《数模与模数转换》PPT课件.ppt

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1、第第14章章 数模与模数转换数模与模数转换第第1节节 数模转换器数模转换器第第2节节 模数转换器模数转换器 主菜单回 退 前 进 最 后 返 回退 出 第第14章章 数模与模数转换数模与模数转换开 始作 ？业 在实际工作中，检测电路所得的信号在实际工作中，检测电路所得的信号通常是模拟信号，一般需要进行模通常是模拟信号，一般需要进行模/数转数转换（换（A/D转换）转换）, 即将模拟信号转换为相即将模拟信号转换为相应的数字信号，以送入计算机处理。经应的数字信号，以送入计算机处理。经计算机处理后的数字信号又必须通过数计算机处理后的数字信号又必须通过数/模转换（模转换（D/A转换），还原为相应的模拟转

2、换），还原为相应的模拟信号去控制被控对象。信号去控制被控对象。14.1数模转换器数模转换器主菜单回 退 前 进 最 后 返 回 作 ？业退 出开 始 下面我们看一个下面我们看一个D/A转换数字量与模转换数字量与模拟量对应坐标图。拟量对应坐标图。图图14.1.1所示是所示是 一个一个双极性输出型双极性输出型, 有有3位有效数字量输入的位有效数字量输入的D/A转换器的转换特性图。转换器的转换特性图。 图中输入数字信息最高位图中输入数字信息最高位(MSB)为符为符号位，号位，1表示负值，表示负值，0表示正值。表示正值。14.1数模转换器数模转换器主菜单回 退 前 进 最 后 返 回 作 ？业退 出开

3、 始 14.1.1倒倒 T 形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器退 出作 ？业主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 在单片集成在单片集成D/A转换器中，使用最多转换器中，使用最多的是倒的是倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器。下面以转换器。下面以4位位D/A转换器为例说明其工作原理，其转换器为例说明其工作原理，其原理图如图原理图如图14.1.2所示。所示。 14.1.1倒倒 T 形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器退 出作 ？业主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 倒倒T形电阻网络的基本单元是电阻分形电阻网络的基本单元是电阻分压器，一级倒压器，一级倒T形电阻网络如图形电阻网

4、络如图14.1.3所所示。当权系数为示。当权系数为2的次幂时，网络分压的次幂时，网络分压系数系数Q=u2/u1=0.5，输入电阻，输入电阻Ri=2R，倒，倒T形电阻网络中仅形电阻网络中仅有有R和和2R两种阻两种阻值的电阻。值的电阻。 14.1.1倒倒 T 形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器退 出作 ？业主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 倒倒T形电阻网络输出的总电流形电阻网络输出的总电流i为（基（基于叠加原理）于叠加原理） 上式表明，输入的数字量被转换成与上式表明，输入的数字量被转换成与其成正比的模拟电压其成正比的模拟电压u0。 14.1.1倒倒 T 形电阻网络形电阻网络D/A转

5、换器转换器退 出作 ？业主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 图图14.1.3所示的电阻网络可以扩展为所示的电阻网络可以扩展为n位，位，其输出模拟电压与输入数字量其输出模拟电压与输入数字量Dn之间的之间的一般表达式为一般表达式为 14.1.1倒倒 T 形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器退 出作 ？业主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 下面我们通过动画再来看一下下面我们通过动画再来看一下4位道位道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。倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 14.1.1倒倒 T 形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器退 出作

6、？业主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 网络中电阻种类很少，便于集成和提网络中电阻种类很少，便于集成和提高精度。高精度。 各支路各支路电流直接流入运放流直接流入运放输入端，不存入端，不存在在传输时间差，提高了差，提高了转换速度。速度。 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器的特点有：转换器的特点有： 无论模拟开关状态如何变化，各支路电无论模拟开关状态如何变化，各支路电流始终不变，因此不需要电流建立时间。流始终不变，因此不需要电流建立时间。1、转换精度、转换精度 14.1.2转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回（1）分辨率）

7、分辨率 在在D/A转换器中，一般用分辨率和转转换器中，一般用分辨率和转换误差来描述转换精度。输入数字量换误差来描述转换精度。输入数字量的位数越多，转换器的分辨率越高、的位数越多，转换器的分辨率越高、精度越高。精度越高。 14.1.2转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 例如：例如：8位位D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为 此分辨率若用百分数表示，此分辨率若用百分数表示， 则为则为0.4。 分辨率是表示分辨率是表示D/A转换器在理论上转换器在理论上可以达到的精度。可以达到的精度。 14.1.2转换器的主要技术参数转换器的主要技术参

8、数作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回（2）转换误差）转换误差 D/A转换器的转换误差是指转换器实际转换器的转换误差是指转换器实际能达到的转换精度。通常以输出电压满刻能达到的转换精度。通常以输出电压满刻度（度（FSR）的百分数来表示，也可以用最）的百分数来表示，也可以用最低位（低位（LSB）的倍数表示。例如，如果转）的倍数表示。例如，如果转换误差为换误差为1/2LSB，这就表示输出模拟电，这就表示输出模拟电压的绝对误差等于输入为最小时输出电压压的绝对误差等于输入为最小时输出电压的一半。的一半。 14.1.2转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数作 ？业退 出主菜单开 始

9、 回 退 前 进 最 后 返 回2、转换速度、转换速度 通常以建立时间通常以建立时间tS表示表示D/A转换器的转转换器的转化速度。建立时间化速度。建立时间tS是指输入数字量从全是指输入数字量从全0变为全变为全1（反之，即输入变化为满度值）（反之，即输入变化为满度值）时起，到输出电压达到相对于最终值为时起，到输出电压达到相对于最终值为1/2LSB范围内的数值为止所需的时间，范围内的数值为止所需的时间，建立时间又称为转换时间。建立时间又称为转换时间。DAC0832的转的转换时间换时间tS小于小于500ns。 14.1.2转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前

10、 进 最 后 返 回3、电源抑制比、电源抑制比 在高质量的在高质量的D/A转换器中，要求模拟转换器中，要求模拟开关电路和运算放大器的电源电压发生开关电路和运算放大器的电源电压发生变化时，对输出电压的影响非常小，输变化时，对输出电压的影响非常小，输出电压的变化于对应的电源电压的变化出电压的变化于对应的电源电压的变化之比，称为电源抑制比。之比，称为电源抑制比。 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用 1、集成、集成D/A转换器转换器DAC0832 目前，根据分辨率、转换速度及兼容性、目前，根据分辨率、转换速度及兼容性、接口特性等性能的不同，集成接口特性等性能的不同，集成DAC有多种

11、不有多种不同类型、不同系列的产品。其中同类型、不同系列的产品。其中DAC0832是是CMOS单片集成电路。单片集成电路。DAC0832分辨率是分辨率是8位，位，它可与它可与CPLD、FPGA等多种可编程逻辑器件等多种可编程逻辑器件芯片直接连用，且接口电路简单，转换控制芯片直接连用，且接口电路简单，转换控制容易，在单片机及数字系统中也得到广泛应容易，在单片机及数字系统中也得到广泛应用。用。作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回退 出 它采用它采用20脚双脚双列直插式封装结列直插

12、式封装结构，图构，图14.1.4(a)所示是其引脚排所示是其引脚排列图，列图，(b)图所图所示为其电路原理示为其电路原理方框图。方框图。 作 ？业 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回退 出该芯片有该芯片有5个输入信号控制端：个输入信号控制端： 作 ？业 ILE：数据允许锁存信号，高电平：数据允许锁存信号，高电平有效。有效。 ：片选信号。低电平有效，：片选信号。低电平有效，当该端是高电平时当该端是高电平时DAC芯片不能工芯片不能工作。作。 ：写入信号：写入信号1；输入寄存器；输入寄存器1的锁存信号的锁存信号 低电平有效，由低电平有效

13、，由ILE、 和和 的逻辑组合产生。的逻辑组合产生。 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回退 出 作 ？业:写入信号写入信号2。 ：数据传送控制信号，低电平：数据传送控制信号，低电平有效。当有效。当 时，若时，若 由由1变为变为0，则，则 锁存无效，即信号锁存无效，即信号 发生发生负跳变时，数据由寄存器负跳变时，数据由寄存器1送入寄存器送入寄存器2，且进入，且进入8位位D/A转换部分进行转换。转换部分进行转换。当当 由由0变为变为1发生正跳变时，寄存器发生正跳变时，寄存器2将数据锁存。将数据锁存。 14.1.3集成集成D/A转换器及

14、其应用转换器及其应用主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回退 出 作 ？业其他各引脚功能如下：其他各引脚功能如下：（1）DI0DI7：8位输入数字信号。位输入数字信号。（2）Iout1、Iout2：电流输出端。：电流输出端。Iout1随随 DAC寄存器的内容线性变化，寄存器的内容线性变化，Iout2是是将将DAC内部开关的各个接地端接在一内部开关的各个接地端接在一起作为第二个电流输出端，起作为第二个电流输出端，Iout1与与Iout2的和为常数，使用时分别与集成运放的和为常数，使用时分别与集成运放的反相端和同相端相连。的反相端和同相端相连。 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器

15、及其应用主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回退 出 作 ？业其他各引脚功能如下：其他各引脚功能如下：（3）RFB：反馈信号输入端。它外接运：反馈信号输入端。它外接运放输出端，且通过芯片内部电阻构成放输出端，且通过芯片内部电阻构成反馈支路；也可根据需要外接电阻构反馈支路；也可根据需要外接电阻构成反馈支路。成反馈支路。（4）UCC：电源输入端，电源电压可在：电源输入端，电源电压可在515V范围内选择。范围内选择。（5）DGND：数字部分接地端。：数字部分接地端。 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回退 出 作 ？业其他各引脚功能

16、如下：其他各引脚功能如下：（6）RREF：基准电源（权电阻网络基准电：基准电源（权电阻网络基准电压）输入端，取值范围一般为压）输入端，取值范围一般为-1010V。（5）AGND：模拟部分接地端。：模拟部分接地端。 在芯片内部数字地与模拟地是分开的，在芯片内部数字地与模拟地是分开的，以避免两者之间的相互干扰。并可根据需以避免两者之间的相互干扰。并可根据需要在芯片外部的适当部分将两者地线相连。要在芯片外部的适当部分将两者地线相连。 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用2、单极性输出应用电路、单极性输出应用电路作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 采用单极性输

17、出方式时，数字输入量采采用单极性输出方式时，数字输入量采用自然二进制码，用自然二进制码，DAC0832单极性输出时，单极性输出时，输出模拟量与输入数字量之间的关系如表输出模拟量与输入数字量之间的关系如表14.1.1所示。当基准电源电压所示。当基准电源电压UREF为为5V（或（或5V）时，输出电压）时，输出电压u0的范围是的范围是05V（或（或5V）；当）；当UREF为为10V（或（或10V）时，）时，u0的范围是的范围是010V（或（或10V）。）。 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 表表14.1.1 8位位D/A

18、转换器在单极性输出时转换器在单极性输出时的输出的输出/输入关系输入关系 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 图图14.1.5（a）所示是）所示是DAC0832只用于一只用于一路路D/A转换时，单极性输出应用电路的原转换时，单极性输出应用电路的原理电路。由于理电路。由于 、 端接地，均端接地，均为低电平。故芯片为低电平。故芯片内的两个寄存器直内的两个寄存器直接接通，数据接接通，数据D7D0可直接送入可直接送入寄存器寄存器2。 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前

19、进 最 后 返 回3、双极性输出应用电路、双极性输出应用电路 在二进制算术运算中，通常都把在二进制算术运算中，通常都把带有符号的二进制数表示为补码形带有符号的二进制数表示为补码形式，因此希望式，因此希望D/A转换器能把输入的转换器能把输入的正、负数的补码分别转换成正、负正、负数的补码分别转换成正、负极性的模拟电压。极性的模拟电压。DAC 0832双极性双极性输出时，输出模拟量与输入数字量输出时，输出模拟量与输入数字量之间的关系如表之间的关系如表14.1.2所示。所示。14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用表表14.1.2常用双极性输出时的输出常用双极性输出时的输出/输入关系输入

20、关系 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 然而，前面介绍的然而，前面介绍的D/A转换器电路输出电转换器电路输出电压都是单极性的，得不到正、负极性的输出压都是单极性的，得不到正、负极性的输出电压。为此，在图电压。为此，在图14.1.6所示的所示的D/A转换电转换电路中增设了由路中增设了由UB和和RB组成的偏移电路。为组成的偏移电路。为了使输入代码为了使输入代码为10000000（80H）时的输出）时的输出电压等于电压等于0，只要使，只要使iB与此时的与此时的i

21、大小相等即大小相等即可。可。 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 图图14.1.6具有双具有双极性输出的极性输出的D/A转转换器换器 由图中不难看由图中不难看出出 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用 图图14.1.7所示是由所示是由DAC0832构成的一个实际构成的一个实际的双极性输出的的双极性输出的8位位D/A转换器的应用电路。转换器的应用电路。作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用 图图14.1.7所示是由所示是由DA

22、C0832构成的一个实际构成的一个实际的双极性输出的的双极性输出的8位位D/A转换器的应用电路。转换器的应用电路。作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 在图中增加了由参考电压在图中增加了由参考电压UREF经放大器经放大器A1组成的反向器和电阻组成的反向器和电阻R2形成的便宜电流形成的便宜电流iB。由于由于8位位D/A转换器的转换器的ULSB为为 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用 因此总电流因此总电流作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回输出电压输出电压将总电流和输出电压的式子代入得将总电流和输出电压的式子代入得 14.1.3集成集

23、成D/A转换器及其应用转换器及其应用作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 如果补偿电流由如果补偿电流由D/A转换器本身产生，转换器本身产生，就可获得较高得稳定性。为此可采用就可获得较高得稳定性。为此可采用如图如图14.1.8所示得输出方式所示得输出方式, 因为在这因为在这种转换器中可将开关的各个接地端接种转换器中可将开关的各个接地端接在一起作为电流在一起作为电流iK输出端，再把它接出端，再把它接到另一个放大器到另一个放大器A1。第二引出端的。第二引出端的输出出电流流为 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后

24、 返 回 如果补偿电流由如果补偿电流由D/A转换器本身产生，转换器本身产生，就可获得较高得稳定性。为此可采用如就可获得较高得稳定性。为此可采用如图图14.1.8所示得输出方式，因为在这种所示得输出方式，因为在这种转换器中可将开关的各个接地端接在一转换器中可将开关的各个接地端接在一起作为电流起作为电流iK输出端，再把它接到另一出端，再把它接到另一个放大器个放大器A1。第二引出端的。第二引出端的输出出电流流为 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 图图14.1.8改善零点稳定性的双极性改善零点稳定性的双极性输出输出D/A转

25、换器转换器 14.1.3集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 经放大器经放大器A1将此电流与一个单位电将此电流与一个单位电流流iLSB=IKmax/255相加并反号。因此求相加并反号。因此求和放大器和放大器A2的总电流为的总电流为转换器的输出电压为转换器的输出电压为 14.2模数转换器模数转换器14.2.1概述概述作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 A/D转换是将时间和数值上都是连续转换是将时间和数值上都是连续的模拟信号转换成时间上是离散的，数的模拟信号转换成时间上是离散的，数值大小的变化上也是离散的数字信

26、号，值大小的变化上也是离散的数字信号，即必须在一系列的瞬间对输入的模拟信即必须在一系列的瞬间对输入的模拟信号进行采样，然后再把这些采样值变换号进行采样，然后再把这些采样值变换成相应的数字量输出。成相应的数字量输出。 14.2.1概述概述1、采样与保持、采样与保持 采样是在一系列选定的瞬间采样是在一系列选定的瞬间抽取模拟信号抽取模拟信号uI（t）的瞬间值）的瞬间值作为样品，将时间上连续变化作为样品，将时间上连续变化的模拟信号变换为时间上离散的模拟信号变换为时间上离散的信号的信号采样信号采样信号uS（t）。模）。模拟信号的采样过程如图拟信号的采样过程如图14.2.1所所示，示， 作 ？业退 出主菜

27、单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 14.2.1概述概述 图图14.2.1模拟信号模拟信号的采样的采样作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 其中图其中图(a)表表示模拟采样开示模拟采样开关；图关；图(b)表示表示模拟信号模拟信号uI在采在采样脉冲样脉冲uL作用作用下，得到采样下，得到采样信号信号uS(t)的波的波形。形。 14.2.1概述概述 为了保证采样信号为了保证采样信号uS(t)能准确无误的能准确无误的表示模拟信号表示模拟信号uI(t)，对于一个频率有限，对于一个频率有限的模拟信号，可以由采样定理确定采样的模拟信号，可以由采样定理确定采样频率频率fS2fIma

28、x作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 式中，式中，fS为采样频率，为采样频率，fImax为输入的模为输入的模拟信号频率的上限值，在实践中通常取拟信号频率的上限值，在实践中通常取fS为（为（2.53）fImax。即采样信号的频率一定。即采样信号的频率一定要大于被采信号的频率要大于被采信号的频率2.5倍以上。倍以上。 14.2.1概述概述 图中运放图中运放A1和和A2接成电压跟随器形接成电压跟随器形式，利用其阻抗转式，利用其阻抗转换特性作为隔离级；换特性作为隔离级；NMOS管管T作为采作为采样开关；样开关；C为存储为存储电容。电容。作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进

29、 最 后 返 回图图14.2.2采样保持采样保持 14.2.1概述概述作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 在采样脉冲持续时间在采样脉冲持续时间t0内，内，T导通，输入导通，输入模拟电压模拟电压uI经经T向电容向电容C充电。如果电路充充电。如果电路充电的时间常数电的时间常数(=RonC)，Ron为采样开为采样开关的导通电阻）远小于关的导通电阻）远小于t0，则电容器，则电容器C上充上充电电压在电电压在t0时间内能跟随时间内能跟随uI的变化，因而的变化，因而放大器输出电压也跟随放大器输出电压也跟随uI的变化，的变化，t0时间时间称为采样阶段。当采样脉冲结束时，称为采样阶段。当

30、采样脉冲结束时，T截截止，如果电容器和场效晶体管的漏电流以止，如果电容器和场效晶体管的漏电流以及运算放大器的输入电流均可忽略，则及运算放大器的输入电流均可忽略，则 14.2.1概述概述作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 电容器电容器C上的充电电压将保持在上的充电电压将保持在T截至前截至前uI的值，直到下一个采样脉冲到来为止，这的值，直到下一个采样脉冲到来为止，这段时间为段时间为tH称为保持阶段。下一个采样脉称为保持阶段。下一个采样脉冲到来，冲到来，T重新导通，电容器重新导通，电容器C上的电压又上的电压又跳变到该时刻的输入电压值。跳变到该时刻的输入电压值。t0和和tH构成

31、一构成一个采样周期个采样周期TS，采样，采样保持电路的输出电保持电路的输出电压波形如图压波形如图14.2.2(b)所示。图所示。图14.2.3所示为所示为三种常见的采样三种常见的采样保持电路。保持电路。 14.2.1概述概述作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回图图14.2.3常见的三种采样保持电路常见的三种采样保持电路14.2.1概述概述作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回2、量化和编码、量化和编码 采样保持电路的输出信号虽然已采样保持电路的输出信号虽然已经是离散的，但是其幅值仍然是连续经是离散的，但是其幅值仍然是连续的，尚需转换成离散的数字量。任何

32、的，尚需转换成离散的数字量。任何一个数字量的大小，都是以某个规定一个数字量的大小，都是以某个规定的最小数量单位的整数倍来表示。通的最小数量单位的整数倍来表示。通常将此最小数量单位称为量化单位，常将此最小数量单位称为量化单位，用用表示。表示。14.2.1概述概述作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 量化一般有两种方法：量化一般有两种方法：舍尾取整法。取最小量化单位舍尾取整法。取最小量化单位= =Um/2n，Um为模拟信号电压的最为模拟信号电压的最大值，大值，n为数字代码的位数。当输入为数字代码的位数。当输入信号幅值在信号幅值在0范围时，量化后的范围时，量化后的幅值为幅值为0

33、 0；输入信号的幅值在；输入信号的幅值在2 时，量化后的幅值为时，量化后的幅值为，以此类推，以此类推，这种量化方法使量化后的幅值只舍这种量化方法使量化后的幅值只舍不入，量化误差值不入，量化误差值 。14.2.1概述概述作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回四舍五入法。以量化级的中间值作为四舍五入法。以量化级的中间值作为基准的量化方法。取基准的量化方法。取=2Um/(2n+1-1)，当当输入信号的幅入信号的幅值在在-/2+/2范围时，范围时，量化后幅值为量化后幅值为0；输入信号的幅值在；输入信号的幅值在/23/2范围时，量化后的幅值为范围时，量化后的幅值为，以此类推，可见该量

34、化方法使量化，以此类推，可见该量化方法使量化后的幅值有舍有入，其量化误差后的幅值有舍有入，其量化误差 /2。从减少量化误差考虑，选择有舍有入从减少量化误差考虑，选择有舍有入的量化法为好。的量化法为好。14.2.1概述概述作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 01V模拟信号转换成模拟信号转换成3位二进制代码，划位二进制代码，划分量化电平的两种方法如表分量化电平的两种方法如表14.2.1所示。所示。14.2.2常用类型常用类型作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 A/D转换器的类型有多种，按转换方转换器的类型有多种，按转换方式分为：并行比较型、反馈比较型

35、和双式分为：并行比较型、反馈比较型和双积分型。其中反馈比较型积分型。其中反馈比较型A/D转换器是转换器是具有反馈网络的闭环系统。按比较方式具有反馈网络的闭环系统。按比较方式（工作程序）不同，常用的反馈比较型（工作程序）不同，常用的反馈比较型A/D转换器又可分为逐次逼近型、计数转换器又可分为逐次逼近型、计数型和跟踪（连续）型等几种。型和跟踪（连续）型等几种。 14.2.2常用类型常用类型作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 下面分别介绍几种常用的下面分别介绍几种常用的A/D转换器的转换器的工作原理和主要特点。工作原理和主要特点。 1、逐次逼近型、逐次逼近型A/D转换器转换器

36、 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器的原理框图如图转换器的原理框图如图14.2.4所示。它由比较所示。它由比较器、器、D/A转换器，比转换器，比较寄存器、时钟发生较寄存器、时钟发生器以及控制逻辑电路器以及控制逻辑电路等部分组成。等部分组成。14.2.2常用类型常用类型作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 它利用它利用D/A转换器将一个先设定的数转换器将一个先设定的数字量转换成模拟电压作为反馈电压，通字量转换成模拟电压作为反馈电压，通过一个比较器与输入模拟电压进行比较，过一个比较器与输入模拟电压进行比较，如果两者不等，则通过闭环反馈系统，如果两者不等，则通过闭环反馈系统，自动

37、调节所设定的数字量使系统最终处自动调节所设定的数字量使系统最终处于两个比较电压相平衡的状态。最后所于两个比较电压相平衡的状态。最后所设定的数字量就是所得的转换结果。设定的数字量就是所得的转换结果。 14.2.2常用类型常用类型 下面结合图下面结合图14.2.5所示的所示的4位逐次逼位逐次逼近型近型A/D转换器的原理电路说明逐次转换器的原理电路说明逐次逼近的转换过程。图中的逼近的转换过程。图中的5位移位寄位移位寄存器可以进行并入存器可以进行并入/并出或串入并出或串入/串出串出操作。逐次比较寄存器由边沿操作。逐次比较寄存器由边沿D触发触发器组成，变换后的数字量由器组成，变换后的数字量由Q4-Q1输

38、输出。出。作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 14.2.2常用类型常用类型 图图14.2.5 4位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换器的转换器的原理电路图原理电路图作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回14.2.2常用类型常用类型 图图14.2.6逐次逼近逐次逼近A/D转换器转换过程转换器转换过程作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 比较寄存器比较寄存器FF4FF1的的Q4Q1就是就是A/D转换器的输出数字。转换器的输出数字。输出为输出为1001的的A/D转转换过程如图换过程如图14.2.6。 14.2.2常用类型常用类型2、双积

39、分型、双积分型A/D转换器转换器作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 双积分型双积分型A/D转换器是一种间接型转换器是一种间接型A/D转换器。它的基本原理是将输入的模拟转换器。它的基本原理是将输入的模拟电压电压u1转换成时间间隔，再在此时间间转换成时间间隔，再在此时间间隔内用计数器对频率恒定的时钟脉冲进隔内用计数器对频率恒定的时钟脉冲进行计数，在计数结束时，计数器所计的行计数，在计数结束时，计数器所计的数字量正比于输入的模拟电压数字量正比于输入的模拟电压u1，从而，从而实现了模拟量到数字量的转换。实现了模拟量到数字量的转换。 14.2.2常用类型常用类型作 ？业退 出主菜

40、单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 图图14.2.7所示为双积分型所示为双积分型A/D转换器的原理转换器的原理图。它主要由基准电压图。它主要由基准电压-UREF、积分器、检零、积分器、检零比较器和一个比较器和一个n位二进制计数器以及控制逻辑位二进制计数器以及控制逻辑电路等部分组成。图中的电子开关电路等部分组成。图中的电子开关S1受转换受转换控制信号控制信号uS控制。当控制。当uS0时，时，S1闭合；当闭合；当uS1时，时， S1断开。断开。S2受触发器受触发器FFn的输出信号的输出信号Qn控制。当控制。当Qn=0时，时，S2合向合向uI，当，当Qn=1时，时，S2合向合向-UREF。对检

41、零比较器，当。对检零比较器，当u00时，时，uC=0。 14.2.2常用类型常用类型 图图14.2.7所示为双积分型所示为双积分型A/D转换器的转换器的原理图。原理图。作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 14.2.2常用类型常用类型作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回拟电压拟电压uI。图。图14.2.8所示所示波形波形,讨论双积分型讨论双积分型A/D转换器的工作原理转换器的工作原理,u1假假设为直流电压。设为直流电压。 转换开始前转换开始前,转换控制信号转换控制信号uS=0,各触发器各触发器部被置部被置0,同时通过同时通过G2将电子开关将电子开关S

42、1接通接通,使电使电容容C充分放电充分放电, G1被封锁被封锁,计计数器不工作。由于数器不工作。由于Qn=0,使使电子开关电子开关S2接到输入模接到输入模14.2.2常用类型常用类型 （1）第一阶段转换）第一阶段转换第一次积分第一次积分作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 设再时间设再时间t=0时刻，转换控制信号时刻，转换控制信号uS=1，电，电子开关子开关S1断开，积分器开始对输入模拟电压断开，积分器开始对输入模拟电压uI积分，流经电阻积分，流经电阻R上的电流上的电流iR为为 由于积分器的输入阻抗极大，流入运放的由于积分器的输入阻抗极大，流入运放的电流近似为电流近似为0

43、，因此，向电容，因此，向电容C的充电电流的充电电流iC为为14.2.2常用类型常用类型 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 积分器在时间积分器在时间0t1内对输入模拟电压内对输入模拟电压uI积分，输出电压为积分，输出电压为 积分时间为积分时间为t12nTC，代入上式中可得，代入上式中可得时间时间t=t1时刻积分器的输出电压为时刻积分器的输出电压为14.2.2常用类型常用类型（2）第二阶段转换）第二阶段转换第二次积分第二次积分作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 当开关当开关S2合到合到-UREF后，积分器又从后，积分器又从t1时时刻开始，进行第二次

44、积分，计数器再次从刻开始，进行第二次积分，计数器再次从0开始计数。同时电容开始计数。同时电容C开始以恒定电流开始以恒定电流放电，放电初始电压值为放电，放电初始电压值为 因此因此，输出电压为，输出电压为14.2.2常用类型常用类型 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 在在t2时刻，检零比较器输出时刻，检零比较器输出uC由高电平由高电平1跃变到低电平跃变到低电平0，G1被封锁，计数停止计数，被封锁，计数停止计数，第二次积分结束，即第二次积分结束，即u0（t2）=0，这时积分，这时积分器的输出电压为器的输出电压为14.2.2常用类型常用类型 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退

45、 前 进 最 后 返 回 式中，式中，t2-t1=T2为反向积分所用的时间，为反向积分所用的时间，T2为计数器所计脉冲数为计数器所计脉冲数N与时钟脉冲周期与时钟脉冲周期TC的乘积，即的乘积，即T2=（t2-t1）=NTC，代入上式并，代入上式并整理后得整理后得 说明了第二次积分结束后，计数器计得数说明了第二次积分结束后，计数器计得数值值N与第一阶段的输入模拟电压与第一阶段的输入模拟电压uI成正比，成正比，从而实现了输入模拟电压从而实现了输入模拟电压uI到输出数字量的到输出数字量的转换。转换。14.2.3主要技术参数主要技术参数 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 1、转

46、换精度、转换精度 （1）分辨率）分辨率 A/D转换器的分辨率以其输出二进制数转换器的分辨率以其输出二进制数的位数表示。它说明的位数表示。它说明A/D转换器对输入信转换器对输入信号的分辨率能力。从理论上讲，在最大输号的分辨率能力。从理论上讲，在最大输入电压一定时，输出位数越多，量化单位入电压一定时，输出位数越多，量化单位越小，分辨率越高，即越小，分辨率越高，即14.2.3主要技术参数主要技术参数 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 式中，式中，n是转换器的数字位数。例是转换器的数字位数。例如，如，8位的位的A/D转换器输入电压范围为转换器输入电压范围为0+10V，其分辨率

47、为，其分辨率为 分辨率也常用输出二进制数或十进分辨率也常用输出二进制数或十进制数的位数表示。制数的位数表示。14.2.3主要技术参数主要技术参数作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回（2）转换误差）转换误差 转换误差表示转换器输出的数字量和理转换误差表示转换器输出的数字量和理想输出数字量之间的差别，并用最低有效想输出数字量之间的差别，并用最低有效位的倍数表示，转换误差是由系统中的量位的倍数表示，转换误差是由系统中的量化误差与其他误差之和来确定。量化误差化误差与其他误差之和来确定。量化误差通常是通常是 ，其他误差包括由于参考电，其他误差包括由于参考电压不稳或设定不精确，比较器

48、工作不够理压不稳或设定不精确，比较器工作不够理想等所引起的误差。想等所引起的误差。14.2.3主要技术参数主要技术参数作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 2、转换速度、转换速度 A/D转换器的转换速度可用转换时间和转换器的转换速度可用转换时间和转换频率来表示。转换时间是指完成一次转换频率来表示。转换时间是指完成一次转换所需的时间，即从接到转换控制信号转换所需的时间，即从接到转换控制信号开始到输出端得到稳定的数字信号输出为开始到输出端得到稳定的数字信号输出为止所需的时间。止所需的时间。 A/D转换器的转换速度主转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型。要取决于转换电路的类

49、型。14.2.3主要技术参数主要技术参数作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 转换频率是指单位时间内完成的转换次数。转换频率是指单位时间内完成的转换次数。 此外，在组成高速此外，在组成高速A/D转换器时，还应将采转换器时，还应将采样保持电路的采样时间（即建立起稳定的采样保持电路的采样时间（即建立起稳定的采样信号所需的时间）计入转换时间之内。在实样信号所需的时间）计入转换时间之内。在实际应用中，应从系统数据总的位数、精度要求、际应用中，应从系统数据总的位数、精度要求、输入模拟信号的范围及输入信号的极性等方面输入模拟信号的范围及输入信号的极性等方面综合考虑综合考虑A/D转换器

50、的选用。转换器的选用。14.2.3主要技术参数主要技术参数 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回3、电源抑制、电源抑制 在输入模拟电压不变的前提下。当转换在输入模拟电压不变的前提下。当转换电路的供电电源电压发生变化时，对输出电路的供电电源电压发生变化时，对输出也会产生影响。这种影响可用输出数字量也会产生影响。这种影响可用输出数字量的绝对变化量来表示。的绝对变化量来表示。 此外，还有功率消耗、温度系数、输入此外，还有功率消耗、温度系数、输入模拟电压范围以及输出数字信号的逻辑电模拟电压范围以及输出数字信号的逻辑电平等技术指标。平等技术指标。14.2.4集成集成A/D转换器及应

51、用举例转换器及应用举例 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回1、集成、集成A/D转换器转换器ADC0809 ADC0809是采用是采用CMOS工艺集成的工艺集成的8位位8通道通道A/D转换器，主要由转换器，主要由8通道多路开关及通道多路开关及地址锁存与译码、电压比较器、地址锁存与译码、电压比较器、8位位A/D转转换器、控制与时序、数据锁存及三态输出换器、控制与时序、数据锁存及三态输出缓冲器等部分组成，原理结构框图如图缓冲器等部分组成，原理结构框图如图14.2.9(a)所示，图所示，图14.2.9(b)所示是它的引脚所示是它的引脚排列图。排列图。14.2.4集成集成A/D转

52、换器及应用举例转换器及应用举例 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回图图14.2.9 ADC0809芯片芯片 图中，图中，UCC为电源为电源正端，接正端，接+5+15V电电源；源；GND为接地端；为接地端；UREF(+)、UREF(-)为正为正负基准电压输入端；负基准电压输入端；CLK为时钟输入端，为时钟输入端，脉冲频率在脉冲频率在500kHz1MHz之间。之间。14.2.4集成集成A/D转换器及应用举例转换器及应用举例 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回（1）模拟量输入通道选择）模拟量输入通道选择 3位二进制代码分别加在地址输入端位二进制代码分别

53、加在地址输入端ADDA、ADDB、ADDC上，在地址锁上，在地址锁存允许脉冲存允许脉冲ALE（高电平）作用下，地（高电平）作用下，地址代码写入地址锁存器，经址代码写入地址锁存器，经3线线8线译线译码器选通相应电子开关，使该通道模拟码器选通相应电子开关，使该通道模拟电压接在比较器的反相输入端。电压接在比较器的反相输入端。14.2.4集成集成A/D转换器及应用举例转换器及应用举例 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回（2）转换器的启动）转换器的启动 地址锁存后，加上地址锁存后，加上START启动脉冲，其上启动脉冲，其上升沿通过控制逻辑使数据锁存器清零，下降升沿通过控制逻辑使数

54、据锁存器清零，下降沿到时开始沿到时开始A/D转换。转换。（3）转换结束标志）转换结束标志 A/D转换开始、转换结束标志端转换开始、转换结束标志端EOC变为变为高电平。高电平。CLK端送入端送入8个时钟脉冲后，个时钟脉冲后， A/D转换结束，转换结束，EOC端自动变为高电平，将转换端自动变为高电平，将转换结果送三态输出缓冲器。结果送三态输出缓冲器。14.2.4集成集成A/D转换器及应用举例转换器及应用举例 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回（4）数字量输出控制）数字量输出控制 A/D转换结束，允许输出端转换结束，允许输出端OE为高电平时，为高电平时，打开三态输出缓冲器，打

55、开三态输出缓冲器，8位数据送位数据送D0D7端端被读出。被读出。ADC0809的分辨率为的分辨率为，转换值介于，转换值介于0255之间，线性误差为之间，线性误差为1LSB，转换时，转换时间为间为100s，模，模拟输入入电压范范围05V。电源用源用+5V电压，并可与，并可与TTL电路兼容。路兼容。14.2.4集成集成A/D转换器及应用举例转换器及应用举例 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回2、 A/D转换器的接口电路转换器的接口电路 下面以下面以ADC0809为控制对象，设计为控制对象，设计并实现一个并实现一个ADC0809的控制器。该控的控制器。该控制器能够实现一个通道

56、的采样控制，制器能够实现一个通道的采样控制，产生产生ADC0809工作所需的各种控制信工作所需的各种控制信号。其接口电路原理图如图号。其接口电路原理图如图14.2.10所所示。示。 14.2.4集成集成A/D转换器及应用举例转换器及应用举例 图图14.2.10 ADC0809接口电接口电路原理图路原理图作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 14.2.4集成集成A/D转换器及应用举例转换器及应用举例 图图14.2.10所示电路中所示电路中INT(EOC)为为转换周期结束标志输出，高电平有转换周期结束标志输出，高电平有效。每个效。每个A/D转换周期结束时转换周期结束时EOC变

57、为高电平，标志变为高电平，标志A/D转换已结束并转换已结束并将转换结果送入了三态输出锁存器。将转换结果送入了三态输出锁存器。EOC可作为可作为A/D转换的状态信号，转换的状态信号，也可作为对也可作为对CPU的中断请求信号。的中断请求信号。 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 14.2.4集成集成A/D转换器及应用举例转换器及应用举例 在需要对某个量进行连续采样转在需要对某个量进行连续采样转换时，换时，EOC也可作为启动信号接到也可作为启动信号接到START端，但在刚加电时，需由外端，但在刚加电时，需由外电路启动。电路启动。OE为输出允许控制，允为输出允许控制，允许输出转

58、换结果的控制信号输入端。许输出转换结果的控制信号输入端。当当OE=1时三态输出锁存器中数据被时三态输出锁存器中数据被送上数据总线。该引线也可以接受送上数据总线。该引线也可以接受来自来自CPU的读信号，使的读信号，使ADC输出数输出数据输入据输入CPU。作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回14.2.4集成集成A/D转换器及应用举例转换器及应用举例 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 UREF(+)、UREF(-)参考电压输入端，参参考电压输入端，参考正电压为考正电压为+5V，参考负电压为，参考负电压为0V。一。一般般UREF(+)与与UCC相连，相连

59、， UREF(-) 与与GND相相连。若需高精度参考电压或提高转换器连。若需高精度参考电压或提高转换器灵敏度（输入模电范围灵敏度（输入模电范围5V）参考电压）参考电压可与可与UCC隔离，并外加可调高精度稳压隔离，并外加可调高精度稳压电路。电路。14.2.4集成集成A/D转换器及应用举例转换器及应用举例 作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回 由图由图14.2.10可知，当可知，当CS和和WR同时为高同时为高电平时，电平时，ADC0809开始转换，转换完成后，开始转换，转换完成后，INT输出高电平，等待读数据，当输出高电平，等待读数据，当CS和和RD同时为高电平时，通过数据总线从同时为高电平时，通过数据总线从ADC0809读出数据。读出数据。 目前，目前，A/D转换器和转换器和D/A转换器正朝着高转换器正朝着高速度、高分辨率、易与微机接口等方向发速度、高分辨率、易与微机接口等方向发展。展。结束END第第14章章 数模与模数转换数模与模数转换作 ？业退 出主菜单开 始 回 退 前 进 最 后 返 回