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1、数字电子技术基础实用教程数字电子技术基础实用教程内容提要内容提要u权电阻、倒权电阻、倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器电路结构转换器电路结构及工作原理及工作原理u直接型、间接型直接型、间接型A/D转换器结构及工作原理转换器结构及工作原理uD/A转换器的分辨率、转换速度和转换精度转换器的分辨率、转换速度和转换精度uA/D的转换速度和转换精度的转换速度和转换精度1双双 语语 对对 照照模数转换模数转换 Analog to Digital（A/D）模数转换器模数转换器 Analog to DigitalConverter（ADC）数模转换数模转换 Digital to Analog（D/A）数模转
2、换器数模转换器 Digital to Analog Converter（DAC）2双双 语语 对对 照照权电阻权电阻 weighted resistor倒倒T型电阻型电阻 inverted ladder resistor分辨率分辨率 resolution转换精度转换精度 conversion precision逐次逼近逐次逼近 successive approximation取样取样-保持电路保持电路 sample-hold circuit 310.1 概述概述 由于系统的实际对象往往都是一些模拟信号，要使计由于系统的实际对象往往都是一些模拟信号，要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须
3、将这些信算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须将这些信号转换成数字信号，处理后的信号也需要将其转换成相号转换成数字信号，处理后的信号也需要将其转换成相应的模拟信号才能为实行机构接受应的模拟信号才能为实行机构接受,这种接口电路这种接口电路A/D、D/A转换器。转换器。计计算算机机模模拟拟信信号号模模拟拟信信号号A/DD/AA/D：Analog to DigitalD/A：Digital to Analog4将数字量将数字量成正比成正比地转换成模拟量地转换成模拟量，即，即D/An=4位位8位位10位位12位位16位位n位位数字量数字量模拟量模拟量05V或或010VD/A转换器功能转换器功能10.
4、2 D/A D/A 转换器转换器(DAC)5 N位位D/A转换器的方框图转换器的方框图 6 由于构成数字代码的每一位都有一定的由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重权重”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其代码按其“权重权重”转换成相应的模拟量，然后再将代转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成模拟量，这就是构成D/A变换器的基本思想。变换器的基本思想。D/A变换器的电路形式很多，这里只介绍三种。变换器的电路形式很多，这里只介绍三
5、种。710.2.1权电阻网络型权电阻网络型 D/A 转换器转换器 ：所谓所谓“权电阻权电阻”，是指电阻值的大小，与有关，是指电阻值的大小，与有关数字量数字量的的权权重密切相关。重密切相关。这种变换器由这种变换器由“电子模拟开关电子模拟开关”、“权电阻求和网权电阻求和网络络”、“运算放运算放大器大器”和和“基准基准电源电源”等部分组等部分组成。成。8集成运算放大器应用基础集成运算放大器应用基础运放符号：运放符号：uu+uo国际符号国际符号在电路中运放作为一个完整的独立器件来对待因在电路中运放作为一个完整的独立器件来对待因为运放的信号输入端有两个，输出端只有一个，为运放的信号输入端有两个，输出端只
6、有一个，故只画出这三个端。其它如电源端、调零端等，故只画出这三个端。其它如电源端、调零端等，仅是保证运放正常工作，对讨论输出电压与输入仅是保证运放正常工作，对讨论输出电压与输入电压的函数关系联系不大，为突出讨论的核心问电压的函数关系联系不大，为突出讨论的核心问题，不画出其它端。题，不画出其它端。u u+uo国内符号国内符号9理想集成运算放大器理想集成运算放大器理想运放的条件：理想运放的条件：1）开环电压放大倍数：）开环电压放大倍数：Aod 2）输入电阻：输入电阻：rid 3)输入电流输入电流I IB1B1=I IB2 B2 0 04)共模抑制比：共模抑制比：CMRR 5）输出电阻：输出电阻：r
7、od 0 0由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将各项指标理想化，称其所谓的阻小，在分析时常将各项指标理想化，称其所谓的理理想运放想运放。这在一般工程计算中是允许的。这在一般工程计算中是允许的。10uiuo+UOM-UOMAo越大，运放的线性范围越小，必须越大，运放的线性范围越小，必须在在输出与输入之输出与输入之间间加负反馈加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。才能使其扩大输入信号的线性范围。例：若例：若UOM=12V，Ao=106，则，则|ui|12 V时，运放处时，运放处于线性区。于线性区。线性放大区线性放大区运放工
8、作在线性区运放工作在线性区uiuo_+11运放工作在线性区的特点运放工作在线性区的特点理想运放的条件理想运放的条件放大倍数与负载无关。分析多放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。可以分别对每个运放进行。虚短路虚短路虚断路虚断路12i1=i21.放大倍数放大倍数虚短路虚短路虚断路虚断路例：反相比例运算电路例：反相比例运算电路结构特点：结构特点：负反馈引到反相输负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。入端，信号从反相端输入。虚地虚地uo_+RfR1RPuii1i213电子开关电子开关：dn=1 时，时，Sn 接接VREF；dn=0 时
9、，时，Sn 接地端接地端。14 T2 管饱和管饱和导通导通，1T1T2Sda模拟电子开关模拟电子开关的的简化原理电路简化原理电路 当当 d=1 时，时，1T2Sa0T1S S 点与点与 a 点相通点相通，T1 管管截止截止，而而 a 点在电路中和点在电路中和VREF连连。15 T2 管管截止截止，T1T2SDa模拟电子开关模拟电子开关的的简化原理电路简化原理电路 当当 D=0 时，时，0T2Sa T1 管饱和管饱和导通导通，1T1SS 点与地相通点与地相通。16I1=2I0 I2=4I0I3=8I0当当 d3d2d1d0=1111时时：I=I0+I1+I2+I3I0=VREF23 R17I=I
10、0+I1+I2+I3=VREF23R(d3 23+d2 22+d1 21+d0 20)不论模拟开关不论模拟开关接到运算放大接到运算放大器的反相输入器的反相输入端（虚地）还端（虚地）还是接到地，也是接到地，也就是不论输入就是不论输入数字信号是数字信号是1还还是是0，各支路的，各支路的电流不变的。电流不变的。18Vo=-IR/2VREF24=-(8 d3 +4 d2 +2 d1 +d0 )19显然，输出模拟电压的大小直接与输入显然，输出模拟电压的大小直接与输入 二进制数的二进制数的大小成正比，从而实现了数字量大小成正比，从而实现了数字量 到模拟量的转换到模拟量的转换。权电阻网络权电阻网络D/A转换
11、器电路结构简单，转换速度也属于转换器电路结构简单，转换速度也属于较快的一种，但随着输入二进制位数的增加，电阻的较快的一种，但随着输入二进制位数的增加，电阻的种类和阻值间的差异必然增加。这样会影响电路转换种类和阻值间的差异必然增加。这样会影响电路转换的精度，特别是阻值差异太大，会给集成造成困难。的精度，特别是阻值差异太大，会给集成造成困难。权电阻网络权电阻网络 D/A 转换器转换器的特点：的特点：n位权电阻网络位权电阻网络 D/A 转换器转换器的输出：的输出：VoVREF2n=(2n-1 dn-1 +2n-2 dn-2+d0 )20RVREFRRR2R2R2R2R+AVoS2S3S1S0I2RI
12、/8I/4I/2II 16I 16d0d1d2d310.2.2 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器基准电流基准电流 I=VREF/R，则流过各开关支路（从则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。于是得总电流：于是得总电流：I=I0+I1+I2+I321VREFRRR2R2R2R2R+AVoS2S3S1S0I2RI/8I/4I/2II 16I 16d0d1d2d3I=I3+I2+I1+I0Vo=R I R=VREF24(d3 23+d2 22+d1 21+d0 20)=2Id3+4Id2+8Id1+16Id022n位倒位倒T型型D
13、/A转换器输出电压：转换器输出电压：Vo=Rf I 若反馈电阻为若反馈电阻为Rf，则输出电压为：则输出电压为：=VREF24(d3 23+d2 22+d1 21+d0 20)RfRVO=VREF2n(Di 2i)RfR 倒倒T型型D/A 转换器转换器的特点：的特点：倒倒T型型D/A 转换器转换器的各支路电流直接流入运算放大器的各支路电流直接流入运算放大器的输入端，不存在传输上的时间差，提高了转换速度，的输入端，不存在传输上的时间差，提高了转换速度，减小了动态过程中可能出现的负脉冲。是目前广泛使减小了动态过程中可能出现的负脉冲。是目前广泛使用的用的D/A转换器中较快的一种。转换器中较快的一种。2
14、3权电流网络型权电流网络型 D/A 转换器转换器+-VoRf-VREFI/16I/8I/4I/2S0S1S2S3iID0D1D2D3Vo I Rf24(8 D3 +4 D2 +2 D1 +D0 )=每个支路每个支路电流的大小，电流的大小，与有关数字量与有关数字量的权重密切相的权重密切相关。关。2410.2.3 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1 分辨率分辨率用输入数字量的用输入数字量的有效位数有效位数来表示分辨率。来表示分辨率。此外，也可以用此外，也可以用D/A转换器能够分辨出来的转换器能够分辨出来的最小输出最小输出电压电压(此时输入的数字代码只有最低有效位为此时输入的数字代码只
15、有最低有效位为 1，其，其余各位都是余各位都是 0)与与最大输出电压最大输出电压(此时输入的数字代码此时输入的数字代码所有各位全是所有各位全是 1)之比之比来给出分辨率来给出分辨率。例如，对一个例如，对一个十位十位D/A转换器来说转换器来说，分辨率为，分辨率为210 1110231 0.001分辨率分辨率=2n 1125 2 转换误差转换误差转换误差通常用输出电压满刻刻度转换误差通常用输出电压满刻刻度FSR(Full Scale Range)的百分数表示的百分数表示。例如例如，给出转换误差为，给出转换误差为 LSB，这就表示输出模这就表示输出模拟电压的绝对误差等于输入数字代码为拟电压的绝对误差
16、等于输入数字代码为 0001 时输时输出电压的一半出电压的一半。21 造成转换误差的造成转换误差的原因原因主要有主要有：参考电压参考电压 VREF的波动的波动；运算放大器的零点漂移运算放大器的零点漂移；模拟开关的导通内阻和导通电压模拟开关的导通内阻和导通电压；电阻网络中的电阻值偏差电阻网络中的电阻值偏差；.263、转换速度转换速度 为了便于定量地描述为了便于定量地描述D/A转换器的转换速度转换器的转换速度，定义了建立时间定义了建立时间 tS 和转换速率和转换速率 SR两两 个参数个参数。(1)建立时间建立时间 tS 通常以大信号工作情况下通常以大信号工作情况下(输入由全输入由全 0 变为全变为
17、全 1 或者由全或者由全 1 变为变为 全全 0)输出电压到达某一规定值所需要输出电压到达某一规定值所需要的时的时 间定为建立时间间定为建立时间 tS，这个参数的值越小越好这个参数的值越小越好。建立时间最短的可达建立时间最短的可达 0.1 s。27(2)转换速率转换速率 SR 转换速率转换速率 SR 以大信号工作状态下以大信号工作状态下 输出模输出模拟电压的变化率表示拟电压的变化率表示。D/A转换器完成一次转换所需要的时间应转换器完成一次转换所需要的时间应包括建立时间和上升包括建立时间和上升(或下降或下降)时间两部分时间两部分，它，它的最大值为的最大值为TTR(max)=tS+VO(max)/
18、SR其中其中 VO(max)为输出电压的最大值为输出电压的最大值。28集成集成 AD 7520及其应用及其应用 D/A转换器集成电路有多种型号。下面以转换器集成电路有多种型号。下面以AD7520为例来介绍集成电路为例来介绍集成电路 D/A 变换器。变换器。它是它是10位的倒位的倒T型型D/A 转换器，网络电阻转换器，网络电阻R=10K。在对其输入在对其输入10位数字量后，通过外位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。下图是它的下图是它的内部电路图内部电路图：10.2.4 集成集成D/A转换器应用举例转换器应用举例 29VoVREFR
19、RR2R2R2R2R+AS2S3S1S02RIout1D0D1D8D9Iout2RfAD752010K10K10位数字量输入位数字量输入外接参考电压外接参考电压30集成集成 DAC 0832及其应用及其应用 它是八位的它是八位的 D/A 转换器，即在对其输入八转换器，即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。得相应的模拟电压值。下图是它的封装下图是它的封装管脚图管脚图和和内部电路图内部电路图：31CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRfDGNDLCEXFERIout1Iout212345678
20、91019181716151413121120DAC 0832 管脚分布图管脚分布图VO=VREF28(Di 2i)RfR 32八位八位寄存器寄存器(1)输入输入八位八位寄存器寄存器(2)DAC八位八位变换器变换器URRIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERD/AD7D0.11DAC 0832 简化电路框图简化电路框图八位八位变换器变换器D/ARf BIout1Iout2AGNDDGNDURD7D0.八位八位寄存器寄存器(1)输入输入寄存器寄存器八位八位(2)DACCSWR1ILEXFERWR2VCCuo运放需运放需要外接要外接33八位八位寄存器寄存器(
21、1)输入输入八位八位寄存器寄存器(2)DAC八位八位变换器变换器URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERD/AD7D0.11八位八位寄存器寄存器(1)输入输入寄存器寄存器八位八位(2)DACD7D0.输入数据先存放在寄存器输入数据先存放在寄存器(1)中，中，而输出的模拟值由存而输出的模拟值由存 放放在寄存器在寄存器(2)内的数据决定。内的数据决定。当把数据由输入寄存器当把数据由输入寄存器(1)转存到转存到DAC寄存器寄存器(2)以后，以后，输入寄存器输入寄存器(1)就可以接受新数据而不影就可以接受新数据而不影 响模拟输出值。响模拟输出值。该结构便
22、于多路该结构便于多路DAC同时工作。同时工作。34uoILECSWR1CSWR1ILE当这三个控制端均有效时，当这三个控制端均有效时，八位八位寄存器寄存器(1)输入输入八位八位寄存器寄存器(2)DAC八位八位变换器变换器URRfbIout1Iout2AGNDVCCDGND&WR2XFERD/AD7D0.11LE1LE1端才有效端才有效，否则否则 就就不随数据总线而变化不随数据总线而变化。WR1变高时变高时，八位输入寄存器便将输入数据锁存八位输入寄存器便将输入数据锁存。寄存器寄存器(1)的的输出随其输入变化，输出随其输入变化，35uoILECSWR1WR2XFERCSWR1XFERWR2当这两个
23、控制端均有效时，当这两个控制端均有效时，LE2端才有效端才有效，WR2变高时变高时，八位八位DAC寄存器便将输入数据锁存寄存器便将输入数据锁存。八位八位寄存器寄存器(1)输入输入八位八位寄存器寄存器(2)DAC八位八位变换器变换器URRfbIout1Iout2AGNDVCCDGND&D/AD7D0.11ILELE1LE2 寄存器寄存器(2)的输出随其输入变化，的输出随其输入变化，36例例试用试用D/A转换器转换器AD7520和计数器和计数器74161组成如图所组成如图所示的示的10阶梯波形发生器，画出完整的电路图。阶梯波形发生器，画出完整的电路图。VO0t37ABCDETEPRDLDQ0Q1Q
24、2Q3D0D1D2D3D4D5D9&RFIout2Iout1+1VOCP74161VREFAD752010阶梯波形发生器电路图阶梯波形发生器电路图3810.3 A/D 转换器转换器(ADC)10.3.1 A/D转换器的工作原理转换器的工作原理A/D功能功能:将模拟电压成正比地转换成数字量将模拟电压成正比地转换成数字量A/DUI输入模拟电压输入模拟电压D7D0输出数字量输出数字量0 5V0000000011111111分辨率分辨率:5V/255=0.0196V/每每1个最低有效位个最低有效位39A/D转换器的过程：转换器的过程：取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。ADC量化量化编码电
25、路编码电路.Dn-1D1D0输入模拟信号输入模拟信号S取样保持电路取样保持电路取样展取样展宽信号宽信号数字量输出（数字量输出（n位）位）40式中式中fS为取样频率，为取样频率，fimax为输入信号为输入信号vI的最高频率分量的最高频率分量的频率。的频率。1.取样取样vIt0vIt0对输入模拟信号的采样对输入模拟信号的采样41因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持保持一段一段时间。可见，进行时间。可见，进行A/D转换时所用的输入电压，实际上是转换时所用的输
26、入电压，实际上是每次取样结束时的每次取样结束时的vI值。值。vIt0vSt0422.量化和编码量化和编码数字信号在数值上是不连续的，任何一个数字量的大小数字信号在数值上是不连续的，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小量单位的整数倍。在进行只能是某个规定的最小量单位的整数倍。在进行A/D转转换时，必须把取样电压表示为这个最小单位的整数倍，换时，必须把取样电压表示为这个最小单位的整数倍，这个过程叫这个过程叫量化量化。把量化的结果用代码（通常是二进制）表示出来，称把量化的结果用代码（通常是二进制）表示出来，称为为编码。编码。量化过程中所取最小数量单位称为量化过程中所取最小数量单位称为量化单位量化
27、单位，用，用表示。表示。它是数字信号最低位它是数字信号最低位为为1时时所所对应对应的模的模拟拟量，即量，即1LSB。采样保持后的信号不一定是量化单位的整数倍，所以采样保持后的信号不一定是量化单位的整数倍，所以量化后的信号必然会引入误差，这种误差叫量化后的信号必然会引入误差，这种误差叫量化误差量化误差43划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法443.采采样样 保持电路保持电路电路组成及工作原理（取电路组成及工作原理（取Ri=Rf）:N沟道沟道MOS管管T作为开关用。当控制信号作为开关用。当控制信号vL为高电平为高电平时，时，T导通，导通，vI经电阻经电阻Ri和和T向电容向电容Ch充电。则充
28、电充电。则充电结束后结束后vO=vI=vC。当控制信号返回低电平后，当控制信号返回低电平后，T截止。截止。Ch无放电回路，无放电回路，所以所以vO的数值可被保存下来。的数值可被保存下来。RRifvivLTAChvo4510.3.2直接型直接型A/D转换器转换器 并联比较型并联比较型 特点特点:转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns 1 s 逐次逼近型逐次逼近型 特点特点:转换速度中转换速度中,转换时间转换时间 几几 s 100 s46三、并联比较型三、并联比较型A/D转换器（三位）原理转换器（三位）原理DQDQDQDQDQDQDQ13VR/1511VR/159VR/157VR/155
29、VR/153VR/15VR/15UIUI 11VR/15时，输出时，输出=1UI 13VR/15时，输出时，输出=1UI 13VR/15时，输出时，输出=0UI 11VR/15时，输出时，输出=0电压比较器电压比较器D锁存器锁存器编编 码码 器器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0输入模拟电压输入模拟电压精密精密 参参考电压考电压精密电阻网络（精密电阻网络（23个电阻）个电阻）输输出出数数字字量量CPUI VR/15时，输出时，输出=1UI VR/15时，输出时，输出=0VR2RRRRRRRR47并联比较型并联比较型A/D转换器中的编码器真值表转换器中的编码器真值表 UI QA QB QC
30、 QD QE QF QG D2 D1 D0(9/15 11/15)VR 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 (7/15 9/15)VR 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 (11/15 13/15)VR 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 (13/15 1)VR 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (5/15 7/15)VR 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 (3/15 5/15)VR 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 (1/15 3/15)VR 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 (0 1/15)VR 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 特点：输入电压特点
31、：输入电压UI每增加每增加VR/8，输出数字量增加输出数字量增加1根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）48并联比较型并联比较型A/D转换器的特点转换器的特点1、转换速度较快：由于、转换速度较快：由于A/D转换时间只包含比较器、转换时间只包含比较器、触发器和代码转换电路的延迟时间，而且各位代码转触发器和代码转换电路的延迟时间，而且各位代码转换都是并行的，增加输出代码位数对转换时间影响很换都是并行的，增加输出代码位数对转换时间影响很小。小。2、需要触发器和比较器较多：由其为了提高分辨率、需要触发器和比较器较多：由其为了提高分辨率增加输出代
32、码位数时，这个问题更为突出。如果输出增加输出代码位数时，这个问题更为突出。如果输出为为n位代码，需要比较器个数为位代码，需要比较器个数为2n1。如果是如果是8位并联位并联比较比较A/D转换器需要转换器需要281=255各比较器。可见制造该各比较器。可见制造该分辨率的分辨率的A/D转换器，用这种电路既不经济也不便于转换器，用这种电路既不经济也不便于做成集成电路。做成集成电路。49 四、四、逐次逼近型逐次逼近型 其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重若有四个砝码共重15克每个重量分别为克每个重量分别为 8、4、2、1克克。设待秤重量。设待秤
33、重量 Wx=13克，可以用下表步骤来克，可以用下表步骤来秤量秤量：砝码重砝码重暂时结果暂时结果 结结 论论第一次第一次8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，8 克克第二次第二次加加4克克砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx，12 克克第四次第四次砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，加加1克克13 克克 故故保留保留 故故保留保留 故故撤除撤除 故故保留保留501000移位寄存器移位寄存器1000数码寄存器数码寄存器D /Auo清清 0、置数、置数控控制制逻逻辑辑ux(待转换的模拟电压待转换的模拟电压)uc时钟时钟清清 0、置数、置数“1”状态是否保状态是否保留留控制端控制端
34、CP、(移位命令移位命令)逐次逼近型逐次逼近型 ADC工作过程展示工作过程展示513位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换器转换器52转转换换开开始始前前，先先使使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第第一一个个CP到到来来后后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于于是是FFA被被置置1，FFB和和FFC被被置置0。这这时时加加到到D/A转转换换器器输输入入端端的的代代码码为为100，并并在在D/A转转换换器器的的输输出出端端得得到到相相应应的的模模拟拟电电压压输输出出uo。uo和和ui在在比比较较器器中中比比较较，当当uiuo时时，比比较较器输出器输出uc=1；当；当uiuo时，时，uc=
35、0。第第二二个个CP到到来来后后，环环形形计计数数器器右右移移一一位位，变变成成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这这时时门门G1打打开开，若若原原来来uc=1，则则FFA被被置置0，若若原原来来uc=0，则则FFA的的1状状态态保保留留。与与此同时，此同时，Q2的高电平将的高电平将FFB置置1。工作原理工作原理53第第三三个个CP到到来来后后，环环形形计计数数器器又又右右移移一一位位，一一方方面面将将FFC置置1，同同时时将将门门G2打打开开，并并根根据据比比较较器器的的输输出出决定决定FFB的的1状态是否应该保留。状态是否应该保留。第第 四四 个个 CP到到 来来 后后，环环 形形 计
36、计 数数 器器 Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门门G3打打开开，根根据据比比较较器器的的输输出出决决定定FFC的的1状态是否应该保留。状态是否应该保留。第第 五五 个个 CP到到 来来 后后，环环 形形 计计 数数 器器 Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的的状状态态作作为为转转换换结结果，通过门果，通过门G6、G7、G8送出。送出。工作原理工作原理54例例在在3位逐次渐进型位逐次渐进型A/D转换器中，若转换器中，若D/A转换电路转换电路是倒是倒T型，参考电压型，参考电压VREF=8V，试分析当输入模试分析当输入模拟量拟量Vi=5V时，电路的工作过程，转换后输
37、出数字时，电路的工作过程，转换后输出数字量是多少？量是多少？解：解：=VREF/23=1V，故，故/2=0.5V1 0 0 4-0.5=3.5V5V高阻高阻高阻高阻高阻高阻1 0 1 5-0.5=4.5V5V1 0 1 1 0 1 1 0 1 D/A转换器输出转换器输出/2时钟时钟CP1CP2CP3CP4CP5寄存器输出寄存器输出数字量输出数字量输出比较器输出比较器输出 0 1 0 55基本原理：基本原理：对输入模拟电压和基准电压进行对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔其变换成与输入模拟电
38、压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。接着对基准电压进行同样的处理。10.3.3间接型间接型A/D转换器转换器 特点特点:转换速度慢转换速度慢,转换时间转换时间 几百几百 s 几几ms56vs1vi-vREF0tt1t257vc0tvcp0tT1T2vs1vi-vREF0tt1t20votT1T2vp5810.3.4 A/D 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 1、转换精度转换精度：A/D转换器的转换精度是用分辨转换器的转换精度是
39、用分辨率和转换误差来描述的。率和转换误差来描述的。(1)分辨率分辨率：以输出二进制代码的位数表示分辨以输出二进制代码的位数表示分辨率。率。n位输出的位输出的A/D转换器能区分转换器能区分2n个不同等级的输入个不同等级的输入模拟电压。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。模拟电压。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。(2)转换误差转换误差：转换误差通常是以输出误差的最转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出，它表示大值形式给出，它表示A/D转换器实际输出的数字量转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位最低有效位的倍数的倍数来表示。
40、来表示。592、转换速度转换速度：完成一次完成一次 A/D转换所需要的时转换所需要的时间，即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定间，即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。的数字量输出所需要的时间。3、其它其它：功率、电源电压、电压范围等。功率、电源电压、电压范围等。60ADC0804 及其应用及其应用 A/D转换组件有多种型号可供选择转换组件有多种型号可供选择，如：高速的、如：高速的、高分辨率的、高速且高精度的等等。使用者可根据任高分辨率的、高速且高精度的等等。使用者可根据任务要求进行选择务要求进行选择下面以下面以 ADC0804 为例为例，介绍集成电路介绍集成电路
41、A/D 变换器。变换器。ADC 0804 是分辨率为是分辨率为八位八位的模数转换组的模数转换组件，采用逐次逼近型工作原理。件，采用逐次逼近型工作原理。61D7D0+-控控制制逻逻辑辑时时 钟钟CP电阻网络电阻网络及电子开关及电子开关数据寄存器数据寄存器移位寄存器移位寄存器八八位位三三态态输输出出锁锁存存器器U in(+)U in(-)UccUR/2AGND+-WRCSINTRRDCS11ADC0804 内部电路框图内部电路框图电压跟随器电压跟随器电电压压比比较较器器.62CSWRAGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUR/2DGND123456789101918171615141312
42、1120RDCLKRCLKinINTRU in(+)U in(-)ADC 0804 管脚分布图管脚分布图63转换时间约转换时间约 100 微秒微秒CSWRINTRRD数据数据读出读出ADC0804 工作时序图工作时序图64控控 制制 端端CS WR RDINTR功功能能说说明明0 对输入模对输入模拟信号进行拟信号进行A/D变换变换 在在WR 上升沿后约上升沿后约 100微秒微秒 变换完成。变换完成。0读出输出读出输出数字信号数字信号 RD=0 时三态门时三态门接通外部总线接通外部总线,RD=1 时三态门处于高时三态门处于高阻态。阻态。中断请求中断请求 当当A/D变换结束时，变换结束时，INTR
43、 自动自动 变低以便通变低以便通知其它设备知其它设备(如计算机如计算机)取结果，在取结果，在RD 前沿前沿后后INTR自动变高。自动变高。6510.3.5A/D转换器的选用原则转换器的选用原则1.根据前向通道的总误差，选择根据前向通道的总误差，选择A/D转换器的精度和转换器的精度和分辨率。分辨率。2.根据信号对象的变化率以及转换速度要求，确定根据信号对象的变化率以及转换速度要求，确定A/D转换速度，以保证系统的实时性要求。转换速度，以保证系统的实时性要求。3.根据环境条件选择根据环境条件选择A/D转换器的一些环境参数要求，转换器的一些环境参数要求，如工作温度，功耗，可能性等级等性能。如工作温度
44、，功耗，可能性等级等性能。4.根据计算机接口特性，考虑选择根据计算机接口特性，考虑选择A/D转换器的输出转换器的输出状态，例如，状态，例如，A/D转换器是并行输出还是串行输出，转换器是并行输出还是串行输出，是二进制还是是二进制还是BCD码等等。码等等。5.考虑芯片成本，货源是否为主流芯片等诸多因素。考虑芯片成本，货源是否为主流芯片等诸多因素。6610.3.6A/D转换器与单片机接口电路转换器与单片机接口电路各引脚的功能：各引脚的功能：IN0IN7模拟输入端；模拟输入端；D0D7为数字量输出端；为数字量输出端；START为为A/D转换启动端；转换启动端；EOC为为A/D转换结束端；转换结束端；C
45、LOCK为时钟输入端，最高为为时钟输入端，最高为640KHz；REF()和和REF()为正负基准电为正负基准电压输入端；压输入端；ADDA,ADDB,ADDC为模拟量输入为模拟量输入通道选择端；通道选择端；ALE地址锁存允许；地址锁存允许；VCC为为5V工作电源；工作电源；GND为地。为地。67 ADC0809内部结构内部结构 6851系列单片机与系列单片机与ADC0809接口接口69uD/A转换器和转换器和A/D转换器是模拟系统与数字系统之转换器是模拟系统与数字系统之间的接口电路，是组成电子系统的重要部件。间的接口电路，是组成电子系统的重要部件。u在在D/A转换器将数字信号转换成与之成正比例
46、的模转换器将数字信号转换成与之成正比例的模拟电压或电流信号，具体有权电阻网络型、倒拟电压或电流信号，具体有权电阻网络型、倒T型电型电阻网络、权电流型等。集成的阻网络、权电流型等。集成的D/A转换器器件在使转换器器件在使用要关注器件内部是否包含运算放大器和参考电压用要关注器件内部是否包含运算放大器和参考电压源的发生电路，如果没有，则必须外接参考电压和源的发生电路，如果没有，则必须外接参考电压和运算放大器。运算放大器。70uA/D转换器是将模拟电压或电流信号转换成与之成转换器是将模拟电压或电流信号转换成与之成正比例的数字信号，通常经过采样、保持、量化和正比例的数字信号，通常经过采样、保持、量化和编码等四个部分实现。编码等四个部分实现。A/D转换器可分为直接型和转换器可分为直接型和间接型两种，并联比较型和逐次逼近型为直接型，间接型两种，并联比较型和逐次逼近型为直接型，双积分型为间接型。直接型双积分型为间接型。直接型A/D转换器转换速度快，转换器转换速度快，间接型精度高、抗干扰性强。间接型精度高、抗干扰性强。u转换速度和转换精度为衡量转换速度和转换精度为衡量D/A转换器和转换器和A/D转换转换器的技术指标，在使用时根据电路要求要合理地选器的技术指标，在使用时根据电路要求要合理地选用。用。71