数字电路第11章2013

1、第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换第十一章第十一章 数数-模和模模和模-数转换数转换概述概述应用知识应用知识第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换第一节第一节 概概 述述 大多数物理量都可以转换为模拟电信号，它们必须经大多数物理量都可以转换为模拟电信号，它们必须经ADC转换为数字信号后才能送计算机进行处理。同样，计算机输出转换为数字信号后才能送计算机进行处理。同样，计算机输出的数字信号必须经的数字信号必须经DAC转换为模拟信号后才能被某些类型的执转换为模拟信号后才能被某些类型的执行机构所接收。行机构所接收。模数转换器和数模转换器是沟通模拟电路和数字电

2、路模数转换器和数模转换器是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，是数字电子技术中的重要组成部分的桥梁，是数字电子技术中的重要组成部分第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 D/A转换器的作用是将数字量转换为相应的模拟量。转换器的作用是将数字量转换为相应的模拟量。例如：对于例如：对于0 5V的直流电压，计算机用的直流电压，计算机用8位数字量来描位数字量来描述时：最小值（述时：最小值（00000000）B = 0对应对应0V， 最大值（最大值（11111111）B = 255 对应对应 5V， 中间值（中间值（01111111）B = 127 对应对应2. 5V 等等。等等。 D/A的

3、任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的的任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的电压。比如收到（电压。比如收到（00111111）B ，应给出幅度为应给出幅度为1.25V 的的电压。电压。第二节第二节 D/A转换器转换器第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换第二节第二节 D/A转换器转换器一、权电阻网络一、权电阻网络D/A转换器转换器这是一个这是一个4位位D/A转换器，图上的转换器，图上的开关开关Si是受数字位是受数字位di控制的，当控制的，当di=0时开关接地，否时开关接地，否则，开关接则，开关接VREF由于电路是线性由于电路是线性电路，所以可以电路，所以可以用叠加原理

4、进行用叠加原理进行分析。分析。 数模转换就是将离散的数字数模转换就是将离散的数字量转换为连续变化的模拟量，量转换为连续变化的模拟量，实现该功能的电路或器件称为实现该功能的电路或器件称为数模转换电路，通常称为数模转换电路，通常称为D/A转换器或转换器或DAC(Digital Analog Converter)。 DAC电路应由以下几部分构电路应由以下几部分构成：参考电压源、求和运算放成：参考电压源、求和运算放大器、权产生电阻网络。大器、权产生电阻网络。权电阻网络权电阻网络D/A转换器、倒梯形电阻网络转换器、倒梯形电阻网络D/A转换器、权电流型转换器、权电流型D/A转换器、权电容网络转换器、权电容

5、网络D/A转换器以及开关树型转换器以及开关树型D/A转换器等转换器等。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 iRVFo1 当仅当仅d0接有参考电压，其余接地时，电路如图。接有参考电压，其余接地时，电路如图。004032222/dVdVRRREFREF 第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换0040312222/dVdVRRVREFREFo 1141222222/dVdVRRVREFREFo 224232222/dVdVRRVREFREFo133434222/dVdVRRVREFREFo )2222(2001122334ddddVVREFo noDV 4

6、42DVVREFonnREFoDVV2第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 如果增加数码的位数，在权电阻网络如果增加数码的位数，在权电阻网络D/A转换器的电路中转换器的电路中的电阻数值差别就会加大，的电阻数值差别就会加大，IC制造工艺很难确保其精度。制造工艺很难确保其精度。二、倒二、倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器这是一个这是一个4位位D/A转换器，转换器，图上的开关图上的开关Si是受数字位是受数字位di控制的，当控制的，当di=0时开关接时开关接地，否则，开地，否则，开关接关接V第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 分别从分别从AA，BB

7、，CC，DD端口端口向左看过去的向左看过去的等效电阻都是等效电阻都是 R，显然，显然DD端口的电压为端口的电压为VREF， CC端端口的电压为口的电压为VREF/2， BB端口的电压为端口的电压为VREF/4， AA端口的电压为端口的电压为VREF/8。 运放的反向输入端是运放的反向输入端是“虚地虚地”的，所以不论开关的，所以不论开关Si合到那合到那一边，转换网络都可以等效为下面的电路。一边，转换网络都可以等效为下面的电路。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换440011223342)2222(2DVddddVVREFREFo 在分析电阻网络在分析电阻网络D/A转换器的时

8、候，都把模拟开关当作理转换器的时候，都把模拟开关当作理想开关处理，其实开关导通电阻会影响转换精度。想开关处理，其实开关导通电阻会影响转换精度。RVIREF 012316842dIdIdIdIi 第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换三、权电流型三、权电流型D/A转换器转换器 这是一个这是一个4位位D/A转换器，图上的开关转换器，图上的开关Si是受数字位是受数字位di控制的，控制的，当当di = 0时开关接地，否则，开关接运放的反向输入端。时开关接地，否则，开关接运放的反向输入端。每个恒流源电流的数值与输入的二进制数对应位的每个恒流源电流的数值与输入的二进制数对应位的“权权”

9、成正比。成正比。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 为了电流恒定，应当为了电流恒定，应当确保确保REi两端的电压恒定两端的电压恒定.)2222(2)16842(0011223340123ddddRIRdIdIdIdIRiVFFFo显然显然:恒流源常采用图示结构恒流源常采用图示结构EiEEbeBiRVVVI 第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换四、四、 DAC的主要技术指标的主要技术指标 分辨率用来表示分辨率用来表示DAC能够分辨输出最小电压的能力。能够分辨输出最小电压的能力。分辨分辨率也可用率也可用DAC输出的最小电压与输出最大电压之比表示。输出的

10、最小电压与输出最大电压之比表示。输出输出最小电压是指输入数字量只有最低有效位为最小电压是指输入数字量只有最低有效位为1时的输出电压。输时的输出电压。输出最大电压是指输入数字量各位全为出最大电压是指输入数字量各位全为1时的输出电压。时的输出电压。 DAC的位数越高，它的分辨率就越小。分辨率小说明在相的位数越高，它的分辨率就越小。分辨率小说明在相同条件下，输出最小电压小。同条件下，输出最小电压小。l l、分辨率、分辨率121n分辨率n为被转换的二进制数的位数为被转换的二进制数的位数 分辨率可用分辨率可用DAC的位数表示。的位数表示。n位位DAC的输出电压能够给的输出电压能够给出出2n个不同的数量等

11、级。当然个不同的数量等级。当然DAC的位数高，它的输出电压等的位数高，它的输出电压等级就多，每个电压等级对应的电压值就越小。这从理论上讲可级就多，每个电压等级对应的电压值就越小。这从理论上讲可以表示以表示DAC的精度。的精度。（一）转换精度（一）转换精度第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换2、转换误差转换误差 由于由于DAC的各环节不可避免地存在参数和性能方面的误差，的各环节不可避免地存在参数和性能方面的误差，使得使得DAC也不可避免地存在误差。转换误差常用输出电压满刻也不可避免地存在误差。转换误差常用输出电压满刻度度FSR的百分数表示。的百分数表示。 例如例如AD752

12、0的线性误差等于的线性误差等于0.05%FSR，就是说转换误差，就是说转换误差等于满刻度的万分之五。等于满刻度的万分之五。 如果给出的转换误差等于如果给出的转换误差等于1/2LSB，就是说输出电压的绝对，就是说输出电压的绝对误差小于或等于输入只有最低有效位为误差小于或等于输入只有最低有效位为1时的输出模拟电压的时的输出模拟电压的一半。一半。 有的也用最低有效位的倍数来表示。有的也用最低有效位的倍数来表示。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 (1) 比例系数误差比例系数误差：VREF波动引起的误差。波动引起的误差。 DAC产生误差的主要原因有参考电压产生误差的主要原因有参

13、考电压VREF的波动，运算放的波动，运算放大器的零点漂移，电阻网络中电阻的阻值偏差，模拟开关的导大器的零点漂移，电阻网络中电阻的阻值偏差，模拟开关的导通电阻和导通电压的变化等。通电阻和导通电压的变化等。 (2) 漂移误差漂移误差：由运算放大器的零点漂移引起的。：由运算放大器的零点漂移引起的。 (3) 非线性误差非线性误差： (a) 由于模拟开关的导通电阻和导通电压不等于由于模拟开关的导通电阻和导通电压不等于0，而且每，而且每个模拟开关的导通电阻和电压也不等，模拟开关接个模拟开关的导通电阻和电压也不等，模拟开关接VREF和接地和接地时的压降也不一定相等。这些原因使得误差电压不仅不是常数，时的压降

14、也不一定相等。这些原因使得误差电压不仅不是常数，而且又不与输入数字量成正比。这种性质的误差叫做非线性误而且又不与输入数字量成正比。这种性质的误差叫做非线性误差。差。 (b) 电阻网络中的电阻值存在偏差。每个支路的阻值偏差也电阻网络中的电阻值存在偏差。每个支路的阻值偏差也不同。不同支路上的电阻阻值偏差对输出电压的影响也不同。不同。不同支路上的电阻阻值偏差对输出电压的影响也不同。这也使得误差电压与输入数字量之间不存在线性关系。这也使得误差电压与输入数字量之间不存在线性关系。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 一些产品通常规定为输入由全一些产品通常规定为输入由全0变为全变为全

15、1(或由全或由全1变为全变为全0)起，到输出稳定电压的一段时间。建立时间短，说明该起，到输出稳定电压的一段时间。建立时间短，说明该DAC的的转换速度快。转换速度快。 通常，不包含参考电压电源和运算放大器的通常，不包含参考电压电源和运算放大器的DAC，建立时，建立时间最短可在间最短可在0.l微秒以内。而包含参考电压电源和运算放大器的微秒以内。而包含参考电压电源和运算放大器的DAC，建立时间最短的可达，建立时间最短的可达1.5微秒。微秒。 建立时间建立时间t tsetset DAC的指标不止这些。在使用的指标不止这些。在使用DAC时还必须查手册，了时还必须查手册，了解其他参数。解其他参数。 （ 二

16、）转换速度二）转换速度 从输入数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值从输入数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值相差相差1/2LSB范围以内的这段时间。范围以内的这段时间。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 第三节第三节 A/D转换器转换器一、模数转换的基本过程一、模数转换的基本过程 模拟信号是一种幅度上及时间上都是连续的信号，而数字模拟信号是一种幅度上及时间上都是连续的信号，而数字信号是一种幅度及时间上皆离散的信号，要将模拟信号转换为信号是一种幅度及时间上皆离散的信号，要将模拟信号转换为数字就需要完成这两个方面的转换。数字就需要完成这两个方面的转换。 首先

17、是将时间上进行离散化处理，完成这一步是通过取样首先是将时间上进行离散化处理，完成这一步是通过取样来实现的。来实现的。 另一步幅度离散是通过量化来实现的。另一步幅度离散是通过量化来实现的。 A/D转换实际的过程分为转换实际的过程分为： 取样、保持、量化、编码四个过程。取样、保持、量化、编码四个过程。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换取样（取样（Sample） 取样就是将一个时间上连续的模拟信号转换为时间上离散取样就是将一个时间上连续的模拟信号转换为时间上离散变化的信号。具体说就是将随时间连续变化的信号转换为一串变化的信号。具体说就是将随时间连续变化的信号转换为一串脉冲，这

18、个脉冲是等距离的，并且其幅度取决于输入的模拟量。脉冲，这个脉冲是等距离的，并且其幅度取决于输入的模拟量。如如下图下图所示所示: 在图中，如果取样频率较低时其输出的波形将不能严格保在图中，如果取样频率较低时其输出的波形将不能严格保留输入信号的信息，如果取样频率较高时，其转换的输出与输留输入信号的信息，如果取样频率较高时，其转换的输出与输入波形形状能做到较好的一致入波形形状能做到较好的一致。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 在图中，如果取样频率较低时其输出的波形将不能严格保在图中，如果取样频率较低时其输出的波形将不能严格保留输入信号的信息，如果取样频率较高时，其转换的输出

19、与输留输入信号的信息，如果取样频率较高时，其转换的输出与输入波形形状能做到较好的一致入波形形状能做到较好的一致。 这频率的选择原则根据一个著名的定理，即这频率的选择原则根据一个著名的定理，即取样定理取样定理。取样定理描述了欲将模拟信号转变成离散信号，并且从离散取样定理描述了欲将模拟信号转变成离散信号，并且从离散信号中可以恢复出其原始信号所需要的最低取样频率。如果信号中可以恢复出其原始信号所需要的最低取样频率。如果原始信号的最高频率为原始信号的最高频率为FH，则取样频率，则取样频率fs应遵循下面的公式：应遵循下面的公式： 上面公式给定了最低的取样频率，实际使用的频率一般上面公式给定了最低的取样频

20、率，实际使用的频率一般为原始信号最高频率的为原始信号最高频率的35倍左右。倍左右。 那么取样的频率如何确定呢？那么取样的频率如何确定呢？fs2FH第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 常见的几种取样情况的基带信号（即原始信号）频率和取常见的几种取样情况的基带信号（即原始信号）频率和取样频率的对照表：样频率的对照表：第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换保持（保持（Hold）为了将采样后的输出信为了将采样后的输出信号转换为数字信号，需号转换为数字信号，需要一定的时间对采样值要一定的时间对采样值进行量化和编码，在这进行量化和编码，在这段时间内，采样值应保段

21、时间内，采样值应保持稳定不变，持稳定不变，这样才这样才可可以以稳定地进行量化编码稳定地进行量化编码。因此，采样后的输出信因此，采样后的输出信号必须通过保持电路保号必须通过保持电路保持一段时间。持一段时间。典型的取样保持电路原理图典型的取样保持电路原理图 保持电路实际上保持电路实际上是使用了电容的存储是使用了电容的存储特性，实际使用时取特性，实际使用时取样与保持两个是合二样与保持两个是合二为一的。为一的。 当当vL为高电平时，为高电平时，T导通。输入经导通。输入经R1和和T向电容向电容CH充电；若取充电；若取R1= RF，充电结束后充电结束后vo= vC= - vi -采样采样。 当当vL为低电

22、平时，为低电平时，T截止。截止。-保持保持第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换量化和编码量化和编码 取样保持后的信号仍然是一个时间上离散的模拟量，它取样保持后的信号仍然是一个时间上离散的模拟量，它的取样信号取值是任意的，而数字信号的取值是有限的或离散的取样信号取值是任意的，而数字信号的取值是有限的或离散的，如用四位二进制数来表示，其只有的，如用四位二进制数来表示，其只有00001111共十六种状共十六种状态，因此要实现幅度数字化就是用具体的数字量来态，因此要实现幅度数字化就是用具体的数字量来近似近似表示对表示对应的模拟值，这个过程就是量化。应的模拟值，这个过程就是量化。

23、在进行在进行A/D转换时，必须把取样电压表示为某个规定的最转换时，必须把取样电压表示为某个规定的最小数量单位的整数倍，这个过程是量化。小数量单位的整数倍，这个过程是量化。 量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用表示。量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用表示。 在量化过程中，由于取样电压不一定能被整除，所以量在量化过程中，由于取样电压不一定能被整除，所以量化前后不可避免地存在误差，即量化误差。化前后不可避免地存在误差，即量化误差。 在数字电路的量化中采用一种在数字电路的量化中采用一种“只舍不入只舍不入”的量化规则，的量化规则，或采用或采用“四舍五入四舍五入”的舍入规则，如图所示。的舍入

24、规则，如图所示。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换例：把例：把01V模拟电压转换成模拟电压转换成3位二进制代码。位二进制代码。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 量化的方法不同其输出的格式也不同，即输出编码的形式不量化的方法不同其输出的格式也不同，即输出编码的形式不同，这就需要进一步编码。即编码就是将量化的结果转换为需同，这就需要进一步编码。即编码就是将量化的结果转换为需要的代码形式。要的代码形式。二、模数转换的几种方法二、模数转换的几种方法 模数转换的方法很多，其在转换速度、转换精度、抗干模数转换的方法很多，其在转换速度、转换精度、抗干扰能力方

25、面各有特色。扰能力方面各有特色。直接直接A/D转换转换间接间接A/D转换转换A/D转换转换并联比较型并联比较型反馈比较型反馈比较型V-T型型V-F型型第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 1、并联比较型、并联比较型ADC 各比较器的输出送到各比较器的输出送到D触发器组成的缓冲存储器中，以触发器组成的缓冲存储器中，以避免由于各比较器响应速度的差异而造成的逻辑误差。避免由于各比较器响应速度的差异而造成的逻辑误差。（一）直接型（一）直接型A/D转换转换 并联比较型并联比较型ADC，它通过电阻分压方式形成的各种比较，它通过电阻分压方式形成的各种比较电平作为刻度。电平作为刻度。 输

26、入的模拟信号经采样保持后的信号与这刻度进行比输入的模拟信号经采样保持后的信号与这刻度进行比较。当高于比较器的比较电平时，该比较器输出高电平，反较。当高于比较器的比较电平时，该比较器输出高电平，反之为低电平。之为低电平。 缓冲器的输出送到优先编码器，经过编码器将其输出的缓冲器的输出送到优先编码器，经过编码器将其输出的状态转换为三位二进制信号。状态转换为三位二进制信号。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 输入的模拟信号经采样保持后的信号与这刻度进行比输入的模拟信号经采样保持后的信号与这刻度进行比较。当高于比较器的比较电平时，该比较器输出高电平，反较。当高于比较器的比较电平时

27、，该比较器输出高电平，反之为低电平。之为低电平。 各比较器的输出送到各比较器的输出送到D触发器组成的缓冲存储器中，以触发器组成的缓冲存储器中，以避免由于各比较器响应速度的差异而造成的逻辑误差。避免由于各比较器响应速度的差异而造成的逻辑误差。 缓冲器的输出送到优先编码器，经过编码器将其输出的缓冲器的输出送到优先编码器，经过编码器将其输出的状态转换为三位二进制信号。状态转换为三位二进制信号。 并行比较型并行比较型ADC，它通过电阻分压方式形成的各种比较，它通过电阻分压方式形成的各种比较电平作为刻度。电平作为刻度。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换第十一章第十一章 数数- -

28、模和模模和模- -数转换数转换 并行比较型并行比较型ADC的精度取决于：的精度取决于： (1) 量化电平的划分；划分越细（量化电平的划分；划分越细（越小），精度越高，越小），精度越高，比较器和触发器的数目越多。比较器和触发器的数目越多。 从图上可以看出，当输出位数增加一位，其比较器的个从图上可以看出，当输出位数增加一位，其比较器的个数增加一倍，由于比较器属于模拟电路，其集成度不是很高，数增加一倍，由于比较器属于模拟电路，其集成度不是很高，给制造带来不便，价格较高，一般较少使用。但这种转换电路给制造带来不便，价格较高，一般较少使用。但这种转换电路的最大优点是速度快，这是其它转换电路无法实现的，故

29、在速的最大优点是速度快，这是其它转换电路无法实现的，故在速度较高的场合，如视频信号的度较高的场合，如视频信号的ADC等常有使用。等常有使用。 (2) 参考电压的稳定度。参考电压的稳定度。 (3) 分压电阻的精度和比较器的灵敏度。分压电阻的精度和比较器的灵敏度。 另外另外，含寄存器的，含寄存器的A/D转换电路可以不用附加取样转换电路可以不用附加取样保持保持电路。电路。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换2、反馈比较型、反馈比较型ADC 反馈比较方法的基本思想是，每次取一个数字量加到反馈比较方法的基本思想是，每次取一个数字量加到DAC，经，经D/A转换便得到了一个模拟电压。用

30、这个模拟电转换便得到了一个模拟电压。用这个模拟电压和被转换的输入模拟电压去比较，如果不相等，调整所压和被转换的输入模拟电压去比较，如果不相等，调整所取的数字量，直至两个模拟电压相等为止。取的数字量，直至两个模拟电压相等为止。 反馈比较的方法是采用器件少的设计方案。反馈比较的方法是采用器件少的设计方案。 针对这两种方法实现反馈比较有针对这两种方法实现反馈比较有计数计数和和逐次逐次逼近两种方式。逼近两种方式。 反馈比较方法和用天秤称重物的过程相似。用天秤称重反馈比较方法和用天秤称重物的过程相似。用天秤称重物有两种方法。物有两种方法。 (1) 计数型计数型A/D转换器转换器 每次加一个每次加一个等值

31、等值的砝码，直到砝码和重物相等为止。每的砝码，直到砝码和重物相等为止。每次加一个砝码的做法实质是在做加法计数。次加一个砝码的做法实质是在做加法计数。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换下图是下图是计数型计数型A/D转换器转换器的原理框图：的原理框图：转换控制信号转换控制信号首先，计数器置零，且首先，计数器置零，且vL=0，使门，使门G封锁，封锁，vo=0 之后之后vL = 1 ，计数器开始加法计数，当，计数器开始加法计数，当vo vi时，时，vB = 1仅当仅当vi = vo时，时，vB = 0，使门，使门G封锁，此时计数器停止工作。封锁，此时计数器停止工作。此时计数器所

32、存储的数字就是所求的输出数字信号。此时计数器所存储的数字就是所求的输出数字信号。 当转换完成时，用当转换完成时，用vL的下降沿将计数器的数字信号输的下降沿将计数器的数字信号输入寄存器中。入寄存器中。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 这种方法的缺点是转换时间太长。当输出为这种方法的缺点是转换时间太长。当输出为n位二进制时，位二进制时，最长时间为：最长时间为：2 n -1个时钟周期。个时钟周期。 首先，计数器置零，且首先，计数器置零，且vL= 0，使门，使门G封锁，封锁，vo = 0 之后之后vL = 1 ，计数器开始加法计数，当，计数器开始加法计数，当vo vo时，时，

33、数字不够大，数字不够大，“1” 保留，保留，vi vo时，数字过大，时，数字过大，“1”去掉，置为去掉，置为零。零。然后将寄存器的次高位置然后将寄存器的次高位置1,这样这样逐次比较下去逐次比较下去直到最低位为止。直到最低位为止。此时寄存器所存储的数字就是所求的输出数字信号。此时寄存器所存储的数字就是所求的输出数字信号。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换3位逐次比较位逐次比较型型A/D转换器转换器的原理图：的原理图：FA、FB和和FC组成组成三位数码寄存器三位数码寄存器门门G1G9组成逻辑组成逻辑控制电路控制电路FF1FF5组成组成5位位环形计数器环形计数器第十一章第十一

34、章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换初始条件：初始条件：QaQbQc = 000 Q1Q2Q3Q4Q5=100001、常态：时钟运行，、常态：时钟运行，VL=02、启动：、启动：VL = 1，转换开始，转换开始3、第、第1个个CP脉冲：脉冲：QaQbQc = 100 Q1Q2Q3Q4Q5 = 01000 当当vi vo时，时，vB = 0；4、第、第2个个CP脉冲：脉冲：QaQbQc = 110 或或 010 ，记为记为Qa10 Q1Q2Q3Q4Q5 = 001005、第、第3个个CP脉冲：脉冲：QaQbQc = Qa11或或Qa01，记为记为QaQb1 Q1Q2Q3Q4Q5 = 00

35、0106、第、第4个个CP脉冲：脉冲：QaQbQc = QaQb1 或或 QaQb0，记为记为QaQbQc Q1Q2Q3Q4Q5 = 00001 输出输出 = QaQbQc7、第、第5个个CP脉冲：脉冲：QaQbQc = 000 Q1Q2Q3Q4Q5 = 10000第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换1、双积分型、双积分型ADC 双积分型双积分型ADC电路与上面的几种方法是不相同的，双积分电路与上面的几种方法是不相同的，双积分式是一种间接转换的方法。式是一种间接转换的方法。常态：常态：VL = 0，先将计数器清零；接通，先将计数器清零；接通S0；使电容使电容C完全充电完全

36、充电启动：启动：VL = 1转换分两个积分过程：转换分两个积分过程： (1) 对输入信号对输入信号VI的积分的积分 S0断；断；S1接接VI；进行固定；进行固定时间时间T1的积分。的积分。I1T0IoVRCTdtRVC1V1(2) 对参考电压对参考电压 -VREF 的积分的积分 S0断；断；S1接接 -VREF；进行反向；进行反向积分，直到积分器输出积分，直到积分器输出Vo = 0为为止，经历的时间为止，经历的时间为T2。0d1102ITREFoVRCTtRVCVIREFVRCTVRCT12 得：得：12TVVTREFI 因为因为T1，VREF为常数，所以为常数，所以T2与与VI成正比。因此，

37、计数器成正比。因此，计数器的计数值与的计数值与VI成正比成正比 （二）间接型（二）间接型A/D转换转换第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换下图为双积分式的结构框图：下图为双积分式的结构框图：加电以后，时钟就开始工作。加电以后，时钟就开始工作。 S0断；断；S1接接VI；进行固定；进行固定时间时间T1的积分。的积分。 S0断；断；S1接接 -VREF；进行反向；进行反向积分，直到积分器输出积分，直到积分器输出Vo = 0为为止，经历的时间为止，经历的时间为T2。常态：常态：VL = 0，先将计数器清零；接通，先将计数器清零；接通S0；使电容使电容C完全充电完全充电第十一章第

38、十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换右图是右图是双积分双积分型型A/D转换器转换器的电压的电压波形图波形图从电压从电压波形图波形图上可以上可以直观地直观地看到前看到前面结论面结论的正确的正确性。性。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 由于由于 D 只与只与N，VREF，VI有关，与电路的其它参数无关，有关，与电路的其它参数无关，所以电路工作稳定。所以电路工作稳定。 结论：结论：1、CP脉冲的频率稳定性不影响转换精度；脉冲的频率稳定性不影响转换精度； 2、电、电路中的电阻和电容值稳定性不影响转换精度；路中的电阻和电容值稳定性不影响转换精度；3、电路要求、电路要

39、求VREF必须稳定。必须稳定。 双积分型双积分型ADC具有很强的抗干扰能力，因为积分器可以将具有很强的抗干扰能力，因为积分器可以将平均值为零的噪声干扰去掉平均值为零的噪声干扰去掉. 双积分型双积分型ADC转换速度很低，一般每秒转换速度很低，一般每秒10次左右。次左右。 设：时钟周期为设：时钟周期为Tc（fc = 1/Tc） 计数器的计数值：计数器的计数值： D = T2/Tc = (T1/Tc)(VI/VREF) 若取若取T1为为Tc的整数倍，即的整数倍，即T1 = N Tc，则上式可以化成：，则上式可以化成： D =（N/VREF）VI 其实，其实，T1为为Tc的整数倍很容易实现（用计数器产

40、生的整数倍很容易实现（用计数器产生T1）。）。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 双积分型双积分型ADC的控制逻辑电的控制逻辑电路路第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 转换控制信号转换控制信号VL = 0时，时，N位计数器和位计数器和FFA被清零，被清零，S0接通。接通。 转换控制信号转换控制信号VL = 1时，时，N位计数器开始计数，同时积分器位计数器开始计数，同时积分器开始对开始对VI积分，当计数器回到积分，当计数器回到“0”状态时，状态时，S1转换，积分器开转换，积分器开始对始对-VREF积分。积分。 当积分器的输出为零时，门当积分器的输出

41、为零时，门G被封锁，计数器停止计数，被封锁，计数器停止计数，这时计数器中的数值与输入信号相对应。这时计数器中的数值与输入信号相对应。 VL = 0，电路复位，等待下次启动。，电路复位，等待下次启动。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换三、模数转换的主要技术指标三、模数转换的主要技术指标 1、分辨率、分辨率 表征表征ADC对输入信号分辨能力的参数。常用二进制或十对输入信号分辨能力的参数。常用二进制或十进制数的位数来表示，进制数的位数来表示，n位位ADC能够分辨输入电压的最小差能够分辨输入电压的最小差异为异为 2、转换误差、转换误差 量化必然引起误差，转换误差通常用相对误差表

42、示。它量化必然引起误差，转换误差通常用相对误差表示。它表示表示ADC实际输出的数字量和理想数字量之间的差别。例如，实际输出的数字量和理想数字量之间的差别。例如，相对误差相对误差=1/2 LSB就表明了就表明了ADC实际输出的数字量与理想实际输出的数字量与理想的数字量之差不大于的数字量之差不大于ADC最低有效位为最低有效位为 1 的一半。的一半。 分辨率和转换误差一起反映了分辨率和转换误差一起反映了ADC的精度。的精度。ADC的位数的位数多，相对误差小，当然它的转换精度就高。多，相对误差小，当然它的转换精度就高。 如：如：10位位A/D，最大输入电压为，最大输入电压为5V，则能够分辨输入电，则能

43、够分辨输入电压的最小差异为：压的最小差异为：5/210 = 4.88mVn n2FSR第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 3、转换速度、转换速度 转换速度常用完成一次转换所需时间来表示。转换时间是转换速度常用完成一次转换所需时间来表示。转换时间是指指ADC接受到模拟信号到有稳定的数字量输出的一段时间。接受到模拟信号到有稳定的数字量输出的一段时间。转换时间短，说明转换速度快。转换时间短，说明转换速度快。 ADC的指标不止这些。在使用的指标不止这些。在使用ADC时还必须查手册，了时还必须查手册，了解其他参数。解其他参数。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数

44、转换 第四第四节节 应用知识应用知识一、选择一、选择A/D与与D/A转换器常识转换器常识 选择转换器应根据系统的要求，从以下选择转换器应根据系统的要求，从以下六个方面六个方面来考虑：来考虑： 1、输入、输入/输出输出 从输入从输入/输出方面应考虑：输出方面应考虑： (1) 输入信号范围，满刻度值及极性；输入信号范围，满刻度值及极性； (2) 数字码：自然二进制码，数字码：自然二进制码，2的补码和的补码和BCD码等；码等； (3) 输入和输出阻抗，信号源内阻和负载要求；输入和输出阻抗，信号源内阻和负载要求； (4) 逻辑电平的兼容性：输入逻辑电平的兼容性：输入/输出是输出是TTL电平，还是电平，

45、还是CMOS电平，二者是否兼容，同时还要注意电平的极性；电平，二者是否兼容，同时还要注意电平的极性； (5) 输出信号（输出信号（DAC）：电流或电压。）：电流或电压。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 2、精度、精度 精度是一个重要指标，可以用两个指标来衡量。精度是一个重要指标，可以用两个指标来衡量。 (1) 分辨率（分解度）：转换器的位数；分辨率（分解度）：转换器的位数； (2) 转换误差：相对误差，非线性误差，失调误差等。转换误差：相对误差，非线性误差，失调误差等。 3、速度、速度 转换速度在转换速度在DAC中，用建立时间表示，而在中，用建立时间表示，而在ADC中

46、，中，则用转换时间表示，时间短，转换速度就快。则用转换时间表示，时间短，转换速度就快。 4、环境条件、环境条件 环境条件包括温度、噪声电平、电源的敏感性等。环境条件包括温度、噪声电平、电源的敏感性等。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 ADC与与DAC器件的选择要从上述六个方面考虑，但是，器件的选择要从上述六个方面考虑，但是，一般是在速度、精度、价格三方面权衡。一般是在速度、精度、价格三方面权衡。 在满足上述五条要求的前提下，还应从经济观点出发，在满足上述五条要求的前提下，还应从经济观点出发，选择价格低的器件选择价格低的器件。 6、价格、价格 5、微处理器接口、微处理器

47、接口 为便于转换器同微处理器连接，为便于转换器同微处理器连接，ADC应为三态输出，应为三态输出，DAC应有输出锁存。应有输出锁存。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换二、集成化二、集成化A/D与与D/A转换器介绍转换器介绍 1、DAC0832介绍介绍 集成集成DAC的种类很多，按的种类很多，按DAC的输出方式分成电流输出的输出方式分成电流输出DAC和电压输出和电压输出DAC两种。两种。 下面以美国国家半导体公司生产的电流输出下面以美国国家半导体公司生产的电流输出DAC0832为为例予以介绍。例予以介绍。 下图表示出了下图表示出了DAC0832的结构框图的结构框图 。图中的

48、八位。图中的八位DAC为为D/A转换电路，是转换电路，是DAC0832的核心。两个寄存器对数据起的核心。两个寄存器对数据起缓冲作用。使缓冲作用。使0832不仅有直通工作方式、单缓冲工作方式、不仅有直通工作方式、单缓冲工作方式、二级缓冲工作方式，而且工作速度快。二级缓冲工作方式，而且工作速度快。第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 DAC0832采用采用CMOS工艺，有工艺，有20个引脚，为双列直插式。个引脚，为双列直插式。它有以下特点它有以下特点 ：1、可与所有八位微处理器直接相连、可与所有八位微处理器直接相连;

49、2、输入数字量为八位二进制码、输入数字量为八位二进制码; 3、逻辑电平与、逻辑电平与TTL电平兼容电平兼容; 4、有二级缓冲、单级缓冲和直通三种工作方式、有二级缓冲、单级缓冲和直通三种工作方式; 5、电流建立时间为、电流建立时间为1微秒微秒; 6、单电源供电、单电源供电515V;7、功耗为、功耗为20mW。 第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 右图给出了右图给出了DAC0832的管脚的管脚排列图排列图第十一章第十一章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 DAC0832引脚功能如下：引脚功能如下： DI0DI7：八位数据输入端。其中：八位数据输入端。其中DIO为最低

50、位，为最低位，DI7为为最高位最高位。 (CS) ：片选端。当：片选端。当(CS) = 0，且，且ILE = l，(WR) = 0时，时，数据送入寄存器。数据送入寄存器。 ILE：允许输入锁存端。在：允许输入锁存端。在ILE = l，且，且(CS) = 0， (WR) = 0时，数据送入输入寄存器中。当时，数据送入输入寄存器中。当ILE从高电平变为低电平从高电平变为低电平时，输入寄存器中的数据被锁存。时，输入寄存器中的数据被锁存。 (WR1) ：写信号：写信号1端。在端。在(CS) = 0，ILE = l，即在片选，即在片选和允许输入锁存有效的前提下，和允许输入锁存有效的前提下， (WR1) = 0时，将数据送入时，将数据送入输入寄存器。输入寄