第九章_数模与模数转换器

1、第九章第九章模数与数模转换器模数与数模转换器9.1 D/A转换器转换器9.2 A/D转换器转换器2D/AD/A转换、转换、A/DA/D转换的应用转换的应用 模模 拟拟 传感器传感器 A/D 转换器转换器 数字控制数字控制 计算机计算机 D/A 转换器转换器 模拟模拟控制器控制器 工业生产过程控制对象工业生产过程控制对象 ADC和和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。传感器传感器(温度、压力、温度、压力、流量、应力等）流量、应力等）计算机进行数字处理计算机进行数字处理（如计算、滤波）、（如计算、滤波）、数据保存等数据保存等用模拟量作为控用模拟量作为控制

2、信号制信号本章教学目标本章教学目标正确理解正确理解D/A、A/D转换器的主要参数。转换器的主要参数。掌握并行比较、逐次比较掌握并行比较、逐次比较A/D转换器转换器(ADC)的工作原理及的工作原理及其特点。其特点。掌握倒掌握倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器(DAC)、集成、集成D/A转换器转换器7533的工作原理及相关计算。的工作原理及相关计算。正确理解正确理解D/A转换器的两种输出方式。转换器的两种输出方式。9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 9.1.3 权电流型权电流型D/A转换器转换器 9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式 9.1.5 D/A转

3、换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 9.1.6 集成集成D/A转换及其应用转换及其应用 9.1.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 9.1 D/A转换器转换器1、DAC的功能的功能: 将数字量成正比地转换与之对应的模拟量将数字量成正比地转换与之对应的模拟量 。（设（设D/A转换器的输转换器的输 入数字量为入数字量为n位）位）n位位数字量数字量模拟量模拟量05V或或010V等等9.1.1 D/A 转换器的基本原理转换器的基本原理DAC4位位8位位10位位12位位16位等位等n=2. D/A转换器的组成转换器的组成:9.1.1 D/A 转换器的基本原理转换器的基本原理 数数码码 寄寄存

4、存器器 n位位模模拟拟开开关关 解解码码 网网络络 求求和和 电电路路 基基准准电电压压 n位位数数字字量量输输入入 模模拟拟量量 输输出出 用来存放数用来存放数字量的各位字量的各位数码数码由输入数由输入数字量控制字量控制产生权电流产生权电流将权电流相将权电流相加产生与输加产生与输入成正比的入成正比的模拟电压模拟电压 i Rf=R vO S0 VREF + S1 S2 S3 + 基基准准电电压压 电电子子开开关关 R R /2 R /4 R /8 求求和和电电路路 (LSB) D2 D3 (MSBD0 D1 锁锁存存器器 数数字字量量输输入入 电电阻阻网网络络 i0 i1 I2 i2 i3 A

5、 模模拟拟量量输输出出 )iii(iRvfO0123338REFVDiR224REFVDiR112REFVDiR00REFVDiRiiiREFREFODV)DDD(DVv2222230001122339.1.1 D/A 转换器的基本原理转换器的基本原理3. D/A转换器的分类转换器的分类:9.1.1 D/A 转换器的基本原理转换器的基本原理按解码网络按解码网络结构分类结构分类 T型电阻网络型电阻网络DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC权电流权电流DAC 权电阻网络权电阻网络DAC 按模拟电子开按模拟电子开关电路分类关电路分类 CMOS开关型开关型DAC双极型开关型双极型开关型DAC 电流开关

6、型电流开关型DAC ECL电流开关型电流开关型DAC D/A 转转换换器器9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 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则将电阻则将电阻2R接地接地Di=1, Si接运算放大器反相端，电流接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路流入求和电路 电阻网络电阻网络模拟电子开关模拟电子开关求和运算放大器求和运算放大器输输出出模模拟拟电电压压输入输入4位二进制数位二进制

7、数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于处于何种位置，与何种位置，与Si相连的相连的2R电阻将接电阻将接“地地” 或虚地或虚地。 1、4位位倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器D/A转换器的倒转换器的倒T形电阻网络形电阻网络基准电源基准电源VREF提供的总电流为：提供的总电流为：I =？流过各开关支路的电流：流过各开关支路的电流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？ 2R 2R 2R 2R 2R R R R VREF I A B C D A B C D RVIREF I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/

8、16I/2I3I2I1I0流入每个流入每个2R电阻的电流从高位到低位按电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。的整数倍递减。9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R R R R +VREF + A 工作原理：工作原理：II2I1I0I3流入运放的总电流：流入运放的总电流： 012343212222IIIIDDDDi I0D0 +I1D1 +I2D2 +I3D3REF01234321()2222VDDDDR3REFi40(2 )2iiVDR9.1.2 倒倒T形电阻网

9、络形电阻网络D/A转换器转换器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R R R R +VREF + A 工作原理：工作原理：II2I1I0I3输出模拟电压：输出模拟电压： Ofi R 3ifREFi40(2 )2iRVDR 9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器工作原理：工作原理：4 位倒位倒T形电阻网络形电阻网络DAC的的输出模拟电压输出模拟电压： Ofi R 3ifREFi40(2 )2iRVDR 推广到推广到 n 位倒位倒T形电阻网络形电阻网络DAC,有：有： n 1iREFfOin0(2 )2

10、iVRDR REFfn,2VRKR令：令：n 1iBi0(2 )iND则则 O = K NB 上式表明，在电路中输入的每一个二进制数上式表明，在电路中输入的每一个二进制数NB，均能得，均能得到与之成正比的模拟电压输出。到与之成正比的模拟电压输出。 9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器2 2、集成、集成 D/A转换器转换器RF+vOA2R2R2R2R2RVREFD9D2D1D0RRR2R2RRD8D7R10KIOUT1IOUT2AD7533使用使用:1)要外接运放。要外接运放。 2)运放的反馈电阻可使用内运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻。部电阻，也可采用外接电阻

11、。9010)2(2iiiREFfODVRRv9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器RR2RIOUT1IOUT2T1T2T3T5T4T7T6T8T9VDDDiCMOS模拟开关电路模拟开关电路9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器为提高为提高D/A转换器的转换器的精度，对电路参数的要求：精度，对电路参数的要求： (1) 基准电压稳定性好；基准电压稳定性好；(2) 倒倒T形电阻网络中形电阻网络中R和和2R电阻比值的精度要高；电阻比值的精度要高；(3) 每个模拟开关的开关电压降要相等；每个模拟开关的开关电压降要相等；(4)为实现电流从高位到低位按为实现电流从高位到低

12、位按2的整数倍递减，模拟开关的整数倍递减，模拟开关 的导通电阻也相应地按的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。的整数倍递增。为进一步提高为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。转换器。 9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器9.1.3 权电流型权电流型D/A转换器转换器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + Off3210(8)1624IIIi RRDDIDD321f321040(22)222IRDDDD3fi4022iiIRDDi =1时，开

13、关时，开关Si接运放接运放的反相端的反相端; Di= 0时，开关时，开关Si接地。接地。 电电路路在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。精度。采用恒流源电路后对采用恒流源电路后对提高转换精度有什么提高转换精度有什么好处？好处？1、4位权电流位权电流D/A转换器转换器 (MSB) D1 D0 (LSB) i Rf O D3 D2 S3 S2 S1 S0 8I 16I 4I 2I VREF 16I + A1 R1 + A2

14、IBB 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 偏偏 置置 电电 流流 实际的权电流实际的权电流D/A转换器电路转换器电路REFREF1VIRREF3210O321041(2222 )2ffR Vi RDDDDRn 1iREFfOini 0122VRDR9.1.3 权电流型权电流型D/A转换器转换器输出电压或为输出电压或为0 0伏到正满度值，或为伏到正满度值，或为0 0伏到负满度值。伏到负满度值。称为单极性输出方式。称为单极性输出方式。采用单极性输出方式时，输入

15、数字量采用自然二进制码。采用单极性输出方式时，输入数字量采用自然二进制码。对对权电流权电流D/A转换器，如果转换器，如果R1=Rf ,则有则有1022niiinREFODVV对对倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器，如果转换器，如果R=Rf ,则有则有1022niiinREFODVV9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0模拟量模拟量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 09.1.4

16、D/A转换器的输出方式转换器的输出方式8位位D/A转换器在单极性输出时的输入转换器在单极性输出时的输入/输出关系输出关系)256255(refV )256129(refV )256128(refV )256127(refV )2561(refV )2560(refV D1 D0 i Rf vO Dn-1 VREF 倒T形 电阻网 络D/A 转换器 + A R1 R2 i vO + A R D1 D0 Dn-1 VREF 倒T形 电阻网 络D/A 转换器 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器单极性电压输出的电路转换器单极性电压输出的电路 反相输出反相输出 同相输出同相输出 Ofi R O21(

17、1/)i RRR9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式在实际应用中，在实际应用中，D/A转换器转换器 输入的数字量有输入的数字量有正极性也有负极性。正极性也有负极性。这就要求这就要求D/A转换器能将不同极性的数字量转换器能将不同极性的数字量对应转换为正、负极性的模拟电压，工作于对应转换为正、负极性的模拟电压，工作于双极性方式。双极性方式。双极性双极性D/A转换器常用的编码有：转换器常用的编码有：2的补码、的补码、偏移二进制码及符号偏移二进制码及符号-数值码（符号位加数数值码（符号位加数值码）等。值码）等。9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式9.1.4 D/A转换器的输

18、出方式转换器的输出方式双极性输出的双极性输出的8位位D/A转换器输入与输出关系转换器输入与输出关系十进十进制数制数2的补码的补码偏移二进制码偏移二进制码模拟量模拟量 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1D0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 O/VLSB1270 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 11271260 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 012611 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 111271 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 11271281 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0

19、 0 0 0 0128256LSBREFVV注：表中比较表比较表912和表和表911可见可见，偏移二进制码偏移二进制码与无符号二进制码与无符号二进制码形式上相同，它实际上是将二进制码对应的模拟量的形式上相同，它实际上是将二进制码对应的模拟量的0值偏移值偏移至至80H，使偏移后的数中，只有大于，使偏移后的数中，只有大于128的才是正数，而小于的才是正数，而小于128的则为负数。的则为负数。所以，若将单极性所以，若将单极性8位位D/A转换器的输出电压减去转换器的输出电压减去VREF/2(80H所所对应的模拟量），就可得到极性正确的对应的模拟量），就可得到极性正确的偏移二进制码偏移二进制码输出电压输

20、出电压。若若D/A转换器输入数字量是转换器输入数字量是2的补码，则先将它转换为的补码，则先将它转换为偏移二进制码偏移二进制码，然后输入到上述然后输入到上述D/A转换电路中就可实现其双转换电路中就可实现其双极性输出。而极性输出。而2的补码加的补码加80H并舍弃进位就可得到并舍弃进位就可得到偏移二进制偏移二进制码码。实现实现2的补码加的补码加80H只需将只需将2的补码的高位求反即可。的补码的高位求反即可。9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式双极性输出的双极性输出的8位位D/A转换器转换器 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

21、 2R1 O VREF 1 Rf = R R1 R1 + + A1 A2 NB 8 位位倒倒 T 形形电电阻阻 网网络络 D/A 转转换换器器 i 1 NBO1REF12V REF1B82VN 7REFB8(2 )2VNBREFREFREF8()222N VVV BREF256NV9.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2、 转换精度转换精度 ：是指对给定的数字量，：是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与转换器实际值与 理论值之间的最大偏差。即：转换误差的最大值理论值之间的最大偏差。即：转换误差的最大值1、分辨率：其定义为、分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离

22、的等转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。实际应用中往往用输入数字量的位数表示级数。实际应用中往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的转换器的分辨率。分辨率。 分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。给出。n位位D/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为121n 转换误差：转换误差是指转换误差：转换误差是指D/A转换器实际精度与理论转换器实际精度与理论上可达到的精度之间存在误差。上可达到的精度之间存在误差。 产生原因：由于产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳

23、定或运算放大器的零漂等各种因素的如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。影响。 几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等性误差等9.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标9.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 比例系数误差（由比例系数误差（由VREF引起）；引起）； 失调误差（由运算放大器的零点漂移引起）；失调误差（由运算放大器的零点漂移引起）； 非线性误差（由模拟开关和电阻网络中的电阻误差等引非线性误差（由模拟开关和电阻网络中的电阻误差等引起）。起）。9.1.5 D/A转换器的主要技

24、术指标转换器的主要技术指标（1 1）比例系数误差：）比例系数误差：是指实际转换特性曲线的斜率与理想是指实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差。特性曲线斜率的偏差。 REFO/VV 7/8 3/4 5/8 1/2 3/8 1/4 1/8 000 001 010 011 100 101 110 111 O 理理想想 实实际际 比比例例系系数数误误差差 如在如在n 位倒位倒T 形电阻网形电阻网络络D/A转换器中，当转换器中，当VREF偏离标准值偏离标准值VREF时，时，就会在输出端产生误差就会在输出端产生误差电压。电压。 1n0iifREFo22inDRRV 由由VREF引起的误差引起的误差

25、属于比例系数误差。属于比例系数误差。 9.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（2）失调误差：）失调误差：由由运算放大器的零点漂移引起，其大运算放大器的零点漂移引起，其大小与输入数字量无关，该误差使输出电压的转移特性曲小与输入数字量无关，该误差使输出电压的转移特性曲线发生平移线发生平移 。 REFO/VV 7/8 3/4 5/8 1/2 3/8 1/4 1/8 000 001 010 011 100 101 110 111 O 实实际际 理理想想 三位三位D/A转换器的失调误差转换器的失调误差（3 3）非线性误差）非线性误差: :是一种没有一定变化规律的误差，一般是一种没有一

26、定变化规律的误差，一般用在满刻度范围内，用偏移理想的转移特性的最大值来表用在满刻度范围内，用偏移理想的转移特性的最大值来表示。示。模拟开关处于不同的位置有不同的导通电压和导通电阻，模拟开关处于不同的位置有不同的导通电压和导通电阻，各电阻支路电阻误差不同等都可能导致非线性误差。各电阻支路电阻误差不同等都可能导致非线性误差。综上所述，高精度的综上所述，高精度的D/A转换器必需是高分辨率的转换器必需是高分辨率的D/A转换器、高稳定度的转换器、高稳定度的VREF和低零点漂移的运放和低零点漂移的运放相配合才能实现。相配合才能实现。9.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标9.1.5 D/

27、A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标3、 转换速度转换速度 ：是指当：是指当D/A转换器输入的数字量发生变化转换器输入的数字量发生变化时输出的模拟量并不能立即达到所对应的量值，它要延长时输出的模拟量并不能立即达到所对应的量值，它要延长一段时间。一段时间。4、 温度系数温度系数 ：是指在输入不变的情况下，输出模拟电压：是指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度的变化而产生的变化。一般用满刻度输出条件下温随温度的变化而产生的变化。一般用满刻度输出条件下温度每升高度每升高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。，输出电压变化的百分数作为温度系数。建立时间（建立时间（tset)：输入的数字量发生变

28、化时：输入的数字量发生变化时,输出电压变输出电压变化到相应稳定值化到相应稳定值(达到误差达到误差LSB/2时）所需时间。一般时）所需时间。一般用全用全0变到全变到全1需时表示需时表示转换速率（转换速率（SR)：大信号工作状态下模拟电压的最大变化率。：大信号工作状态下模拟电压的最大变化率。9.1.6 集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用1. 数字式可编程增益控制器数字式可编程增益控制器 D2 D7 D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R R IOUT1 IOUT2 VREF AD7533 RF 10K 10K 20K 10位位CMOS电流开关型

29、电流开关型D/A转换器转换器 9.1.6 集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用1. 数字式可编程增益控制器数字式可编程增益控制器根据虚地原理，由图得根据虚地原理，由图得 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I 2R 2R 2R + RF IOUT1 IOUT2 VREF OUT1I/IROV1110I0191222ADDD1210OOUT1019(222)IDDDR vO Q0 Q1 Q2 Q3 CPD0D1D2D3 10V & CR CEP CET PE 1 74LS163 + A Rf IOUT1 IOUT2 D0D1D2D

30、3D4D5D6D7D8D9 VREF AD7533 vO /mV D 140 100 60 20 0000 t CP 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000 74163具同步清零功能具同步清零功能74163和与非门构成十进制计数和与非门构成十进制计数器：器：00001001iiiREFODVv2290109.1.6 集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用2. 脉冲波产生电路脉冲波产生电路9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 9.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D

31、转换器转换器*9.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器 *9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 9.2 A/D 转换器转换器*9.2.6 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用 A/D转换器要将时间上连续，幅值也连续的模拟量转换为转换器要将时间上连续，幅值也连续的模拟量转换为时间上离散时间上离散，幅值也离散的数字信号。幅值也离散的数字信号。 它一般要包括它一般要包括取样取样， 保持，量化及编码保持，量化及编码4个过程个过程。A/D转换器概述转换器概述ADCDnD0输出数字量输出数字量I 输入模拟电压输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。能将模拟电压

32、成正比地转换成对应的数字量。1. A/D功能功能:2. A/D转换器分类转换器分类 并行比较型并行比较型 特点特点: 转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns 1 s, 但电路复杂。但电路复杂。 逐次逼近型逐次逼近型 特点特点: 转换速度适中转换速度适中,转换时间转换时间 为几为几 s 100 s, 转换精度转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。 双积分型双积分型 特点特点: 转换速度慢转换速度慢,转换时间转换时间 几百几百 s 几几ms,但抗干扰能但抗干扰能力最强。力最强。A/D转换器概述转换器概述9.2.1 A/D

33、转换的一般工作过程转换的一般工作过程 1. 取样与保持取样与保持 0 0 0 S(t) I (t) t t t TS O (t) O(t) I(t) T G S(t) 采样是将随时间连续变化的模采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量拟量转换为在时间离散的模拟量。 采样信号采样信号S(t)的频率愈高，所采的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定率由采样定理确定。 采样定理：设采样信号采样定理：设采样信号S(t)的频的频率为率为fs，输入模拟信号，输入模拟信号 I(t)的最的最高

34、频率分量的频率为高频率分量的频率为fimax，则则 fs 2fimax 要将取样电路每次采得模拟信号转换为数字信号都需要一定要将取样电路每次采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要加保持电路，将所采样的模拟信号保持一段时间。电路后要加保持电路，将所采样的模拟信号保持一段时间。 t t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 电路要求：电路要求：AV1 AV2= 1 ,A1 的的Ri 高，高，A2 的的Ri 高，高，A2 的的Ro低低采样采样 I A1 A2 S CH 开开关关驱

35、驱动动电电路路 采采样样保保持持控控制制电电路路 O 不能放电不能放电保持保持 （1）取样与保持电路及工作原理）取样与保持电路及工作原理9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 2. 量化与编码量化与编码为将模拟信号转换为数字量，在为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，必须将采样转换过程中，必须将采样保持电路的输出电量保持电路的输出电量，按某种近似方式归化到与之相应的离散，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一转化过程我们称为数值量化，简称量化。电平上。这一转化过程我们称为数值量化，简称量化。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数任何一个数字量的大

36、小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。倍。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。转换器输出的数字量。 量化量化编码编码9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 (1)量化及量化误差量化及量化误差量化过程中所取最小数量单位称为量化单位用量化过程中所取最小数量单位称为量化单位用 表示。它是表示。它是数字信号最低位为数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即时所对应的模拟量，即1LSB。任何一个。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。

37、数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在量化过程中由于采样电压不一定能被在量化过程中由于采样电压不一定能被 整除，所以量化前后整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差我们称之为量化误差，用不可避免地存在误差，此误差我们称之为量化误差，用 表示。表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。 两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。式。 9.2.1 A/D转换的

38、一般工作过程转换的一般工作过程 只舍不入量化方式只舍不入量化方式: :量化中把不足量化中把不足1 1个量化单位的部分舍弃；个量化单位的部分舍弃；最大量化误差为：最大量化误差为：LSB1max 四舍五入量化方式四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。其最大量化误差为：最大量大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。其最大量化误差为：最大量化误差为化误差为2LSBmax （2）两种量化方式）两种量化方式V8701VV86V85V84V83V82V81111110101100011010001

39、0000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号输入信号编码编码模拟电平模拟电平01VV1513V1511V159V157V155V153V151110101100011010001000输入信号输入信号编码编码模拟电平模拟电平0=0 v1=2/15 v2=4/15 v3=6/15 v4=8/15 v5=10/15 v6=12/15 v7=14/15 v1119.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 9.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 1、电路组成、电路组成 R I VREF VREF 13

40、 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 15 VREF 1 15 R R R/2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 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 D1 D2 优优先先编编码码器器 (LSB(MSB)0 电压比较器电压比较器输入模输入模拟电压拟电压精密电阻精密电阻网络（网络（23个电阻）个电阻）精密参精密参考电压考电压D触发器触发器VREF/153VR

41、EF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出输出数字数字量量 R I VR E F VR E F 1 3 1 5 R C P VR E F 1 1 1 5 R R R VR E F 3 1 5 VR E F 1 1 5 R R R /2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C0 1 C0 2 C0 3 C0 4 C0 5 C0 6 C0 7 1 D C 1 Q I1 1 D C 1 Q I2 1 D C 1 Q I3 1 D C 1 Q I4 1 D C 1 Q I5 1 D C 1 Q I6 1 D C

42、1 Q I7 D0 D1 D2 优优先先编编码码器器 (L S B(M S B )0 9.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 2、工作原理、工作原理11VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15VI=8VREF/1511110000001111I7的优先级最高的优先级最高001vivO 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

43、 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 11VREF/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 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出

44、状态的关系。比较器的输出状态由各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。储，经优先编码器编码，得到数字量输出。 9.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 2、工作原理、工作原理9.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 3、电路特点、电路特点在并行在并行A/D转换器中，输入电压转换器中，输入电压 I同时加到所有比较器的输同时加到所有比较器的输入端，从入端，从 I加入到三位数字量稳定输出所经历的时间为比较加入到三位数字量稳定输出所经历的时间为比较器、器、D触发器和编码器延迟时间之和。如不考虑各器件的延触发器和编码器延迟时间

45、之和。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与迟，可认为三位数字量是与 I输入时刻同时获得的。所以它输入时刻同时获得的。所以它具有最短的转换时间。具有最短的转换时间。 缺点是电路复杂，如三位缺点是电路复杂，如三位ADC需比较器的个数目为需比较器的个数目为7个，位数个，位数越多矛盾越突出。越多矛盾越突出。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。行转换的方法。 9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 。所加砝码所加砝码重量重量第一次

46、第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次再加再加4克克再加再加2克克再加再加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，8克砝码保留克砝码保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx ， 2克砝码撤除克砝码撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ， 1克砝码保留克砝码保留 结果结果8 克克12 克克12 克克13 克克 1. 转换原理转换原理 所用砝码重量：所用砝码重量：8克克、4克克、2克克和和1克。克。设待秤重量设待秤重量Wx = 13克。克。称重过程称重过程 I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器

47、数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1. 转换原理转换原理 1 0 0 0 1 0 0 0 2/REFV I VREF/2 1 I VREF/2 09.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器 I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1. 转换原理转换原理 0 1 0 0 0 1 0

48、 0 REFV4/3 I 3/4VREF 1010 I 3/4VREF 9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器 I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1. 转换原理转换原理 0 0 1 0 0 0 1 0 REFV8/5 I 5/8VREF 1010 I 5/8VREF 109.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器10000000 7.50000 6.2500 6.

49、8750 6.5625 6.71875 6.796875 6.835937 0.00 5.0000 10s CP 启启动动脉脉冲冲 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 O V 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 转转换换时时间间 = 80 s t /s A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 19.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器四位逐次比较型四位逐次比较型A/D转换器的逻辑电路如下图所示。图中五转换器的逻辑电路如下图所示。图中五位移位寄存器可进行并入位移位寄存器可进行并入/并出或串入、串出操作，其并出或串入、串出操作，其F为并

50、为并行置数端，高电平有效，行置数端，高电平有效，S为高位串行输入。数据寄存器由为高位串行输入。数据寄存器由D边沿触发器组成，数字量从边沿触发器组成，数字量从Q4Q1输出试分析电路的工作输出试分析电路的工作原理。原理。1 10 00 00 00 01 11 1 1 1 02/REFV 1 1F为并行置数端，为并行置数端，高电平有效高电平有效S为高位为高位串行输入串行输入9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器 I O D/A 转换器转换器 D1 VREF + D3 D2 D1 D0 (MSB (LSB) Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 R S C1 R S C1 1D R S C1 1D

51、 R S C1 1D R S C1 R 启动脉冲启动脉冲 1 & CP +5V +5V Q5 QE QD QC QB QA S A B C D E F CP 移位寄存器移位寄存器 +5V C FF0 FF1 FF2 FF3 FF4 G2 1D C1 1D D1D2D3 I O D/A 转换器转换器 D1 VREF + D3 D2 D1 D0 (MSB (LSB) Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 R S C1 R S C1 1D R S C1 1D R S C1 1D R S C1 R 启动脉冲启动脉冲 1 & CP +5V +5V Q5 QE QD QC QB QA S A B C D E F CP 移位寄存器移位寄