第7章-數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

7.1概述在計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)化成連續(xù)變化的模擬量，再由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和計(jì)算。處理后要經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，加到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以調(diào)節(jié)被控對象的大小。一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的框圖如圖11.1.1所示。1.用途：現(xiàn)在是1頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.1概述圖11.1.2為一個(gè)溫度控制系統(tǒng)：傳感器放大器A/D轉(zhuǎn)換微型計(jì)算機(jī)控制對象D/A轉(zhuǎn)換電加熱爐熱電偶執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖11.1.2溫度時(shí)間現(xiàn)在是2頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站2、主要性能指標(biāo)為了保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器必須有足夠的轉(zhuǎn)換精度，另外對于過程控制和檢測需求，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器必須有足夠的轉(zhuǎn)換速度。故轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)。7.1概述3、概念及分類（1）D/A轉(zhuǎn)換器：目前常用的D/A轉(zhuǎn)換器有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電容型D/A轉(zhuǎn)換器以及開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器等幾種類型。將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換（DigitaltoAnalog），實(shí)現(xiàn)的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器，簡寫成DAC（Digital－AnalogConverter）?，F(xiàn)在是3頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站2.A/D轉(zhuǎn)換器：A/D轉(zhuǎn)換器的類型可分成直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器。在直接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬電壓信號直接被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號；而在間接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬信號首先被轉(zhuǎn)換成某種中間變量（如時(shí)間、頻率等），然后再將這個(gè)中間量轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量。7.1概述將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（AnalogtoDigital），實(shí)現(xiàn)的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡寫為ADC（Analog－DigitalConverter）。注：根據(jù)數(shù)字量的輸入輸出方式可以將D/A轉(zhuǎn)換器分成并行輸入和串行輸入兩種類型，將A/D轉(zhuǎn)換器分成并行輸出和串行輸出兩種類型。由于D/A轉(zhuǎn)換器電路的工作原理較A/D轉(zhuǎn)換器簡單，且是A/D轉(zhuǎn)換器電路的組成部分，故先介紹D/A轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在是4頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.2D/A轉(zhuǎn)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(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每一位的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后相加，即可得與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字－模擬的轉(zhuǎn)換。D111101…D/AA(電壓或電流)

？D/A轉(zhuǎn)換器的目的為：現(xiàn)在是5頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站圖11.2.1為n位D/A轉(zhuǎn)換器的原理框圖7.2D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器是由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關(guān)電路、解碼電路、求和電路及基準(zhǔn)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(qū)動(dòng)對應(yīng)數(shù)位上的電子開關(guān)將電阻解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位權(quán)值送入求和電路中，求和電路將各位權(quán)值相加就得到與數(shù)字量相應(yīng)的模擬量?，F(xiàn)在是6頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站*按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同把D/A分為：如權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型、倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)型、權(quán)電流型、權(quán)電容型以及開關(guān)樹型。*按模擬開關(guān)電路的不同把D/A分為：CMOS開關(guān)型和雙極型開關(guān)型，其中雙極型開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器又分為電流開關(guān)型和ECL電流開關(guān)型。其中CMOS型功耗低，但速度慢。雙極型的轉(zhuǎn)換速度快。7.2D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是7頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器一個(gè)多位二進(jìn)制數(shù)可表示為其中：2n-1、2n－2．．．21、20稱為最高位（MostSignificantBit，簡稱MSB）到最低位（LeastSignificantBit，簡稱LSB）的權(quán)。現(xiàn)在是8頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站圖11.2.2圖11.2.2是4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖，它是由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、4個(gè)電子模擬開關(guān)和1個(gè)求和放大器組成。7.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.組成：現(xiàn)在是9頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（1）S3~S0:為電子開關(guān)，其狀態(tài)受輸入數(shù)碼d3~d0的取值控制。當(dāng)di＝1時(shí)開關(guān)接到參考電壓VREF上，有支路電流Ii流向求和放大器；當(dāng)di＝0時(shí)開關(guān)接地，支路電流Ii為零?，F(xiàn)在是10頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站（2）求和放大器A：為一個(gè)接成負(fù)反饋的理想運(yùn)算放大器。即：AV＝∞，iI＝0，Ro＝0。由于負(fù)反饋，存在虛短和虛斷，即V－≈V＋＝0，iI＝0。（3）VREF：基準(zhǔn)電壓7.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是11頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站2.輸出電壓的計(jì)算：由于V－≈V＋＝0，故各電流為輸出電壓為7.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是12頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站取RF＝R/2，則輸出電壓為7.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是13頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站上式標(biāo)明，輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量Dn成正比。注：1.若VREF取正值，則輸出電壓為負(fù)值。若想輸出電壓為正值，可以將VREF取負(fù)值。7.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器2.此電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，所用的電阻元件少。缺點(diǎn)是各個(gè)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?，F(xiàn)在是14頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在輸入數(shù)字量較多時(shí)可采用圖11.2.3所示的電路。7.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器其輸出電壓為現(xiàn)在是15頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器為了克服權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電阻阻值相差太大的缺點(diǎn)，改進(jìn)電路為倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，如圖11.2.4所示。圖11.2.4現(xiàn)在是16頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)“虛短”“虛地”，有V－≈V＋，無論開關(guān)打在哪一面，流過每個(gè)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現(xiàn)在是17頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站總的電流為RRRR圖11.2.57.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是18頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站由于故輸出電壓為7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是19頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站對于n位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，在求和放大器的反饋電阻為R時(shí)，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(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器相同。7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是20頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站圖11.2.6為采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的單片集成D/A轉(zhuǎn)換器CB7520(AD7520)的電路。7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖11.2.6其輸入為10位二進(jìn)制數(shù)，采用CMOS電路構(gòu)成的模擬開關(guān)。現(xiàn)在是21頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站輸出電壓為7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖11.2.6現(xiàn)在是22頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站注：在使用CB7520時(shí)需要外接運(yùn)算放大器，反饋電阻可以采用內(nèi)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(yīng)有的轉(zhuǎn)換精度。圖11.2.67.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是23頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站CB7520(AD7520)的應(yīng)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。7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是24頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站其中反相輸入的電壓輸出為7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是25頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站同相輸入的電壓輸出為：7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是26頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站對應(yīng)的輸出輸入的關(guān)系如表11-1所示（反相）7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是27頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站注：①在圖11.2.7電路中，RW1可調(diào)節(jié)反饋電阻的阻值，使得運(yùn)算放大器的放大比例系數(shù)增加，從而達(dá)到提高滿量程輸出電壓的目的；7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是28頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站*RW2起到減小滿量程的目的，因?yàn)樗呛蛢?nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電阻串聯(lián)，從而改變電流I；7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是29頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站*RW3是運(yùn)算放大器的調(diào)零電阻。7.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器*在實(shí)際應(yīng)用中，D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量可能是正數(shù)，也可能是負(fù)數(shù)，這就要求D/A轉(zhuǎn)換器能將不同極性的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成正、負(fù)極性的模擬電壓，工作在雙極性方式，這個(gè)內(nèi)容在下面介紹現(xiàn)在是30頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器在前面介紹的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，都沒有考慮開關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降，而是當(dāng)成理想開關(guān)處理，這無疑會引起轉(zhuǎn)換誤差，影響轉(zhuǎn)換精度。解決這個(gè)問題采用的一種方法是利用一組恒流源構(gòu)成“權(quán)”，其原理電路如圖11.2.8所示。由于采用恒流源，每個(gè)支路電流的大小不再受開關(guān)內(nèi)阻合壓降的影響，故而降低了對開關(guān)電路的要求?，F(xiàn)在是31頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站圖11.2.9是常采用的恒流源電路。其電流為：7.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器當(dāng)輸入的數(shù)字量為1時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)將恒流源接到運(yùn)算放大器的輸入端；當(dāng)輸入的數(shù)字量為0時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)將恒流源接地現(xiàn)在是32頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站由圖11.2.8可得7.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是33頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站圖11.2.10為權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器的原理電路此電路中利用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)，目的是為了減少電阻的種類。7.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是34頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器其中：(1)各個(gè)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(jì)算和倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)一樣，即流過每個(gè)電阻的電流依次減少1/2。為了保證發(fā)射結(jié)壓降相等，發(fā)射極電流較大的管子增加了發(fā)射結(jié)的面積。現(xiàn)在是35頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站(2)恒流源IBO用來給各管提供必須的偏置電流7.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器(3)運(yùn)算放大器A1、三極管TR、電阻RR、R構(gòu)成基準(zhǔn)電流發(fā)生電路。其基準(zhǔn)電流為現(xiàn)在是36頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站則輸出電壓為7.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是37頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站采用權(quán)電流型單片集成D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，其典型應(yīng)用電路如圖11.2.11所示。7.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是38頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站其中d0~d8為8位數(shù)字量輸入端，Io是求和電流輸出端。7.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器VR＋、VR－接基準(zhǔn)電流發(fā)生電路中運(yùn)算放大器的反相輸入端和同相輸入端。COMP供外接補(bǔ)償電容的，VCC和VEE為正負(fù)電源輸入端。現(xiàn)在是39頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站*7.2.5權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（自學(xué)）*7.2.4開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器（自學(xué)）7.2.6具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器由于D/A轉(zhuǎn)換器中數(shù)字量有正負(fù)之分，此時(shí)要求輸出電壓也應(yīng)有正負(fù)，這就要求D/A轉(zhuǎn)換器工作于雙極性方式。由于二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算中通常都把帶符號的數(shù)值用補(bǔ)碼的形式表示，故希望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)極性輸出的模擬電壓。為了簡單起見，下面以3位補(bǔ)碼的情況為例，說明如何實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器的雙極性工作方式?，F(xiàn)在是40頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站表11-2是3位二進(jìn)制數(shù)從＋3V到－4V的補(bǔ)碼表示形式及希望得到的模擬電壓輸出。輸入為3位二進(jìn)制補(bǔ)碼。最高位為符號位，正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為17.2.6具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器此表數(shù)值若用普通的3位倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，其電路如圖11.2.12所示。現(xiàn)在是41頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站其輸出電壓為7.2.6具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器則對應(yīng)表11－2的數(shù)字量輸出為現(xiàn)在是42頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站對照表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(fù)電壓輸出。7.2.6具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是43頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站為了得到表11-3中在輸入代碼為100時(shí)，輸出電壓為0V，此時(shí)電路如圖11.2.13所示7.2.6具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器圖11.2.13則應(yīng)在d2d1d0＝100時(shí)

，其現(xiàn)在是44頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站另外對照表11-2和11-3可知兩個(gè)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(zhuǎn)換器上即可得到雙極型輸出，如圖11.2.13所示。7.2.6具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器圖11.2.13現(xiàn)在是45頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站如CB7520接成雙極性輸出的電路如圖11.2.15所示。7.2.6具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器一般地構(gòu)成雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器的方法：只要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,而其他各位輸入為0時(shí)的輸出vo=0。同時(shí)將輸入的符號位（最高位）反相后接到一般的D/A轉(zhuǎn)換器地輸入，就得到了雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器。現(xiàn)在是46頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.2.7D/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)換精度在D/A轉(zhuǎn)換器中，通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。分辨率用于表示D/A轉(zhuǎn)換器對輸入微小量變化敏感程度的，定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能分成的等級數(shù)，從00…00到11…11全部2n個(gè)不同的狀態(tài)，給出2n個(gè)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(shí)際應(yīng)用中，往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。1.分辨率：（理論精度）另外也用D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨出的最小電壓與最大電壓之比表示分辨率，即現(xiàn)在是47頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站如10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為7.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度2.轉(zhuǎn)換誤差（實(shí)際精度）由于D/A轉(zhuǎn)換器的各個(gè)環(huán)節(jié)在參數(shù)及性能上和理論值存在著差異，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定、運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移、模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降、電阻網(wǎng)絡(luò)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(shí)際精度與轉(zhuǎn)換誤差有關(guān)系。轉(zhuǎn)換誤差是表示由各種因素引起誤差的一個(gè)綜合性的指標(biāo)，它表示實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換器特性和理論轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差，如圖11.2.16所示圖11.2.16現(xiàn)在是48頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站*轉(zhuǎn)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00…01時(shí)的輸出電壓。有時(shí)也用絕對誤差與輸出電壓滿刻度的百分?jǐn)?shù)來表示7.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度3、轉(zhuǎn)換誤差分析轉(zhuǎn)換誤差包括比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等。由不同因素引起的轉(zhuǎn)換誤差各有不同的特點(diǎn)。下面以4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)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(dāng)基準(zhǔn)電壓VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值△VREF時(shí)，會在輸出端產(chǎn)生誤差電壓△v01。由△VREF引起的轉(zhuǎn)換誤差，叫做比例系數(shù)誤差?，F(xiàn)在是49頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度由于4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為則由△VREF產(chǎn)生的誤差為上式標(biāo)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(shí)，vo偏離理論值的情況。圖11.2.17現(xiàn)在是50頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站b.失調(diào)誤差（漂移誤差或平移誤差）7.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度由于運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移所造成的誤差，其誤差電壓△vo2的大小與輸入的數(shù)字量無關(guān)，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現(xiàn)在是51頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站由于模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降都不能為零，故而它們的存在肯定會引起輸出產(chǎn)生誤差電壓△vo3。由于每個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通電阻不一定相等，接地時(shí)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(luò)的電阻阻值得偏差，也會產(chǎn)生非線性誤差△vo4。如圖11.2.19所示c.非線性誤差7.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度圖11.2.19現(xiàn)在是52頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站故為了獲得高精度的D/A轉(zhuǎn)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(yùn)算放大器與之配合，才可能獲得較高的轉(zhuǎn)換精度。7.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度注：目前常用的有兩類D/A轉(zhuǎn)換器：一類只包含電阻網(wǎng)絡(luò)（或恒流源電路）和模擬開關(guān)；另一類除此之外還包含運(yùn)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(yùn)算放大器，應(yīng)該注意合理確定參考電壓源穩(wěn)定度和運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移的要求。二、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出的模擬量并不能立即達(dá)到所對應(yīng)的輸出電壓，它需要一段建立時(shí)間。通常用建立時(shí)間tset來定量描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度?，F(xiàn)在是53頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站注意：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)入與穩(wěn)態(tài)值相差±1LSB/2范圍以內(nèi)所用的時(shí)間。如圖11.2.20所示。7.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度由于數(shù)字量的變化越大，建立的時(shí)間就越長，故一般產(chǎn)品給出的是輸入從全0跳變到全1(或反之）時(shí)的建立時(shí)間。目前在不包含運(yùn)算放大器的D/A轉(zhuǎn)換器中，tset最小為0.1μs以內(nèi)；在包含運(yùn)算放大器的集成D/A轉(zhuǎn)換器中，tset最小為1.5μs以內(nèi)?，F(xiàn)在是54頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站*在外加運(yùn)算放大器的D/A轉(zhuǎn)換器中，由于運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速度會影響D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，故應(yīng)選用轉(zhuǎn)換速率高的運(yùn)算放大器，以縮短運(yùn)算放大器的建立時(shí)間。7.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度現(xiàn)在是55頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站例11.2.1在10位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器CB7520中，外接參考電壓VREF＝10V，為保證VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起的誤差小于（1/2）LSB，試計(jì)算VREF的相對穩(wěn)定度應(yīng)取多少？解：a.計(jì)算1LSB/2所對應(yīng)的輸出電壓：當(dāng)LSB＝1,其余為0時(shí)，輸出電壓為故（1/2）LSB的輸出電壓絕對值為7.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓為最低位對于CB7520現(xiàn)在是56頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站b.計(jì)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(zhuǎn)換器中，△VREF引起的輸出電壓的變化為：則當(dāng)輸入的數(shù)字量全為1時(shí)，誤差最大，但應(yīng)小于等于1LSB/2，故7.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度對于CB7520則有現(xiàn)在是57頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站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(jì)算為輸入、輸出處于穩(wěn)態(tài)下得出的，輸入靜態(tài)誤差。在動(dòng)態(tài)時(shí)，還有附加的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。7.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度現(xiàn)在是58頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站例11.2.2某一測量儀器中有一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，若要求該D/A轉(zhuǎn)換器的精度小于0.05%，試問應(yīng)選多少位的D/A轉(zhuǎn)換器？解：若要求D/A轉(zhuǎn)換器的精度小于0.05%，也是要求D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出值和理論值之間的誤差（絕對誤差），一般應(yīng)低于1LSB/2，即兩邊同除輸入為全為1時(shí)的最大電壓得：7.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度即現(xiàn)在是59頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站由于10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率也可表示為故由于10位D/A轉(zhuǎn)換器分辨率為7.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度故應(yīng)取十位或十位以上的D/A轉(zhuǎn)換器。現(xiàn)在是60頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站由于輸入的模擬信號在時(shí)間上是連續(xù)的，輸出的數(shù)字信號在時(shí)間和幅值都是是離散的，因此轉(zhuǎn)換時(shí)一般要經(jīng)過取樣、保持、量化和編碼四個(gè)過程。實(shí)際中有時(shí)取樣和保持、量化和編碼會同時(shí)實(shí)現(xiàn)。7.3A/D轉(zhuǎn)換器7.3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本原理D111101…A/DA(電壓或電流)？A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量所以A/D轉(zhuǎn)換過程是首先對輸入模擬電壓信號進(jìn)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(zhuǎn)換結(jié)果。現(xiàn)在是61頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站一取樣定理取樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)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(yīng)該有足夠高的頻率。為了保證取樣信號將被取樣信號恢復(fù)，其頻率關(guān)系必須滿足取樣定理。圖11.3.1為對某個(gè)輸入信號進(jìn)行采樣的波形。其中vs為取樣信號，vI表示輸入的模擬信號。7.3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本原理圖11.3.1現(xiàn)在是62頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站取樣定理為：一般取注：在取樣電路每次取得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時(shí)都需要一定的時(shí)間,而且為了給后續(xù)的量化編碼提供一個(gè)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(shí)間。一般取樣和保持過程往往是通過取樣－保持電路同時(shí)完成的。7.3.1A/D轉(zhuǎn)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，則它們必須滿足現(xiàn)在是63頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站二、量化和編碼7.3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本原理1.量化數(shù)字量不僅時(shí)間上是離散的，而且數(shù)值上也是離散的，所以任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)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（Δ）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(shí)所對應(yīng)的模擬量，即1LSB。如圖11.2.3所示現(xiàn)在是64頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站將量化的結(jié)果用代碼（可以是二進(jìn)制，也可以是其他進(jìn)制）表示出來，這個(gè)過程稱為編碼，這些代碼也是A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值就越小，量化誤差也越小。2.編碼：7.3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本原理現(xiàn)在是65頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站4.量化方式：a.只舍不入量化方式以3位A/D轉(zhuǎn)換器為例設(shè)輸入電壓vI為0~1V，取量化單位△＝1/8V，量化中把不足量化單位部分舍棄，如0~1/8V都當(dāng)成0V處理，用000表示；在1/8~2/8V都當(dāng)成1△處理，即當(dāng)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△。7.3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本原理現(xiàn)在是66頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站注：由于后者的量化誤差比前者小，所以大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器采用四舍五入的量化方式。取量化單位為△＝2/15V，量化中將不足半個(gè)量化單位部分舍去，對于等于或大于半個(gè)量化單位的部分按一個(gè)量化單位處理。如0~1/15V當(dāng)0V處理，用000表示；在1/15～3/15V當(dāng)成1△處理，即2/15V，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7.3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本原理當(dāng)輸入的模擬電壓為正負(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?，F(xiàn)在是67頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.3.2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(guān)驅(qū)動(dòng)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(qiáng)型MOS管，做為模擬開關(guān)，現(xiàn)在是68頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站2.工作原理：7.3.2取樣－保持電路圖11.3.3a.當(dāng)取樣控制電壓vL為高電平時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，輸入電壓vI通過R1和T給電容CH充電。若取R1＝RF，并設(shè)運(yùn)放為理想的，則vo＝vc＝－vIb.當(dāng)取樣電壓vL為低電平時(shí)，NMOS管截止，CH上的電壓在這段時(shí)間內(nèi)基本不變，則輸出電壓也不變，取樣結(jié)果被保存下來，即vo＝vc＝－vI。CH漏電越小，運(yùn)放的輸入阻抗越高，則保持的時(shí)間也越長。現(xiàn)在是69頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站注：圖11.3.4的電路由于充電時(shí)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11.3.37.3.2取樣－保持電路圖11.3.5（a）是LF398的電路結(jié)構(gòu)圖，圖11.3.5（b）是其典型接法。圖11.3.5現(xiàn)在是70頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站A1、A2是兩個(gè)運(yùn)算放大器，S是模擬開關(guān)，L是控制開關(guān)S的邏輯單元，vL和VREF是邏輯單元的兩個(gè)輸入電壓信號。圖11.3.57.3.2取樣－保持電路現(xiàn)在是71頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站當(dāng)vL>VREF＋VTH時(shí)，S接通；當(dāng)vL<VREF＋VTH時(shí)，S斷開，VTH為閾值電壓，約為1.4V。D1和D2構(gòu)成保護(hù)電路，當(dāng)保持時(shí)總有一個(gè)二極管是導(dǎo)通的，保護(hù)開關(guān)電路不受過高的電壓；當(dāng)取樣時(shí)，兩個(gè)二極管都截止，保護(hù)電路不起作用圖11.3.57.3.2取樣－保持電路現(xiàn)在是72頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站VOS是失調(diào)電壓輸入端，此段可以通過外接電阻調(diào)整輸出電壓的零點(diǎn)，使得vI=0時(shí),vo=0。7.3.2取樣－保持電路圖11.3.5現(xiàn)在是73頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)比較型屬于直接A/D轉(zhuǎn)換器，它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)過中間量。直接A/D轉(zhuǎn)換器還有反饋比較型。圖11.3.6為并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)圖.1.組成：并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器是由電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換電路三部分組成。圖11.3.6現(xiàn)在是74頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸入為0~VREF間的模擬電壓，輸出為3位二進(jìn)制代碼d2d1d0。此A/D轉(zhuǎn)換器不包括取樣－保持電路，即假定輸入的模擬電壓vI為取樣－保持電路的輸出電壓。圖11.3.6現(xiàn)在是75頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器2.量化方式：取量化單位為其比較器中量化電平的劃分如圖11.3.7所示?，F(xiàn)在是76頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站3、工作原理：由圖11.3.7表可寫出輸出端的邏輯式為7.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是77頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站由上述邏輯式畫出圖11.3.8所示7.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是78頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器則比較器輸出均為低電平，當(dāng)CLK上升沿到來后，所有的觸發(fā)器狀態(tài)置成0，即d2d1

d0＝000圖11.3.6若現(xiàn)在是79頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.6則比較器C1輸出為高電平，其他為低電平。當(dāng)CLK上升沿到來后，觸發(fā)器的狀態(tài)置成0000001，則d2d1

d0＝001，依此類推。若現(xiàn)在是80頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站1.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)50ns以下。另外此電路可不用取樣－保持電路，因?yàn)楸容^器和寄存器有這樣的功能。7.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：2.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是需要較多的電壓比較器和觸發(fā)器,n位需要2n-1比較器3.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度主要取決于量化電平的劃分，劃分越細(xì)，精度越高，但所用的比較器和觸發(fā)器的數(shù)目越多。另外轉(zhuǎn)換精度與參考電壓、電阻及運(yùn)放也有關(guān)?，F(xiàn)在是81頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站原理：取一個(gè)數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，則可得到一個(gè)對應(yīng)的輸出模擬電壓。將這個(gè)模擬電壓和輸入的模擬電壓信號相比較。如果兩者不相等，則調(diào)整所取得數(shù)字量，直到兩個(gè)模擬電壓相等為止，最后所取得數(shù)字量即為所求的轉(zhuǎn)換結(jié)果。在反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器中經(jīng)常采用的有計(jì)數(shù)型和逐次漸進(jìn)型兩種。1.計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.8為計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖。它是由比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器、脈沖源、控制門G以及輸出寄存器等幾部分構(gòu)成。7.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.8現(xiàn)在是82頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站工作原理：7.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器取一個(gè)“D”加到DAC上，得到模擬輸出電壓，將該值與輸入電壓比較，如兩者不等，則調(diào)整D的大小，到相等為止，則D為所求值圖11.3.8現(xiàn)在是83頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器a.將計(jì)數(shù)器清零，且vL＝0。此時(shí)門G被封鎖，計(jì)數(shù)器不工作，計(jì)數(shù)器輸出為0，則vo＝0；如果vI>0，則vI>vo，比較器的輸出電壓vB＝1；圖11.3.8現(xiàn)在是84頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站b.當(dāng)vL為高電平時(shí)，開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，脈沖源發(fā)出的脈沖經(jīng)過門G加到計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖輸入端CLK，計(jì)數(shù)器開始加法計(jì)數(shù)。隨著計(jì)數(shù)的進(jìn)行，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓不斷增加。圖11.3.87.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是85頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站c.當(dāng)增加到vI＝vo時(shí)，比較器輸出vB變成低電平，并將門G封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，此時(shí)計(jì)數(shù)器的狀態(tài)就是所求的輸出數(shù)字信號。圖11.3.87.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是86頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器注：a.由于轉(zhuǎn)換過程中計(jì)數(shù)器的數(shù)字不斷變化，所以不能將計(jì)數(shù)器的狀態(tài)做為輸出的數(shù)字信號，而是在輸出端設(shè)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11.3.8現(xiàn)在是87頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站b.此方案的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間長。當(dāng)輸出為n位二進(jìn)制數(shù)碼時(shí)，最長的轉(zhuǎn)換時(shí)間是2n－1倍的時(shí)鐘脈沖信號周期。由于此電路結(jié)構(gòu)簡單，常用在對轉(zhuǎn)換速度要求不高的場合。11.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.8現(xiàn)在是88頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站2.逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器為了提高轉(zhuǎn)換速度，在計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器。雖然也是反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器，但D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量的給出方式不同。7.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)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所示現(xiàn)在是89頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.9逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器、寄存器、時(shí)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(shè)寄存器狀態(tài)為最高位為1,其他位為0（如4位A/D轉(zhuǎn)換器為1000），經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器后，送到比較器比較。現(xiàn)在是90頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站若vo>vI，則去掉這個(gè)1;若vo<vI，則保留這個(gè)1.然后再將次高位設(shè)置成1,再進(jìn)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11.3.97.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：電路不太復(fù)雜，速度較快現(xiàn)在是91頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站其組成為：*由FF1~FF5構(gòu)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(zhuǎn)換器的電路原理圖。7.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.10現(xiàn)在是92頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站*由FFA～FFC構(gòu)成3位數(shù)碼寄存器，其輸出為三位二進(jìn)制數(shù)d2d1d0.7.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.10*G1~G9組成控制邏輯電路?，F(xiàn)在是93頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站*運(yùn)算放大器構(gòu)成比較器，用它比較輸入電壓vI和vo的大小。若vI<vo，則vB為高電平；若vI>vo，則vB為低電平，其比較器輸出端接到三個(gè)控制與門的輸入端圖11.3.107.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是94頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站若設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器的參看電壓VREF＝8V，輸入的模擬電壓為vI＝5.86V,則轉(zhuǎn)換過程如下：圖11.3.107.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器(1)開始前將FFA~FFB置零，同時(shí)將環(huán)形計(jì)數(shù)器FF1~FF5置成Q1～Q5=10000?，F(xiàn)在是95頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站(2)當(dāng)vL為高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換開始。當(dāng)?shù)?個(gè)脈沖到達(dá)后，此時(shí)QAQBQC＝100，若D/A轉(zhuǎn)換器為T形電阻網(wǎng)絡(luò)型，則，輸出電壓（不包含求和放大器）為7.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.10現(xiàn)在是96頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.10由于vo<vI,則比較器輸出為0,同時(shí)Q1～Q5=01000。(3)當(dāng)?shù)?個(gè)脈沖上升沿來時(shí)，QAQBQC＝110。此時(shí)現(xiàn)在是97頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站故比較器輸出為1,同時(shí)Q1～Q5=00100圖11.3.107.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器(4)當(dāng)?shù)?個(gè)脈沖上升沿來時(shí)，QAQBQC＝101。此時(shí)現(xiàn)在是98頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站故比較器輸出為0,同時(shí)Q1～Q5=00010(5)當(dāng)?shù)?個(gè)脈沖上升沿來時(shí)，QAQBQC＝101。此時(shí)Q1～Q5=00001,若取數(shù)據(jù)則可并行輸出。7.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.10現(xiàn)在是99頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站2004/12/25(6)第5個(gè)脈沖來后，Q1～Q5=10000，返回初態(tài)，同時(shí)門G6~G8被封鎖，轉(zhuǎn)換輸出信號消失。圖11.3.107.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是100頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站注：a.為了減小量化誤差，使D/A轉(zhuǎn)換器輸出產(chǎn)生－△/2的偏移量；b.轉(zhuǎn)換時(shí)間比計(jì)數(shù)器型的要少(n+2個(gè)脈沖），轉(zhuǎn)換速度高，當(dāng)然比并聯(lián)型的要低，但電路要簡單的多；轉(zhuǎn)換過程示意圖如11.3.11所示.7.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.10現(xiàn)在是101頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站c.位數(shù)越高，轉(zhuǎn)化精度越高。此種類型的A/D轉(zhuǎn)換器是最常用的一種。7.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器屬于間接A/D轉(zhuǎn)換器，雙積分型簡稱為V－T變換型，它首先把輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間寬度信號，然后在這個(gè)時(shí)間寬度里對固定頻率的時(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。最常用的間接A/D轉(zhuǎn)換器還有電壓－頻率變換型（簡稱V－F變換型）兩類。V－F變換型A/D轉(zhuǎn)換器首先是把輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的頻率信號，然后在一個(gè)固定的時(shí)間間隔里對得到的頻率信號計(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。現(xiàn)在是102頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站圖11.3.12是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理性框圖。它包含積分器、比較器、計(jì)數(shù)器、邏輯控制和時(shí)鐘信號源幾部分。7.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.12a.組成：現(xiàn)在是103頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站轉(zhuǎn)換開始前（轉(zhuǎn)換控制信號vL＝0）先將計(jì)數(shù)器清零，并接通開關(guān)So，使電容完全放電。7.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器當(dāng)vL＝1轉(zhuǎn)換開始（S0斷開），其步驟如下a.使開關(guān)S1合到輸入信號vI一側(cè):積分器對vI在固定時(shí)間T1進(jìn)行積分，其輸出電壓為現(xiàn)在是104頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站上式說明，在固定時(shí)間T1的條件下，積分器的輸出電壓vo與輸入電壓vI成正比。7.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器b.開關(guān)S1打在－VREF一側(cè):此時(shí)積分器反向積分現(xiàn)在是105頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站若設(shè)積分器輸出電壓到零時(shí)所需時(shí)間為T2，則即7.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器由此可見，T2與輸入信號vI成正比?，F(xiàn)在是106頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.13其電壓輸出波形如圖11.3.13所示。若計(jì)數(shù)器在時(shí)間T2內(nèi)對固定頻率fC（fC＝1/TC）的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)結(jié)果也一定與vI成正比。即設(shè)T1=NTC，則上式可變成即輸出的數(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(shí)間成正比?，F(xiàn)在是107頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站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。7.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.14現(xiàn)在是108頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站此電路是由n位計(jì)數(shù)器（異步）、附加觸發(fā)器FFA、模擬開關(guān)So和S1的驅(qū)動(dòng)電路L0、L1、控制門G組成。7.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器控制過程為：a.轉(zhuǎn)換開始前：轉(zhuǎn)換控制信號vL＝0，門G輸出為1,各觸發(fā)器被置零，同時(shí)，S0被關(guān)閉，C完全放電。現(xiàn)在是109頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器b.轉(zhuǎn)換開始：轉(zhuǎn)換控制信號vL＝1，S0斷開，S1接到輸入信號vI一側(cè)，積分器開始對輸入電壓vI進(jìn)行積分。由于積分器A輸出為負(fù)電壓，故比較器C輸出為高電平，門G打開，計(jì)數(shù)器對vG端的脈沖計(jì)數(shù)?，F(xiàn)在是110頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站c.當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿2n個(gè)脈沖（T1時(shí)間）后，自動(dòng)返回全0狀態(tài)，同時(shí)給FFA一個(gè)進(jìn)位信號，使FFA置1。L1動(dòng)作使得S1打在VREF一側(cè)，開始反向積分。當(dāng)積分器的輸出到0時(shí)，比較器輸出為低電平，將門G封鎖，一次轉(zhuǎn)換結(jié)束。7.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是111頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站由于T1=2nTC（TC為時(shí)鐘脈沖的周期），即N＝2n，故輸出的數(shù)字量為：7.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.13現(xiàn)在是112頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站例11.3.1在雙積分A/D電路中，設(shè)基準(zhǔn)電壓VREF＝－10V，計(jì)數(shù)器的位數(shù)為n＝10，計(jì)數(shù)脈沖的頻率為10kHz則完成一次轉(zhuǎn)換最長需要多長時(shí)間？若輸入的模擬電壓vI＝5V，試求轉(zhuǎn)換時(shí)間和輸出的數(shù)字量各為多少？7.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器解：（1）完成一次的時(shí)間為T＝T1＋T2，當(dāng)T1＝

T2時(shí)，完成的一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間最長，故現(xiàn)在是113頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站（2）若輸入的模擬電壓vI＝5V，所用的轉(zhuǎn)換時(shí)間7.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量為現(xiàn)在是114頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站*雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)：a.工作性能穩(wěn)定。由于積分時(shí)間和參數(shù)RC無關(guān)，且T1=NTC，最后轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)鐘周期無關(guān)，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(zhuǎn)換器。b.抗干擾能力強(qiáng)。由于雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器在時(shí)間T1內(nèi)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(qiáng)的抗干擾能力。*雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)：工作速度低。對于前述的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器來說，每完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間應(yīng)在2T1以上，記不應(yīng)低于2n+1TC。若加上轉(zhuǎn)換前的準(zhǔn)備時(shí)間，則完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間更長一些。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度一般都在每秒幾十次以內(nèi)7.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在是115頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站*雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度要受計(jì)數(shù)器的位數(shù)、比較器的靈敏度、運(yùn)算放大器和比較器的零點(diǎn)漂移、積分器的漏電、時(shí)鐘頻率的瞬時(shí)波動(dòng)等多種因素的影響。7.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器*故為了提高精度采取得措施除了增加計(jì)數(shù)器的位數(shù)外，還要抑制比較器和積分器的零點(diǎn)漂移。實(shí)際電路中都增加了零點(diǎn)漂移的自動(dòng)補(bǔ)償電路。另外為了防止時(shí)鐘在轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生波動(dòng)，可以使用石英晶體振蕩器。*單片集成的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器有ADC－EK8B（8位，二進(jìn)制）、ADC－EK10B（10位，二進(jìn)制）、MC14433(位，BCD碼）等。還有可以直接驅(qū)動(dòng)LCD和LED數(shù)碼管的CB7106/7126、CB7107/7127?，F(xiàn)在是116頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.3.6V－F變換型A/D轉(zhuǎn)換器V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖11.3.14所示圖11.3.141.組成：V－F變換型A/D轉(zhuǎn)換器是由V－F變換器（也稱壓控振蕩器，簡稱為VCO）、計(jì)數(shù)器及其時(shí)鐘信號控制閘門、寄存器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等組成現(xiàn)在是117頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站2.工作原理：7.3.6V－F變換型A/D轉(zhuǎn)換器當(dāng)vG變成高電平后，V－F變換器輸出的脈沖通過門G加到計(jì)數(shù)器的技術(shù)脈沖上。由于V－F變換器輸出頻率fout與輸入電壓vI成正比，故在每個(gè)固定脈寬TG時(shí)間內(nèi)記錄的脈沖數(shù)目也與輸入的電壓vI成正比。圖11.3.14現(xiàn)在是118頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站圖11.3.147.3.6V－F變換型A/D轉(zhuǎn)換器為了防止轉(zhuǎn)換過程中輸出的數(shù)字跳動(dòng)，則在轉(zhuǎn)換過程結(jié)束時(shí)，由vG的下降沿控制將輸出的數(shù)字量存入寄存器中，并且由vG的下降沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖使得計(jì)數(shù)器置零?，F(xiàn)在是119頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站7.3.6V－F變換型A/D轉(zhuǎn)換器*由于V－F變換器的輸出信號是一種調(diào)頻信號，此信號不僅易于傳輸和檢測，還有很強(qiáng)的抗干擾能力，故V－F變換型A/D轉(zhuǎn)換器常用于遙測、遙控系統(tǒng)中。*V－F變換型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度首先取決于V－F變換器的精度，另外其精度也受到計(jì)數(shù)容量的影響，計(jì)數(shù)器容量越大轉(zhuǎn)換誤差越小9.3.5A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度一、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度在單片集成的A/D轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換精度也采用分辨率（又稱為分解度）和轉(zhuǎn)換誤差來描述。現(xiàn)在是120頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站1.分辨率：

A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是輸出二進(jìn)制數(shù)或十進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示。它表示A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。*從理論上講，n位二進(jìn)制數(shù)字輸出的A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分2n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（FSR/2n,FSR－輸入電壓滿量程刻度）。分辨率所描述的為A/D轉(zhuǎn)換器的固有誤差－量化誤差△，在最大輸入電壓一定時(shí)，其輸出位數(shù)越多，量化誤差越小，分辨率越高。如10位二進(jìn)制A/D轉(zhuǎn)換器，若最大輸入信號為5V，則應(yīng)能區(qū)分輸入信號的最小電壓為5V/210=4.88mV.7.3.7A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度現(xiàn)在是121頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站一般是以輸出誤差的最大值形式給出。它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)有的輸出數(shù)字量之間的差別。通常以最低有效位的倍數(shù)給出，如若轉(zhuǎn)換誤差為<±LSB/2，則說明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得的輸出數(shù)字量之間的最小誤差小于最低有效位的半個(gè)字。有時(shí)也用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)給出轉(zhuǎn)換誤差。如A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為十進(jìn)制位（即所謂3位半），若轉(zhuǎn)換誤差為±0.005%FSR，則滿量程輸出為1999,最大輸出誤差小于最低位的1。2.轉(zhuǎn)換誤差：7.3.7A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度注：如果以增加輸出數(shù)字量的位數(shù)并不一定提高A/D轉(zhuǎn)換器的精度，必須根據(jù)轉(zhuǎn)換誤差小于等于量化誤差，合理選擇輸出數(shù)字量的位數(shù)?，F(xiàn)在是122頁\一共有136頁\編輯于星期一中英文日報(bào)導(dǎo)航站二、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度是用轉(zhuǎn)換時(shí)間來描述，轉(zhuǎn)換時(shí)間定義為A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來時(shí)起，到輸出端得到穩(wěn)定