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1、概述概述D/AD/A转换器转换器A/DA/D转换器转换器第九章第九章 数模与模数转换器数模与模数转换器Digital Analog Converter and Analog Digital Converter第九章第九章数模与模数转换器数模与模数转换器教学要求教学要求1.掌握倒掌握倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器(DAC)DAC)、集成集成D/AD/A转换器转换器75337533的工作原理及相关计算。的工作原理及相关计算。2.2.2.2.正确理解正确理解D/AD/A转换器的两种输出方式。转换器的两种输出方式。3.3.3.3.掌握并行比较、逐次比较、双积分掌握并行比较、逐次比
2、较、双积分A/DA/D转换转换器器(ADC)ADC)的工作原理及其特点。的工作原理及其特点。4.4.4.4.了解了解了解了解D/AD/A转换器、转换器、转换器、转换器、A/DA/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标及典型应用。及典型应用。及典型应用。及典型应用。D/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 ADCADC和和DACDAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路已
3、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信号制信号能将模拟信号转换成数字信号的电路称为模数转换器能将模拟信号转换成数字信号的电路称为模数转换器(A/D)；而将能将数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器而将能将数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器（D/A);转换精度和速度是衡量它们的重要技术指标。转换精度和速度是衡量它们的重要技术指标。91 D/A转换器（转换器（DAC）NB是是是是n n位二进制代码的输
4、入数字量。为了将数字位二进制代码的输入数字量。为了将数字位二进制代码的输入数字量。为了将数字位二进制代码的输入数字量。为了将数字量转换成模拟量，必须将每量转换成模拟量，必须将每量转换成模拟量，必须将每量转换成模拟量，必须将每1 1位的代码按其权的位的代码按其权的位的代码按其权的位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得与数字量成正比的总模拟量，从而实加，即可得与数字量成正比的总模拟量，从而实加，即可得与数字量成正比的总模拟量，从而实加，即可得与
5、数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字现了数字现了数字现了数字模拟转换模拟转换模拟转换模拟转换。此即此即此即此即D/AD/A转换器的基本思转换器的基本思转换器的基本思转换器的基本思想。想。想。想。1.n位位D/A转换器的转换器的示意图如下：示意图如下：9.1.1 9.1.1 D/AD/A转换器的基本原理转换器的基本原理转换器的基本原理转换器的基本原理D D0 0 D D1 1 v vOOD/AD/A转换器转换器转换器转换器D Dn-2n-2D Dn-1n-1NB(i iOO)2.对对D/A的基本要求的基本要求:输出模拟量与输出模拟量与输入数字量值成正比。输入数字量值成正比。001 010 01
6、1 100 101 110001 010 011 100 101 110 D Dvo o/V/V0 06 65 54 43 32 21 1D D0 0 D D1 1 D D2 2D D3 3 D D4 4D D5 5vOODACDAC 3.4 3.4位位位位D/AD/A转换器的原理电路如图转换器的原理电路如图转换器的原理电路如图转换器的原理电路如图9.1.29.1.2所示所示所示所示：图图9.1.2锁锁存存器器D0D1D2D3数数字字量量输输入入或者悬空或者悬空电路由电子开关、权电阻网络、求和电路、基准电电路由电子开关、权电阻网络、求和电路、基准电压、锁存器等组成。如压、锁存器等组成。如Rf=
7、R,由图得由图得4.n位位D/A转换器的一般方框图如下：转换器的一般方框图如下：基准电压基准电压n位模拟位模拟开关开关解码网络解码网络求和电路求和电路数码寄数码寄存器存器n位数字位数字量输入量输入模拟量模拟量输出输出解码网络一般有解码网络一般有倒倒倒倒T T形电阻网络、形电阻网络、形电阻网络、形电阻网络、T T形电阻网形电阻网形电阻网形电阻网络、权电流网络等；电子开关也有络、权电流网络等；电子开关也有络、权电流网络等；电子开关也有络、权电流网络等；电子开关也有TTL TTL 型和型和型和型和CMOSCMOS型，据此不同的组合可有不同类型的型，据此不同的组合可有不同类型的型，据此不同的组合可有不
8、同类型的型，据此不同的组合可有不同类型的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1.4位位倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器的工作原理转换器的工作原理-+R RfR RR RR R2 2R R2 2R R2 2R R2 2R R2 2R RI/8I/8S S0 0S S1 1S S2 2S S3 3D D0 0(LSB)LSB)D D1 1D D2 2D D3 3I/2I/2I/4I/4I/16I/16I/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16I/16v v0 0+V VREFREFi i(MSB)MSB)I I图图9.1.4 倒倒T形电阻网络形电阻
9、网络D/A转换器转换器S Si i由由由由D Di i控制，控制，控制，控制，D Di i0 0时，时，时，时，S Si i将电阻将电阻将电阻将电阻2 2R R接接接接地；地；地；地；D Di i1 1时，时，时，时，S Si i将将将将电阻电阻电阻电阻2 2R R接（相应电接（相应电接（相应电接（相应电流也送）运放流也送）运放流也送）运放流也送）运放“”端。处于线性运端。处于线性运端。处于线性运端。处于线性运用状态的运放，虚用状态的运放，虚用状态的运放，虚用状态的运放，虚地使每条地使每条地使每条地使每条2 2R R电阻支电阻支电阻支电阻支路的电流恒定，与路的电流恒定，与路的电流恒定，与路的电
10、流恒定，与开关状态无关。开关状态无关。开关状态无关。开关状态无关。由图可得流入运放的总电流由图可得流入运放的总电流-+R RfR RR RR R2 2R R2 2R R2 2R R2 2R R2 2R RI/8I/8S S0 0S S1 1S S2 2S S3 3D D0 0(LSB)LSB)D D1 1D D2 2D D3 3I/2I/2I/4I/4I/16I/16I/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16I/16v v0 0+V VREFREFi i(MSB)MSB)I I分析电路可知，从分析电路可知，从分析电路可知，从分析电路可知，从每个节点向左看，每个节点向左看，每个节点向左看，每个
11、节点向左看，每个二端网络的等每个二端网络的等每个二端网络的等每个二端网络的等效电阻均为效电阻均为效电阻均为效电阻均为R R。与与与与开关相连的电阻开关相连的电阻开关相连的电阻开关相连的电阻2 2R R上的电流从高位到上的电流从高位到上的电流从高位到上的电流从高位到低位按低位按低位按低位按2 2的负整数的负整数的负整数的负整数幂递减。如图所示幂递减。如图所示幂递减。如图所示幂递减。如图所示输出电压输出电压 可见电路中输入的每一个二进制数可见电路中输入的每一个二进制数NB,均能在其输均能在其输出端得到与之成正比的模拟电压出端得到与之成正比的模拟电压VO。常用的常用的CMOS开关倒开关倒T形电阻网络
12、形电阻网络D/A转换器的集成转换器的集成电路有电路有AD7520（10位）、位）、AD7533（10位）及位）及AK7546（16位高精度）等。位高精度）等。由上式可见，要提高由上式可见，要提高D/A转换器的转换精转换器的转换精度，电路参数的选择要注意以下几点：度，电路参数的选择要注意以下几点：基准电压要稳定，要求高时可选用带隙基准电压源。基准电压要稳定，要求高时可选用带隙基准电压源。倒倒T型电阻网络中型电阻网络中R和和2R电阻的精度要高。电阻的精度要高。每个模拟开关的开关电压降要相等。以保证各每个模拟开关的开关电压降要相等。以保证各支路的电流按支路的电流按2的整数倍递减。的整数倍递减。运放的
13、零点漂移要小。运放的零点漂移要小。2.集成集成D/A转换器转换器 AD7533D/A转换器转换器AD7533D/A转换器是转换器是10位位CMOS电流开关形电流开关形D/A转换器，为电流转换器，为电流输出型。使用时外加运放，反馈输出型。使用时外加运放，反馈电阻可外加或用片内电阻。电阻可外加或用片内电阻。图图9.1.5 AD7533内部电路内部电路2 2R R-+R RF2 2R RD D9 9R RR R2 2R R2 2R RD D7 7D D8 8v v0 0+V VREFREFR R1010k k2020k k1010k kI IOUT1OUT1I IOUT2OUT2R R2 2R R2
14、 2R R2 2R RD D0 0D D1 1D D2 2R RR RS0S9S1S2S7S8图图9.1.5电路电路 AD7533引脚图引脚图18234567IOUT1GND169151413121110RFIOUT2D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0V+VREFT1T3组成电平转移电路组成电平转移电路,使输入信号能与使输入信号能与TTL电平电平兼容，即使兼容，即使TTL的高电平提高以适应的高电平提高以适应CMOS的需要的需要。Di=1时，时，T9导通，权导通，权电流经电流经T9流入运放的流入运放的反相端；反相端；Di=0时，时，T8导通，权导通，权电流经电流经T8接地。接地。图图9.1
15、.6 CMOS模拟开关电路模拟开关电路2 2R RR RR RT T1 1T T2 2T T3 3T T4 4T T5 5T T6 6T T7 7T T8 8T T9 9I IOUT2OUT2I IOUT1OUT1V VDDDDD Di i2.电子开电子开关电路之关电路之一一T9驱动电路驱动电路T8驱动电路驱动电路913 权电流型权电流型D/A转换器转换器由于倒倒倒倒T T电形阻网络电形阻网络电形阻网络电形阻网络D/AD/A转换器存在模拟开关电压降，会转换器存在模拟开关电压降，会转换器存在模拟开关电压降，会转换器存在模拟开关电压降，会产生转换误差产生转换误差产生转换误差产生转换误差，权电流型权
16、电流型D/A转换器可以提高转换精度。转换器可以提高转换精度。v v0 0-+R RfS S0 0S S1 1S S2 2S S3 3D D0 0(LSB)LSB)D D1 1D D2 2D D3 3-V VREFREFi i(MSB)MSB)I/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16I/16图图9.1.7 权电流权电流D/A转换器的原理电路转换器的原理电路用一组恒流用一组恒流源代替源代替T型型电阻网络电阻网络1.4位位权电流权电流型型D/A转换器转换器上图电路中，当输入数字量的某一位代码上图电路中，当输入数字量的某一位代码Di=1时，开关时，开关Si接运放的接运放的反相输入端，相应的权电流流
17、入求和电路；当反相输入端，相应的权电流流入求和电路；当Di=0时，开关时，开关Si接地接地分析该电分析该电路，可得出路，可得出-+R RfS S0 0S S1 1S S2 2S S3 3D D0 0(LSB)LSB)D D1 1D D2 2D D3 3-V VREFREFi i(MSB)MSB)I/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16I/16电路分析：电路分析：采用了恒流源电路采用了恒流源电路后，各支路权电流后，各支路权电流的大小均不受开关的大小均不受开关导通电阻和压降的导通电阻和压降的影响，这就降低了影响，这就降低了对开关电路的要求，对开关电路的要求，提高了转换精度。提高了转换精度。图图
18、9.1.8 实际的权电流实际的权电流D/A转换器电路转换器电路V VREFREFR Rf恒流源采用恒流源采用了具有电流了具有电流负反馈的负反馈的BJT恒流源电路。恒流源电路。给各管提供给各管提供基极偏流基极偏流R RR R2 2R R2 2R Rv v0 0-V VEEEE-+S S0 0S S1 1S S2 2S S3 3D D0 0(LSB)LSB)D D1 1D D2 2D D3 3i i(MSB)MSB)I IE3E3I/4I/4I/8I/8A A2 2R R1 1-+2 2R R2 2R R2 2R RR RR RI IECECI IEOEOI IE1E1I IE2E2I IREFR
19、EFT Tr rT T3 3T T2 2T T1 1T TOOT TC CI IBBBBI=II=IREFREF=V=VREFREF/R/R1 1偏偏置置电电流流A A1 1I/2I/22.实际的权电实际的权电流流D/A转换器转换器对实际的权电流对实际的权电流D/A转换器电路分析可得到输转换器电路分析可得到输出电压为出电压为上式表明，基准电流上式表明，基准电流IREF即输出电压即输出电压VO仅与基准电压仅与基准电压VREF和电阻和电阻R1有关，而与有关，而与BJT、R、2R电阻无关。这样，电阻无关。这样，电路降低了对电路降低了对BJT参数及参数及R、2R取值的要求，对于集取值的要求，对于集成化
20、十分有利。常用的此类转换器有成化十分有利。常用的此类转换器有AD1408、DAC0806、DAC0808等等。914 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式常用的常用的D/A转换器转换器绝大部分是数字电流转换器，输绝大部分是数字电流转换器，输出量是电流。如要实现电压输出，还须转换。输出出量是电流。如要实现电压输出，还须转换。输出电压或为电压或为0伏到正满度值，或为伏到正满度值，或为0伏到负满度值的称伏到负满度值的称为单极性输出方式。采用单极性输出方式时，输入为单极性输出方式。采用单极性输出方式时，输入数字量采用自然二进制码。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
21、R1=Rf,则有则有对对倒倒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VREF（255/256）VREF（129/256）VREF（128/256）VREF（127/256）VREF（1/256）VREF（0/256）11 1 1 1 1 1 1 2 30 0 0 0 0 0 1 41 0 0 0 0 0 0 050 1 1 1 1 1 1 1 6 70 0 0 0 0 0 0 180 0 0 0 0 0 0 0 模拟量模拟量 数字量数字量 MSB LSB表表9.1.1 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/输出关系输出关系倒倒倒倒T T
22、形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器转换器转换器单极性电压输出的电路如下：单极性电压输出的电路如下：对图（a)有+RFi i 倒T形电阻网络D/A转换器VOD0D1Dn-1VREF(a)反相输出反相输出 D/A转换器的单极性电压输出转换器的单极性电压输出对图（b)有 D/A转换器的单极性电压输出转换器的单极性电压输出+i i 倒T形电阻网络D/A转换器VOD0D1Dn-1VREFR1R2R(b)同相输出同相输出在实际应用中，在实际应用中，D/A转换器转换器 输入的数字输入的数字量有正极性也有负极性。这就要求量有正极性也有负极性。这就要求D/A转转换器能将不同极性的数
23、字量对应转换为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，工作于双极性正、负极性的模拟电压，工作于双极性方式。双极性方式。双极性D/A转换器常用的编码有：转换器常用的编码有：2的补码、偏移二进制码及符号的补码、偏移二进制码及符号-数值码数值码（符号位加数值码）等。（符号位加数值码）等。下表是对应关下表是对应关系。系。表表9.1.2 常用双极性及输出模拟量常用双极性及输出模拟量十进十进制数制数 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 D2D1D0D7 D6 D5 D4 D3 D2D1 D0VO/VLSB127126 0 1 1 1 1 1 1
24、1 0 1 1 1 1 1 1 0 ：1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 ：127126 ：1 0-1-127-128 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 ：1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 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 0 1 0 -1 ：-127-128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与无符号二进制码形式
25、上相同，它实际上是将二进制码对应的模进制码形式上相同，它实际上是将二进制码对应的模拟量的拟量的0值偏移至值偏移至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。所以，若将的则为负数。所以，若将单极性单极性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所对所对应的模拟量），就可得到极性正确的应的模拟量），就可得到极性正确的偏移二进制码偏移二进制码输输出电压出电压。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
26、上述D/A转换电路中就可转换电路中就可实现其双极性输出。而实现其双极性输出。而2的补码加的补码加80H并舍弃进位就可并舍弃进位就可得到得到偏移二进制码偏移二进制码。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。于是可得采用于是可得采用2的补码输入的的补码输入的8位双极性输出位双极性输出D/A转换电转换电路如下：路如下：由图得由图得A12R1D08位倒T形电阻网络D/A转换器D1VREF 1 D2D3D4D5D6D7i i+R=RfVI+R1VONBR1A2915 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率分辨率 分辨率是分辨率是D/AD/A
27、转换器对输入微小量变化敏感程度转换器对输入微小量变化敏感程度的表征。其定义为的表征。其定义为D/AD/A转换器模拟输出电压可能转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。等级越多，分辨率愈高。所以，被分离的等级数。等级越多，分辨率愈高。所以，实际应用中，实际应用中，n n位位D/AD/A转换器的分辨率用输入数字转换器的分辨率用输入数字量的位数来表示，也可以用级数量的位数来表示，也可以用级数2 2n n表示，还可以表示，还可以用分辨最小输出电压与最大输出电压之比表示，用分辨最小输出电压与最大输出电压之比表示，即即n n位位D/AD/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为它表示它表示D/AD/A
28、转换器在理论上可以达到的精度转换器在理论上可以达到的精度。915 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D/A转换器实际输出的模拟量与理论值之间存转换器实际输出的模拟量与理论值之间存在误差，因而将这些误差的最大值定义为转换在误差，因而将这些误差的最大值定义为转换精度。精度。转换误差有转换误差有比例系数误差、失调误差和非线比例系数误差、失调误差和非线性误差。性误差。（1）比例系数误差：）比例系数误差：实际转换特性曲线的斜实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差。如在率与理想特性曲线斜率的偏差。如在n位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器中，当转换器中，当VR
29、EF偏离标准偏离标准值值VREF时，就会在输出端产生误差电压时，就会在输出端产生误差电压VO VO=001 010 011 100 101 110 111001 010 011 100 101 110 111V VOO/V/VREFREF0 07/83/85/81/23/81/41/8v vo o理想理想实际实际比例系数误差比例系数误差图图9.1.10 3位位D/A转换器的比例系数误差转换器的比例系数误差（2）失调误差）失调误差：由运算放大器的零点漂移引起，其大由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换特性小与输入数字量无关，该误差使输出电压的转换特性曲线发生平
30、移，曲线发生平移，3位位D/A转换器的失调误差如图所示。转换器的失调误差如图所示。图图9.1.11 3位位D/A转换器的失调误差转换器的失调误差失调失调误差误差为为模拟量模拟量的实际的实际起始数起始数值与理值与理想起始想起始数值之数值之差。差。001 010 011 100 101 110 111001 010 011 100 101 110 111V VOO/V/VREFREF0 07/83/85/81/23/81/41/8v vo o理想理想实际实际(3)非线性误差非线性误差:是一种没有一定变化规律是一种没有一定变化规律的误差，一般用在满刻度范围内，偏移理想的误差，一般用在满刻度范围内，偏
31、移理想的转移特性的最大值来表示。模拟开关处于的转移特性的最大值来表示。模拟开关处于不同的位置有不同的导通电压和导通电阻，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各电阻支路电阻误差不同等都可能导致非线性误差。性误差。综上所述，高精度的综上所述，高精度的D/A转换器必需是高分转换器必需是高分辨率的辨率的D/A转换器、高稳定度的转换器、高稳定度的VREF和低零和低零点漂移的运放相配合才能实现。点漂移的运放相配合才能实现。3.转换速度转换速度当当D/A转换器输入的数字量发生变化时，输出的模拟转换器输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不是立即达到所对应的值，它需要一
32、定的时间。量并不是立即达到所对应的值，它需要一定的时间。通常用建立时间和转换速率两参数来描述通常用建立时间和转换速率两参数来描述D/A转换器转换器的转换速度。的转换速度。建立时间（建立时间（tset)：输入的数字量发生变化时输入的数字量发生变化时,输出电压输出电压变化到相应稳定值变化到相应稳定值(达到误差达到误差LSB/2时）所需时间。时）所需时间。一般用全一般用全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大信号工作状态下模拟电压的最大变化率。变化率。4.温度系数温度系数：输入不变的情况下，输出模拟电压随输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产
33、生的变化量。一般用满刻度时温度升温度变化产生的变化量。一般用满刻度时温度升1度度输出电压变化的百分数作为输出电压变化的百分数作为温度系数温度系数。916 D/A转换器的应用转换器的应用前已介绍，前已介绍，AD7533D/A转换器转换器是是10位位CMOS电流开关电流开关形形D/A转换器。电路如下。转换器。电路如下。2 2R R-+R RF2 2R RD D9 9R RR R2 2R R2 2R RD D7 7D D8 8v v0 0+V VREFREFR R1010k k2020k k1010k kI IOUT1OUT1I IOUT2OUT2R R2 2R R2 2R R2 2R RD D0
34、0D D1 1D D2 2R RR R图图9.1.5 AD7533内部电路内部电路D/A转换器应用广泛，举例如下：转换器应用广泛，举例如下：1.数字式可编程增益控制电路数字式可编程增益控制电路根据虚地原理，由图得根据虚地原理，由图得2 2R RI=VI/RVO/R-+R RF2 2R RD D9 9R RR R2 2R R2 2R RD D7 7D D8 8V VREFREFR RI IOUT1OUT1I IOUT2OUT2R R2 2R R2 2R R2 2R RD D0 0D D1 1D D2 2R RR R图图9.1.12 数字式可编程增益控制电路数字式可编程增益控制电路v vI IVO
35、AD7533 脉冲波产生电路脉冲波产生电路由由AD7533、运算放大器及运算放大器及4位同步二进制计数位同步二进制计数器器74LVC163（同步清零）组成的波形产生电同步清零）组成的波形产生电路如图路如图9.1.13（a）所示。所示。图图9.1.13 波形产生电路波形产生电路（a）电路电路计数器采用反馈清计数器采用反馈清零法，组成模零法，组成模10计计数器。在时钟脉冲数器。在时钟脉冲作用下，输出状态作用下，输出状态为为00001001。图图9.1.13 波形产生电路波形产生电路（a）电路电路（b）工作波形工作波形前已分析，计数前已分析，计数器输出状态为器输出状态为00001001。由公式由公式
36、可得可得VO波形如图（波形如图（b）如采用可逆计数器可得三角波。如采用可逆计数器可得三角波。92 A/D(模数模数)转换器（转换器（ADC）9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程三、量化和编码三、量化和编码二、取样定理二、取样定理 fS2 fimax一、一、A/D转换的一般步骤转换的一般步骤 取样取样取样取样保持保持保持保持量化量化量化量化编码编码编码编码 A/D转转换换器器要要将将时时间间上上连连续续，幅幅值值也也连连续续的的模模拟拟量量转转换换为为时时间间上上离离散散，幅幅值值也也离离散散的的数数字字信信号号，它它一般要包括一般要包括取样取样，保持，量化及编码保持，量化及编
37、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。能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。A/D功能功能:1.取样与保持取样与保持 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S(t)S(t)v vOO(t)(t)t tOOOOv vI I(t)(t)OOt tt t(b)b)各信号波形各信号波形各信号波形各信号波形T TS S图图图图9.2.1 9.2.1 取样过程取样过程取样过程取样过程采样信号采样信号S(t)S(t)的频率的频率愈高，所采
38、得信号经愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。实地复现输入信号。合理的采样频率合理的采样频率f fs s由由采样定理确定采样定理确定。则则 f fs s 2 2f fimaximax(9.2.1)(9.2.1)v vOO(t)(t)v vI I(t)(t)S(t)S(t)(a)a)传输门传输门TGTG如如f fimaximax为输入信号最高频率分量的频率为输入信号最高频率分量的频率 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
39、编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要保加持电路，将所采样的模拟信号保持一段时间。取电路后要保加持电路，将所采样的模拟信号保持一段时间。取样与保持过程往往是通过采样与保持电路同时完成的。样与保持过程往往是通过采样与保持电路同时完成的。电路要求：电路要求：AV1 AV2=1,A1 的的Ri 高，高，A2 的的Ri 高、高、Ro低。低。采样采样不能放电不能放电保持保持1.取样与保持取样与保持9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程（1）电路及工作原理）电路及工作原理工作原理：工作原理：在在t=t0时，开关时，开关S闭合，电容被迅速闭合，电容被迅速充电，由于充电，由于AV1 AV2=
40、1因此因此VO=VI,在在t0t1时间时间间隔内间隔内 是取样阶段。是取样阶段。当当t=t1时刻，开关时刻，开关S断开断开,进入进入t1到到t2的保持阶段。的保持阶段。(b)b)波波波波形图形图形图形图(a)a)原原原原理图理图理图理图实际实际 取样取样保持电路保持电路LF198 经改进的电路及工作原理经改进的电路及工作原理-+-+L LA A1 1A A2 2u uI Iu uL LD D2 2 D D1 1R R1 1 30K 30KR R2 2 300300u uOOu u OOS SC Ch h运放均作为电压运放均作为电压运放均作为电压运放均作为电压跟随器使用跟随器使用跟随器使用跟随器
41、使用u uOO=u=uOO=u=uI I由由由由u uL L来控制开关来控制开关来控制开关来控制开关S S的通断：的通断：的通断：的通断：u uL L=1=1，S S闭合；否则闭合；否则闭合；否则闭合；否则S S断开断开断开断开S S闭合时外接电容闭合时外接电容闭合时外接电容闭合时外接电容上的电压也等于上的电压也等于上的电压也等于上的电压也等于u uI I，并在并在并在并在S S断开后使断开后使断开后使断开后使u uo o也保持不变。也保持不变。也保持不变。也保持不变。实际实际 取样取样保持电路保持电路LF198单片集成取样单片集成取样保持电路保持电路LF198LF198LF198U UB B
42、V V+V V-u uI Iu uL LC Ch h4 45 51 12 2u uOO3 38 87 76 6偏置偏置电源电源 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，还转换过程中，还必需将取样必需将取样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。即将输出电压表示为最化到与之相应的离散电平上。即将输出电压表示为最小数量单位的整数倍，这一转化过程称为数值量化，小数量单位的整数倍，这一转化过程称为数值量化，简称量化。简称量化。量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代码表示量化后的数值最后
43、还须通过编码过程用一个代码表示出来。编码后得到的代码就是出来。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。它是数字信号最低位为表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，时所对应的模拟量，即即1LSB。量化误差量化误差：量化过程中由于取样电压不一定能被量化过程中由于取样电压不一定能被整除而存在的量化前后的误差。用整除而存在的量化前后的误差。用表示。表示。量化误量化误差属原理误差，它是无法消除的。差属原理误差，它是无法消除的。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，
44、多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。量化误差越小。量化过程的两种近似量化方式量化过程的两种近似量化方式：只舍不入法只舍不入法（舍尾取整法）和四舍五入法。（舍尾取整法）和四舍五入法。以以3位位A/D转换器为例，设输入信号转换器为例，设输入信号VI的变化范围为的变化范围为01V。用用只舍不入方式时只舍不入方式时，取取=（18）V，量化中把不足量化中把不足量化单位的部分舍去，如数值在量化单位的部分舍去，如数值在0 （18）V间当作间当作0，用二进制数，用二进制数000表示，数值在（表示，数值在（18）V （28）V 间当作间当作1，用二进制数，用二进制数001表示表示。这种量化方式的最大误差
45、为。这种量化方式的最大误差为。(1)量化及量化误差量化及量化误差用用四舍五入方式时，四舍五入方式时，取取(1/2)=（1/15）V，量化中把量化中把不足半个量化单位的部分舍去，对于等于或大于半不足半个量化单位的部分舍去，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。如数值在个量化单位的部分按一个量化单位处理。如数值在0 （1/15）V之间当作之间当作0，用二进制数，用二进制数000表示，表示，数值在（数值在（1/15）V （3/15）V间当作间当作1，用二进，用二进制数制数001表示表示,数值在（数值在（3/15）V （5/15）V间当作间当作2，用二进制数，用二进制数010表示表示这种
46、量化方式的最大这种量化方式的最大误差为误差为1/2。即最大量化误差为。即最大量化误差为因此，大多数因此，大多数A/D转换器采用转换器采用四舍五入方式四舍五入方式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：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，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：最大量化误差为：最大量化误差为最大量化误差为（2）两种量化方式图象说明）两
47、种量化方式图象说明01V1111101011000110100010000=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01V110101100011010001000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 v111A/D(模数模数)转换器的种类转换器的种类按工作原理可分为两类按工作原理可分为两类：直接直接A/D转换器和转换器和间接间接A/D转换器转换器直接直接A/D转换
48、器转换器:可将模拟信号直接转换为数字可将模拟信号直接转换为数字信号，特点是转换速度较快，典型电路有并行信号，特点是转换速度较快，典型电路有并行比较型比较型A/D转换器和逐次比较型转换器和逐次比较型A/D转换器。转换器。间接间接A/D转换器转换器：先将模拟信号转换为某一中间先将模拟信号转换为某一中间量（时间或频率），然后将中间量转换为数字量量（时间或频率），然后将中间量转换为数字量输出，特点是转换速度较慢，典型电路有双积分输出，特点是转换速度较慢，典型电路有双积分型型A/D转换器和电压频率转换型转换器和电压频率转换型A/D转换器。转换器。9.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器一、一、
49、电路组成（电路组成（P448P448）n n比较器组、寄存器组、编码器比较器组、寄存器组、编码器二、工作原理二、工作原理表921三、主要特点三、主要特点n n转换精度主要取决于量化电平的转换精度主要取决于量化电平的转换精度主要取决于量化电平的转换精度主要取决于量化电平的划分，精度越高，所用的器件越划分，精度越高，所用的器件越划分，精度越高，所用的器件越划分，精度越高，所用的器件越多，电路越复杂多，电路越复杂多，电路越复杂多，电路越复杂。n位转换器需位转换器需n n转换速度最快。转换速度最快。转换速度最快。转换速度最快。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、电路组成电
50、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/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出输出数字数字量量10.2.2 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/1511110000001111优先级别优先级别I7最高最高I1最低最低001vivO比较器的输出状态由比较器的输出状态由寄存器存