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1、第3章 数模转换和模数转换第1页，共43页，编辑于2022年，星期一传感器传感器(温度、压力、流温度、压力、流量等量等模拟量模拟量）A/D计算机计算机（数字量）（数字量）显示器显示器D/A执行部件执行部件（模（模拟量控制）拟量控制）打印机打印机3.1 3.1 概述概述能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC ADC和和DACDAC是沟通模拟电路和数字电路的桥是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口梁，也可称之为两者之间的接口.ADCADC和和DACDAC的应用：的应用：
2、第2页，共43页，编辑于2022年，星期一 D/AD/A转转换换器器实实质质上上是是一一个个译译码码器器（解解码码器器）。一一般般常常用用的的线线性性D/AD/A转转换换器器，其其输输出出模模拟拟电电压压uO O和和输输入入数数字字量量D Dn n之之间间成成正正比比关关系系。U UREFREF为参考电压。为参考电压。一、一、D/AD/A转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理3.2 3.2 数模转换器数模转换器 D/A D/A转换器是将输入的转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量二进制数字量转换成模拟量，以电压，以电压或电流的形式输出。或电流的形式输出。uODnUREF第3页，共43页，编
3、辑于2022年，星期一 将输入的每一位二进制代码将输入的每一位二进制代码按按其其权值权值大小大小转换转换成相应的模成相应的模拟量，然后将代表各位的拟量，然后将代表各位的模拟量相加模拟量相加，则所得的总模拟量就与，则所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。3.2 3.2 数模转换器数模转换器即：即：D/AD/A转换器的输出电压转换器的输出电压u uO O，等于代码为，等于代码为1 1的各位所对应的各分模的各位所对应的各分模拟电压之和。拟电压之和。第4页，共43页，编辑于2022年，星期一 D/A D/A转换器一般由转换
4、器一般由数码缓冲寄存器数码缓冲寄存器、模拟电子开关模拟电子开关、参考电参考电压压、解码网络解码网络和和求和电路求和电路等组成。等组成。3.2 3.2 数模转换器数模转换器数码缓冲数码缓冲寄存器寄存器n位数控位数控模拟开关模拟开关解码网络解码网络n位数字量位数字量输入输入模拟量输模拟量输出出求和电路求和电路参考电压参考电压n n 位位D/AD/A转换器方框图转换器方框图 数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络中获
5、得的相应数位权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，中获得的相应数位权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。便得到与数字量对应的模拟量。第5页，共43页，编辑于2022年，星期一1.权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 权电阻网络权电阻网络DAC原理图原理图 3.2 3.2 数模转换器数模转换器二、二、D/AD/A转换器的主要电路形式转换器的主要电路形式权电阻双向模拟开关数字量输入数字量输入 模模拟拟量量输输出出权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。运算放大器第6页，共43页，编辑于2022年，星期一 集成运算放大器，作为
6、集成运算放大器，作为求和求和权电阻网络的缓冲，并将电流转换权电阻网络的缓冲，并将电流转换为电压输出。为电压输出。3.2 3.2 数模转换器数模转换器权电阻网络权电阻网络DACDAC的原理分析的原理分析 开关开关S Si i的位置受数据锁存器输出的数码的位置受数据锁存器输出的数码d di i控制：控制：当当d di i=1=1时，时，S Si i将对应的权电将对应的权电阻接到参考电压阻接到参考电压U UREFREF上；当上；当d di i=0=0时，时，S Si i将对应的权电阻接地将对应的权电阻接地。虚短虚短第7页，共43页，编辑于2022年，星期一3.2 3.2 数模转换器数模转换器虚断虚断
7、运算放大器总的输入电流为运算放大器总的输入电流为 运算放大器输出电压为运算放大器输出电压为 令令 R RF F=R/2=R/2，则，则即：输出的模拟电压即：输出的模拟电压u uO O正比正比于输入的数字量于输入的数字量D Dn n，从而实现了从数，从而实现了从数字量到模拟量的转换。字量到模拟量的转换。第8页，共43页，编辑于2022年，星期一因而因而u uO O的变化范围是的变化范围是 3.2 3.2 数模转换器数模转换器当当Dn=Dn-1D0=0时，时，uO=0；当当Dn=Dn-1D0=111时，时，。权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器的特点转换器的特点优点：结构简单，电阻元件数较少；优
8、点：结构简单，电阻元件数较少；缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。第9页，共43页，编辑于2022年，星期一3.2 3.2 数模转换器数模转换器2.倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 数字量输入数字量输入 模模拟拟量量输输出出 电阻解码网络中，电阻只有电阻解码网络中，电阻只有R R和和2R2R两种，并构成倒两种，并构成倒T T型电阻网络。型电阻网络。当当d di i=1=1时，相应的开关时，相应的开关S Si i接到求和点；当接到求和点；当d di i=0=0时，相应的开关时，相应的开关S Si i接地。接地。但由于但由于虚短虚短，求和点和地相连，所以
9、不论开关如何转向，电阻，求和点和地相连，所以不论开关如何转向，电阻2R2R总是与地相总是与地相连连。这样，倒。这样，倒T T型网络的各节点型网络的各节点向上看向上看和和向右看向右看的等效电阻都是的等效电阻都是2R2R，整个网整个网络的等效输入电阻为络的等效输入电阻为R R。求和点倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器原理图转换器原理图 第10页，共43页，编辑于2022年，星期一3.2 3.2 数模转换器数模转换器参考电压参考电压UREF供出的总电流为：供出的总电流为：分流：分流：流入求和点的各支路电流为：流入求和点的各支路电流为：第11页，共43页，编辑于2022年，星期一3.2 3.2 数
10、模转换器数模转换器流入求和点的电流为：流入求和点的电流为：虚断虚断，运算放大器的输出电压为：，运算放大器的输出电压为：第12页，共43页，编辑于2022年，星期一倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器的特点：转换器的特点：优点：电阻种类少，只有优点：电阻种类少，只有R和和2R，提高了制造精度；而且支路电，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。应用：它是目前集成应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用较多的一种，转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如如8位位D/A转换器转换器DAC0832，就是采用倒，就是采用倒
11、T型电阻网络型电阻网络。3.2 3.2 数模转换器数模转换器令令 R RF F=R=R，则，则即：输出的模拟电压即：输出的模拟电压u uO O正比正比于输入的数字量于输入的数字量D Dn n，从而实现了从数字量到模，从而实现了从数字量到模拟量的转换。拟量的转换。第13页，共43页，编辑于2022年，星期一分辨率用于表征分辨率用于表征D/AD/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。转换器对输入微小量变化的敏感程度。分分辨辨率率越越高高，转转换换时时对对输输入入量量的的微微小小变变化化的的反反应应越越灵灵敏敏。而分辨率与输入数字量的位数有关，而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高越大，分
12、辨率越高。3.2 3.2 数模转换器数模转换器1.分辨率分辨率 三、三、D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输入数字量的输入数字量的位数位数n表示表示D/A转换器的分辨率；转换器的分辨率；对对于于分分辨辨率率为为n位位的的D/A转转换换器器，能能够够分分辨辨的的输输入入信信号号为为满满量量程的程的1/2n。第14页，共43页，编辑于2022年，星期一3.2 3.2 数模转换器数模转换器2.转换精度转换精度 D/A D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际
13、值与理想值之实际值与理想值之差差。一般采用数字量的。一般采用数字量的最低有效位最低有效位作为衡量单位。如作为衡量单位。如0.5LSB0.5LSB。3.转换时间转换时间 从数字量输入到转换输出稳定从数字量输入到转换输出稳定为止（一般取为止（一般取0.5LSB0.5LSB范围内）所范围内）所需要的时间，称为需要的时间，称为建立时间建立时间t tsetset。第15页，共43页，编辑于2022年，星期一3.2 3.2 数模转换器数模转换器4.线性误差线性误差 描述当数字量变化时描述当数字量变化时D/AD/A输出的模拟量按比例关系变化的程度。通常取输出的模拟量按比例关系变化的程度。通常取为模拟量输出偏
14、离理想输出的最大值。为模拟量输出偏离理想输出的最大值。5.温度系数温度系数 在输入数字量不变的情况下，输出模拟量随温度变化产生的变在输入数字量不变的情况下，输出模拟量随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高11，输出电压变化的，输出电压变化的百百分数分数作为温度系数。作为温度系数。温度系数直接影响转换精度。温度系数直接影响转换精度。第16页，共43页，编辑于2022年，星期一3.2 3.2 数模转换器数模转换器1.DAC08321.DAC0832结构框图结构框图 四、四、8 8位集成位集成DAC0832DAC0832共共2020根外部引脚（
15、根外部引脚（20 pins20 pins）,双列直插式封装。双列直插式封装。第17页，共43页，编辑于2022年，星期一3.2 3.2 数模转换器数模转换器1.DAC08321.DAC0832结构框图结构框图 四、四、8 8位集成位集成DAC0832DAC08328位位输入输入寄存器寄存器8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A转换器转换器UREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&RFB 由一个由一个8 8位输入寄存器位输入寄存器、一个、一个8 8位位DACDAC寄存器寄存器和一个和一个8 8位位D/AD/A转换器转换器三大部分组成
16、。三大部分组成。D/AD/A转换器采用转换器采用倒倒T T型型R R-2-2R R电阻网络电阻网络。LE1，跟随 0，锁存第18页，共43页，编辑于2022年，星期一3.2 3.2 数模转换器数模转换器2.DAC08322.DAC0832引脚功能引脚功能 DIDI7 7DIDI0 0：8 8位输入数据信号。位输入数据信号。I IOUT1OUT1：DACDAC输出电流输出电流1 1。当。当DACDAC锁存器中为全锁存器中为全1 1时，时，I IOUT1OUT1最大；为最大；为全全0 0时，时，I IOUT1OUT1为为0 0。I IOUT2OUT2：DACDAC输出电流输出电流2 2。它作为运算
17、放大器的另一个差分输入信。它作为运算放大器的另一个差分输入信号（一般接地）。满足号（一般接地）。满足 I IOUT1OUT1+I+IOUT2 OUT2 满量程输出电流。满量程输出电流。R RFBFB：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832DAC0832中无运放，且为中无运放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了R RFBFB，只要将此引脚接到运，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须外加反馈电阻。放的输出端即可。若运放增益不够，还须外加反馈电阻。ILEILE：输入锁存允许信
18、号，高电平有效。：输入锁存允许信号，高电平有效。CSCS：片选信号，低电平有效。：片选信号，低电平有效。WRWR1 1：输入寄存器写信号，低电平有效。：输入寄存器写信号，低电平有效。XFERXFER：数据传送控制信号，低电平有效。：数据传送控制信号，低电平有效。WRWR2 2：DACDAC寄存器写信号，低电平有效。寄存器写信号，低电平有效。第19页，共43页，编辑于2022年，星期一3.2 3.2 数模转换器数模转换器 任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的“地地”，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，由于噪，其各个位置上的电
19、压也并非一致的，对于数字电路，由于噪声容限较高，通常是不需要考虑声容限较高，通常是不需要考虑“地地”的形式的，但对于模拟电的形式的，但对于模拟电路而言，这个不同地方的路而言，这个不同地方的“地地”对测量的精度是构成影响的，因对测量的精度是构成影响的，因此，此，通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分开布线通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分开布线，只在板中，只在板中的一点把它们连接起来。的一点把它们连接起来。DGNDDGND：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。AGNDAGND：模拟地，是放大器、：模拟地，是放大器、A/DA/D和和D/AD
20、/A转换器中模拟电路的零电位。转换器中模拟电路的零电位。V VREFREF：参参考考电电压压输输入入。一一般般此此端端外外接接一一个个精精确确、稳稳定定的的电电压压基准源。基准源。V VREFREF可在可在-10V-10V至至+10V+10V范围内选择。范围内选择。V VCCCC：电源输入端（一般取：电源输入端（一般取+5V+5V+15V+15V）。）。第20页，共43页，编辑于2022年，星期一3.DAC08323.DAC0832特性参数特性参数 3.2 3.2 数模转换器数模转换器分辨率：分辨率：8 8位位转换时间：转换时间：1 1ss转换精度：精度：1LSB1LSB增益温度系数：增益温度
21、系数：20ppm/20ppm/（ppm-ppm-百万分之一，百万分之一，1010-6-6）功耗：功耗：20mW 20mW4.DAC08324.DAC0832工作方式工作方式 当当ILEILE、CSCS和和WRWR1 1同同时时有有效效时时，输输入入数数据据DIDI7 7DIDI0 0进进入入输输入入寄寄存存器器；并并在在WRWR1 1的的上上升升沿沿实实现现数数据据锁锁存存。当当WRWR2 2和和XFERXFER同同时时有有效效时时，输输入入寄寄存存器器的的数数据据进进入入DACDAC寄寄存存器器；并并在在WRWR2 2的的上上升升沿沿实实现现数数据据锁锁存存。八八位位D/AD/A转转换换电路
22、随时将电路随时将DACDAC寄存器的数据转换为模拟信号（寄存器的数据转换为模拟信号（I IOUT1OUT1+I IOUT2OUT2）输出。）输出。DAC0832 DAC0832 的使用有的使用有双缓冲器型双缓冲器型、单缓冲器型单缓冲器型和和直通型直通型三种工作三种工作方式。方式。第21页，共43页，编辑于2022年，星期一DAC0832DAC0832的三种工作方式的三种工作方式 3.2 3.2 数模转换器数模转换器（b b）单缓冲方式单缓冲方式：适合在不要求多片：适合在不要求多片D/AD/A同时输出时。此时只需一次写操作，就开始转换，同时输出时。此时只需一次写操作，就开始转换，提高了提高了D/
23、AD/A的数据吞吐量。的数据吞吐量。（a a）双缓冲方式双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道D/AD/A的同步转换输出。的同步转换输出。（c c）直通方式直通方式：输出随输入的变化随时转换。：输出随输入的变化随时转换。第22页，共43页，编辑于2022年，星期一DAC0832DAC0832应用实例应用实例 3.2 3.2 数模转换器数模转换器第23页，共43页，编辑于2022年，星期一 A/DA/D转转换换是是
24、将将模模拟拟信信号号转转换换为为数数字字信信号号，转转换换过过程程通通过过采采样样、保持、量化和编码保持、量化和编码四个步骤完成。四个步骤完成。3.3 3.3 模数转换器模数转换器一、一、A/DA/D转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理采样保持量化编码VIDO模拟量输入数字量输出第24页，共43页，编辑于2022年，星期一 采采样样是是将将时时间间上上连连续续变变化化的的信信号号，转转换换为为时时间间上上离离散散的的信信号号，即即将将时时间间上上连连续续变变化化的的模模拟拟量量转转换换为为一一系系列列等等间间隔隔的的脉脉冲冲，脉脉冲冲的的幅幅度度取取决决于于输输入模拟量。入模拟量。1.1.
25、采样和保持采样和保持 3.3 3.3 模数转换器模数转换器采样过程采样过程 采样脉冲采样脉冲 输输入入模模拟拟信信号号 采采样样输输出出信信号号 采样定理采样定理第25页，共43页，编辑于2022年，星期一 模模拟拟信信号号经经采采样样后后，得得到到一一系系列列样样值值脉脉冲冲。采采样样脉脉冲冲宽宽度度一一般般是是很很短短暂暂的的，在在下下一一个个采采样样脉脉冲冲到到来来之之前前，应应暂暂时时保保持持所所取取得得的的样样值值脉脉冲冲幅幅度，以便进行转换。因此，在采样电路之后须加度，以便进行转换。因此，在采样电路之后须加保持电路保持电路。3.3 3.3 模数转换器模数转换器在采样脉冲在采样脉冲S
26、(tS(t)到来的时间到来的时间内，内，VTVT导通，导通，U UI I(t t)向电容向电容C C充电，假定充电时间充电，假定充电时间常数远小于常数远小于，则有：则有：U UO O(t)(t)U US S(t)(t)U UI I(t)(t)。采样采样采样结束，采样结束，VTVT截止，而电容截止，而电容C C上电压保持充电电压上电压保持充电电压U UI I(t)(t)不变，直到下一个采不变，直到下一个采样脉冲到来为止。样脉冲到来为止。保持保持 场效应管场效应管VTVT为为采样门采样门，电容，电容C C为为保持电容保持电容，运算放大器为，运算放大器为跟随器跟随器，起，起缓冲缓冲隔离隔离作用。作用
27、。采样保持电路及输出波形采样保持电路及输出波形第26页，共43页，编辑于2022年，星期一 输输入入的的模模拟拟电电压压经经过过采采样样保保持持后后，得得到到的的是是阶阶梯梯波波。而而该该阶阶梯梯波波仍仍是是一一个个可可以以连连续续取取值值的的模模拟拟量量，但但n n位位数数字字量量只只能能表表示示2 2n n个个数数值值。因因此此，用用数数字字量量来来表表示示连连续续变变化化的的模模拟拟量量时时就就有有一一个个类类似似于于四四舍舍五五入入的的近近似问题似问题。3.3 3.3 模数转换器模数转换器2.2.量化和编码量化和编码 将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为将采样后的
28、样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量量化化。指定的离散电平称为。指定的离散电平称为量化电平量化电平U Uq q 。用二进制数码来表示各个量化。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为电平的过程称为编码编码。两个量化电平之间的差值称为。两个量化电平之间的差值称为量化单位量化单位，位数越多，量化等级越细，位数越多，量化等级越细，就越小。采样保持后未量化的就越小。采样保持后未量化的U Uo o值与量化电值与量化电平平U Uq q值通常是不相等的，其差值称为值通常是不相等的，其差值称为量化误差量化误差，即，即=U Uo o-U Uq q。量化的方法一般有两种：量化的方法一般有两种：只舍不
29、入法只舍不入法和和有舍有入法有舍有入法。第27页，共43页，编辑于2022年，星期一3.3 3.3 模数转换器模数转换器1)1)只舍不入法只舍不入法 当当U Uo o的的尾尾数数时时，舍舍尾尾取取整整。这这种种方方法法总总为为正正值值，maxmax 。2)2)有舍有入法有舍有入法 当当U Uo o的的尾尾数数/2/2时时，舍舍尾尾取取整整；当当U Uo o的的尾尾数数/2/2时时，舍舍尾尾入入整整。这这种种方方法法可可正正可可负负，但但是是|maxmax|=|=/2/2。可可见见，它它的的误误差差要要小。小。第28页，共43页，编辑于2022年，星期一 A/D A/D转换器有转换器有直接转换法
30、直接转换法和和间接转换法间接转换法两大类。两大类。直直接接法法是是通通过过一一套套基基准准电电压压与与采采样样保保持持电电压压进进行行比比较较，从从而而直直接接将将模模拟拟量量转转换换成成数数字字量量。其其特特点点是是工工作作速速度度高高，转转换换精精度度容容易易保保证证，调调准准也也比比较较方方便便。直直接接A/DA/D转转换换器器有有计计数数型型、逐逐次次比比较较型型、并并行行比比较较型型等。等。间间接接法法是是将将采采样样后后的的模模拟拟信信号号先先转转换换成成中中间间变变量量时时间间t t或或频频率率f f,然然后后再再将将t t或或f f转转换换成成数数字字量量。其其特特点点是是工工
31、作作速速度度较较低低，但但转转换换精精度度可可以以做做得较高得较高，且抗干扰性强。，且抗干扰性强。间接间接A/DA/D转换器有单次积分型、双积分型转换器有单次积分型、双积分型等。等。3.3 3.3 模数转换器模数转换器二、二、A/DA/D转换器的主要电路形式转换器的主要电路形式第29页，共43页，编辑于2022年，星期一3.3 3.3 模数转换器模数转换器1.并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 量化电平依据有舍有入划量化电平依据有舍有入划分为分为7 7个电平。个电平。量化单位为量化单位为 =(2/15)U=(2/15)UREFREF量化误差为量化误差为|maxmax|=(1/15)U|=(
32、1/15)UREFREF电压比较器电压比较器 U U+U U-时，时，C Ci i1 1；U U+U U-时，时，C Ci i0 0。第30页，共43页，编辑于2022年，星期一3.3 3.3 模数转换器模数转换器 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器真值表转换器真值表1输入模拟电压寄存器状态数字量输出（编码器输入）（编码器输出）QQQQQQQ6543210ddd210uI15()15)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1033557799111113131UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF0000001111111111
33、1110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：例如：u uI I4.2V4.2V，U UREFREF6V6V。3.6V3.6V4.4V4.4V则数字量输出则数字量输出d d2 2d d1 1d d0 0101101。第31页，共43页，编辑于2022年，星期一优优点点：转转换换速速度度很很快快，故故又又称称高高速速A/DA/D转转换换器器。含含有有寄寄存存器器的的A/DA/D转转换换器兼有采样保持功能，所以它可以器兼有采样保持功能，所以它可以不用附加采样保持电路不用附加采样保持电路。缺缺点点：电电路路复复杂
34、杂，对对于于一一个个n n位位二二进进制制输输出出的的并并行行比比较较型型A/DA/D转转换换器器，需需n n-1-1个个电电压压比比较较器器和和2 2n n-1-1个个触触发发器器，编编码码电电路路也也随随n n的的增增大大变变得得相相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。因此，这种转换器适用于因此，这种转换器适用于高速，高速，精度较低精度较低的场合。的场合。3.3 3.3 模数转换器模数转换器并行比较型并行比较型A/DA/D转换器的特点：转换器的特点：第32页，共43页，编辑于2022年，星期一2.逐次逼近型逐次逼近
35、型A/D转换器转换器 3.3 3.3 模数转换器模数转换器逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器原理图转换器原理图 第33页，共43页，编辑于2022年，星期一3.3 3.3 模数转换器模数转换器转换开始前先将逐次逼近寄存器转换开始前先将逐次逼近寄存器SARSAR清清“0”“0”；开开始始转转换换以以后后，第第一一个个时时钟钟脉脉冲冲首首先先将将寄寄存存器器最最高高位位置置成成1 1，使使输输出出数数字字为为10001000。这这个个数数码码被被D/AD/A转转换换器器转转换换成成相相应应的的模模拟拟电电压压u uo o，经经偏偏移移-/2/2后后得得到到u uO Ou uO O/2/2，并并
36、送送到到比比较较器器中中与与u uI I进进行行比比较较。若若u uI Iu uo o，说说明明数数字字过过大大，故故将将最最高高位位的的1 1清清除除置置零零；若若u uI Iu uo o，说说明数字还不够大，应将这一位保留。明数字还不够大，应将这一位保留。然然后后，按按同同样样的的方方法法将将次次高高位位置置成成1 1，并并且且经经过过比比较较以以后后确确定定这这个个1 1是是保保留留还还是是清清除除。这这样样逐逐位位比比较较下下去去，一一直直到到最最低低位位为为止止。比比较较完完毕毕后后，SARSAR中的状态就是所要求的数字量输出。中的状态就是所要求的数字量输出。逐次逼近型逐次逼近型A/
37、DA/D转换器的工作原理：转换器的工作原理：注：注：有舍有入法有舍有入法，偏移电压取为偏移电压取为-/2-/2 只舍不入法只舍不入法，偏移电压取为偏移电压取为0 0 第34页，共43页，编辑于2022年，星期一3.3 3.3 模数转换器模数转换器例：若例：若U UREFREF-4V-4V，n n4 4。当采样保持电路输出电压。当采样保持电路输出电压u uI I=2.49V=2.49V时，试列表说时，试列表说明逐次逼近型明逐次逼近型ADCADC电路的电路的A/DA/D转换过程。转换过程。解：量化单位为解：量化单位为偏移电压为偏移电压为/2/20.125V0.125V转换的结果为：转换的结果为：d
38、3d2d1d01010。第35页，共43页，编辑于2022年，星期一 双双积积分分型型ADCADC的的转转换换原原理理是是先先将将模模拟拟电电压压U UI I转转换换成成与与其其大大小小成成正正比比的的时时间间间间隔隔T T，再再利利用用基基准准时时钟钟脉脉冲冲通通过过计计数数器器将将T T变变换换成成数数字字量量。3.3 3.3 模数转换器模数转换器3.3.双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器 这这种种A/DA/D转转换换器器具具有有很很多多优优点点。首首先先，其其转转换换结结果果与与时时间间常常数数RCRC无无关关，从从而而消消除除了了由由于于谐谐波波电电压压非非线线性性带带来来的的误
39、误差差，允允许许积积分分电电容容在在一一个个较较宽宽范范围围内内变变化化，而而不不影影响响转转换换结结果果。其其次次，由由于于输输入入信信号号积积分分的的时时间间较较长长，且且是是一一个个固固定定值值T T1 1，而而T T2 2正正比比于于输输入入信信号号在在T T1 1内内的的平平均均值值，这这对对于于叠叠加加在在输输入入信信号号上上的的干干扰扰信信号号有有很很强强的的抑抑制制能能力力。最最后后，这这种种A/DA/D转转换换器器不不必必采采用用高高稳稳定定度度的的时时钟钟源源，它它只只要要求求时时钟钟源源在在一一个个转转换换周周期期（T T1 1+T T2 2）内内保保持持稳稳定定即即可可
40、。这这种种转转换换器器被被广广泛泛应应用用于于要要求精度较高而转换速度要求不高的仪器中求精度较高而转换速度要求不高的仪器中。第36页，共43页，编辑于2022年，星期一分辨率分辨率=1.1.分辨率分辨率 分分辨辨率率指指A/DA/D转转换换器器对对输输入入模模拟拟信信号号的的分分辨辨能能力力。从从理理论论上上讲讲，一一个个n n位位二二进进制制数数输输出出的的A/DA/D转转换换器器应应能能区区分分输输入入模模拟拟电电压的压的2 2n n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为 （满量程输入的（满量程输入的1/21/2n n）。）。3.3 3.3 模
41、数转换器模数转换器三、三、A/DA/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标例如，例如，A/DA/D转换器的输出为转换器的输出为1212位二进制数，最大输入模拟信号为位二进制数，最大输入模拟信号为10V10V，则其，则其分辨率为分辨率为 第37页，共43页，编辑于2022年，星期一2.2.转换时间转换时间 转转换换时时间间是是指指A/DA/D转转换换器器从从接接到到转转换换启启动动信信号号开开始始，到到输输出出端端获获得得稳稳定定的数字信号所经过的时间。的数字信号所经过的时间。A/DA/D转转换换器器的的转转换换速速度度主主要要取取决决于于转转换换电电路路的的类类型型，不不同同类类型型A/D
42、A/D转换器的转换速度相差很大。转换器的转换速度相差很大。双积分型双积分型A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度最慢最慢，需，需几百毫秒几百毫秒左右；左右；逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度较快较快，需，需几十微秒几十微秒；并行比较型并行比较型A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度最快最快，仅需，仅需几十纳秒几十纳秒时间。时间。3.3 3.3 模数转换器模数转换器第38页，共43页，编辑于2022年，星期一3.3 3.3 模数转换器模数转换器3.3.量化误差量化误差 它它表表示示A/DA/D转转换换器器实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上输
43、输出出的的数数字字量量之之间间的的差差别。常用别。常用最低有效位的倍数最低有效位的倍数表示。表示。例如，转换误差例如，转换误差 。就表明实际输出的数字量和理。就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低有效位值的一半。论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低有效位值的一半。例：某信号采集系统要求用一片例：某信号采集系统要求用一片A/DA/D转换集成芯片在转换集成芯片在1s1s内对内对1616个热电偶的输出电压个热电偶的输出电压分别进行分别进行A/DA/D转换。已知热电偶输出电压范围为转换。已知热电偶输出电压范围为0 025mV25mV（对应于（对应于0 0450450温度
44、范温度范围），需分辨的温度为围），需分辨的温度为0.10.1，试问应选择几位的，试问应选择几位的A/DA/D转换器？其转换时间为多转换器？其转换时间为多少？少？解：解：分辨率分辨率=12位位ADC的分辨率的分辨率=故需选用故需选用1313位位A/DA/D转换器。转换器。转换时间转换时间=第39页，共43页，编辑于2022年，星期一3.3 3.3 模数转换器模数转换器四、四、8 8位集成位集成ADC0809 ADC0809 1.ADC08091.ADC0809特性参数特性参数 分辨率：分辨率：8 8位位精度：精度：8 8位位转换时间：转换时间：100 100ss增益温度系数：增益温度系数：20p
45、pm/20ppm/输入电平：输入电平：TTL TTL功耗：功耗：15mW 15mW ADC0809 ADC0809是采用是采用CMOSCMOS工艺制成的工艺制成的8 8位位八通道八通道逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转转换器。换器。第40页，共43页，编辑于2022年，星期一发出发出A/DA/D转换转换启动信号启动信号STARTSTART，在，在STARTSTART的的上升沿上升沿将将SARSAR清清0 0，转换结束标志转换结束标志EOCEOC变为低电平，在变为低电平，在STARTSTART的的下降沿开始转换下降沿开始转换；3.3 3.3 模数转换器模数转换器2.ADC08092.ADC080
46、9工作原理工作原理转换结束后，转换结束后，EOCEOC跳为高电平跳为高电平，在，在OEOE端输入高电平，从而得到端输入高电平，从而得到转换结果输出。转换结果输出。输入输入3 3位地址信号，在位地址信号，在ALEALE脉冲的脉冲的上升沿上升沿将将地址锁存地址锁存，经译码选，经译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；通某一通道的模拟信号进入比较器；转换过程在时钟脉冲转换过程在时钟脉冲CLKCLK的控制下进行；的控制下进行；第41页，共43页，编辑于2022年，星期一ININ0 0ININ7 7：8 8路模拟电压输入。路模拟电压输入。ADDADDC C、ADDADDB B、ADDADDA A：3 3位
47、地址信号。位地址信号。ALEALE：地址锁存允许信号输入，高电平有效。：地址锁存允许信号输入，高电平有效。D D7 7D D0 0：8 8位二进制数码输出。位二进制数码输出。OEOE：输输出出允允许许信信号号，高高电电平平有有效效。即即当当OE=1OE=1时时，打打开开输输出出锁锁存存器器的的三态门，将数据送出。三态门，将数据送出。U UR(+)R(+)和和U UR(-)R(-)：基准电压的正端和负端。：基准电压的正端和负端。3.3 3.3 模数转换器模数转换器3.ADC08093.ADC0809引脚功能引脚功能第42页，共43页，编辑于2022年，星期一CLKCLK：时钟脉冲输入端。一般在此
48、端加：时钟脉冲输入端。一般在此端加500kHz500kHz的时钟信号。的时钟信号。STARTSTART：A/DA/D转转换换启启动动信信号号，为为一一正正脉脉冲冲。在在STARTSTART的的上上升升沿沿将将逐逐次比较寄存器次比较寄存器SARSAR清清0 0，在其下降沿开始，在其下降沿开始A/DA/D转换过程。转换过程。EOCEOC：转转换换结结束束标标志志输输出出信信号号。在在STARTSTART信信号号上上升升沿沿之之后后 EOCEOC信信号号变变为为低低电电平平；当当转转换换结结束束后后，EOCEOC变变为为高高电电平平。此此信信号号可可作作为为向向CPUCPU发出的中断请求信号。发出的中断请求信号。3.3 3.3 模数转换器模数转换器第43页，共43页，编辑于2022年，星期一