(zhuǎn)換特性發(fā)生平移，在Dn為零使輸出電壓不為零。因此這種誤差與輸入代碼的大小無關(guān)。32圖9.2.19非線性誤差非線性誤差：由于模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降都不可能真正等于零，輸出產(chǎn)生誤差電壓△vO3,△vO3既非常數(shù)也不與輸入數(shù)字量成正比，這樣的誤差叫非線性誤差。倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中，電阻值偏差產(chǎn)生△vO4輸出，也是非線性誤差最壞的情況下，總的誤差為：(9.2.18)33目前，常見的集成D/A轉(zhuǎn)換器器件有兩大類：一類器件的內(nèi)部只包含電阻網(wǎng)絡(luò)（或恒流源電路）和模擬開關(guān)。另一類器件的內(nèi)部還包含了運(yùn)算放大器以及參考電壓源的發(fā)生電路。使用前一類器件時(shí)必須外接參考電壓和運(yùn)算放大器，這時(shí)應(yīng)注意合理地確定對(duì)參考電壓源的穩(wěn)定度和運(yùn)算放大器零點(diǎn)漂移的要求。34二、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度圖9.2.20D/A轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間建立時(shí)間tset：從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，直到輸出電壓進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值相差±1/2LSB范圍內(nèi)的時(shí)間建立時(shí)間與輸入數(shù)字量的大小有關(guān)，所以一般給出的都是從全0跳變到全1時(shí)的建立時(shí)間。在外加運(yùn)算放大器組成完整的D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，則總的轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)包括建立時(shí)間和放大器的上升或下降時(shí)間，因此，如運(yùn)放的輸出電壓速率為SR，則完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間為：

(9.2.19)35*9.2.8串行輸入的D/A轉(zhuǎn)換器圖9.2.21串行輸入D/A轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖為了減少傳輸線的數(shù)目，數(shù)字信號(hào)經(jīng)常以串行方式給出。36圖9.2.22串行輸入D/A轉(zhuǎn)換器MAX515的電路結(jié)構(gòu)框圖37圖9.2.23MAX515的工作時(shí)序圖鎖存38*9.2.9D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例1.數(shù)字系統(tǒng)的模擬接口例如采用數(shù)控電源控制的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，由計(jì)算機(jī)給出的數(shù)字量經(jīng)DA變換后，再將電壓送給功率放大器，最后提供給執(zhí)行部件。2.波形發(fā)生器（1）鋸齒波發(fā)生器圖9.2.24鋸齒波發(fā)生器計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)值按時(shí)鐘脈沖的頻率不斷地增加，使數(shù)字－模擬轉(zhuǎn)換器輸出一個(gè)階梯電壓，再經(jīng)過低通濾波器之后形成線性的鋸齒波。待計(jì)數(shù)器汁滿之后咱動(dòng)回到全零狀態(tài)．再開始下一個(gè)鋸齒波。39（2）任意波形的產(chǎn)生把計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值作為地址碼送到只讀存儲(chǔ)器的地址輸入端，再把只讀存儲(chǔ)器的讀出數(shù)據(jù)送給數(shù)字－模擬轉(zhuǎn)換器，便可得到任意形狀的波形。波形的形狀取決于只讀存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)；改換存儲(chǔ)不同數(shù)據(jù)的只讀存儲(chǔ)器便可得到不同形狀的波形。（3）特殊形狀波形的產(chǎn)生專用信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生特殊形狀的波形。例如：雷達(dá)模擬信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生云雨、雜波和各種干擾的雷達(dá)回波信號(hào)。它可利用專門設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)通過軟件編程的辦法產(chǎn)生所要求的數(shù)字輸出，再經(jīng)數(shù)字－模擬轉(zhuǎn)換器形成模擬信號(hào)輸出。40（3）乘法器數(shù)字－模擬轉(zhuǎn)換器的輸出電壓u。與輸入的數(shù)字量Dn成正比，而且也與基準(zhǔn)電壓VREF成正比。一般應(yīng)用時(shí)，基準(zhǔn)電壓VREF為恒定的直流電壓，但若將基準(zhǔn)電壓VREF用一模擬輸入信號(hào)vI替換，則數(shù)字－模擬轉(zhuǎn)換器的輸出電壓便和輸入數(shù)字Dn與模擬信號(hào)vI的乘積成正比。例如用DAC0808構(gòu)成的乘法器，如圖9.2.25，用一輸入電壓代替參考電壓。則：可見，利用這個(gè)電路，可以構(gòu)成一個(gè)數(shù)字控制的可控增益放大器。(9.2.20)41圖9.2.25由DACO8O8構(gòu)成的乘法器vI42（4）除法器把DAC作為運(yùn)算放大器的反饋元件，可以構(gòu)成除法器。圖9.2.26是一個(gè)用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)被數(shù)字量Dn除的除法電路。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)_+voDnRFVREFvI由圖可知：圖9.2.25除法器可以看出，利用這個(gè)電路可實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的可控衰減器。(9.221)(9.2.22)439.3A/D轉(zhuǎn)換器(AnalogDigitalConverter)

9.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

A/D轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的

離散數(shù)字量，其轉(zhuǎn)換過程如下：取樣保持量化編碼輸出44一、取樣定理圖9.3.1對(duì)輸入模擬信號(hào)的取樣為保證能從取樣信號(hào)完全恢復(fù)到原來的取樣信號(hào)，采樣頻率必須滿足大于輸入信號(hào)最高頻率分量頻率的2倍。這就是取樣定理，又叫奈奎斯特取樣定理。即：fs≥2fi(max)式中fs為取樣頻率，fi(max)為輸入模擬信號(hào)的最高頻率分量的頻率。(9.3.1)45圖9.3.2還原取樣信號(hào)所用濾波器的頻率特性不能無限制地提高取樣頻率，取樣頻率越高，要求ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，而且在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)傳送碼率越大，需要的頻帶越寬。通常取fs=(3-5)·fi(max)為從取樣后的量化信號(hào)恢復(fù)到原來輸入的模擬量，可以采用低通濾波器，濾波器的電壓傳輸系數(shù)在低于fi(max)的范圍內(nèi)保持不變。而在fs-fi（max）以前迅速下降為0，如圖9.3.2所示46二、量化和編碼量化：A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，把取樣電壓表示為某個(gè)規(guī)定的最小單位的整數(shù)倍，這個(gè)轉(zhuǎn)換過程叫做量化。所取的最小單位叫量化單位，用△表示。編碼：把量化的結(jié)果用代碼表示出來，稱為編碼。量化誤差：因?yàn)槟M電壓是連續(xù)的，不一定能被△整除，所以必然產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為量化誤差。47圖9.3.3劃分量化電平的兩種方法(a)當(dāng)△=1/8V時(shí)(b)當(dāng)△=2/15V時(shí)例如：把0-1V的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制代碼48圖9.3.4對(duì)雙極性模擬電壓的量化和編碼當(dāng)輸入的模擬電壓在正、負(fù)范圍內(nèi)變化時(shí)，一般采用二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式編碼.如圖9.3.4所示。取△=1V，輸出為3位二進(jìn)制補(bǔ)碼最高位為符號(hào)位499.3.2取樣-保持電路圖9.3.5取樣－保持電路的基本形式當(dāng)vL高電平時(shí)，T導(dǎo)通，vI向CH充電，vL返回低電平后，T截止，CH上的電壓基本保持不變，所以vO保持不變，取樣結(jié)果被保持。缺點(diǎn)：取樣過程vI經(jīng)過RI和T向CH充電，限制了取樣速度取樣脈沖模擬開關(guān)50圖9.3.6集成取樣－保持電路LF198

（a）電路結(jié)構(gòu)（b）典型接法解決方法：電路的輸入端增加一級(jí)隔離放大器51取樣過程中電容CH上的電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間（稱為獲取時(shí)間）和保持階段輸出電壓的下降率△vO/△T是衡量取樣—保持電路性能的兩個(gè)最重要的指標(biāo)。在LF198中，采用了雙極型與MOS型混合工藝。為了提高電路工作速度并降低輸入失調(diào)電壓，輸入端運(yùn)算放大器的輸入級(jí)采用雙極型三極管電路。而在輸出端的運(yùn)算放大器中，輸入級(jí)使用了場(chǎng)效應(yīng)三極管，這就有效地提高了放大器的輸入阻抗，減少了保持時(shí)間內(nèi)CH上電荷的損失，使輸出電壓的下降率達(dá)到10-3（Mv/sec）以下（當(dāng)外接電容CH為0.01μF時(shí)）。輸出電壓下降率與外接電容CH電容量大小和漏電情況有關(guān)。CH的電容量越大、漏電越小，輸出電壓下降率越低。然而加大CH的電容量會(huì)使獲取時(shí)間變長(zhǎng)，所以在選擇CH的電容量大小時(shí)應(yīng)兼顧輸出電壓下降率和獲取時(shí)間兩方面的要求。529.3.3直接A/D轉(zhuǎn)換器

把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量，而不需要經(jīng)過中間變量。

常用電路有并聯(lián)比較型和反饋比較型兩大類。53一、并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖9.3.7并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換原理：1.輸入電壓與各比較器參考電壓比較，確定各比較器輸出狀態(tài)。2.在CP上升沿到來后，比較器輸出送寄存器寄存。3.寄存器狀態(tài)經(jīng)編碼器編碼后輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)54d0d1d2Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q71111111111(13/15～1)VREF0111111110(11/15～13/15)VREF1011111100(9/15～11/15)VREF0011111000(7/15～9/15)VREF1101110000(5/15～7/15)VREF0101100000(3/15～5/15)VREF1001000000(1/15～3/15)VREF0000000000(0～1/15)VREF數(shù)字量輸出(代碼轉(zhuǎn)換器輸出)寄存器狀態(tài)（代碼轉(zhuǎn)換器輸入）輸入模擬電壓vI表9.3.1圖9.3.7電路的代碼轉(zhuǎn)換表55由表得出編碼器邏輯函數(shù)式為：并聯(lián)型ADC的主要特點(diǎn)是：●轉(zhuǎn)換精度取決于量化電平的劃分，分的越細(xì)，精度越高。不過分的越細(xì)使用的比較器和觸發(fā)器數(shù)目越大，電路越復(fù)雜。n位ADC需要2n-1個(gè)比較器和2n-1個(gè)觸發(fā)器。而且每個(gè)比較器的靈敏度和分壓電阻的精度會(huì)影響轉(zhuǎn)換精度?！褶D(zhuǎn)換速度快●可以不用采樣保持電路(9.3.2)56二、反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換方法：取一個(gè)數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，得到對(duì)應(yīng)的輸出模擬電壓，將這個(gè)電壓和輸入的模擬電壓信號(hào)相比較，若不等，調(diào)整數(shù)字量，直到兩個(gè)模擬電壓相等，最后所取的數(shù)字量為轉(zhuǎn)換結(jié)果.計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器主要包括57圖9.3.8計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器1.計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器（1）轉(zhuǎn)換開始前，用復(fù)位信號(hào)將計(jì)數(shù)器置零，轉(zhuǎn)換控制信號(hào)VL=0。（2）VL=1，轉(zhuǎn)換開始，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。vI>vO，vB=1，計(jì)數(shù)器做加法計(jì)數(shù)。（3）直到vI=vO，vB=0，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這時(shí)計(jì)數(shù)器中的數(shù)字為所求數(shù)字信號(hào)。（4）每次轉(zhuǎn)換完成后VL下降沿將計(jì)數(shù)值置入寄存器，以寄存器狀態(tài)作為最終的輸出數(shù)字信號(hào)。計(jì)數(shù)型ADC的主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度低，位數(shù)越高，時(shí)間越長(zhǎng)，最長(zhǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)間為2n-1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖周期。582.逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器圖9.3.9逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖（1）轉(zhuǎn)換開始前，先將寄存器清零。轉(zhuǎn)換控制信號(hào)VL變?yōu)楦唠娖綍r(shí)開始轉(zhuǎn)換，首先將寄存器的最高位置成1，使寄存器的輸出為100…00。這個(gè)數(shù)字量被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓vO，送到比較器與輸入信號(hào)vI進(jìn)行比較；若vO>vI，說明數(shù)字過大了，這個(gè)1應(yīng)去掉；若vO<vI，說明數(shù)字還不夠大，這個(gè)1應(yīng)保留。（3）然后再按同樣的方法將次高位置1。并比較vO與vI的大小，以確定這一位的1是否應(yīng)當(dāng)保留。這樣逐次比較下去，直到最低位比較完為止。這時(shí)寄存器里所存儲(chǔ)的數(shù)碼就是所求的輸出數(shù)字量。59圖9.3.103位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路原理圖FF1—FF5、G1—G9組成控制邏輯電路，C為電壓比較器FFA、FFB、FFC組成3位寄存器。轉(zhuǎn)換開始前將環(huán)形計(jì)數(shù)器置成10000狀態(tài)。第一個(gè)CP脈沖到達(dá)以后，F(xiàn)A被置成1，而FB、FC被置零。這時(shí)寄存器的狀態(tài)QAQBQC=100加到D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端，并在D/A轉(zhuǎn)換器輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓vO；若vI≥vO，則vB=0；vI<vO，則vB=1。同時(shí)移位寄存器右移一位。使Q1Q2Q3Q4Q5=01000第二個(gè)CP脈沖到達(dá)時(shí)，F(xiàn)B被置成1，若原來的vB=1，則FA被置零。若原來的vB=0，則FA的1狀態(tài)保留。同時(shí)移位寄存器右移一位。使Q1Q2Q3Q4Q5=00100。第三個(gè)CP脈沖到達(dá)時(shí)，F(xiàn)C被置成1，若原來的vB=1，則FB被置0。若原來的vB=0，則FB的1狀態(tài)保留。FA維持不變，同時(shí)移位寄存器右移一位。使Q1Q2Q3Q4Q5=00010。第四個(gè)CP脈沖到達(dá)時(shí)，同樣根據(jù)這時(shí)vB的狀態(tài)決定FC的1是否應(yīng)當(dāng)保留。這時(shí)FA、FB、FC的狀態(tài)就是所要求的轉(zhuǎn)換結(jié)果。同時(shí)移位寄存器右移一位，變?yōu)?0001狀態(tài)。由于Q5=1，于是FA、FB、FC的狀態(tài)便通過門G6、G7、G8送到了輸出端。第五個(gè)CP脈沖到達(dá)后，移位寄存器右移一位。使Q1Q2Q3Q4Q5=10000，返回初始狀態(tài)。由于Q5=0，門G6、G7、G8被封鎖，轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)隨之消失。60由此看出，3位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要5個(gè)時(shí)鐘信號(hào)周期的時(shí)間。如果是n位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器，則完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間將為n+2個(gè)時(shí)鐘信號(hào)周期的時(shí)間。因此，它的轉(zhuǎn)換速度比并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器低，但比計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度要高的多。

619.3.4間接A/D轉(zhuǎn)換器

一般采用電壓—時(shí)間變換型（V—T變換型）和電壓—頻率變換型（V—F變換型）。

在V—T變換型A/D轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓信

號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間寬度信號(hào)，然后在這個(gè)時(shí)間寬度里對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號(hào)。

在V—F變換型A/D轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓信

號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的頻率信號(hào)，然后在一個(gè)固定的時(shí)間間隔里對(duì)得到的頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號(hào)。

62圖9.3.11雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖一、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

1.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理63圖9.3.12雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電壓波形圖64（3）T1時(shí)間到，開關(guān)S1接至參考電壓-VREF一側(cè)，電容反相積分，使輸出電壓為零時(shí)所用的積分時(shí)間為T2，即：（1）轉(zhuǎn)換開始前，VL=0，將計(jì)數(shù)器置零，接通開關(guān)S0，積分電容C完全放電。（2）vL=1，S0斷開，開關(guān)S1合到輸入信號(hào)vI一側(cè),開始轉(zhuǎn)換,積分器正向積分，積分時(shí)間T1。得到輸出電壓為：因此得到：（9.3.3）（9.3.4）65若在T2期間內(nèi)對(duì)一固定頻率fC=1/TC的信號(hào)計(jì)數(shù)，則所計(jì)數(shù)大小為：顯然計(jì)數(shù)N2就是變換后的數(shù)碼D，如果取T1為計(jì)數(shù)脈沖周期的整倍數(shù)，T1=NTC最后得到：（9.3.5）（9.3.6）66圖9.3.13雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的控制邏輯電路2.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的控制邏輯電路67轉(zhuǎn)換開始前，轉(zhuǎn)換控制信號(hào)vL=0，因而計(jì)數(shù)器和附加觸發(fā)器均被置0，同時(shí)開關(guān)S0閉合，使積分電容C充分放電。當(dāng)vL=1以后．轉(zhuǎn)換開始，S0斷開、S1接到輸入信號(hào)vI一側(cè)，積分器開始對(duì)vI積分。因?yàn)榉e分過程中積分器的輸出為負(fù)電壓，所以比較器輸出為高電平．將門G打開，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿2n個(gè)脈沖以后，自動(dòng)返回全0狀態(tài)，同時(shí)給FFA一個(gè)進(jìn)位C號(hào)，使QA=1。于是