Analog Digital Converter and Digital Analog Converter7.1 D/A轉(zhuǎn) 換 器7.2 A/D轉(zhuǎn) 換 器7. 模 數(shù) 與 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 器 3、 正 確 理 解 D/A、 A/D轉(zhuǎn) 換 器 的 主 要 參 數(shù) 。1、 掌 握 倒 T形 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) D/A轉(zhuǎn) 換 器 (DAC)、 集 成 D/A轉(zhuǎn)換 器 的 工 作 原 理 及 相 關(guān) 計(jì) 算 。2、 掌 握 并 行 比 較 、 逐 次 比 較 、 雙 積 分 A/D轉(zhuǎn) 換 器 (ADC)的 工 作 原 理 及 其 特 點(diǎn) 。教 學(xué) 基 本 要 求 A/D 轉(zhuǎn) 換 器 D/A 轉(zhuǎn) 換 器 模 擬 控 制 器 工 業(yè) 生 產(chǎn) 過 程 控 制 對(duì) 象 模 擬 傳 感 器 ADC和 DAC已 成 為 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 中 不 可 缺 少 的 接 口 電 路 。將 溫 度 、 壓 力 、 流量 、 應(yīng) 力 等 物 理 量轉(zhuǎn) 換 為 模 擬 電 量 。 計(jì) 算 機(jī) 進(jìn) 行 數(shù) 字 處理 （ 如 計(jì) 算 、 濾波 ） 、 保 存 等 用 模 擬 量 作 為控 制 信 號(hào)數(shù) 字 控 制 計(jì) 算 機(jī)概 述 7.1 D/A轉(zhuǎn) 換 器7.1.1 D/A轉(zhuǎn) 換 的 基 本 原 理7.1.2 倒 T形 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) D/A轉(zhuǎn) 換 器7.1.3 D/A轉(zhuǎn) 換 的 基 本 原 理7.1.4 D/A轉(zhuǎn) 換 器 的 輸 出 方 式7.1.5 D/A轉(zhuǎn) 換 器 的 技 術(shù) 指 標(biāo)7.1.6 D/A轉(zhuǎn) 換 器 的 應(yīng) 用 將 數(shù) 字 量 轉(zhuǎn) 換 為 與 之 成 正 比 模 擬 量 。n位數(shù) 字 量1. 概 述 DAC7.1 D/A轉(zhuǎn)換器模 擬 量1、 數(shù) / 模 轉(zhuǎn) 換 器 :A = K D O = K NB 數(shù) 字 量 是 用 代 碼 按 數(shù) 位 組 合 而 成 的 ， 對(duì) 于 有 權(quán) 碼 ， 每位 代 碼 都 有 一 定 的 權(quán) 值 ， 如 能 將 每 一 位 代 碼 按 其 權(quán) 的 大 小轉(zhuǎn) 換 成 相 應(yīng) 的 模 擬 量 ， 然 后 ， 將 這 些 模 擬 量 相 加 ， 即 可得 到 與 數(shù) 字 量 成 正 比 的 模 擬 量 ， 從 而 實(shí) 現(xiàn) 數(shù) 字 量 -模 擬 量的 轉(zhuǎn) 換 。 實(shí) 現(xiàn) D/A轉(zhuǎn) 換 的 基 本 思 想 ND b4 24 b3 23 b2 22 b1 21 b0 20 1 24 1 23 0 22 0 21 1 20將 二 進(jìn) 制 數(shù) ND (11001)B轉(zhuǎn) 換 為 十 進(jìn) 制 數(shù) 。7.1.1 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理 D/A轉(zhuǎn) 換 器 的 組 成 : 數(shù) 碼 寄 存 器 n位 模擬 開 關(guān) 解 碼 網(wǎng) 絡(luò) 求 和 電 路 基 準(zhǔn) 電 壓 n位 數(shù) 字量 輸 入 模 擬 量 輸 出 DAC的 數(shù) 字 數(shù) 據(jù) 可 以 并 行 輸 入 也 可 串 行 輸 入 用 存 放 在 數(shù)字 寄 存 器 中 的數(shù) 字 量 的 各 位數(shù) 碼 由 輸 入 數(shù) 字量 控 制 產(chǎn) 生 權(quán) 電 流 將 權(quán) 電 流 相加 產(chǎn) 生 與 輸 入成 正 比 的 模 擬電 壓 i Rf=R v O S0 VREF + S1 S2 S3 + 基 準(zhǔn) 電 壓 電 子 開 關(guān) R R /2 R /4 R /8 求 和 電 路 (LSB) D2 D3 (MSB) D0 D1 鎖 存 器 數(shù) 字 量 輸 入 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) i0 i1 I 2 i2 i3 A 模 擬 量 輸 出 實(shí) 現(xiàn) D/A轉(zhuǎn) 換 的 原 理 電 路 )iiii(R 0123O fv R DVi 33 REF8 R DVi 22 4 REF R D2V 1REF1i RDVi 0REF0 ii iO DV )DDDD(V 2 222230 00112233 REFREFv，, D/A轉(zhuǎn) 換 器 的 分 類 :按 解 碼 網(wǎng) 絡(luò)結(jié) 構(gòu) 分 類 T型 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) DAC倒 T形 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) DAC權(quán) 電 流 DAC 權(quán) 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) DAC 按 模 擬 電 子 開關(guān) 電 路 分 類 CMOS開 關(guān) 型 DAC雙 極 型 開 關(guān) 型 DAC 電 流 開 關(guān) 型 DAC ECL電 流 開 關(guān) 型 DAC D/A 轉(zhuǎn)換器 7.1.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 vO Rf +VREF 2R D0 D1 D2 D3 S0 S1 S2 S3 i 2R 2R 2R (LSB) (MSB) 8I 16I 4I 2I I 2R + R R R I/16 I/8 I/4 I/2 Di=0, Si則 將 電 阻 2R接 地Di=1, Si接 運(yùn) 算 放 大 器 反 相 端 ， 電 流 Ii流 入 求 和 電 路 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) 模 擬 電 子 開 關(guān) 求 和 運(yùn) 算 放 大 器 輸出模擬電壓輸 入 4位 二 進(jìn) 制 數(shù)根 據(jù) 運(yùn) 放 線 性 運(yùn) 用 時(shí) 虛 地 的 概 念 可 知 ， 無 論 模 擬 開 關(guān) Si處 于何 種 位 置 ， 與 S i相 連 的 2R電 阻 將 接 “ 地 ” 或 虛 地 。 1、 4位 倒 T形 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) D/A轉(zhuǎn) 換 器 基 準(zhǔn) 電 壓 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) 模 擬 電 子 開 關(guān) 求 和 運(yùn) 算 放 大 器 D/A轉(zhuǎn) 換 器 的 倒 T形 電 阻 網(wǎng) 絡(luò)基 準(zhǔn) 電 源 VREF提 供 的 總 電 流 為 ： I =？流 過 各 開 關(guān) 支 路 的 電 流 ： I3 =？ I2 =？ I1 =？ I0 =？ 2R 2R 2R 2R 2R R R R V REF I A B C D A B C D R VI REFI/4I/8I/16R R R RI/2I/4I/8I/16 I/2I3I2I1I0流 入 每 個(gè) 2R電 阻 的 電 流 從 高 位 到 低 位 按 2的 整 數(shù) 倍 遞 減 。I3= VREF / 2R I2= VREF / 4R I1= VREF / 8R I0= VREF /16 R 流 入 運(yùn) 放 的 總 電 流 ： i I0 + I1 + I2 + I3 )2D2D2D2D(RV 13223140 REF輸 出 模 擬 電 壓 ： 10i )2D(RR2V n iifnREFO 30i4 )2D(2VRRRi iiREFffO (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 4 位 倒 T形 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) DAC的 輸 出 模 擬 電 壓 ： O fi R 3 if REF i4 0 ( 2 )2 iR V DR n 位 倒 T形 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) DAC有 ： n 1 iREF fO in 0 ( 2 )2 iV R DR REF fn ,2V RK R 令 ： n 1 iB i0 ( 2 )iN D 則 O = K NB 在 電 路 中 輸 入 的 每 一 個(gè) 二 進(jìn) 制 數(shù) NB， 均 能 得 到 與 之 成 正 比 的模 擬 電 壓 輸 出 。 AD7533D/A轉(zhuǎn) 換 器 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VREF AD7520 RF 10K 10K 20K 使 用 :1)要 外 接 運(yùn) 放 ， 2)運(yùn) 放 的 反 饋 電 阻 可 使 用 內(nèi) 部 電 阻 ， 也 可 采 用 外 接 電 阻 ） 2.集 成 D/A轉(zhuǎn) 換 器 10位 CMOS電 流 開 關(guān) 型 D/A轉(zhuǎn) 換 器 9 iREF fO i10 0 ( 2 )2 iV R DR 關(guān) 于 D/A轉(zhuǎn) 換 器 精 度 的 討 論(1)基 準(zhǔn) 電 壓 穩(wěn) 定 性 好 ；(2) 倒 T形 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) 中 R和 2R電 阻 比 值 的 精 度 要 高 ； 為 實(shí) 現(xiàn) 電 流 從 高 位 到 低 位 按 2的 整 數(shù) 倍 遞 減 ， 模 擬 開 關(guān)的 導(dǎo) 通 電 阻 也 相 應(yīng) 地 按 2的 整 數(shù) 倍 遞 增 。 為 進(jìn) 一 步 提 高 D/A轉(zhuǎn) 換 器 的 精 度 ， 可 采 用 權(quán) 電 流 型 D/A轉(zhuǎn) 換 器 。 n 1 iREF fO in 0 ( 2 )2 iV R DR 為 提 高 D/A轉(zhuǎn) 換 器 的 精 度 ， 對(duì) 電 路 參 數(shù) 的 要 求 ： (3) 每 個(gè) 模 擬 開 關(guān) 的 開 關(guān) 電 壓 降 要 相 等 Di =1時(shí) ， 開 關(guān) Si接 運(yùn) 放 的 反 相 端 ; Di= 0時(shí) ， 開 關(guān) Si接 地 。 7.1.3 權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 1 4位 權(quán) 電 流 D/A轉(zhuǎn) 換 器 在 恒 流 源 電 路 中 ， 各 支 路 權(quán) 電 流 的 大 小 均 不 受 開 關(guān) 導(dǎo) 通 電 阻 和 壓降 的 影 響 ， 這 樣 降 低 了 對(duì) 開 關(guān) 電 路 的 要 求 ， 提 高 了 轉(zhuǎn) 換 精 度 。 )D16ID8ID4ID2I(RRi 0123 ffO )2D2D2D2D(R2I 001122334 f 30i i4 2DR2I if (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 實(shí) 際 的 權(quán) 電 流 D/A轉(zhuǎn) 換 器 電 路 REF 3 2O 3 24 01 11 0( 2 22 )22ff RVi R D DR DD 電 壓 恒 定 各 BJT的 發(fā) 射結(jié) 電 壓 相 等基 準(zhǔn) 電 流 產(chǎn) 生 電 路 (MSB) D1 D0 (LSB) i Rf O D3 D2 S3 S2 S1 S0 8I 16I 4I 2I VREF + A1 R1 + A2 I BB IEC IEO IE1 IE2 IE3 IREF Tr T3 T2 T1 T0 TC R 2R 2R 2R 2R 2R R R R VEE I = IREF = 1RREFV 偏 置 電 流 16I + + - 7.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式 256255REFV 256129 REFV 256128REFV 256127REFV 2561REFV 2560REFV8位 D/A轉(zhuǎn) 換 器 在 單 極 性 輸 出 時(shí) 的 輸 入 /輸 出 關(guān) 系00000000 10000000 11111110 00000001 10000001 11111111 模 擬 量 數(shù) 字 量MSB LSB 常 用 雙 極 性 編 碼十進(jìn)制數(shù) 2的 補(bǔ) 碼 偏 移 二 進(jìn) 制 碼 模擬量D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0/VLS B127 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 127126 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 126 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0-1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 -1 -127 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 -12 7-128 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -128 *表 中 VLSB=VREF/256 256 222 21BREF REFREF8REFB REF1O NV VVVN V )( D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 2R1 O VREF 1 R=Rf R1 R1 + + A1 A2 NB 8 位 倒 T 形 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) D/A 轉(zhuǎn) 換 器 i 1 7.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 分 辨 率 ： 其 定 義 為 D/A轉(zhuǎn) 換 器 模 擬 輸 出 電 壓 可 能 被 分 離 的等 級(jí) 數(shù) 。 n位 DAC最 多 有 2n個(gè) 模 擬 輸 出 電 壓 。 位 數(shù) 越 多 D/A轉(zhuǎn)換 器 的 分 辨 率 越 高 。 分 辨 率 也 可 以 用 能 分 辨 的 最 小 輸 出 電 壓 與 最 大 輸 出 電 壓 之比 給 出 。 n位 D/A轉(zhuǎn) 換 器 的 分 辨 率 可 表 示 為 12 1n1、 分 辨 率 2、 轉(zhuǎn) 換 精 度 ： 轉(zhuǎn) 換 精 度 是 指 對(duì) 給 定 的 數(shù) 字 量 ， D/A轉(zhuǎn) 換 器 實(shí) 際 值與 理 論 值 之 間 的 最 大 偏 差 。 產(chǎn) 生 原 因 ： 由 于 D/A轉(zhuǎn) 換 器 中 各 元 件 參 數(shù) 值 存 在誤 差 ， 如 基 準(zhǔn) 電 壓 不 夠 穩(wěn) 定 或 運(yùn) 算 放 大 器 的 零 漂等 各 種 因 素 的 影 響 。 幾 種 轉(zhuǎn) 換 誤 差 ： 有 如 比 例 系 數(shù) 誤 差 、 失 調(diào) 誤 差 和非 線 性 誤 差 等 7.1.6 集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用(1) 數(shù) 字 式 可 編 程 增 益 控 制 電 路 D 2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I 2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 V REF D2 D7 OD0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I 2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF O - + R I OUT2I IOUT1 倒 T形 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) RDDDvRv OI 10991100 2/)2.22(/ OV IA )2.22/(2 99110010 DDD Iout1 I0 + I1 + I2 + I9 RDDDVREF 10991100 2/)2.22( 1OUTI IR/v 根 據(jù) 虛 斷 有 : REFO V (2) 脈 沖 波 產(chǎn) 生 電 路 vO Q0 Q1 Q2 Q3 CP D0 D1 D2 D 3 10V & CR CEP CET PE 1 74LS163 + A Rf I OUT1 I OUT2 D 0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 VREF AD7520 19.5 39.1 58.5 78 97.5 117 136.5 156 175.5 vO /mV D 140 100 60 20 0000 t CP 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000 74163具 同 步 清 零 功 能74163和 與 非 門 構(gòu) 成 十 進(jìn) 制 計(jì) 數(shù) 器 ：00001001 7.2 A/D 轉(zhuǎn) 換 器7.2.1 A/D轉(zhuǎn) 換 的 一 般 工 作 過 程7.2.2 并 行 比 較 型 A/D轉(zhuǎn) 換 器7.2.3 逐 次 比 較 型 A/D轉(zhuǎn) 換 器7.2.4 雙 積 分 式 A/D轉(zhuǎn) 換 器7.2.5 A/D轉(zhuǎn) 換 器 的 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo)7.2.6 集 成 A/D轉(zhuǎn) 換 器 及 其 應(yīng) 用 概 述ADC DnD0輸 出 數(shù) 字 量 I輸 入 模 擬 電 壓能 將 模 擬 電 壓 成 正 比 地 轉(zhuǎn) 換 成 對(duì) 應(yīng) 的 數(shù) 字 量 。1. A/D功 能 : 7.2 A/D 轉(zhuǎn)換器 2. A/D轉(zhuǎn) 換 器 分 類 并 聯(lián) 比 較 型 特 點(diǎn) : 轉(zhuǎn) 換 速 度 快 ,轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 10ns 1s, 但 電 路 復(fù) 雜 。 逐 次 逼 近 型 特 點(diǎn) : 轉(zhuǎn) 換 速 度 適 中 ,轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 為 幾 s 100 s, 轉(zhuǎn) 換 精 度 高 ， 在轉(zhuǎn) 換 速 度 和 硬 件 復(fù) 雜 度 之 間 達(dá) 到 一 個(gè) 很 好 的 平 衡 。 雙 積 分 型 特 點(diǎn) : 轉(zhuǎn) 換 速 度 慢 ,轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 幾 百 s 幾 ms,但 抗 干 擾 能 力 最 強(qiáng) 。 取樣時(shí) 間 上 離 散 的 信 號(hào) 保 持 、 量 化 量 值 上 也 離 散 的 信 號(hào)編碼模 擬 信 號(hào)時(shí) 間 上 和 量 值 上 都 連 續(xù) 數(shù) 字 信 號(hào)時(shí) 間 上 和 量 值 上 都 離 散7.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程 A/D轉(zhuǎn) 換 器 一 般 要 包 括 取 樣 ， 保 持 ， 量 化 及 編 碼 4個(gè) 過程 。 1. 取 樣 與 保 持 采 樣 是 將 隨 時(shí) 間 連 續(xù) 變 化 的 模擬 量 轉(zhuǎn) 換 為 在 時(shí) 間 離 散 的 模 擬 量 。 采 樣 信 號(hào) S(t)的 頻 率 愈 高 ， 所采 得 信 號(hào) 經(jīng) 低 通 濾 波 器 后 愈 能 真實(shí) 地 復(fù) 現(xiàn) 輸 入 信 號(hào) 。 合 理 的 采 樣頻 率 由 采 樣 定 理 確 定 。 采 樣 定 理 ： 設(shè) 采 樣 信 號(hào) S(t)的頻 率 為 f s， 輸 入 模 擬 信 號(hào) I(t)的最 高 頻 率 分 量 的 頻 率 為 fimax，則 fs 2fimax S(t)=1:開 關(guān) 閉 合S(t)=0:開 關(guān) 斷 開 O(t) I(t) TG S(t) 0 0 0 O (t) S(t) I (t) t t t TS I t O t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 (b) 波 形 圖 采 得 模 擬 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 為 數(shù) 字 信 號(hào) 都 需 要 一 定 時(shí) 間 ，為 了 給 后 續(xù) 的 量 化 編 碼 過 程 提 供 一 個(gè) 穩(wěn) 定 的 值 ， 在 取樣 電 路 后 要 求 將 所 采 樣 的 模 擬 信 號(hào) 保 持 一 段 時(shí) 間 。采 樣 保 持取 樣 與 保 持 電 路 及 工 作 原 理 I A1 A2 S CH 開 關(guān) 驅(qū) 動(dòng) 電 路 采 樣 保 持 控 制 電 路 O 2. 量 化 與 編 碼 數(shù) 字 信 號(hào) 在 數(shù) 值 上 是 離 散 的 。 采 樣 保 持 電 路 的 輸 出 電 壓 還 需按 某 種 近 似 方 式 歸 化 到 與 之 相 應(yīng) 的 離 散 電 平 上 ， 任 何 數(shù) 字 量 只能 是 某 個(gè) 最 小 數(shù) 量 單 位 的 整 數(shù) 倍 。 量 化 后 的 數(shù) 值 最 后 還 需 通 過 編 碼 過 程 用 一 個(gè) 代 碼 表 示 出 來 。經(jīng) 編 碼 后 得 到 的 代 碼 就 是 A/D轉(zhuǎn) 換 器 輸 出 的 數(shù) 字 量 。 量 化3.編 碼 在 量 化 過 程 中 由 于 所 采 樣 電 壓 不 一 定 能 被 整 除 ， 所 以 量 化前 后 一 定 存 在 誤 差 ， 此 誤 差 我 們 稱 之 為 量 化 誤 差 ， 用 表 示 。 量 化 誤 差 屬 原 理 誤 差 ， 它 是 無 法 消 除 的 。 A/D轉(zhuǎn) 換 器 的 位 數(shù)越 多 ， 各 離 散 電 平 之 間 的 差 值 越 小 ， 量 化 誤 差 越 小 。 兩 種 近 似 量 化 方 式 ： 只 舍 不 入 量 化 方 式 和 四 舍 五 入 的 量 化方 式 。 4.量 化 誤 差 ： 量 化 前 的 電 壓 與 量 化 后 的 電 壓 差5.量 化 方 式 LSB1max V87 01V86V85V84V83V82V81 1111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v輸 入 信 號(hào) 編 碼量 化 后電 壓a ) 只 舍 不 入 量 化 方 式 :量 化 中 把 不 足 一 個(gè) 量 化 單 位 的 部 分 舍 棄 ；對(duì) 于 等 于 或 大 于 一 個(gè) 量 化 單 位 部 分 按 一 個(gè) 量 化 單 位 處 理 。最 大 量 化 誤 差 為 ：最 小 量 化 單 位 1/8V=1LSB= 1/8 V例 ： 將 01V電 壓 轉(zhuǎn) 換 為 3位 二 進(jìn) 制 代 碼 b )四 舍 五 入 量 化 方 式 :量 化 過 程 將 不 足 半 個(gè) 量 化 單 位 部 分 舍 棄 ，對(duì) 于 等 于 或 大 于 半 個(gè) 量 化 單 位 部 分 按 一 個(gè) 量 化 單 位 處 理 。最 大 量 化 誤 差 為 ：最 小 量 化 單 位 ： 01 1111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v輸 入 信 號(hào) 編 碼模 擬電 平V1513 V1511 V159 V157 V155 V153 V151 2LSBmax =1LSB= 2/15 V2LSBmax 1/15V 例 ： 將 01V電 壓 轉(zhuǎn) 換 為 3位 二 進(jìn) 制 代 碼 7.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器 R I VREF V REF 13 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 15 V REF 1 15 R R R/2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C01 C 02 C 03 C 04 C 05 C 06 C 07 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 D 1 D 2 優(yōu)先編碼器 (LSB)D0 (MSB)0 電 壓 比 較 器輸 入 模 擬電 壓 精 密 電 阻網(wǎng) 絡(luò)精 密 參 考電 壓 V REF/13VREF/157VREF/159VREF/15 11VREF/155VREF/1513VREF/15 輸 出 數(shù)字 量1、 電 路 組 成 R I V R E F R C P R R R R R R /2 + C 1 + C 2 + C 3 + C 4 + C 5 + C 6 + C 7 C 01 C 02 C 03 C 04 C 05 C 06 C 07 1D C 1 Q I1 1D C 1 Q I2 1D C 1 Q I3 1D C 1 Q I4 1D C 1 Q I5 1D C 1 Q I6 1D C 1 Q I7 D 0 D 1 D 2 優(yōu)先編 碼器 (L S B )D 0 (M S B)0 VI=8VREF/15 111 1000 001 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 11V REF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 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觸 發(fā) 器 存儲(chǔ) ， 經(jīng) 優(yōu) 先 編 碼 器 編 碼 ， 得 到 數(shù) 字 量 輸 出 。 3、 電 路 特 點(diǎn) ： 在 并 行 A/D轉(zhuǎn) 換 器 中 ， 輸 入 電 壓 I同 時(shí) 加 到 所 有 比 較 器 的輸 入 端 。 如 不 考 慮 各 器 件 的 延 遲 ， 可 認(rèn) 為 三 位 數(shù) 字 量 是 與 I輸 入 時(shí) 刻 同 時(shí) 獲 得 的 。 所 以 它 的 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 最 短 。 缺 點(diǎn) 是 電 路 復(fù) 雜 ， 如 三 位 ADC需 7個(gè) 比 較 器 、 7個(gè) 觸 發(fā) 器 、8個(gè) 電 阻 。 位 數(shù) 越 多 ， 電 路 越 復(fù) 雜 。 為 了 解 決 提 高 分 辨 率 和 增 加 元 件 數(shù) 的 矛 盾 ， 可 以 采 取 分 級(jí) 并行 轉(zhuǎn) 換 的 方 法 。 單 片 集 成 并 行 比 較 型 A/D轉(zhuǎn) 換 器 的 產(chǎn) 品 很 多 ， 如 AD公 司 的AD9012 (TTL工 藝 8位 )、 AD9002 (ECL工 藝 ， 8位 )、 AD9020 (TTL工 藝 ， 10位 )等 。 所 加 砝 碼重 量 結(jié) 果 7.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器 逐 次 逼 近 轉(zhuǎn) 換 過 程 與 用 天 平 稱 物 重 非 常 相 似 。第 一 次 8 克 砝 碼 總 重 待 測(cè) 重 量 Wx ， 8克 砝 碼 保 留 8 克第 二 次 再 加 4克 砝 碼 總 重 仍 待 測(cè) 重 量 Wx ， 2克 砝 碼 撤 除 12 克第 四 次 再 加 1克 砝 碼 總 重 待 測(cè) 重 量 Wx ， 1克 砝 碼 保 留 13 克1. 轉(zhuǎn) 換 原 理 所 用 砝 碼 重 量 ： 8克 、 4克 、 2克 和 1克 。設(shè) 待 秤 重 量 Wx = 13克 。 1. 轉(zhuǎn) 換 原 理 I 啟 動(dòng)脈沖 CP 時(shí) 鐘 電 壓 比 較 器 控 制 邏輯 電 路 移 位 寄 位 器 數(shù) 據(jù) 寄 存 器 模 擬 量 輸 入 數(shù) 字 量 輸 出 D/A 轉(zhuǎn) 換 器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1 0 0 0 1 0 0 0 5VI 5V 1A=6.84V V REF=10V 第 一 個(gè) CP： 1. 轉(zhuǎn) 換 原 理 第 二 個(gè) CP： I 啟 動(dòng)脈沖 CP 時(shí) 鐘 電 壓 比 較 器 控 制 邏輯 電 路 移 位 寄 位 器 數(shù) 據(jù) 寄 存 器 模 擬 量 輸 入 數(shù) 字 量 輸 出 D/A 轉(zhuǎn) 換 器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 1 0 0 1 1 0 0 7.5V 10I 7.5V I=6.84V V REF=10V 1. 轉(zhuǎn) 換 原 理 第 三 個(gè) CP： I 啟 動(dòng)脈沖 CP 時(shí) 鐘 電 壓 比 較 器 控 制 邏輯 電 路 移 位 寄 位 器 數(shù) 據(jù) 寄 存 器 模 擬 量 輸 入 數(shù) 字 量 輸 出 D/A 轉(zhuǎn) 換 器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 0 1 0 1 0 1 0 6.25VI 6.25V 101A=6.84V VREF=10V 7.50000 6.2500 6.8750 6.5625 6.71875 6.796875 6.835937 0.00 5.0000 10s CP 啟 動(dòng) 脈 沖 D7 D6 D 5 D4 D 3 D2 D 1 D0 O V 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 = 80s t /s 10000000 A=6.84VVREF=10V 1010111111000000 10100000 10110000 10101000 10101100 10101110 10101111 小 結(jié) ：1、 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 精 度 越 高 ；2、 逐 次 比 較 型 A/D轉(zhuǎn) 換 器 完 成 一 次 轉(zhuǎn) 換 所 需時(shí) 間 與 其 位 數(shù) n和 時(shí) 鐘 脈 沖 頻 率 有 關(guān) ， 位 數(shù) 愈少 ， 時(shí) 鐘 頻 率 越 高 ， 轉(zhuǎn) 換 所 需 時(shí) 間 越 短 ； 7.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器1、 雙 積 分 式 A/D轉(zhuǎn) 換 器 的 基 本 指 導(dǎo) 思 想 對(duì) 輸 入 模 擬 電 壓 和 參 考 電 壓 分 別 進(jìn) 行 兩 次 積 分 ，將 輸 入 電 壓 平 均 值 變 換 成 與 之 成 正 比 的 時(shí) 間 間 隔 ，然 后 利 用 時(shí) 鐘 脈 沖 和 計(jì) 數(shù) 器 測(cè) 出 此 時(shí) 間 間 隔 ， 進(jìn) 而得 到 相 應(yīng) 的 數(shù) 字 量 輸 出 。 雙 積 分 式 A/D轉(zhuǎn) 換 器 也 稱為 電 壓 時(shí) 間 數(shù) 字 式 積 分 器 。 + + +I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FFn-1 1 Q 1 Qn-1 Qn FF1 1 FF0 1 1J C 1 K R 1J C1 K R 1J C1 K R 1J C1 1K R CP C r Dn-1 D1 D0 & 數(shù) 字 量 輸 C A B G G n級(jí) 計(jì) 數(shù) 器 定時(shí)信號(hào) (MSB) (LSB) Tc 1、 電 路 組 成 + + +I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FFn-1 1 Q 1 Qn-1 Qn FF1 1 FF0 1 1J C 1 K R 1J C1 K R 1J C1 K R 1J C1 1K R CP C r Dn-1 D1 D0 & 數(shù) 字 量 輸 C A B G G n級(jí) 計(jì) 數(shù) 器 定時(shí)信號(hào) (MSB) (LSB) Tc 0 0 0 0 0Cr信 號(hào) 將 計(jì) 數(shù) 器 清 零 ； 開 關(guān) S2閉 合 ， 待 積 分 電 容 放 電 完 畢 后 ，斷 開 S2 使 電 容 的 初 始 電 壓 為 0。2、 工 作 原 理 準(zhǔn) 備 階 段 ： t dt0 IO 1 經(jīng) 過 2n個(gè) CP11 TV I (2) 第 一 次 積 分 ：t = t0時(shí) ， 開 關(guān) S1與 A端 相 接 ， 積 分 器 開 始 對(duì) I積 分 。經(jīng) 2n個(gè) CP后 ,開 關(guān) 切 換 到 B， ， =V P。 第 一 積 分 時(shí) 間 為 2nTC + + +I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FFn-1 1 Q 1 Qn-1 Qn FF1 1 FF0 1 1J C 1 K R 1J C1 K R 1J C1 K R 1J C1 1K R CP C r Dn- D1 D0 & C A B G G n級(jí) 計(jì) 數(shù) 器 定時(shí)信號(hào) VREF加 到 積 分 器 的 輸 入 端 ， 積 分 器 反 方 向 進(jìn) 行 第 二 次 積 分 ； 當(dāng)t=t2時(shí) 積 分 器 輸 出 電 壓 O0， 比 較 器 輸 出 C=0， 時(shí) 鐘 脈 沖 控 制門 G被 關(guān) 閉 ， 計(jì) 數(shù) 停 止 。(3) 第 二 次 積 分 ： + + +I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FFn-1 1 Q1 Qn-1 Qn FF1 1 FF0 1 1J C1 K R 1J C1 K R 1J C1 K R 1J C1 1K R CP Cr Dn- D1 D0 & C A B G G n級(jí) 計(jì) 數(shù) 器 定時(shí)信號(hào) 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=2nTC 1 1 12n CP T TV V V O I01 t dt 21O 2 p REF1( ) ( ) 0ttt V V dt nREF 2 C I2V T T V n C2 IREF2 TT VV T 2=Tc n2 Ic REF2T VT V T2=t1 t2 在 計(jì) 數(shù) 器 所 計(jì) 的 數(shù) =Qn-1Q1Q0， 就 是 A/D轉(zhuǎn) 換 器 得 到 的 結(jié) 果 。 7.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器 n C2 IREF2 TT VV 優(yōu) 點(diǎn) ：1. 由 于 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 果 與 時(shí) 間 常 數(shù) RC無 關(guān) ， 從 而 消 除 了 積 分 非線 性 帶 來 的 誤 差 。2. 由 于 雙 積 分 A/D轉(zhuǎn) 換 器 在 T1時(shí) 間 內(nèi) 采 的 是 輸 入 電 壓 的 平 均 值 ，因 此 具 有 很 強(qiáng) 的 抗 工 頻 干 擾 的 能 力 。 T1=2nTC3. 只 要 求 時(shí) 鐘 源 在 一 個(gè) 轉(zhuǎn) 換 周 期 時(shí) 間 內(nèi) 保 持 穩(wěn) 定 即 可 。n2 Ic REF2T VT V 1.轉(zhuǎn) 換 精 度 7.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 單 片 集 成 A/D轉(zhuǎn) 換 器 的 轉(zhuǎn) 換 精 度 是 用 分 辨 率 和 轉(zhuǎn) 換 誤 差 來 描述 的 。 分 辨 率 : 說 明 A/D轉(zhuǎn) 換 器 對(duì) 輸 入 信 號(hào) 的 分 辨 能 力 。 通 常 以 輸 出 二 進(jìn)制 (或 十 進(jìn) 制 )數(shù) 的 位 數(shù) 表 示 。 轉(zhuǎn) 換 誤 差 ： 表 示 A/D轉(zhuǎn) 換 器 實(shí) 際 輸 出 的 數(shù) 字 量 和 理 論 上 的 輸 出 數(shù) 字量 之 間 的 差 別 。 2.轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 指 A/D轉(zhuǎn) 換 器 從 轉(zhuǎn) 換 控 制 信 號(hào) 到 來 開 始 ， 到 輸 出 端 得到 穩(wěn) 定 的 數(shù) 字 信 號(hào) 所 經(jīng) 過 的 時(shí) 間 。 A/D轉(zhuǎn) 換 器 的 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間與 轉(zhuǎn) 換 電 路 的 類 型 有 關(guān)并 行 比 較 A/D轉(zhuǎn) 換 器 的 轉(zhuǎn) 換 速 度 最 高 ,逐 次 比 較 型 A/D轉(zhuǎn) 換 器 次 之 ,間 接 A/D轉(zhuǎn) 換 器 (如 雙 積 分 A/D)的 速 度 最 慢 。 并 行 比 較 A/D轉(zhuǎn) 換 器 (8位 ） 逐 次 比 較 型 A/D轉(zhuǎn) 換 器 間 接 A/D轉(zhuǎn) 換 器 1050s50ns10ms1000ms 使 用 A/D轉(zhuǎn) 換 器 時(shí) 應(yīng) 注 意 以 下 幾點(diǎn) ： (1) 轉(zhuǎn) 換 過 程 各 信 號(hào) 的 時(shí) 序 配 合 CS RD INTR W R 數(shù) 據(jù)輸 出 高 阻 讀 數(shù) 100 s7.2.6 集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用 (2) 零 點(diǎn) 和 滿 刻 度 調(diào) 節(jié) (3) 參 考 電 壓 的 調(diào) 節(jié) (4) 接 地 模 擬 電 路 電 源 模 擬 電 路 A/D轉(zhuǎn) 換 器 數(shù) 字 電 路 電 源 數(shù) 字 電 路 A A/D、 D/A及 采 樣 保 持 芯 片 上 都 提 供 了 獨(dú) 立 的 模 擬 地 (AGND)和 數(shù) 字 地 (DGND)的 引 腳 。模 數(shù) 、 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 電 路中 要 特 別 注 意 到 地 線的 正 確 連 接 ， 否 則 干擾 很 嚴(yán) 重 ， 以 致 影 響轉(zhuǎn) 換 結(jié) 果 的 準(zhǔn) 確 性 。 在 線 路 設(shè) 計(jì) 中 ， 必 須 將 所 有 器 件 的 模 擬 地 和 數(shù) 字 地 分 別 相 連 ，然 后 將 模 擬 地 與 數(shù) 字 地 僅 在 一 點(diǎn) 上 相 連 接 。 D0 D7 控 制 總 線 至 其 它 裝 置 微 處 理 器控 制 器 接 口 D0 D7 模 擬 信 號(hào) 輸 入 I ADC0804 8位數(shù)據(jù)總線 至 其 它 裝 置 CS CS1 RD1 WR1 INTR RAM RD2/WR2 2. ADC0809的 典 型 應(yīng) 用