第7章-数模和模数转换

7.1概述在计算机控制系统中，被控量一般为非电量，如温度、压力、位移等，首先由传感器将它们转化成连续变化的模拟量，再由模/数转换器转换成数字量，送到计算机中进行处理和计算。处理后要经过数/模转换器将计算机输出的数字量转换成模拟量，加到执行机构，以调节被控对象的大小。一个计算机控制系统的框图如图11.1.1所示。1.用途：目前一页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.1概述图11.1.2为一个温度控制系统：传感器放大器A/D转换微型计算机控制对象D/A转换电加热炉热电偶执行机构图11.1.2温度时间目前二页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站2、主要性能指标为了保证数据处理结果的准确性，A/D转换器和D/A转换器必须有足够的转换精度，另外对于过程控制和检测需求，A/D转换器和D/A转换器必须有足够的转换速度。故转换精度和转换速度是A/D转换器和D/A转换器的主要性能指标。7.1概述3、概念及分类（1）D/A转换器：目前常用的D/A转换器有权电阻网络D/A转换器、倒梯形电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换器、权电容型D/A转换器以及开关树型D/A转换器等几种类型。将数字信号转换成模拟信号的过程称为数/模转换（DigitaltoAnalog），实现的电路称为D/A转换器，简写成DAC（Digital－AnalogConverter）。目前三页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站2.A/D转换器：A/D转换器的类型可分成直接A/D转换器和间接A/D转换器。在直接A/D转换器中，输入的模拟电压信号直接被转换成相应的数字信号；而在间接A/D转换器中，输入的模拟信号首先被转换成某种中间变量（如时间、频率等），然后再将这个中间量转换成输出的数字量。7.1概述将模拟信号转换成数字信号的过程称为模/数转换（AnalogtoDigital），实现的电路称为A/D转换器，简写为ADC（Analog－DigitalConverter）。注：根据数字量的输入输出方式可以将D/A转换器分成并行输入和串行输入两种类型，将A/D转换器分成并行输出和串行输出两种类型。由于D/A转换器电路的工作原理较A/D转换器简单，且是A/D转换器电路的组成部分，故先介绍D/A转换器。目前四页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.2D/A转换器数字量是用代码按位数组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字－模拟的转换。D111101…D/AA(电压或电流)

？D/A转换器的目的为：目前五页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站图11.2.1为n位D/A转换器的原理框图7.2D/A转换器D/A转换器是由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码电路、求和电路及基准电压及部分组成。数字量是以串行或并行方式输入并存储在数码寄存器中，寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关将电阻解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路中，求和电路将各位权值相加就得到与数字量相应的模拟量。目前六页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站*按解码网络结构不同把D/A分为：如权电阻网络型、倒梯形电阻网络型、权电流型、权电容型以及开关树型。*按模拟开关电路的不同把D/A分为：CMOS开关型和双极型开关型，其中双极型开关D/A转换器又分为电流开关型和ECL电流开关型。其中CMOS型功耗低，但速度慢。双极型的转换速度快。7.2D/A转换器目前七页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.2.1权电阻网络D/A转换器一个多位二进制数可表示为其中：2n-1、2n－2．．．21、20称为最高位（MostSignificantBit，简称MSB）到最低位（LeastSignificantBit，简称LSB）的权。目前八页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站图11.2.2图11.2.2是4位权电阻网络D/A转换器的原理图，它是由权电阻网络、4个电子模拟开关和1个求和放大器组成。7.2.1权电阻网络D/A转换器1.组成：目前九页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.2.1权电阻网络D/A转换器（1）S3~S0:为电子开关，其状态受输入数码d3~d0的取值控制。当di＝1时开关接到参考电压VREF上，有支路电流Ii流向求和放大器；当di＝0时开关接地，支路电流Ii为零。目前十页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站（2）求和放大器A：为一个接成负反馈的理想运算放大器。即：AV＝∞，iI＝0，Ro＝0。由于负反馈，存在虚短和虚断，即V－≈V＋＝0，iI＝0。（3）VREF：基准电压7.2.1权电阻网络D/A转换器目前十一页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站2.输出电压的计算：由于V－≈V＋＝0，故各电流为输出电压为7.2.1权电阻网络D/A转换器目前十二页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站取RF＝R/2，则输出电压为7.2.1权电阻网络D/A转换器目前十三页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站上式标明，输出的模拟电压与输入的数字量Dn成正比。注：1.若VREF取正值，则输出电压为负值。若想输出电压为正值，可以将VREF取负值。7.2.1权电阻网络D/A转换器2.此电路的优点是电路结构简单，所用的电阻元件少。缺点是各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数越多，差别就越大，故很难保证电阻的精确度。目前十四页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站为了克服这个缺点，在输入数字量较多时可采用图11.2.3所示的电路。7.2.1权电阻网络D/A转换器其输出电压为目前十五页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.2.2倒T形电阻网络D/A转换器为了克服权电阻网络D/A转换器电阻阻值相差太大的缺点，改进电路为倒T型电阻网络D/A转换器，如图11.2.4所示。图11.2.4目前十六页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.2.2倒T形电阻网络D/A转换器根据“虚短”“虚地”，有V－≈V＋，无论开关打在哪一面，流过每个支路的电流始终不变。故可等效成图11.2.5所示电路。RRRR图11.2.5目前十七页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站总的电流为RRRR图11.2.57.2.2倒T形电阻网络D/A转换器目前十八页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站由于故输出电压为7.2.2倒T形电阻网络D/A转换器目前十九页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站对于n位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，在求和放大器的反馈电阻为R时，其输出的模拟电压为上式说明输出的模拟电压与输入的数字量成正比，其其输出公式与权电阻网络D/A转换器相同。7.2.2倒T形电阻网络D/A转换器目前二十页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站图11.2.6为采用倒T型电阻网络的单片集成D/A转换器CB7520(AD7520)的电路。7.2.2倒T形电阻网络D/A转换器图11.2.6其输入为10位二进制数，采用CMOS电路构成的模拟开关。目前二十一页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站输出电压为7.2.2倒T形电阻网络D/A转换器图11.2.6目前二十二页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站注：在使用CB7520时需要外接运算放大器，反馈电阻可以采用内部的电阻R，也可以外接反馈电阻接到Iout1和vo之间。外接参考电压VREF必须有足够的精度，才能确保应有的转换精度。图11.2.67.2.2倒T形电阻网络D/A转换器目前二十三页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站CB7520(AD7520)的应用：CB7520(AD7520)可用作单极性电压输出，其连接电路如图11.2.7所示。7.2.2倒T形电阻网络D/A转换器目前二十四页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站其中反相输入的电压输出为7.2.2倒T形电阻网络D/A转换器目前二十五页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站同相输入的电压输出为：7.2.2倒T形电阻网络D/A转换器目前二十六页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站对应的输出输入的关系如表11-1所示（反相）7.2.2倒T形电阻网络D/A转换器目前二十七页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站注：①在图11.2.7电路中，RW1可调节反馈电阻的阻值，使得运算放大器的放大比例系数增加，从而达到提高满量程输出电压的目的；7.2.2倒T形电阻网络D/A转换器目前二十八页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站*RW2起到减小满量程的目的，因为它是和内部电阻网络的等效电阻串联，从而改变电流I；7.2.2倒T形电阻网络D/A转换器目前二十九页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站*RW3是运算放大器的调零电阻。7.2.2倒T形电阻网络D/A转换器*在实际应用中，D/A转换器输入的数字量可能是正数，也可能是负数，这就要求D/A转换器能将不同极性的数字量转换成正、负极性的模拟电压，工作在双极性方式，这个内容在下面介绍目前三十页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.2.3权电流型D/A转换器在前面介绍的权电阻网络D/A转换器和倒T形电阻网络D/A转换器中，都没有考虑开关的导通电阻和导通压降，而是当成理想开关处理，这无疑会引起转换误差，影响转换精度。解决这个问题采用的一种方法是利用一组恒流源构成“权”，其原理电路如图11.2.8所示。由于采用恒流源，每个支路电流的大小不再受开关内阻合压降的影响，故而降低了对开关电路的要求。目前三十一页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站图11.2.9是常采用的恒流源电路。其电流为：7.2.3权电流型D/A转换器当输入的数字量为1时，相应的开关将恒流源接到运算放大器的输入端；当输入的数字量为0时，相应的开关将恒流源接地目前三十二页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站由图11.2.8可得7.2.3权电流型D/A转换器目前三十三页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站图11.2.10为权电流型D/A转换器的原理电路此电路中利用倒T形电阻网络，目的是为了减少电阻的种类。7.2.3权电流型D/A转换器目前三十四页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.2.3权电流型D/A转换器其中：(1)各个管子的基极接到一起，若各管的VBE相同，则各发射极处于相同的电位，各支路电流的计算和倒T形电阻网络一样，即流过每个电阻的电流依次减少1/2。为了保证发射结压降相等，发射极电流较大的管子增加了发射结的面积。目前三十五页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站(2)恒流源IBO用来给各管提供必须的偏置电流7.2.3权电流型D/A转换器(3)运算放大器A1、三极管TR、电阻RR、R构成基准电流发生电路。其基准电流为目前三十六页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站则输出电压为7.2.3权电流型D/A转换器目前三十七页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站采用权电流型单片集成D/A转换器有DAC0806、DAC0807、DAC0808等，它们都采用双极型三极管，工作速度较高。*DAC0808为8位D/A转换器，其典型应用电路如图11.2.11所示。7.2.3权电流型D/A转换器目前三十八页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站其中d0~d8为8位数字量输入端，Io是求和电流输出端。7.2.3权电流型D/A转换器VR＋、VR－接基准电流发生电路中运算放大器的反相输入端和同相输入端。COMP供外接补偿电容的，VCC和VEE为正负电源输入端。目前三十九页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站*7.2.5权电容网络D/A转换器（自学）*7.2.4开关树型D/A转换器（自学）7.2.6具有双极性输出的D/A转换器由于D/A转换器中数字量有正负之分，此时要求输出电压也应有正负，这就要求D/A转换器工作于双极性方式。由于二进制算术运算中通常都把带符号的数值用补码的形式表示，故希望D/A转换器能够把以补码形式输入的正、负数分别转换成正负极性输出的模拟电压。为了简单起见，下面以3位补码的情况为例，说明如何实现D/A转换器的双极性工作方式。目前四十页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站表11-2是3位二进制数从＋3V到－4V的补码表示形式及希望得到的模拟电压输出。输入为3位二进制补码。最高位为符号位，正数为0，负数为17.2.6具有双极性输出的D/A转换器此表数值若用普通的3位倒梯形电阻网络的D/A转换器实现，其电路如图11.2.12所示。目前四十一页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站其输出电压为7.2.6具有双极性输出的D/A转换器则对应表11－2的数字量输出为目前四十二页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站对照表11-2，若把上表的正常输出电压偏移－4V,则可得到表11-2的正负电压输出。7.2.6具有双极性输出的D/A转换器目前四十三页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站为了得到表11-3中在输入代码为100时，输出电压为0V，此时电路如图11.2.13所示7.2.6具有双极性输出的D/A转换器图11.2.13则应在d2d1d0＝100时

，其目前四十四页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站另外对照表11-2和11-3可知两个最高位（符号位）为取反的形式，故将最高位取反后加到普通D/A转换器上即可得到双极型输出，如图11.2.13所示。7.2.6具有双极性输出的D/A转换器图11.2.13目前四十五页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站如CB7520接成双极性输出的电路如图11.2.15所示。7.2.6具有双极性输出的D/A转换器一般地构成双极性输出的D/A转换器的方法：只要在求和放大器的输入端接入一个偏移电流，使输入最高位为1,而其他各位输入为0时的输出vo=0。同时将输入的符号位（最高位）反相后接到一般的D/A转换器地输入，就得到了双极性输出的D/A转换器。目前四十六页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度一、D/A转换器的转换精度在D/A转换器中，通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。分辨率用于表示D/A转换器对输入微小量变化敏感程度的，定义为D/A转换器模拟输出电压可能分成的等级数，从00…00到11…11全部2n个不同的状态，给出2n个不同的输出电压，位数越多，等级越多，意味着分辨率越高。所以在实际应用中，往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。1.分辨率：（理论精度）另外也用D/A转换器能够分辨出的最小电压与最大电压之比表示分辨率，即目前四十七页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站如10位D/A转换器的分辨率为7.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度2.转换误差（实际精度）由于D/A转换器的各个环节在参数及性能上和理论值存在着差异，如基准电压不够稳定、运算放大器的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、电阻网络中电阻阻值的偏差以及三极管特性不一致等等因素，都会使得实际精度与转换误差有关系。转换误差是表示由各种因素引起误差的一个综合性的指标，它表示实际的D/A转换器特性和理论转换特性之间的最大偏差，如图11.2.16所示图11.2.16目前四十八页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站*转换误差一般用最低有效位的倍数表示，如1LSB，即为输出的模拟电压和理论值之间的绝对误差小于等于输入为00…01时的输出电压。有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示7.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度3、转换误差分析转换误差包括比例系数误差、失调误差和非线性误差等。由不同因素引起的转换误差各有不同的特点。下面以4位倒T形电阻网络D/A转换器来介绍各种因素引起误差的情况。a.比例系数误差：当基准电压VREF偏离标准值△VREF时，会在输出端产生误差电压△v01。由△VREF引起的转换误差，叫做比例系数误差。目前四十九页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度由于4位倒T形电阻网络D/A转换器的输出电压为则由△VREF产生的误差为上式标明，由VREF引起的误差和输入数字量的大小成正比的，故称为比例系数误差。图11.2.17中的虚线为在一定的△VREF时，vo偏离理论值的情况。图11.2.17目前五十页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站b.失调误差（漂移误差或平移误差）7.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度由于运算放大器的零点漂移所造成的误差，其误差电压△vo2的大小与输入的数字量无关，输出电压特性曲线将发生平移。如图11.2.18所示。图11.2.18目前五十一页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站由于模拟开关的导通电阻和导通压降都不能为零，故而它们的存在肯定会引起输出产生误差电压△vo3。由于每个开关的导通电阻不一定相等，接地时和接VREF的压降也不一定相同，故△vo3即非常数，也不和输入数字量成正比,这种误差就是非线性误差，它没有一定的规律。还有电阻网络的电阻阻值得偏差，也会产生非线性误差△vo4。如图11.2.19所示c.非线性误差7.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度图11.2.19目前五十二页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站故为了获得高精度的D/A转换器，不仅要有高的分辨率，还要选用高稳定度的参考电压VREF和低漂移地运算放大器与之配合，才可能获得较高的转换精度。7.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度注：目前常用的有两类D/A转换器：一类只包含电阻网络（或恒流源电路）和模拟开关；另一类除此之外还包含运算放大器及参考电源发生电路。对于第一类必须外接参考电压和运算放大器，应该注意合理确定参考电压源稳定度和运算放大器的零点漂移的要求。二、D/A转换器的转换速度当D/A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输出电压，它需要一段建立时间。通常用建立时间tset来定量描述D/A转换器的转换速度。目前五十三页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站注意：建立时间tset：从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值相差±1LSB/2范围以内所用的时间。如图11.2.20所示。7.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度由于数字量的变化越大，建立的时间就越长，故一般产品给出的是输入从全0跳变到全1(或反之）时的建立时间。目前在不包含运算放大器的D/A转换器中，tset最小为0.1μs以内；在包含运算放大器的集成D/A转换器中，tset最小为1.5μs以内。目前五十四页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站*在外加运算放大器的D/A转换器中，由于运算放大器的转换速度会影响D/A转换器的转换速率，故应选用转换速率高的运算放大器，以缩短运算放大器的建立时间。7.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度目前五十五页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站例11.2.1在10位倒T形电阻网络D/A转换器CB7520中，外接参考电压VREF＝10V，为保证VREF偏离标准值所引起的误差小于（1/2）LSB，试计算VREF的相对稳定度应取多少？解：a.计算1LSB/2所对应的输出电压：当LSB＝1,其余为0时，输出电压为故（1/2）LSB的输出电压绝对值为7.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度n位倒T形电阻网络的输出电压为最低位对于CB7520目前五十六页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站b.计算由于VREF的变化△VREF所引起的输出电压的变化△vo在n位D/A转换器中，△VREF引起的输出电压的变化为：则当输入的数字量全为1时，误差最大，但应小于等于1LSB/2，故7.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度对于CB7520则有目前五十七页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站则参考电压的相对稳定度为而允许参考电压的变化量仅为注：上面计算为输入、输出处于稳态下得出的，输入静态误差。在动态时，还有附加的动态转换误差。7.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度目前五十八页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站例11.2.2某一测量仪器中有一个D/A转换器，若要求该D/A转换器的精度小于0.05%，试问应选多少位的D/A转换器？解：若要求D/A转换器的精度小于0.05%，也是要求D/A转换器的实际输出值和理论值之间的误差（绝对误差），一般应低于1LSB/2，即两边同除输入为全为1时的最大电压得：7.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度即目前五十九页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站由于10位D/A转换器的分辨率也可表示为故由于10位D/A转换器分辨率为7.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度故应取十位或十位以上的D/A转换器。目前六十页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站由于输入的模拟信号在时间上是连续的，输出的数字信号在时间和幅值都是是离散的，因此转换时一般要经过取样、保持、量化和编码四个过程。实际中有时取样和保持、量化和编码会同时实现。7.3A/D转换器7.3.1A/D转换的基本原理D111101…A/DA(电压或电流)？A/D转换器是将模拟量转换成数字量所以A/D转换过程是首先对输入模拟电压信号进行取样，然后保持并将取样电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。目前六十一页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站一取样定理取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。为了使得取样信号能逼近输入模拟信号，则取样信号应该有足够高的频率。为了保证取样信号将被取样信号恢复，其频率关系必须满足取样定理。图11.3.1为对某个输入信号进行采样的波形。其中vs为取样信号，vI表示输入的模拟信号。7.3.1A/D转换的基本原理图11.3.1目前六十二页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站取样定理为：一般取注：在取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号时都需要一定的时间,而且为了给后续的量化编码提供一个稳定值，则每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。一般取样和保持过程往往是通过取样－保持电路同时完成的。7.3.1A/D转换的基本原理若fs为取样信号的频率，fi（max）为输入模拟信号的最高频率分量的频率，则它们必须满足目前六十三页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站二、量化和编码7.3.1A/D转换的基本原理1.量化数字量不仅时间上是离散的，而且数值上也是离散的，所以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。将采样电压表示为最小数量单位（Δ）的整数倍，称为量化。所取得最小数量单位叫做量化单位，用△表示，它是数字信号最低位（LSB）为1,其它位为0时所对应的模拟量，即1LSB。如图11.2.3所示目前六十四页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站将量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是其他进制）表示出来，这个过程称为编码，这些代码也是A/D转换器的输出数字量。3.量化误差：由于模拟电压是连续的，那么不可能所有的电压都能被量化单位△整除，所以量化过程不可避免地会引入误差，这种误差就叫做量化误差。量化误差属于原理性误差，无法消除。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值就越小，量化误差也越小。2.编码：7.3.1A/D转换的基本原理目前六十五页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站4.量化方式：a.只舍不入量化方式以3位A/D转换器为例设输入电压vI为0~1V，取量化单位△＝1/8V，量化中把不足量化单位部分舍弃，如0~1/8V都当成0V处理，用000表示；在1/8~2/8V都当成1△处理，即当成1/8V处理，用001表示，依此类推，如图11.3.2（a）所示，其最大量化误差为△。7.3.1A/D转换的基本原理目前六十六页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站注：由于后者的量化误差比前者小，所以大多数A/D转换器采用四舍五入的量化方式。取量化单位为△＝2/15V，量化中将不足半个量化单位部分舍去，对于等于或大于半个量化单位的部分按一个量化单位处理。如0~1/15V当0V处理，用000表示；在1/15～3/15V当成1△处理，即2/15V，用001表示，依此类推，如图11.3.2(b）所示，其最大量化误差为1/2△。b.四舍五入量化方式7.3.1A/D转换的基本原理当输入的模拟电压为正负范围内变化时，一般采用二进制补码的形式编码。目前六十七页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.3.2取样－保持电路取样－保持电路的原理图及输出波形如图11.3.3所示1.原理电路：图11.3.3该电路是由放大器A、保持电容CH和开关驱动电路组成。其中vI为输入的模拟电压，vL为取样控制信号,T为N沟道增强型MOS管，做为模拟开关，目前六十八页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站2.工作原理：7.3.2取样－保持电路图11.3.3a.当取样控制电压vL为高电平时，NMOS管导通，输入电压vI通过R1和T给电容CH充电。若取R1＝RF，并设运放为理想的，则vo＝vc＝－vIb.当取样电压vL为低电平时，NMOS管截止，CH上的电压在这段时间内基本不变，则输出电压也不变，取样结果被保存下来，即vo＝vc＝－vI。CH漏电越小，运放的输入阻抗越高，则保持的时间也越长。目前六十九页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站注：图11.3.4的电路由于充电时通过R1和T，它们将影响取样速度。而若减小R1则会降低电路的输入电阻。采取得措施是在电路的输入端增加一级隔离放大器。3.单片集成取样－保持电路LF398图11.3.37.3.2取样－保持电路图11.3.5（a）是LF398的电路结构图，图11.3.5（b）是其典型接法。图11.3.5目前七十页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站A1、A2是两个运算放大器，S是模拟开关，L是控制开关S的逻辑单元，vL和VREF是逻辑单元的两个输入电压信号。图11.3.57.3.2取样－保持电路目前七十一页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站当vL>VREF＋VTH时，S接通；当vL<VREF＋VTH时，S断开，VTH为阈值电压，约为1.4V。D1和D2构成保护电路，当保持时总有一个二极管是导通的，保护开关电路不受过高的电压；当取样时，两个二极管都截止，保护电路不起作用图11.3.57.3.2取样－保持电路目前七十二页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站VOS是失调电压输入端，此段可以通过外接电阻调整输出电压的零点，使得vI=0时,vo=0。7.3.2取样－保持电路图11.3.5目前七十三页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.3.3并联比较型A/D转换器并联比较型属于直接A/D转换器，它把输入的模拟电压直接转换为输出的数字量，而不需要经过中间量。直接A/D转换器还有反馈比较型。图11.3.6为并联比较型A/D转换器的电路结构图.1.组成：并联比较型A/D转换器是由电压比较器、寄存器和代码转换电路三部分组成。图11.3.6目前七十四页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.3.3并联比较型A/D转换器输入为0~VREF间的模拟电压，输出为3位二进制代码d2d1d0。此A/D转换器不包括取样－保持电路，即假定输入的模拟电压vI为取样－保持电路的输出电压。图11.3.6目前七十五页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.3.3并联比较型A/D转换器2.量化方式：取量化单位为其比较器中量化电平的划分如图11.3.7所示。目前七十六页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站3、工作原理：由图11.3.7表可写出输出端的逻辑式为7.3.3并联比较型A/D转换器目前七十七页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站由上述逻辑式画出图11.3.8所示7.3.3并联比较型A/D转换器目前七十八页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.3.3并联比较型A/D转换器则比较器输出均为低电平，当CLK上升沿到来后，所有的触发器状态置成0，即d2d1

d0＝000图11.3.6若目前七十九页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.3.3并联比较型A/D转换器图11.3.6则比较器C1输出为高电平，其他为低电平。当CLK上升沿到来后，触发器的状态置成0000001，则d2d1

d0＝001，依此类推。若目前八十页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站1.并联比较型A/D转换器的优点是转换速度快，转换时间可达50ns以下。另外此电路可不用取样－保持电路，因为比较器和寄存器有这样的功能。7.3.3并联比较型A/D转换器特点：2.并联比较型A/D转换器的缺点是需要较多的电压比较器和触发器,n位需要2n-1比较器3.并联比较型A/D转换器的转换精度主要取决于量化电平的划分，划分越细，精度越高，但所用的比较器和触发器的数目越多。另外转换精度与参考电压、电阻及运放也有关。目前八十一页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站原理：取一个数字量加到D/A转换器上，则可得到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。如果两者不相等，则调整所取得数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取得数字量即为所求的转换结果。在反馈比较型A/D转换器中经常采用的有计数型和逐次渐进型两种。1.计数型A/D转换器图11.3.8为计数型A/D转换器的原理框图。它是由比较器C、D/A转换器、计数器、脉冲源、控制门G以及输出寄存器等几部分构成。7.3.4反馈比较型A/D转换器图11.3.8目前八十二页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站工作原理：7.3.4反馈比较型A/D转换器取一个“D”加到DAC上，得到模拟输出电压，将该值与输入电压比较，如两者不等，则调整D的大小，到相等为止，则D为所求值图11.3.8目前八十三页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.3.4反馈比较型A/D转换器a.将计数器清零，且vL＝0。此时门G被封锁，计数器不工作，计数器输出为0，则vo＝0；如果vI>0，则vI>vo，比较器的输出电压vB＝1；图11.3.8目前八十四页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站b.当vL为高电平时，开始进行转换，脉冲源发出的脉冲经过门G加到计数器时钟脉冲输入端CLK，计数器开始加法计数。随着计数的进行，D/A转换器的输出电压不断增加。图11.3.87.3.4反馈比较型A/D转换器目前八十五页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站c.当增加到vI＝vo时，比较器输出vB变成低电平，并将门G封锁，计数器停止计数，此时计数器的状态就是所求的输出数字信号。图11.3.87.3.4反馈比较型A/D转换器目前八十六页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.3.4反馈比较型A/D转换器注：a.由于转换过程中计数器的数字不断变化，所以不能将计数器的状态做为输出的数字信号，而是在输出端设置可输出寄存器，并在vL的下降沿的控制下，寄存器的状态为最终的输出数字信号。图11.3.8目前八十七页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站b.此方案的缺点是转换时间长。当输出为n位二进制数码时，最长的转换时间是2n－1倍的时钟脉冲信号周期。由于此电路结构简单，常用在对转换速度要求不高的场合。11.3.4反馈比较型A/D转换器图11.3.8目前八十八页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站2.逐次渐近型A/D转换器为了提高转换速度，在计数型A/D转换器的基础上，产生逐次渐近型A/D转换器。虽然也是反馈比较型A/D转换器，但D/A转换器的数字量的给出方式不同。7.3.4反馈比较型A/D转换器原理：逐次渐近就如称重物，如13g的重物，有砝码8g、4g、2g、1g。比较过程如表11.3.1所示目前八十九页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.3.4反馈比较型A/D转换器图11.3.9逐次渐近型A/D转换器的工作原理框图如图11.3.9所示。组成:比较器C、D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑等。工作原理：a.逐次渐近寄存器清零；b.先设寄存器状态为最高位为1,其他位为0（如4位A/D转换器为1000），经过D/A转换器后，送到比较器比较。目前九十页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站若vo>vI，则去掉这个1;若vo<vI，则保留这个1.然后再将次高位设置成1,再进行比较，逐位比较下去，直到最低位为止。这是寄存器所存的数码即为输出的数字量。图11.3.97.3.4反馈比较型A/D转换器特点：电路不太复杂，速度较快目前九十一页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站其组成为：*由FF1~FF5构成顺序脉冲发生器，其波形如图11.3.11所示。图11.3.10为3位逐次渐近型A/D转换器的电路原理图。7.3.4反馈比较型A/D转换器图11.3.10目前九十二页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站*由FFA～FFC构成3位数码寄存器，其输出为三位二进制数d2d1d0.7.3.4反馈比较型A/D转换器图11.3.10*G1~G9组成控制逻辑电路。目前九十三页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站*运算放大器构成比较器，用它比较输入电压vI和vo的大小。若vI<vo，则vB为高电平；若vI>vo，则vB为低电平，其比较器输出端接到三个控制与门的输入端图11.3.107.3.4反馈比较型A/D转换器目前九十四页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站若设D/A转换器的参看电压VREF＝8V，输入的模拟电压为vI＝5.86V,则转换过程如下：图11.3.107.3.4反馈比较型A/D转换器(1)开始前将FFA~FFB置零，同时将环形计数器FF1~FF5置成Q1～Q5=10000。目前九十五页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站(2)当vL为高电平时，转换开始。当第1个脉冲到达后，此时QAQBQC＝100，若D/A转换器为T形电阻网络型，则，输出电压（不包含求和放大器）为7.3.4反馈比较型A/D转换器图11.3.10目前九十六页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.3.4反馈比较型A/D转换器图11.3.10由于vo<vI,则比较器输出为0,同时Q1～Q5=01000。(3)当第2个脉冲上升沿来时，QAQBQC＝110。此时目前九十七页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站故比较器输出为1,同时Q1～Q5=00100图11.3.107.3.4反馈比较型A/D转换器(4)当第3个脉冲上升沿来时，QAQBQC＝101。此时目前九十八页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站故比较器输出为0,同时Q1～Q5=00010(5)当第4个脉冲上升沿来时，QAQBQC＝101。此时Q1～Q5=00001,若取数据则可并行输出。7.3.4反馈比较型A/D转换器图11.3.10目前九十九页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站2004/12/25(6)第5个脉冲来后，Q1～Q5=10000，返回初态，同时门G6~G8被封锁，转换输出信号消失。图11.3.107.3.4反馈比较型A/D转换器目前一百页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站注：a.为了减小量化误差，使D/A转换器输出产生－△/2的偏移量；b.转换时间比计数器型的要少(n+2个脉冲），转换速度高，当然比并联型的要低，但电路要简单的多；转换过程示意图如11.3.11所示.7.3.4反馈比较型A/D转换器图11.3.10目前一百零一页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站c.位数越高，转化精度越高。此种类型的A/D转换器是最常用的一种。7.3.4反馈比较型A/D转换器7.3.5双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器属于间接A/D转换器，双积分型简称为V－T变换型，它首先把输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。最常用的间接A/D转换器还有电压－频率变换型（简称V－F变换型）两类。V－F变换型A/D转换器首先是把输入的模拟电压信号转换成与之成正比的频率信号，然后在一个固定的时间间隔里对得到的频率信号计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。目前一百零二页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站图11.3.12是双积分型A/D转换器的原理性框图。它包含积分器、比较器、计数器、逻辑控制和时钟信号源几部分。7.3.5双积分型A/D转换器图11.3.12a.组成：目前一百零三页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站转换开始前（转换控制信号vL＝0）先将计数器清零，并接通开关So，使电容完全放电。7.3.5双积分型A/D转换器当vL＝1转换开始（S0断开），其步骤如下a.使开关S1合到输入信号vI一侧:积分器对vI在固定时间T1进行积分，其输出电压为目前一百零四页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站上式说明，在固定时间T1的条件下，积分器的输出电压vo与输入电压vI成正比。7.3.5双积分型A/D转换器b.开关S1打在－VREF一侧:此时积分器反向积分目前一百零五页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站若设积分器输出电压到零时所需时间为T2，则即7.3.5双积分型A/D转换器由此可见，T2与输入信号vI成正比。目前一百零六页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.3.5双积分型A/D转换器图11.3.13其电压输出波形如图11.3.13所示。若计数器在时间T2内对固定频率fC（fC＝1/TC）的时钟脉冲进行计数，则计数结果也一定与vI成正比。即设T1=NTC，则上式可变成即输出的数字量与输入的模拟电压成正比。而且输入电压与反向积分的时间成正比。目前一百零七页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站对于双积分过程的控制，可由图11.3.14所示的逻辑电路来完成。7.3.5双积分型A/D转换器图11.3.14目前一百零八页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站此电路是由n位计数器（异步）、附加触发器FFA、模拟开关So和S1的驱动电路L0、L1、控制门G组成。7.3.5双积分型A/D转换器控制过程为：a.转换开始前：转换控制信号vL＝0，门G输出为1,各触发器被置零，同时，S0被关闭，C完全放电。目前一百零九页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.3.5双积分型A/D转换器b.转换开始：转换控制信号vL＝1，S0断开，S1接到输入信号vI一侧，积分器开始对输入电压vI进行积分。由于积分器A输出为负电压，故比较器C输出为高电平，门G打开，计数器对vG端的脉冲计数。目前一百一十页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站c.当计数器计满2n个脉冲（T1时间）后，自动返回全0状态，同时给FFA一个进位信号，使FFA置1。L1动作使得S1打在VREF一侧，开始反向积分。当积分器的输出到0时，比较器输出为低电平，将门G封锁，一次转换结束。7.3.5双积分型A/D转换器目前一百一十一页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站由于T1=2nTC（TC为时钟脉冲的周期），即N＝2n，故输出的数字量为：7.3.5双积分型A/D转换器图11.3.13目前一百一十二页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站例11.3.1在双积分A/D电路中，设基准电压VREF＝－10V，计数器的位数为n＝10，计数脉冲的频率为10kHz则完成一次转换最长需要多长时间？若输入的模拟电压vI＝5V，试求转换时间和输出的数字量各为多少？7.3.5双积分型A/D转换器解：（1）完成一次的时间为T＝T1＋T2，当T1＝

T2时，完成的一次转换的时间最长，故目前一百一十三页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站（2）若输入的模拟电压vI＝5V，所用的转换时间7.3.5双积分型A/D转换器输出的数字量为目前一百一十四页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站*双积分型A/D转换器的优点：a.工作性能稳定。由于积分时间和参数RC无关，且T1=NTC，最后转换结果与时钟周期无关，故可以用精度比较低的元器件获得较高精度的双积分型A/D转换器。b.抗干扰能力强。由于双积分型A/D转换器在时间T1内采的是输入电压的平均值，故对平均值为零的工频或工频的倍频具有很强的抗干扰能力。*双积分型A/D转换器的缺点：工作速度低。对于前述的双积分型A/D转换器来说，每完成一次转换所需时间应在2T1以上，记不应低于2n+1TC。若加上转换前的准备时间，则完成一次转换所需时间更长一些。双积分型A/D转换器的转换速度一般都在每秒几十次以内7.3.5双积分型A/D转换器目前一百一十五页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站*双积分型A/D转换器的转换精度要受计数器的位数、比较器的灵敏度、运算放大器和比较器的零点漂移、积分器的漏电、时钟频率的瞬时波动等多种因素的影响。7.3.5双积分型A/D转换器*故为了提高精度采取得措施除了增加计数器的位数外，还要抑制比较器和积分器的零点漂移。实际电路中都增加了零点漂移的自动补偿电路。另外为了防止时钟在转换过程中发生波动，可以使用石英晶体振荡器。*单片集成的双积分型A/D转换器有ADC－EK8B（8位，二进制）、ADC－EK10B（10位，二进制）、MC14433(位，BCD码）等。还有可以直接驱动LCD和LED数码管的CB7106/7126、CB7107/7127。目前一百一十六页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.3.6V－F变换型A/D转换器V-F变换型A/D转换器的电路结构框图如图11.3.14所示图11.3.141.组成：V－F变换型A/D转换器是由V－F变换器（也称压控振荡器，简称为VCO）、计数器及其时钟信号控制闸门、寄存器、单稳态触发器等组成目前一百一十七页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站2.工作原理：7.3.6V－F变换型A/D转换器当vG变成高电平后，V－F变换器输出的脉冲通过门G加到计数器的技术脉冲上。由于V－F变换器输出频率fout与输入电压vI成正比，故在每个固定脉宽TG时间内记录的脉冲数目也与输入的电压vI成正比。图11.3.14目前一百一十八页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站图11.3.147.3.6V－F变换型A/D转换器为了防止转换过程中输出的数字跳动，则在转换过程结束时，由vG的下降沿控制将输出的数字量存入寄存器中，并且由vG的下降沿触发单稳态触发器，产生一个负脉冲使得计数器置零。目前一百一十九页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站7.3.6V－F变换型A/D转换器*由于V－F变换器的输出信号是一种调频信号，此信号不仅易于传输和检测，还有很强的抗干扰能力，故V－F变换型A/D转换器常用于遥测、遥控系统中。*V－F变换型A/D转换器的转换精度首先取决于V－F变换器的精度，另外其精度也受到计数容量的影响，计数器容量越大转换误差越小9.3.5A/D转换器的转换精度与转换速度一、A/D转换器的转换精度在单片集成的A/D转换器中转换精度也采用分辨率（又称为分解度）和转换误差来描述。目前一百二十页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站1.分辨率：

A/D转换器的分辨率是输出二进制数或十进制数的位数表示。它表示A/D转换器对输入信号的分辨能力。*从理论上讲，n位二进制数字输出的A/D转换器能区分2n不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2n（FSR/2n,FSR－输入电压满量程刻度）。分辨率所描述的为A/D转换器的固有误差－量化误差△，在最大输入电压一定时，其输出位数越多，量化误差越小，分辨率越高。如10位二进制A/D转换器，若最大输入信号为5V，则应能区分输入信号的最小电压为5V/210=4.88mV.7.3.7A/D转换器的转换精度与转换速度目前一百二十一页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站一般是以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。通常以最低有效位的倍数给出，如若转换误差为<±LSB/2，则说明实际输出的数字量和理论上应得的输出数字量之间的最小误差小于最低有效位的半个字。有时也用满量程输出的百分数给出转换误差。如A/D转换器的输出为十进制位（即所谓3位半），若转换误差为±0.005%FSR，则满量程输出为1999,最大输出误差小于最低位的1。2.转换误差：7.3.7A/D转换器的转换精度与转换速度注：如果以增加输出数字量的位数并不一定提高A/D转换器的精度，必须根据转换误差小于等于量化误差，合理选择输出数字量的位数。目前一百二十二页\总数一百三十六页\编于三点中英文日报导航站二、A/D转换器的转换速度A/D转换器转换速度是用转换时间来描述，转换时间定义为A/D转换器从转换控制信号到来时起，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。