数字电子技术基础PPT第11章数模与模数转换器

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1、第第11章章 数模与模数转换器数模与模数转换器数字信号转换成模拟信号或是模拟信号转换成数字信号是常用数字信号转换成模拟信号或是模拟信号转换成数字信号是常用的信号转换技术，在实际中有着广泛的应用。本章先介绍各种的信号转换技术，在实际中有着广泛的应用。本章先介绍各种数模转换器，然后介绍模数转换器，除介绍工作原理与转换器数模转换器，然后介绍模数转换器，除介绍工作原理与转换器技术参数外，还介绍几种实际的转换器技术参数外，还介绍几种实际的转换器 11.1 数模转换数模转换数字（数字（Digital）信号转换成模拟（）信号转换成模拟（Analog）信号，简称为）信号，简称为D/A转换。在很多电转换。在很多

2、电子系统中，子系统中，D/A转换是不可缺少的重要组成部分，。转换是不可缺少的重要组成部分，。运算放大器符号与电路如图运算放大器符号与电路如图11-1所示。所示。由图 11-1（a）所示的符号可知运算放大器（简称运放）具有同相输入端、反相输入端和一个输出端，其放大倍数为 A，输入电阻为 Ri，放大器输出电压表达式为 VO=A（V+V），就是说运放放大输入信号之差。通常运放具有正负电源，输出电压VO只能在正负电源之间摆动。若是放大倍数A，输入电阻 Ri，则为理想运放。因为 VO为有限值（正电源电压或是负电源电压），则由表达式 VO=A（V+V）可知两输入端电位 V+V0，说明两个输入端电位相等，相

3、当于短路；又由于Ri，可知输入电流 Ii0，因此两输入端之间没有真短路，习惯称为虚短路。图 11-1（b）所示的是反相运算放大器，其输出信号的相位与输入信号相反。由图可知，由于同相端接地，基于虚短，运放反相端电位为地电位，称为虚地。由于输入电流 Ii=0，所以流过电阻 R1的电流 I1等于流过反馈电阻 RF的 IF，因此有：OI1F00VVRR 得到反相放大器输出电压与输入电压之间的关系为：FOI1RVVR 图 11-1（c）是同相运算放大器，由于输入信号VI加在同相端，由于虚短，反相端电压也为 VI，因此有 IOI1F0VVVRR 可以得到同相放大器的输出 VO与输入电压 VI之间的关系为：

4、FOI11RVVR 由于运放的放大倍数 A 很大，因此运算放大器可以作为模拟信号比较器，例如，如果 V+V，则输出电压 VO近似等于正电源电压值；若是 V+V，则输出电压 VO近似等于负电源电压值。11.1.1 权电阻权电阻D/A转换器转换器权电阻数权电阻数/模转换器电路如图模转换器电路如图11-2所示。图中开关分别受数所示。图中开关分别受数字信号字信号D3D0控制，当数字控制，当数字信号为信号为1时，开关的动触点连时，开关的动触点连接接VREF，数字信号为，数字信号为0时，开时，开关的动触点连接地线。关的动触点连接地线。由于运算放大器同相端接地，所以反相端为虚地，电位为 0，则有：REF00

5、8VIDR REF114VIDR REF222VIDR REF33VIDR 由于运放输入阻抗很大，因此运放输入电流 Ii=0，则有 REFREFREFREFf012301233210012303REF12REF01233210312222222222222VVVVIIIIIDDDDRDDVDDVDDDDRR（）而运放的输出电压为OffVI R。*11.1.2 输出电压型输出电压型R/2R电阻网络电阻网络D/A转换器转换器 图图11-5显示的是显示的是4位输出电压型位输出电压型R/2R梯形电阻梯形电阻D/A转换器电路。转换器电路。使用的使用的R/2R电电阻网络阻网络D/A转换转换器电路如图器电路

6、如图11-10所示所示 11.1.3 输出电流型输出电流型R/2R电阻网络电阻网络D/A转换器转换器图图11-11所示是所示是4位输出电流型位输出电流型R/2R电阻网络电阻网络D/A转换器电路转换器电路 11.1.5 D/A转换器的技术指标转换器的技术指标1台阶电压台阶电压台阶电压是 D/A 转换器输入数码每位代表的电压值。n 位 D/A 转换器，具有满度理想输出电压为 Vfull，则台阶电压为：VStep=Vfull/2n。台阶电压也是D/A 转换器最低位 LSB 所代表的电压。根据前述D/A 转换器工作原理，D/A转换器的满度理想输出电压 Vfull就是参考电压 VREF，而实际满度输出电

7、压与理想满度输出电压之间相差一个台阶电压，这是因为理想满度输出对应的数字量为 2n，而实际满度输出的数字量为 2n1。例如对于理想满度电压为 5V 的 8 位 D/A 转换器，其台阶电压 VStep=5V/28=5000 mV/256=19.5 mV。图 11-14（a）显示的是一个 8 位 D/A 转换器的实验电路，图中8 位加法计数器向 8 位 D/A转换器提供数码，则 D/A 转换器输出具有台阶的锯齿电压如图 11-14（b）所示。8 位 D/A 转换器在数码为 0000 0000 时，输出电压 VO为 0 V；当数码为 0000 0001 时，输出为 19.5 mV。当数码为 1111

8、 1110 时，输出为 4.96 V。当数码为 1111 1111 时，输出为 4.98 V。由上所述，对于 D/A 转换器来说，只能输出台阶电压值，在台阶电压之间的模拟电压值是不能输出的。2分辨率 D/A 转换的分辨率是每个台阶代表的模拟电压值占理想满度输出电压Vfull的百分比，因此n 位 D/A 转换器的分辨率为：分辨率=VStep/Vfull=1/2n 因为分辨率与 D/A 转换器的位数成固定关系，所以有时人们也常把 D/A 转换器的位数称为分辨率，位数越大，分辨率越高。例如，8 位 D/A 转换器的分辨率约为 0.4%；10 位 D/A 转换器的分辨率约为 0.1%；12 位 D/A

9、 转换器的分辨率约为 0.024%。3精度 D/A 转换器的精度是实际输出与理想输出之间的偏差，通常用 D/A 转换器满度输出电压的百分比误差表示。例如，如果D/A 转换器的满度输出电压为10 V，实际输出是9.990 V，误差为10 mV，则精度用百分比误差表示为（10 V9.990 V）/10 V=0.1%。影响D/A 转换器精度的因素主要为分辨率、单调性、偏移误差、增益误差、微分非线性误差与线性误差等。（1）偏移误差 偏移误差又称为零点误差或失调误差。当 D/A 转换器的输入数字为全 0 时，则 D/A 转换器输出电压应该为 0 V，但是由于偏移误差的存在，D/A 转换器输入数字为 0

10、时，输出电压不为 0 V，这个差别就是偏移误差。偏移误差示意图如图 11-15（a）所示。在一定温度下偏移误差可以用在模拟输出电压上叠加一个可调整电压的方法消除。（2）增益误差 实际 D/A 转换器转换函数（直线）与理想转换函数（直线）之间的角度差引起的误差。常由参考电压 VREF引起。因为 VO=（VREF/2n）输入数字，因此 VREF/2n是增益系数。增益误差示意图如图 11-15（b）所示。在消除偏移误差后，向 D/A 转换器输入全 1 数码，其实际输出与理想输出之间的偏差就是增益误差，一般以 LSB 为单位表示，或是相对于满度输出的百分比表示。当温度固定时，可以通过调整参考电压 VR

11、EF来校正增益误差。（3）线性误差 线性误差是 D/A 转换器实际传输特性与理想传输特性之间的最大偏差，并以该偏差相对于满度输出电压的百分数表示。又称为积分非线性误差，因此线性误差描述的是传递函数的形状。该误差示意图如图 11-16（a）所示。D/A 转换器的非线性误差不容易用外部校正方法补偿，但是可以通过调整零点和满度输出点使该误差均匀分布在理想直线的两侧，而使非线性误差最小，这种情况如图 11-15（b）所示。（4）单调性 以加法计数器输出作为输入的D/A 转换器，如果输出像楼梯一样梯形的递升电压，则称为单调 D/A 转换器。但有时由于模拟开关内阻、电阻网络中电阻值不一致、制作工艺等问题，

12、D/A 转换器会出现非单调性引起的误差，图 11-17 所示的是单调性输出与具有误差的非单调性输出的情况。（5）微分非线性误差 两相邻输入数字对应模拟量之差，减去 1 个 LSB 对应的模拟量，就是微分非线性误差。例如，输入数字 001与010之间的模拟量之差为1.5LSB，则误差为0.5LSB。该误差主要由 D/A转换器电阻网络中的电阻、切换开关导通电阻等误差引起。该误差示意图如图 11-17（b）和图11-17（c）所示。如果用 LSB 来描述微分非线性误差，则1LSB 表示转换器的输出出现了丢码，也就是转换器输出不随数字量的增加而增加，而是数字量增加一个 LSB，但是输出没有跟着增加一个

13、 LSB 的电压。转换器不丢码是一项重要的技术指标。4建立时间 建立时间是完成一次转换需要的时间，就是从数字量加到 D/A 转换器的输入端，到输出达到该数字量产生模拟量 99.95%所需要的时间。该时间越短说明转换速度越快，或者说转换频率越高，通常建立时间的范围为 50 ns20 s 之间。11.1.6 D/A转换器转换器0832 D/A 转换器 0832 是采用 CMOS工艺的 8 位 D/A 转换器。该转换器内有两级输入寄存器，使 D/A 转换器 0832 芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以适用于各种电路的需要（如要求多路 D/A 异步输入、同步转换等）。该转换器的转换结果可采用

14、电流或电压形式输出。引脚兼容 TTL 电平，可直接与 TTL 电路或单片机电路连接。主要参数如下：8 位分辨率；在零点与满度调整后，最大非线性误差 0.2%FSR（满度）；在零点与满度调整后，最大微分非线性误差 0.4%FSR（满度）；最大增益误差1%FSR（满度）；电流建立时间：1 s。1内部结构内部结构该芯片的内部结构如图该芯片的内部结构如图11-18所示。所示。1内部结构内部结构该芯片的内部结构如图该芯片的内部结构如图11-18所示，图中所示，图中8位输入寄存器用位输入寄存器用8D触发器构成，常用于连接触发器构成，常用于连接单片机，接收单片机送来的数字信号；单片机，接收单片机送来的数字信

15、号；8位位D/A转换寄存器也是用转换寄存器也是用8D触发器构成的，触发器构成的，该寄存器接收输入寄存器送来的数字信号，锁存后直接送到该寄存器接收输入寄存器送来的数字信号，锁存后直接送到8位位D/A实现实现D/A转换；转换；双缓冲的第一个优点是，可以按照数据源的时序随时更新双缓冲的第一个优点是，可以按照数据源的时序随时更新D/A转换器输入寄存器的数转换器输入寄存器的数据，第二个优点可以使一个系统中用一个触发信号同时更新多个据，第二个优点可以使一个系统中用一个触发信号同时更新多个D/A转换器输出的模转换器输出的模拟电压。拟电压。D/A转换器转换器0832内部电路如图内部电路如图11-19所示所示

16、2控制信号 ILE：数据锁存允许控制信号，高电平时寄存器跟随输入数据，低电平锁存数据。CS：片选信号输入信号，低电平有效。1WR：写输入寄存器信号。上述 3 个信号形成控制 8 位输入寄存器的输入信号11LE=ILE CS WR（）。LE1高电平时，数据进入输入寄存器；LE1低电平时，数据锁存在输入寄存器中。XFER：数据传送控制信号，低电平有效。2WR：写 D/A 转换寄存器信号。上述2个信号形成控制 8位D/A转换寄存器的输入信号22LEXREF WR（）。LE2高电平时，数据进入 D/A 转换寄存器；LE1低电平时，数据锁存在 D/A 转换寄存器中。D0D7：数据输入引脚。IOUT1电流

17、输出引脚 1。当输入全为 1 时 IOUT1最大，当输入全为 0 时，IOUT1为 0。IOUT2电流输出引脚 2。IOUT2与 IOUT1之和为一常数。Rfb连接芯片内部的反馈电阻Rf的引脚。该电阻的阻值与梯形网络电阻R相等，阻值为15 k。由于该电阻在芯片内部，具有和梯形网络相同的温度系数，因此可以部分消除温度引起的误差。VREF:参考电源引脚(-10 V+10 V)，高精度参考电压源通过该引脚连接 R/2R 梯形网络。VCC:电源引脚(+5 V+15 V)。GND：地线引脚 10。在电流输出情况下，该引脚与 IOUT1、IOUT2引脚之间的电平偏移 VOS将引起线性误差增加，误差可用公式

18、 VOS/3VREF计算。例如，在 VREF=10 V，若引脚 10 与IOUT1、IOUT2的电动势差 VOS为 9 mV 时，则线性误差增加 0.03%，因此应该保证 VOS为最小。GND：地线引脚 3。该引脚的电压偏移可使逻辑输入阈值变化。3信号时序 该转换器的信号时序如图 11-20 所示。tS 电流建立时间：1 s。tW 最小写信号1WR、2WR和传输信号XFER的宽度：900 ns。tDS 最小数据建立时间：900 ns。tDH 最小数据保持时间：50 ns。tCS 最小片选信号建立时间：1100 ns。tCH 最小片选信号保持时间：0 ns。通常情况下，WR的脉冲宽度 tW为 9

19、00 ns，但是在 15V 电源电压时，tW为 200 ns 就可以正常工作。4.工作模式（1）双缓冲模式 在双缓冲模式，需要两次写操作才能更新 D/A 转换器的输出，第一次写操作更新输入寄存器，第二次写操作更新 D/A 转换寄存器。双缓冲模式时序图如图11-21 所示。双缓冲模式常用于一个单片机系统中有多个 D/A 转换器的情况。（2）单缓冲模式 当一个单片机系统中只有一个 D/A 转换器时，可以使用单缓冲模式，在单缓冲模式中，输入寄存器锁存输入数据，D/A 转换寄存器直通。单缓冲模式的时序图如图 11-22 所示。（3）直通模式 在直通模式，单片机的 I/O 接口连接在 D/A 转换器 0

20、832 的数据输入端，直接向 D/A 转换器输出数据，而不输出任何控制信号。D/A 转换器 0832 的控制信号 ILE 连接高电平，CS、1WR、XFER、2WR信号接地就可以使 D/A 转换器 0832 工作在直通模式。5输入数字与输出电流之间的关系 D/A 转换器 0832 的输入数字与输出电流之间的关系如下：REFOUT115kVI256数字输入 REFOUT215kVI255256数字输入 6减小误差的措施 为保证转换精度，应该使 IOUT1、IOUT2与地电平越接近越好，因为与地电平之间的电位差，将引起非线性误差。另外还要选择偏置电流小的运放，因为偏置电流乘以反馈电阻可以引起输出电

21、压误差。7实际应用电路（1）输出电流型 R/2R 网络连接方式 D/A 转换器 0832 按照输出电流型 R/2R 网络连接的电路如图 11-23 所示。图中的 D/A 转换器 0832 与单片机连接，由单片机提供 D/A 转换器 0832 工作在单缓冲模式所需的数据与控制信号，采用基准源电路 TL431 的参考电源使 VREF=-2.5 V，利用内部电阻 Rfb，运放 LM258连接成反相放大器，输出电压为：VOUT=VREF/28（数字输入）=2.5 V/256（数字输入）=0.0097656（数字输入）。（2）输出电压型 R/2R 网络连接方式 D/A 转换器 0832按照输出电压型 R

22、/2R网络连接的电路如图11-24所示。如图所示，IOUT1引脚连接采用基准源电路 TL431 的参考电源，有 IOUT1=+2.5 V，IOUT2引脚接地，VREF引脚输出正比例于输入数字的电压，该电压经过放大倍数为 2的同相放大器放大输出。输出电压表达式为：VOUT=VREF/28（1+R3/R2）（数字输入）=2.5 V/256（1+10/10）（数字输入）=0.01953 V（数字输入）11.2 模数转换器模数转换器模拟（模拟（Analog）信号转换成数字（）信号转换成数字（Digital）信号，简称为）信号，简称为A/D转换。在很多系统中，转换。在很多系统中，A/D转换是不可缺少的重

23、要组成部分，本节将介绍几种常用的转换是不可缺少的重要组成部分，本节将介绍几种常用的A/D转换器。转换器。11.2.1 并行 A/D 转换器 利用比较器和优先编码器可以组成速度最快的模数转换器，图11-25 是 3 位并行 A/D 转换器。由图可知，比较器反相端电压是参考电压 VR通过串联电阻分挡的电压，加在比较器同相端的输入电压通过与各个比较器反相端电压比较，输入电压比哪些分挡电压高，则哪些比较器就输出高电平，但是由于比较器后连接优先编码器，所以只有最高分挡电压比较器输出的高电平被编码。该转换器每个采样脉冲输出一次编码，因此采样脉冲速率越高，则转换速度就越高。若需要 n 位 A/D 转换器，则

24、需要 2n-1 个比较器，所以对于位数多的 A/D 转换器，其内部比较器的数量是巨大的，这是并行 A/D 转换器的缺点。*11.2.2 流水线型流水线型A/D转换器转换器 流水线 A/D 转换器工作原理如下。图 11-27 所示的是 8 位两级流水线 A/D 转换器的原理图，每级由 4 位并行 A/D 转换器组成。如图所示，首先对输入信号的高 4 位进行 A/D 转换，其转换结果由数模转换器转换成模拟电压与输入信号相减后，输入第 2 级继续进行 A/D 转换。例如，对于 8 位 A/D 转换器来说，参考电压 VREF为 5 V，则每个二进制数字代表19.53 mV，如果对 4.2 V 的输入电

25、压进行转换，则转换结果为 D7（16）。若流水线型 A/D 转换器的高 4 位并行转换器的参考电压为 5 V，则最低二进制数字代表 0.3125 V，高 4 位转换输出数字 D（16），输入到第 2 级的电压为 4.2 VD（16）0.3125=4.2 V4.0625 V=0.1375 V；在第 2 级的低 4 位并行转换器的参考电压为 0.3125，最低二进制数字代表 19.53 mV，低 4 位转换后输出数字 7（16）。若是将第 2 级输入电压 0.1375 V 经过放大器放大 16 倍，则第 2 级可以采用与第 1 级相同的 5 V 参考电压完成转换。A/D 转换过程在时钟 CLK 的

26、作用下顺序完成，时序图如图11-28 所示。第1 级转换器在第1个时钟的前半周期，完成第 1 个采样点的高 4 位转换，随后的时钟对第 2 个采样点实施高 4位转换；第 2 级转换器在第 1 级完成转换后，在第 1 个时钟的后半周期，实施低 4 位转换，当两级转换完成后，第 2 个时钟周期输出 8 位结果。由于每级在不同的时间得到变换结果，因此需要用移位寄存器对两级的转换结果实现时间校准。只要第 1 级完成了第 1 个采样的转换，得到结果并把模拟电压差值送给下一级，它就可以处理第 2 个采样。整个转换过程就像流水一样，因此流水线操作提高了转换速度。11.2.3 双斜率双斜率A/D转换器转换器在

27、数字仪表或其他测量仪器中，例如数字万用表，经常使用的模数转换器是双积在数字仪表或其他测量仪器中，例如数字万用表，经常使用的模数转换器是双积分分A/D转换器。双积分转换器。双积分A/D转换器原理框图如图转换器原理框图如图11-29所示。所示。该转换器由切换开关、积分器、比较器、计数器和控制逻辑等电路组成。下面分析该转换器工作原理。该转换器的工作原理分为两个阶段，第一阶段是定时积分阶段，第二阶段是定电压积分阶段。定时积分阶段的工作情况如图 11-30 所示。在该阶段，首先对电容放电、积分器输出 0 V 电压，并使计数器复位。随后控制逻辑发出信号使开关 SW 接通输入模拟正电压 VIN，由于积分器的

28、反相端是虚地，所以电容 C 的充电电流 I 是常数，积分器的输出电压按照某个斜率向负方向线性变化。在积分器输出负电压的期间，比较器输出高电平，与门打开，计数器开始计数。当计数器计满 n 个数，计数器归 0。这一阶段的时间为1CTnT，这里 TC是计数脉冲的周期。在这段时间结束时，积分器的输出电压为 1IN11IN01dTVTVtVCRRC 计数器归 0 后，发出信号到控制逻辑，使开关 SW 接通参考负电压，开始第二阶段。第二阶段的工作情况如图 11-32 所示。当积分器在对负参考电压 VR积分时，如果积分器的输出电压上升到 0 V 时所需的时间为T2，则有 2R11IN01dTVTVtVCRR

29、C 电压 V1为 0 V 时计数器停止计数，所以有 21RINTTVVRCRC 由上式有 12INRTTVV 由于第二阶段，计数器的计数值是 nx，所以令2x CTn T。所以有 Cx CINRnTn TVV 最后得到 xINRnnVV 由于 n 是常数，所以 nx是与输入电压 VIN成正比的数。第二阶段的工作情况如图 11-32 所示。当积分器在对负参考电压 VR积分时，如果积分器的输出电压上升到 0 V 时所需的时间为T2，则有 2R11IN01dTVTVtVCRRC 电压 V1为 0 V 时计数器停止计数，所以有 21RINTTVVRCRC 由上式有 12INRTTVV 由于第二阶段，计

30、数器的计数值是 nx，所以令2xCTn T。所以有 CxCINRnTn TVV 最后得到 xINRnnVV 由于 n 是常数，所以 nx是与输入电压 VIN成正比的数。*11.2.4 -型型A/D转换器转换器图图11-34显示的是显示的是Delta-Sigma型型A/D转换器原理框图。工作原理介绍如下。转换器原理框图。工作原理介绍如下。T1周期：若假设输入信号 VIN=1.28 V，在 D 触发器输出 Q=0 的控制下，参考电压 VR接地线。由于差动放大器同相端为输入信号 VIN，反相端连接的参考电压 VR=VR=0 V，差动放大器输出电压 VD=1.28 V 输入积分器；随时间推移，积分器输

31、出端电压 VO不断上升，经过积分器后输出至比较器同相端，与比较器反相端的地线电平比较，若是比较器输出为 1，则在时钟脉冲 CLK 的上升沿触发器 Q=1，差动放大器反相端连接的参考电压VR=VR+=+2.56 V。T2周期：由于差动放大器反相端连接的参考电压 VR=VR+=+2.56 V，因此差动放大器输出电压VD=VIN（+VR+）=1.28 V，该电压送入积分器后，积分器输出电压 VO不断降低，当小于0 V 时，比较器输出为 0，在时钟脉冲 CLK 的上升沿，使 D 触发器输出Q 为 0，再次使参考电压 VR=VR=0 V 加在差动放大器反相输入端，进入 T1周期，该过程不断重复。由于积分

32、器电容 C 上的电荷处于平衡状态，充电电荷与放电电荷量相等。Q充=Q放 T1I充=T2I放 T1（VINVR）/R=T2(VINVR+)/R 这里 VR=0。设一个充放电周期为 T=T1+T2，则有 VIN（TT2）=VINT2+VR+T2 VIN（TT2）+VINT2=+VR+T2 VIN（TT2+T2）=VR+T2 最后得到 VIN=VR+（T2/T）该式说明输入电压与充放电周期的占空比成正比，也就是与放电时间 T2成正比。从以上分析可知，一次充放电，就相当于对输入信号进行一次测量。实际上，每一次的充放电周期是不确定的，但是每次输入电压总是与充放电周期的占空比成正比，为此可以进行多次充放电

33、，采用多次累加的方法，用多次充放电周期之和与多次放电周期之和的比值来确定输入电压：2(1)2(2)2()2ZINRR(1)(2)()ZkkTTTTVVVTTTTLL 这里 k 是充放电次数，T2Z是总放电时间，TZ是总测量时间。图 11-34 中使用计数器 1 来对时钟脉冲 CLK 计数来控制总的转换时间 TZ，在这个转换时间内，有多个充放电周期。计数器 2 对多个放电时间 T2Z内的时钟脉冲计数，若已知时钟脉冲周期，则计数值与输入电压成正比。若设 CLK 周期是 t0，取总测量时间 TZ=mt0，取总放电时间 T2Z=nt0，则有 RRIN00VVVn tnm tm 若是取 m=256，取参

34、考电压是 2.56 V，则每个时钟代表 0.01 V，有 VIN=0.01n，例如对于输入电压 VIN=0.6 V，则计数器 2 输出 n=60。例如，若参考电压 VR+=2.56 V，对于输入电压为 1.28 V 和 1.92 V 的积分器输出 VO、D 触发器输出 Q、时钟 CLK 三者之间的关系如图 11-35 所示。图中每个充放电周期内有 4 个时钟沿，对于输入电压为 1.28 V，充电与放电期间内时钟沿各为 2 个；对于输入电压为1.92 V，充电期间内 1 个时钟沿，放电期间内 3 个时钟沿，若每个时钟代表 0.01 V，则一次测量需要 256 个时钟，充放电 64 个周期。对于

35、1.28 V 电压，计数器 2 输出 n=128，对于 1.92 V 电压，计数器 2 输出 n=192。11.2.5 逐次比较式 A/D 转换器 逐次比较式 A/D 转换器是现在较为普遍使用的 A/D 转换技术。该转换方式的转换速度是除并行、流水线转换外最快的一种，而且转换时间固定不变。4 位逐次比较式 A/D 转换器方框图如图 11-36 所示。从图中可以看出，它由逐次近似寄存器、D/A转换器和比较器组成。如果在转换器的输入端加5.1 V的模拟电压，则工作过程如下。逐次近似寄存器23位置位，同时D/A转换器的23位置1，D/A转换器输出8 V电压，由于比较器的反相端电压（8 V）高于同相端

36、电压（5.1 V），所以输出低电平，逐次近似寄存器中该位被复位，输出0000。逐次近似寄存器22位置位，同时D/A转换器的22位置1，D/A转换器输出4 V电压，由于比较器的反相端电压（4 V）低于同相端电压（5.1 V），所以输出高电平，逐次近似寄存器中该位被保留，输出0100。逐次近似寄存器21位置位，同时D/A转换器的21位置1，这时D/A转换器的输入数字量为0110，所以输出6 V电压，由于比较器的反相端电压（6 V）高于同相端电压（5.1 V），所以输出低电平，逐次近似寄存器中该位被复位，输出0100。逐次近似寄存器20位置位，同时D/A转换器的最低位（LSB）置1，这时D/A转换器

37、的输入数字量为0101，所以输出5 V电压，由于比较器的反相端电压（5 V）低于同相端电压（5.1 V），所以输出高电平，逐次近似寄存器中该位被保留，输出0101。当逐次近似寄存器的4位触发器都置过1以后，转换完成，这时逐次近似寄存器中存有二进制数据0101，这就是5.1 V输入模拟电压的近似二进制数表示。一个转换周期完成后，将逐次近似寄存器清零，开始下一次转换。逐次比较式A/D转换器的转换时间取决于转换中数字位数n的多少，完成每位数字的转换需要一个时钟周期，由前面分析可知，第n个时钟脉冲作用后，转换完成，所以该转换器的转换最小时间是nTC，这里TC是时钟脉冲的周期。11.2.6 A/D转换器

38、的技术指标转换器的技术指标1分辨率分辨率分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量，也是输出数字量的最低位（LSB）代表的电压量。例如，8 位 A/D 转换器能够分辨满度输入的 1/28，若是满度输入电压为 5 V，则可以分辨输入电压的最小值为 5 V/28=19.53 mV。而 10 位 A/D 转换器，若是满度输入电压为 5 V，那么这个转换器的输出能区分输入模拟电压的最小值为5 V/210=4.88 mV。还可以用百分数表示分辨率：1/2n100%，例如，对于 12 位 A/D 转换器，则百分比分辨率为：1/4096100%=0.0244%。有些双积分 A/D 转换器，

39、分辨率用位数表示，如 3 位半，满度数字为 1999，则百分比分辨率为（1/1999）100%=0.05%2量化误差 量化误差是由于有限数字对模拟电压值进行离散取值（量化）而引起的误差，是由于 A/D转换器位数有限引起的，如图11-37所示，量化误差是理想转换直线与实际转换曲线之间的偏差。图中，当输入电压未达到 A/D 转换器分辨率的 1/2 时，输出数字是 000，因此有 1/2LSB的误差。当输入电压达到分辨率的 1/2 时，输出数字为 001，因此也有 1/2LSB 的误差。提高分辨率可以减少量化误差。3偏移误差偏移误差偏移误差是指理想转换直线原点与实际转换曲线原点之间的距离，该误差示意

40、如图偏移误差是指理想转换直线原点与实际转换曲线原点之间的距离，该误差示意如图11-38所示所示。由图可以看出，当由图可以看出，当A/D转换器的输入电压逐步增加，使转换器的输入电压逐步增加，使A/D转换器输出数字从转换器输出数字从000跳跳到到001，这时的输入电压与，这时的输入电压与1/2 LSB代表电压之差就是偏移误差，偏移误差可以通过代表电压之差就是偏移误差，偏移误差可以通过移动输入电压范围的方法消除。移动输入电压范围的方法消除。4增益误差 增益误差又称为满度误差，是满度输出数字时，实际输入电压与理想输入电压之差。增益误差示意如图 11-39 所示。由于A/D 转换器的数字输出D 为：IN

41、R2nDVV，所以参考电压VR可以影响A/D 转换器增益，引起增益误差。5非线性误差非线性误差积分非线性、微分非线性与增益非线性等都是非线性误差，如果不详细区分误差原积分非线性、微分非线性与增益非线性等都是非线性误差，如果不详细区分误差原因，则非线性误差是实际转换曲线与理想转换直线之间的最大纵向偏移。非线性误因，则非线性误差是实际转换曲线与理想转换直线之间的最大纵向偏移。非线性误差示意图如图差示意图如图11-40所示。所示。6绝对精度与相对精度绝对精度与相对精度对于某对于某A/D转换器输出的任何数字，其对应的实际模拟输入电压与理想模拟输入转换器输出的任何数字，其对应的实际模拟输入电压与理想模拟

42、输入电压之间差别的最大值称为绝对精度。电压之间差别的最大值称为绝对精度。对应某对应某A/D转换器输出数字的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之间差别的转换器输出数字的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之间差别的最大值除以满度模拟输入电压称为相对精度。最大值除以满度模拟输入电压称为相对精度。7A/D转换器转换速率转换器转换速率A/D转换器的转换速率是每秒转换的次数，主要取决于转换器的类型，不同的转转换器的转换速率是每秒转换的次数，主要取决于转换器的类型，不同的转换器的转换速率相差很多。换器的转换速率相差很多。并联型与流水线并联型与流水线A/D转换器的转换速率最快，如转换器的转换速率最快，如8位二

43、进制数据输出的并联型位二进制数据输出的并联型A/D转换器的转换速率可达转换器的转换速率可达50 ns以内。以内。逐次比较式逐次比较式A/D转换器的转换速率排第二，多数产品的转换速率都在转换器的转换速率排第二，多数产品的转换速率都在10100 s以以内。个别内。个别8位转换器转换时间小于位转换器转换时间小于1 s。双积分与双积分与Delta-Sigma型型A/D转换器的转换速率很慢，一般在数十毫秒至数百毫秒转换器的转换速率很慢，一般在数十毫秒至数百毫秒之间。之间。11.2.7 A/D转换器转换器0804A/D转换器转换器0804是一个是一个8位逐次比较式位逐次比较式A/D转换器，该转换转换器，该

44、转换器的符号如图器的符号如图11-41所示。所示。该转换器的主要参数：该转换器的主要参数：电源电压为电源电压为5 V，范围为，范围为6.3 V，极限为，极限为6.5 V。分辨率为分辨率为8位，在位，在VREF/2=2.5 V时的最大不可调整误差时的最大不可调整误差1LSB。典型时钟频率为典型时钟频率为640 kHz，典型转换时间，典型转换时间100 s。逻辑接口电平兼容逻辑接口电平兼容TTL，灌电流能力，灌电流能力1.6 mA，拉电流能，拉电流能力力360 A。芯片自带时钟发生电路（需要外接电阻和电容）。为与单芯片自带时钟发生电路（需要外接电阻和电容）。为与单片机的总线进行连接，该芯片的数据输

45、出端具有三态输出片机的总线进行连接，该芯片的数据输出端具有三态输出功能。功能。引脚号 名称 功 能 说 明 1 CS 芯片选择引脚 2 RD 读数据引脚，CS=0 与RD=0，则可读取 A/D 转换结果 3 WR A/D 转换器转换控制引脚，在CS=0 时，WR送低电平脉冲，A/D 转换器开始转换 4 CLK 转换时钟输入引脚 5 INTR 转换完成引脚。开始转换后，当INTR=0 表示转换完成，当数据读出后，INTR=1，为下次转换做准备 6 VIN+模拟差动输入正端 7 VIN 模拟差动输入负端。A/D 转换器输入电压为 VIN+VIN 8 AGND 模拟地 9 VREF/2 参考电压 1

46、0 DGND 数字地 1118 D7D0 数据输出 19 CLKR 产生 A/D 转换器转换时钟的外接电阻引脚 20 VCC 电源电压引脚，也是参考电压端 芯片内部的 D/A 转换器逐次输出电压与输入电压（VIN+VIN）进行比较以决定逐次比较寄存器中每一位数据的复位与保留。从 MSB 开始，在 8 次比较（64 个时钟周期）后，8 位二进制数据传送到输出锁存器中，同时INTR端输出低电平，表示转换完成。若是把INTR端与WR连接，同时CS接低电平，则该转换器可以自由进行转换。在 A/D 转换过程中，若再次启动转换，则终止正在进行的转换，开始新的转换，数据寄存器仍保存上次转换结果。输入电压范围

47、为 VIN+VIN，由 VREF/2 引脚的电压确定，VREF/2 引脚的电压应该为输入电压的 1/2，例如输入电压范围为 14 V，则 VREF/2 引脚电压应该为 1.5 V。若是输入电压范围与 A/D 转换器的电源电压相等，则不需要在 VREF/2 引脚连接外电源，这时 VREF/2 由内部对电源分压产生，数值等于 VCC/2。A/D 转换器 0804 的输出数字 DOUT=(VIN+VIN)256/VREF。其中VIN可用于移动输入电平，例如，VIN=0 V，则VIN+就是输入电压；若VIN=1 V，则输入电压为 VIN+1 V，这时VIN+应该大于1 V。如果 A/D 转换器 080

48、4 按照图 11-42 所示连接，则转换频率 f 为 1/（1.1RC）。图 11-43 所示的是 A/D 转换器 0804 组成的 A/D 转换电路接线图。图中 INTR 引脚与WR引脚连接，可以在A/D 转换器0804转换完成、INTR=0 时，使WR=0，再次进行转换。OC 输出缓冲器 7417 与 R1和 C1组成的启动电路用于上电后第1 次转换。电阻 R2与 C2组成了 A/D 转换器 0804 的时钟，时钟频率为：f=1/（1.1R2C2）=1/（1.110 k150 pF）=606 kHz 由于 VIN接地，在 VIN+引脚连接的电位器，用于调节模拟输入电压。VREF/2 引脚未

49、连接外部参考电压，所以该引脚电压为 VCC/2=2.5 V，由于 VREF=5 V，所以该转换器的输入电压范围为 5 V。RD端接地，使转换结果可直接输出到数据端 D7D0连接的发光二极管。CS端接地，使A/D 转换器 0804 可进行转换与输出转换结果。*11.2.8 A/D转换器组成的数据采集系统转换器组成的数据采集系统1数据采集系统的组成数据采集系统的组成A/D转换器常用于数据采集系统中，图转换器常用于数据采集系统中，图11-44所示的就是数据采集系统框图。所示的就是数据采集系统框图。2采样采样/保持电路保持电路（1）采样定理）采样定理A/D转换器转换是需要时间的，在转换器转换是需要时间

50、的，在A/D转换过程中，需要转换过程中，需要A/D输入端的电压保持稳定，输入端的电压保持稳定，但是实际上输入信号经常是变化的，为在但是实际上输入信号经常是变化的，为在A/D转换期间保持输入到转换期间保持输入到A/D转换器的输转换器的输入信号电压稳定，常采用的方法就是入信号电压稳定，常采用的方法就是A/D转换与输入信号之间增加采样转换与输入信号之间增加采样/保持电路。保持电路。每采样一次，实现一次每采样一次，实现一次A/D转换，因此采样时间反映了采集系统的实时性能，采样转换，因此采样时间反映了采集系统的实时性能，采样时间由模拟信号频率、输入通道数和每个周期的采样数确定。时间由模拟信号频率、输入通

51、道数和每个周期的采样数确定。由奈奎斯特（由奈奎斯特（Nyquist）采样定理，采样频率至少是输入信号最高有效频率的）采样定理，采样频率至少是输入信号最高有效频率的2倍。倍。实际中，通常取采样频率为信号频率的实际中，通常取采样频率为信号频率的710倍。倍。在在A/D转换器与模拟输入信号接通的时间（称为孔径时间）里，输入模拟信号值是转换器与模拟输入信号接通的时间（称为孔径时间）里，输入模拟信号值是变化的，因此使转换结果包含孔径误差。就像用秤称东西时，当所称东西不断变化，变化的，因此使转换结果包含孔径误差。就像用秤称东西时，当所称东西不断变化，无法称准一样。为消除孔径误差，需要在无法称准一样。为消除

52、孔径误差，需要在A/D转换器与输入模拟信号之间串联采样转换器与输入模拟信号之间串联采样/保持电路。若是输入信号变化缓慢，则可以不用采样保持电路。若是输入信号变化缓慢，则可以不用采样/保持电路。保持电路。（2）基本的采样/保持电路基本的采样/保持电路如图11-45所示。图中运放A接成电压跟随器，目的是提高输入阻抗，减小输入电流。图中S是由场效应管组成的模拟开关，CH是保持电容，A是缓冲放大器。当控制信号VL为采样电平时，开关S导通，保持电容CH充电，这时输出电压VO跟随输入电压VIN变化；当控制信号VL为保持电平时，开关S断开，保持电容CH保存输入电压VIN值，使放大器输出电压VO等于S断开瞬间

53、时的输入电压值。采样阶段，电容CH电压达到稳定值所需要的时间称为捕捉时间，只有采样周期大于捕捉时间，才能保证在采样阶段采集到输入模拟信号VIN。保持阶段，输出电压VO的下降是由于流过电容CH的漏电流引起的，这些漏电流包括缓冲放大器的输入电流、模拟开关的漏电流以及电容自身的泄漏电流。若要减少输出电压VO的下降率VO/t，则要选择高输入阻抗的缓冲放大器、优质电容器与漏电流小的模拟开关。（3）实际的采样/保持电路图11-46所示的是采样/保持芯片LF398内部结构图与应用电路。图图11-46（a）中，）中，S是模拟开关，是模拟开关，L是模拟开关是模拟开关S的控制电路，在输入的控制电路，在输入VREF

54、引脚接地引脚接地时，采样时，采样/控制引脚控制引脚VL与与TTL电平兼容。电平兼容。在图在图11-46（b）中，若）中，若CH为为0.01 F的低泄漏电容时，电压下降率为的低泄漏电容时，电压下降率为10 3mV/s。3多通道模拟信号采集多通道模拟信号采集如图如图11-47所示，多路模拟开关用于实现所示，多路模拟开关用于实现“多选一多选一”，就是输入为多路模拟信号，就是输入为多路模拟信号，只有一个公共输出端连接采样保持器或是只有一个公共输出端连接采样保持器或是A/D转换器。转换器。实际的多路模拟开关实际的多路模拟开关CD4051：CD4051是是8通道输入、单公共通道输出的模拟开关，具有通道输入

55、、单公共通道输出的模拟开关，具有3位二进制数据通道选择端位二进制数据通道选择端和使能控制端。当电源信号范围（和使能控制端。当电源信号范围（VDDVSS）为）为315 V时，模拟信号范围（时，模拟信号范围（VDDVEE）可达）可达15VP P，例如，例如VDD=5 V，VSS=0 V，VEE=5 V，则数字信号为，则数字信号为05 V，模拟，模拟信号范围为信号范围为 5 V+5 V。CD4051模拟开关的内部结构如图模拟开关的内部结构如图11-48所示。所示。CD4051的导通电阻的导通电阻RON、信号电压、信号电压VIS与电源电压之间的关系如图与电源电压之间的关系如图11-49所所示。可以看出

56、电源电压越高，导通电阻不仅平坦而且小。示。可以看出电源电压越高，导通电阻不仅平坦而且小。图图11-49 CD4051的导通电阻的导通电阻RON、信号电压、信号电压VIS与电源电压之间的关系图与电源电压之间的关系图 4集成多路集成多路A/D转换器转换器0809（1）A/D转换器转换器0809的内部逻辑结构的内部逻辑结构 A/D转换器转换器0809内部结构方框图如图内部结构方框图如图8-50所示，是由一个所示，是由一个8路模拟开关、一个地址路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个个

57、模拟通道，允许模拟通道，允许8路模拟量分时输入，公用路模拟量分时输入，公用A/D转换器进行转换。三态输出锁存器转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存用于锁存A/D转换器输出的数字量，当转换器输出的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。器取走转换完的数据。A/D转换器转换器0809具有如下主要特性：具有如下主要特性：时钟频率：在时钟频率：在101280 kHz之间，典型值为之间，典型值为640 kHz。转换时间：在时钟为转换时间：在时钟为640 kHz时，转换时间为时，转换时间为90116 s之间；之间；工作电源电压工作电源电压VC

58、C：+5 V；正参考电压正参考电压VREF+：+5 V；负参考电压负参考电压VREF：0 V；模拟电压输入范围：单极性模拟电压输入范围：单极性05 V；最大不可调整误差：最大不可调整误差：1LSB；逻辑电平兼容逻辑电平兼容TTL/CMOS；功耗：功耗：15 mW；封装：引脚封装：引脚28双列直插。双列直插。a）8个模拟量输入通道个模拟量输入通道IN7IN0。A/D转换器转换器0809对输入模拟量要求：模拟量对输入模拟量要求：模拟量VIN为单极性，为单极性，其电压范围与参考电源有关，若是参考电压为其电压范围与参考电源有关，若是参考电压为5 V，则电压，则电压范围也可达到范围也可达到5 V。b）地

59、址选择信号。）地址选择信号。高电平有效的地址锁存控制信号高电平有效的地址锁存控制信号ALE。当。当ALE线为高电平线为高电平时，地址锁存与译码器将时，地址锁存与译码器将ADD A、ADD B、ADD C三条地三条地址线的地址信号进行锁存。址线的地址信号进行锁存。c）8条数字量输出线：条数字量输出线：D7D0。d）控制信号。）控制信号。START为转换启动信号。为转换启动信号。EOC为转换结束信号。为转换结束信号。OE为输出允许信号。为输出允许信号。CLK为时钟输入信号。典型使用频率为为时钟输入信号。典型使用频率为640 kHz。参考电压参考电压VREF（）（）、VREF（）（）与输出数字与输出

60、数字N、输入信号、输入信号VIN之间的关系为：之间的关系为：若是若是VREF（）（）接地，则有接地，则有（4）A/D转换器0809实验电路A/D转换器0809实验电路如图11-53所示。图中采用定时器 555组成的多谐振荡器向 A/D 转换器 0809 提供转换时钟，时钟频率 f 为：34111123 kHz(2)ln230 k270 pF 0.69fRR C A/D 转换器 0809 连接成连续转换模式，但是需要在上电后，按钮 R 向 START 引脚加正脉冲，在该正脉冲的下降沿转换开始，随后 EOC 输出的信号可以提供 ALE 和 START 需要的信号。OE 连接高电平，使连接在数字输出

61、端 D7D0的发光二极管随时输出转换结果。由于通道地址选择的 3 个引脚都接地线电平，因此选择 IN0通道，只转换 IN0引脚输入的模拟电压。连接在 IN0引脚的电位器 RT，用于调节 IN0引脚的模拟电压值。参考电压为 VREF（+）VREF（-）=VREF（+）=5 V。因此输入模拟电压与输出数字之间的关系为：ININ25651.2/V5 VVNV。通过观察发光二极管的亮灭，就可以知道输出的数字值，进而确定模拟电压数值。5采集系统的增益估算采集系统的增益估算，图，图11-54所示的数据采集系统，由压力传感器、运放和所示的数据采集系统，由压力传感器、运放和A/D转换器组成。转换器组成。其中压

62、力传感器测量力的范围为其中压力传感器测量力的范围为200 kg，传感器输出信号为，传感器输出信号为020 mV，信号调理，信号调理电路的放大倍数为电路的放大倍数为250倍，倍，A/D转换器输入信号范围为转换器输入信号范围为05 V，采用，采用8位位A/D转换器。转换器。压力传感器由测力电桥构成，其灵敏度为压力传感器由测力电桥构成，其灵敏度为2 mV/V，若是传感器电源电压为，若是传感器电源电压为10 V，则传感器输出电压为则传感器输出电压为20 mV，增益，增益KC为为20 mV/200 kg=0.1 mV/kg。信号调理放大器信号调理放大器A的输入为传感器的输出，若输入电压为的输入为传感器的

63、输出，若输入电压为20 mV，输出电压为，输出电压为5 V，则放大倍数则放大倍数KA=250倍。倍。8 位 A/D 转换器的输入电压与输出数字之间的关系为INREF256NVV（），若参考电压为 5 V，则 A/D 转换器的增益 KA/D转换器=51.2/V。由此采集系统总增益 K 为 KCKAKA/D转换器=0.0001V/kg25051.2/V=1.280/kg 对于输入200 kg的压力，则A/D转换器输出N=K200 kg=1.280/kg200 kg=256，若是100 kg的压力，则 N=128。实际中，可以根据以上所述做出如表11-9 所示的标度变换表格。由该表可知 A/D 转换

64、器输出的数字 256 除以输入的压力 200 kg 就是该采集系统的总增益1.280/kg。实际上采集系统各部分的增益都不是很准的，常需要现场调节总增益。另外对于实际上采集系统各部分的增益都不是很准的，常需要现场调节总增益。另外对于输入压力为输入压力为0时的时的A/D转换器输出数字也常不是转换器输出数字也常不是0，因此采集系统还需要校零。，因此采集系统还需要校零。校零：使传感器处于校零：使传感器处于0压力，然后调节传感器、放大器以及压力，然后调节传感器、放大器以及A/D转换器中任何一个转换器中任何一个环节的零点，则可以校正总采集系统的零点。通常在放大器环节容易调节。环节的零点，则可以校正总采集

65、系统的零点。通常在放大器环节容易调节。校准增益：使传感器处于满压力校准增益：使传感器处于满压力200 kg，然后调节传感器、放大器与，然后调节传感器、放大器与A/D转换器转换器中任何一个环节的增益，使中任何一个环节的增益，使A/D转换器输出为数字转换器输出为数字255，则表明总增益正确。若是，则表明总增益正确。若是调节增益后，使零点发生改变，则需要再调零点，然后再调整增益，多次反复的调节增益后，使零点发生改变，则需要再调零点，然后再调整增益，多次反复的调节才能满足要求。调节才能满足要求。本章主要内容为：本章主要内容为：（1）数模转换，包括权电阻）数模转换，包括权电阻D/A转换器、输出电压型与输

66、转换器、输出电压型与输出电流型出电流型R/2R电阻电阻D/A转换器、电阻串型转换器、电阻串型D/A转换器，以转换器，以及及D/A转换器的技术指标。转换器的技术指标。（2）模数转换器，包括并行）模数转换器，包括并行A/D转换器、流水线型转换器、流水线型A/D转转换器、双斜率换器、双斜率A/D转换器、转换器、DD型型A/D转换器、逐次比较式转换器、逐次比较式A/D转换器，以及转换器，以及A/D转换器的技术参数。转换器的技术参数。（3）A/D转换器组成的数据采集系统，包括采样定理、采转换器组成的数据采集系统，包括采样定理、采样保持电路、多通道数据采集与样保持电路、多通道数据采集与A/D转换器转换器0809组成的数组成的数据采集系统举例。据采集系统举例。作业：作业：11-1 11-20