第九章数模和模数转换器

1、第九章第九章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换数字电子技术数字电子技术概述概述A/D转换转换D/A转换转换概述概述9.1 9.1 概述概述数字电子技术数字电子技术DAC和和ADC的的应应用用举举例例9.1 9.1 概述概述数字电子技术数字电子技术DAC和和ADC的应用举例的应用举例MP3播放器：播放器：9.1 9.1 概述概述数字电子技术数字电子技术DAC和和ADC的应用举例的应用举例数字温度计：数字温度计：9.1 9.1 概述概述数字电子技术数字电子技术DAC和和ADC的应用举例的应用举例数字血压计：数字血压计：9.1 9.1 概述概述数字电子技术数字电子技术 在过程控制和信息处理中

2、，经常会遇到一些连续变化的在过程控制和信息处理中，经常会遇到一些连续变化的物理量，如物理量，如话音、温度、压力、流量话音、温度、压力、流量等，它们的量值都是等，它们的量值都是随时间连续变化的。为了能使用数字电路处理模拟信号，随时间连续变化的。为了能使用数字电路处理模拟信号，必须把模拟信号转换成相应的数字信号，方能送入数字系必须把模拟信号转换成相应的数字信号，方能送入数字系统进行处理。同时，还往往要求将处理后得到的数字信号统进行处理。同时，还往往要求将处理后得到的数字信号再转换为相应的模拟信号作为最后的输出。再转换为相应的模拟信号作为最后的输出。 图图9.1.1所示即为一个典型的数字控制系统框图

3、：所示即为一个典型的数字控制系统框图：传感器传感器ADC数字控制系统数字控制系统或计算机系统或计算机系统DAC图图9.1.1 9.1.1 典型的数字控制系统框图典型的数字控制系统框图模拟控模拟控制器制器0110. .1100. .DAC和和ADC架起了数字电路与模拟电路之间的桥梁。架起了数字电路与模拟电路之间的桥梁。9.1 9.1 概述概述数字电子技术数字电子技术图图9.1.2 9.1.2 自然加权二进制码三位转换器关系图自然加权二进制码三位转换器关系图 9.1 9.1 概述概述数字电子技术数字电子技术 一、任何一、任何ADC和和DAC的使用都是同其数字编码形式密切的使用都是同其数字编码形式密

4、切相关的。在转换器的应用中，通常将数字表示为满刻度相关的。在转换器的应用中，通常将数字表示为满刻度（FSR：Full Scale Range）模拟值的一个分数，称为归一化）模拟值的一个分数，称为归一化表示法。数字的最低有效位常用表示法。数字的最低有效位常用LSB（Least Significant Bit)表示，其对应的模拟量输出为表示，其对应的模拟量输出为 ，n是数字量的位数。是数字量的位数。 二、因二、因ADC要将连续的模拟量转换为离散的数字量，所以要将连续的模拟量转换为离散的数字量，所以模拟量和数字量之间不是一一对应的关系。显然，模拟量和数字量之间不是一一对应的关系。显然，ADC存在存在

5、着固有的转换误差，这种误差称为着固有的转换误差，这种误差称为量化误差量化误差。其量化值为。其量化值为:FSRn21LSB219.1 9.1 概述概述数字电子技术数字电子技术三、转换器的主要参数三、转换器的主要参数 分辨率（分辨率（S S） 指转换器分辨模拟信号的灵敏度，也即对指转换器分辨模拟信号的灵敏度，也即对最小电压的最小电压的分辨能力分辨能力, 一般一般S= ；或者用输入数码只有最低有效；或者用输入数码只有最低有效位为位为1时的输出电压与输入数码为全时的输出电压与输入数码为全1时输出满量程电压之时输出满量程电压之比来表示，即比来表示，即S= ；有时也常用；有时也常用位数位数n来表示转换器的

6、来表示转换器的分辨率。分辨率。 转换精度转换精度 精度是转换器实际特性曲线与理想特性曲线之间的最大精度是转换器实际特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差。偏差。 误差源：失调误差、增益误差和非线性误差。误差源：失调误差、增益误差和非线性误差。 转换速度（或时间）转换速度（或时间）FSRn21121n9.1 9.1 概述概述数字电子技术数字电子技术四、四、DACDAC的分类的分类 （1）按常见类型分：）按常见类型分： 权电阻网络权电阻网络DAC 倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC 权电流型权电流型DAC 权电容网络权电容网络DAC 开关树型开关树型DAC 等等；等等； （2）按数字量的输入方式分：）

7、按数字量的输入方式分： 并行输入并行输入DAC 串行输入串行输入DAC9.1 9.1 概述概述数字电子技术数字电子技术五、五、ADC的分类的分类 （1）按常见类型分：）按常见类型分： 直接直接ADC 间接间接ADC（如时间、频率等）（如时间、频率等） （2）按数字量的输出方式分：）按数字量的输出方式分： 并行输出并行输出ADC 串行输出串行输出ADC 9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术D/AD/A转换转换DACDAC转换的基本原理：转换的基本原理：图图9.2.1 9.2.1 数模转换器示意图数模转换器示意图nrefOVXV2/nnnnnDXXXX01211222其中：

8、9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术 一般的数模转换器的基本组成可分为四部分，即：一般的数模转换器的基本组成可分为四部分，即：电阻电阻译码网络译码网络、模拟开关模拟开关、基准电压源基准电压源和和求和运算放大器求和运算放大器。图图9.2.2 9.2.2 数模转换器原理图数模转换器原理图 目前使用最广泛的目前使用最广泛的D/A转换技术有两种：转换技术有两种：权电阻权电阻网络网络D/A转换和转换和T形电阻形电阻网络网络D/A转换。转换。9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术 一个多位二进制数中每一位的一个多位二进制数中每一位的“1”所代表的数值大小所代表

9、的数值大小称为这一位的称为这一位的“权权”。下面即以图。下面即以图9.2.3为例分析权电阻网为例分析权电阻网络络DAC的转换原理：的转换原理：9.2.3 49.2.3 4位权电阻网络位权电阻网络DACDAC基准电压源基准电压源求和放大器求和放大器权电阻网络权电阻网络模拟开关模拟开关9.2.1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术CMOSCMOS模拟开关电路模拟开关电路ididiiid9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术由电路分析可得：由电路分析可得：推论：推论：对于对于n位的权电阻网络位的权电阻网络D/

10、A转换器，当反馈电转换器，当反馈电阻取为阻取为R/2时，输出电压的计算公式可写为时，输出电压的计算公式可写为结论：结论：输出电压输出电压正比于正比于输入的数字量，从而输入的数字量，从而实现了从数字量到模拟量的转换。实现了从数字量到模拟量的转换。9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术此种电路：此种电路： 优点：优点：结构比较简单，所用的电阻元件数很少；结构比较简单，所用的电阻元件数很少； 缺点：缺点：各个电阻的阻值相差较大，尤其在位数较多时。各个电阻的阻值相差较大，尤其在位数较多时。改进方法（一）：改进方法（一）：采用双级权电阻网络。采用双级权电阻网络。如下例：如下例：如何

11、求解？如何求解？9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术9.2.2 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器优点：优点：可更好地克服权电阻网络可更好地克服权电阻网络DAC中电阻阻值相差太中电阻阻值相差太大的缺点。大的缺点。例：例：9.2.4 9.2.4 倒倒T T形电阻网络形电阻网络DACDAC9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术该电路电阻网络的等效电路如下：该电路电阻网络的等效电路如下：9.2.5 9.2.5 计算倒计算倒T T形电阻网络支路电流的等效电路形电阻网络支路电流的等效电路9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字

12、电子技术推论：推论：对对n位输入的倒位输入的倒T形电阻网络形电阻网络DAC,在求和放大在求和放大器的反馈电阻阻值为器的反馈电阻阻值为R的条件下的条件下,输出模拟电压的计算输出模拟电压的计算公式为公式为:由电路分析由电路分析,可得输出电压为：可得输出电压为：9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术例例: 采用倒采用倒T形电阻网络的单片集成形电阻网络的单片集成DAC-CB7520电路原理图：电路原理图：图图9.2.6 DAC9.2.6 DACCB7520CB7520电路原理图电路原理图9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术【例【例1 1】 下图是用下图是用

13、CB7520CB7520和和74LS16174LS161组成的波形发生器电路。已组成的波形发生器电路。已知知CB7520CB7520的的V VREFREF=-10V=-10V，试画出输出电压，试画出输出电压V V0 0的波形，并标出波形图的波形，并标出波形图上各点电压的幅度。上各点电压的幅度。9.2.7 DAC9.2.7 DACCB7520CB7520应用举例应用举例9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术9.2.3 权电流型权电流型D/AD/A转换器转换器 在权电阻网络在权电阻网络DAC和倒和倒T形电阻网络形电阻网络DAC中的模拟开关在实中的模拟开关在实际应用中，总存在一

14、定的际应用中，总存在一定的导通电阻和导通压降导通电阻和导通压降，而且每个开关的，而且每个开关的情况又不完全相同，所以它们的存在无疑会引起转换误差，影响情况又不完全相同，所以它们的存在无疑会引起转换误差，影响转换精度。转换精度。 权电流型权电流型DAC可有效的解决这一问题。其示意图如下：可有效的解决这一问题。其示意图如下：图图9.2.8 9.2.8 权电流型权电流型DACDAC9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术恒流源电路常使用图恒流源电路常使用图9.2.9所示的电路结构形式：所示的电路结构形式：图图9.2.9 9.2.9 权电流型权电流型DACDAC中的恒流源中的恒流源

15、对应的输出电压为：对应的输出电压为：9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术 在实际应用的权电流型在实际应用的权电流型DAC中经常利用中经常利用倒倒T形电阻网络的形电阻网络的分流作用分流作用产生所需要的一组恒流源，如图产生所需要的一组恒流源，如图9.2.10 所示所示：图图9.2.10 9.2.10 利用倒利用倒T T形电阻网络的权电流型形电阻网络的权电流型DACDAC9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术由电路分析知：由电路分析知：推论：推论：对于输入对于输入n位二进制数码的这种电路结构的位二进制数码的这种电路结构的DAC，输出，输出 电压的计算公式

16、可写成：电压的计算公式可写成：9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术 采用这种权电流型采用这种权电流型DAC电路生产的单片集成电路生产的单片集成DAC有有DAC0806、DAC0807、DAC0808等。这些器件都采用等。这些器件都采用双极型工艺制作，工作速度很高。双极型工艺制作，工作速度很高。图图9.2.11 DAC08089.2.11 DAC0808的电路结构框图的电路结构框图9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术图图9.2.12 DAC08089.2.12 DAC0808的典型应用的典型应用9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电

17、子技术9.2.4 具有双极性输出的具有双极性输出的D/A转换器转换器 前面讲的前面讲的DAC输出电压都是单极性的，得不到正、输出电压都是单极性的，得不到正、负极性的输出电压。而具有双极性输出的负极性的输出电压。而具有双极性输出的DAC能够能够把把以补码形式输入以补码形式输入的正负数分别转换成正负极性的的正负数分别转换成正负极性的模拟电压。模拟电压。 下面以输入为下面以输入为3位二进制补码的情况为例，说明位二进制补码的情况为例，说明转换的原理。转换的原理。9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术符号位符号位数值位数值位表表7-2-1 7-2-1 输入为输入为3 3位二进位二进

18、制补码时要求制补码时要求DACDAC的输出的输出表表7-2-2 7-2-2 具有偏移具有偏移的的DACDAC的输出的输出9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术其中，由其中，由RB和和VB组成偏移电路，门组成偏移电路，门G完成符号位的取反。完成符号位的取反。为使输入代码为为使输入代码为000时的输出电压等于零，需使下式成立：时的输出电压等于零，需使下式成立： 图图9.2.13 具有双极性输出电压的具有双极性输出电压的DAC偏移电路偏移电路符号取反符号取反9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术9.2.5 D/AD/A转换器的转换精度与转换速度转换器的转换

19、精度与转换速度一、一、DACDAC的转换精度的转换精度 在在DAC中通常用中通常用分辨率分辨率和和转换误差转换误差来描述来描述转换精度转换精度。 由于由于DAC的各个环节在参数和性能上和理论值之间不的各个环节在参数和性能上和理论值之间不可避免的存在着差异，所以实际能达到的转换精度要由可避免的存在着差异，所以实际能达到的转换精度要由转转换误差换误差来决定。来决定。 表示由各种因素引起的转换误差的一个综合性指标称表示由各种因素引起的转换误差的一个综合性指标称为为线性误差线性误差。线性误差表示实际的。线性误差表示实际的D/A转换特性和理想转转换特性和理想转换特性之间的最大偏差，如图换特性之间的最大偏

20、差，如图9.2.11 所示。线性误差一般所示。线性误差一般用最低有效位的倍数表示。用最低有效位的倍数表示。9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术图图9.2.11 DAC9.2.11 DAC的转换特性曲线的转换特性曲线9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术造成造成DAC转换误差的原因有转换误差的原因有: * 参考电压参考电压VREF的波动的波动 * 运算放大器运算放大器的零点漂移的零点漂移 * 模拟开关模拟开关的导通内阻和导通压降的导通内阻和导通压降 * 电阻网络电阻网络中电阻阻值的偏差中电阻阻值的偏差 * 三极管特性的不一致三极管特性的不一致 等等。

21、等等。9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术由不同因素所导致的转换误差各有不同的特点：由不同因素所导致的转换误差各有不同的特点： 1）若）若VREF偏离标准值偏离标准值VREF，则由，则由VREF引起的引起的转换误差叫做转换误差叫做比例系数误差比例系数误差，用，用VO1表示。图表示。图9.2.12中虚线表示出了当中虚线表示出了当VREF一定时一定时VO值偏离理论值的情值偏离理论值的情况。况。图图9.2.12 9.2.12 比例系数误差比例系数误差9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术2）由运算放大器的零点漂移造成的输出电压误差叫）由运算放大器的零点漂

22、移造成的输出电压误差叫做做漂移误差漂移误差或或平移误差平移误差，用，用VO2表示，如图表示，如图9.2.13中虚线所示：中虚线所示：图图9.2.13 9.2.13 漂移误差漂移误差9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术3）由于）由于模拟开关的导通内阻和导通压降都不可能真正等于零模拟开关的导通内阻和导通压降都不可能真正等于零，因而它们的存，因而它们的存在也必将在输出端产生误差电压在也必将在输出端产生误差电压VO3，这种性质的误差叫做，这种性质的误差叫做非线性误差非线性误差。4）产生非线性误差的另一个原因是）产生非线性误差的另一个原因是电阻网络中电阻阻值的偏差电阻网络中电阻阻

23、值的偏差，其中也包含，其中也包含了模拟开关导通电阻所带来的误差。在输出端产生的误差电压了模拟开关导通电阻所带来的误差。在输出端产生的误差电压VO4与输入与输入数字量之间也是一种数字量之间也是一种非线性关系非线性关系。这两种误差示于图这两种误差示于图9.2.14中。中。图图9.2.14 9.2.14 非线性误差非线性误差9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术 因为这几种误差电压之间不存在固定的函数关系，所以最因为这几种误差电压之间不存在固定的函数关系，所以最坏的情况下输出总的误差电压等于它们的绝对值相加，即坏的情况下输出总的误差电压等于它们的绝对值相加，即说明：说明：为获得

24、高精度的为获得高精度的DAC，单纯依靠选用高分辨率的，单纯依靠选用高分辨率的DAC器器件是不够的，还必须具有高稳定度的参考电压源件是不够的，还必须具有高稳定度的参考电压源VREF和低漂移和低漂移的运算放大器与之配合使用，才可能获得较高的转换精度。的运算放大器与之配合使用，才可能获得较高的转换精度。 以上讨论的都是静态误差，对于动态误差，可在以上讨论的都是静态误差，对于动态误差，可在DAC的输的输出端附加出端附加采样采样保持电路保持电路。【例【例2 2】在图在图9.2.69.2.6的倒的倒T T形电阻网络形电阻网络(CB7520)DAC(CB7520)DAC中，外接参中，外接参考电压考电压V V

25、REFREF=-10V=-10V。为保证。为保证V VREFREF偏离标准值所引起的最大误差小偏离标准值所引起的最大误差小于于1/2LSB1/2LSB，试计算，试计算V VREFREF的相对稳定度应取多少的相对稳定度应取多少? ?9.2 D/A9.2 D/A转换转换数字电子技术数字电子技术图图9.2.18 DAC9.2.18 DAC的建立时间的建立时间二、二、DACDAC的转换速度的转换速度 通常用通常用建立时间建立时间tset 来定量描述来定量描述DAC的转换速度。的转换速度。 建立时间建立时间tset是这样定义的：是这样定义的：从输入的数字量发生突从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压进

26、入与稳态值相差变开始，直到输出电压进入与稳态值相差1/2LSB范围范围以内的这段时间，称为建立时间以内的这段时间，称为建立时间tset，如图所示：如图所示：9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术A/DA/D转换转换 A/D转换应用举例：转换应用举例：01001101ADC010111CCD阵列阵列+ADC0101119.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术 A/DA/D转换的基本原理：转换的基本原理：nrefinVVX2，其中，其中BVnref2为为n位位ADC参考量，则参考量，则BVXin 通常通常A/D转换位数转换位数n越大，误差越小。越大，误差越

27、小。 要实现将连续变化的模拟量变为离散的数字量，要实现将连续变化的模拟量变为离散的数字量，需经过四个步骤：需经过四个步骤：采样、保持、量化、编码采样、保持、量化、编码，一般前，一般前两步由采样两步由采样-保持电路完成，量化和编码由保持电路完成，量化和编码由ADC完成。完成。图图9.3.1 模数转换示意图模数转换示意图9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术一、取样定理一、取样定理9.3.3所示。通常取所示。通常取fs=（35）fi(max)即可满足要求。即可满足要求。图图9.3.2 对输入模拟信号的取样对输入模拟信号的取样图图9.3.3 还原取样信号所用滤波器的频率特性还原

28、取样信号所用滤波器的频率特性9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术二、量化与编码二、量化与编码 量化量化 将采样保持电路输出的样值电平归化到与之相接近的将采样保持电路输出的样值电平归化到与之相接近的离散数字电平。离散数字电平。 量化单位量化单位 把取样电压表示为某个最小数量单位的整数倍，这个把取样电压表示为某个最小数量单位的整数倍，这个最小数量单位叫最小数量单位叫量化单位量化单位，用，用表示，显然，表示，显然，=1LSB。 编码编码 把量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是其他进把量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是其他进制）表示出来。制）表示出来。 量化误差量化误

29、差 将模拟电压信号划分为不同的量化等级时采用的方法不将模拟电压信号划分为不同的量化等级时采用的方法不同，其量化误差也不同。同，其量化误差也不同。9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术图图9.3.4 9.3.4 划分量化电平的两种不同方法的比较划分量化电平的两种不同方法的比较只舍不入只舍不入有舍有入有舍有入9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术9.3.1 采样采样- -保持电路保持电路图图9.3.5 采样器及波形图采样器及波形图 所谓所谓采样采样，即将一个时间上，即将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟量。采样需

30、遵循采样离散的模拟量。采样需遵循采样定理。定理。 所谓所谓保持保持，即将样值脉冲的，即将样值脉冲的幅度，也就是采样期间的幅度，也就是采样期间的Vi（t）保持下来，直到下次采样。保持下来，直到下次采样。 采样采样保持的精度及性能极保持的精度及性能极大地影响大地影响A/D转换器的精度。转换器的精度。 通常将采样器和保持电路总通常将采样器和保持电路总称为称为采样采样保持电路保持电路。图。图9.3.6给给出了两种采样出了两种采样保持电路及输出保持电路及输出波形图。波形图。9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术这两种电路的共同这两种电路的共同缺点缺点：采样速度比较慢。：采样速度比较

31、慢。图图9.3.6 两种采样两种采样-保持电路及输出波形保持电路及输出波形采样采样保持保持R1=R29.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术采样保持改进实用电路：采样保持改进实用电路：电压跟随器电压跟随器9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术实例实例：单片集成取样：单片集成取样保持电路保持电路LF198。图图9.3.7 9.3.7 集成采样集成采样- -保持电路保持电路LF198LF198（a a）电路结构）电路结构 （b b）典型接法）典型接法课外阅读课外阅读9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术 A/D转换器的分类：转换器的分

32、类：ADC直接直接ADC间接间接ADCV-T变换型变换型V-F变换型变换型并联比较型并联比较型反馈比较型反馈比较型计数型计数型逐次渐近型逐次渐近型双积分型双积分型9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术9.3.2 直接直接ADCADC 直接直接ADC能把输入的模拟电压信号能把输入的模拟电压信号直接转换直接转换为输出的数字量而不需要经过中间变量。常用为输出的数字量而不需要经过中间变量。常用的有的有并联比较型并联比较型和和反馈比较型反馈比较型两类。两类。9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术一、并联比较型一、并联比较型ADCADC图图9.3.8 9.3.8

33、 并联比较型并联比较型ADCADC电路图电路图9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术表表7-3-1 图图9.3.8电路的代码转换表电路的代码转换表如何设计代码如何设计代码转换电路？转换电路？9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术影响并联比较型影响并联比较型A/D转换器转换器转换精度的主要因素转换精度的主要因素： * 量化电平（量化电平（）的划分）的划分，这是主要因素；，这是主要因素； * 参考电压参考电压VREF的稳定度；的稳定度； * 分压电阻相对精度；分压电阻相对精度； * 电压比较器灵敏度，等等。电压比较器灵敏度，等等。并联比较型并联比较型AD

34、C的主要的主要优点优点： * 转换速度快转换速度快：如：如8位输出的转换时间可达位输出的转换时间可达50ns以下；以下； * 含有比较器和寄存器的含有比较器和寄存器的ADC可不附加可不附加采样采样-保持电路。保持电路。并联比较型并联比较型ADC的主要的主要缺点缺点： * 需要用很多的电压比较器和触发器需要用很多的电压比较器和触发器：如：如n位二进制代码转换位二进制代码转换 器器中应当有中应当有2n-1个电压比较器和个电压比较器和2n-1个触发器，个触发器，电路相当庞大电路相当庞大。9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术二、反馈比较型二、反馈比较型ADCADC 工作原理：工

35、作原理：取一个数字量取一个数字量加到加到DAC上，于是得到上，于是得到一个对应的输出模拟电压。将这个模拟电压和输入的一个对应的输出模拟电压。将这个模拟电压和输入的模拟电压信号相比较。若两者不等，则调整所取的数模拟电压信号相比较。若两者不等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的这个字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的这个数字量就是所求的转换结果。数字量就是所求的转换结果。 反馈比较型反馈比较型ADC常采用常采用计数型计数型和和逐次渐近型逐次渐近型两种两种方案。方案。9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术（一）计数型反馈比较型（一）计数型反馈比较型A

36、DCADC图图9.3.9 9.3.9 计数型计数型ADCADC电路工作原理图电路工作原理图这种电路的这种电路的优点优点：电路非常简单电路非常简单。 缺点缺点：转换时间太长转换时间太长。如当输出为。如当输出为n位二进制数码时，位二进制数码时，最长的转换时间可达（最长的转换时间可达（2n-1）倍的时钟信号周期。）倍的时钟信号周期。9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术例例7-3-1 7-3-1 计数型计数型ADCADC电路分析计算电路分析计算某计数型某计数型ADCADC电路如下图所示。其中，计数器为电路如下图所示。其中，计数器为8 8位二进制加法计数器，位二进制加法计数器，已

37、知时钟已知时钟CPCP的频率的频率f=100kHzf=100kHz。1 1、试问完成一次最长的、试问完成一次最长的A/DA/D转换需要多少时间？转换需要多少时间？2 2、若已知、若已知8 bit DAC8 bit DAC的最高输出电压为的最高输出电压为9.18V9.18V，当，当V VI I=5.410V=5.410V时，电路的时，电路的输出状态输出状态D=QD=Q7 7Q Q6 6Q Q0 0是什么？完成这次转换所需的时间是多少？是什么？完成这次转换所需的时间是多少？9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术（二）逐次渐近型反馈比较型（二）逐次渐近型反馈比较型ADCADC图

38、图9.3.10 9.3.10 逐次渐近型逐次渐近型ADCADC电路工作原理图电路工作原理图9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术例：例：图图9.3.11 3位位逐次渐近型逐次渐近型ADC的电路原理图的电路原理图9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术逐次渐近型逐次渐近型ADC的的优点优点： * 转换速度虽比并联比较型转换速度虽比并联比较型ADC低，却比计数型低，却比计数型ADC快得多。如快得多。如n位逐次渐近型位逐次渐近型ADC完成一次转换所需的时间仅为完成一次转换所需的时间仅为（n+2）个时钟信号周个时钟信号周期的时间。期的时间。 * 逐次渐近型逐次

39、渐近型ADC的电路规模比并联比较型小得多。的电路规模比并联比较型小得多。 * 逐次渐近型逐次渐近型ADC是目前集成是目前集成ADC产品产品中中用得最多用得最多的一种电路。的一种电路。例例7-3-2 7-3-2 逐次渐近型逐次渐近型ADCADC电路分析计算电路分析计算某逐次渐近型某逐次渐近型ADCADC电路原理框图如下图（电路原理框图如下图（a a）所示。）所示。1 1、试说明逐次渐近型、试说明逐次渐近型ADCADC完成一次转换需要多少时间？完成一次转换需要多少时间？2 2、若已知、若已知8 bit DAC8 bit DAC的最高输出电压的最高输出电压Vo(max)=9.945VVo(max)=

40、9.945V，时钟频率，时钟频率f=100kHzf=100kHz，当，当V VI I=6.436V=6.436V时，电路的输出状态时，电路的输出状态D=QD=Q7 7Q Q6 6Q Q0 0是什么？完成是什么？完成这次转换的时间是多少？这次转换的时间是多少？3 3、V VI I和和V VO O的波形如图中（的波形如图中（b b）所示，对应的电路的输出状态是什么？）所示，对应的电路的输出状态是什么？9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术（a）（b）9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术9.3.3 间接间接ADCADC 目前使用的间接目前使用的间接ADC

41、大多都属于电压大多都属于电压-时间变换型（时间变换型（V-T变换型变换型）和电压）和电压-频率变换型（频率变换型（V-F变换型变换型）两类。）两类。 在在V-T变换型变换型ADC中，首先将输入的模拟电压信号转中，首先将输入的模拟电压信号转换成与之成正比的换成与之成正比的时间宽度信号时间宽度信号，然后在这个时间宽度里，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果计数结果就是正比于输入模就是正比于输入模拟电压的数字信号。拟电压的数字信号。 在在V-F变换型变换型ADC中，则首先将输入的模拟电压信号转中，则首先将输入的模拟电压信号转换成与之成正比的换成与之成正比的

42、频率信号频率信号，然后在一个固定的时间间隔里，然后在一个固定的时间间隔里对得到的频率信号计数，所得的计数结果就是正比于输入模对得到的频率信号计数，所得的计数结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。拟电压的数字信号。9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术一、双积分型一、双积分型V-TV-T变换型变换型ADCADC图图9.3.129.3.12双积分型双积分型A/DA/D转换器的结构框图转换器的结构框图9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术图图9.3.13 双积分型双积分型A/D转换器的电压波形图转换器的电压波形图9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子

43、技术数字电子技术 为实现对上述双积分过程的控制，可用下图所示的逻辑电路来完成。为实现对上述双积分过程的控制，可用下图所示的逻辑电路来完成。 由图可见，控制逻辑电路由一个由图可见，控制逻辑电路由一个n位计数器、附加触发器位计数器、附加触发器FFA、模拟开、模拟开关关S0和和S1的驱动电路的驱动电路L0和和L1、控制门、控制门G所组成。所组成。图图9.3.14 9.3.14 双积分型双积分型A/DA/D转换器的控制逻辑电路转换器的控制逻辑电路9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术双积分型双积分型A/DA/D转换器的转换器的优点优点： 最突出的优点是最突出的优点是工作性能比较稳

44、定工作性能比较稳定。 表现在：只要在两次积分期间表现在：只要在两次积分期间R R、C C的参数相同，则转换结果的参数相同，则转换结果与与R R、C C的参数无关；在取的参数无关；在取T T1 1=NT=NTC C的情况下转换结果与时钟信号周期的情况下转换结果与时钟信号周期无关。所以完全可以用精度比较低的元器件制成精度很高的双积无关。所以完全可以用精度比较低的元器件制成精度很高的双积分型分型A/DA/D转换器。转换器。 另一个优点是另一个优点是抗干扰能力比较强抗干扰能力比较强。 因为转换器的输入端使用了积分器，所以对因为转换器的输入端使用了积分器，所以对平均值为零平均值为零的各的各种噪声有很强的

45、抑制能力。在积分时间等于交流电网周期的整数种噪声有很强的抑制能力。在积分时间等于交流电网周期的整数倍时，能有效地抑制来自电网的工频干扰。倍时，能有效地抑制来自电网的工频干扰。9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术 主要缺点是主要缺点是工作速度低工作速度低。完成最长一次转换所需。完成最长一次转换所需的时间为：的时间为：Tmax=(2n+1-1)Tcp ，转换速度一般都在，转换速度一般都在每秒几十次以内。每秒几十次以内。双积分型双积分型A/DA/D转换器的转换器的缺点缺点：影响双积分型影响双积分型A/D转换器转换器转换精度的主要因素转换精度的主要因素： 计数器的位数；计数器的

46、位数； 比较器的灵敏度；比较器的灵敏度； 运算放大器和比较器的零点漂移；运算放大器和比较器的零点漂移； 积分电容的漏电；积分电容的漏电； 时钟频率的瞬时波动：多采用晶振作脉冲源；时钟频率的瞬时波动：多采用晶振作脉冲源； 等等。等等。9.3 A/D9.3 A/D转换转换数字电子技术数字电子技术例例7-3-3 7-3-3 双积分型双积分型ADCADC电路分析计算电路分析计算某双积分型某双积分型ADCADC电路原理框图如下图所示。电路原理框图如下图所示。1 1、试导出电路的输出与输入量之间的关系。、试导出电路的输出与输入量之间的关系。2 2、若已知计数器的位长为、若已知计数器的位长为10bit10bit，T Tcpcp=10s=10s，-V-Vrefref=-12V=-12V，在，在V VI I=+3V=+3V时，完成转换后的状态是什么？完成这次转换的时间是多少？时，完成转换后的状态是什么