《数模和模数转换》PPT课件

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1、第 8章 数 模 和 模 数 转 换 8.1 概 述 8.2 数 模 转 换 器 8.3 模 数 转 换 器 传 感 器(温 度 、 压 力 、 流量 等 模 拟 量 ） A/D计 算 机（ 数 字 量 ）显 示 器 D/A执 行 部 件（ 模 拟 量 控 制 ） 打 印 机8.1 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和 DAC是 沟 通 模 拟 电 路 和 数 字 电

2、路 的 桥 梁 ， 也 可 称 之 为 两 者 之 间 的 接 口 .ADC和 DAC的 应 用 ： D/A转 换 器 实 质 上 是 一 个 译 码 器 （ 解 码 器 ） 。 一 般 常用 的 线 性 D/A转 换 器 ， 其 输 出 模 拟 电 压 uO和 输 入 数 字 量 Dn之 间 成 正 比 关 系 。 UREF为 参 考 电 压 。 一 、 D/A转 换 器 的 基 本 工 作 原 理8.2 数 模 转 换 器 D/A转 换 器 是 将 输 入 的 二 进 制 数 字 量 转 换 成 模 拟 量 ，以 电 压 或 电 流 的 形 式 输 出 。 u o或 io 输 出 D/A

3、d0 d1 d n 1 输 入 D n (LSB) (MSB) uO DnUREF 将 输 入 的 每 一 位 二 进 制 代 码 按 其 权 值 大 小 转 换 成 相 应的 模 拟 量 ， 然 后 将 代 表 各 位 的 模 拟 量 相 加 ， 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 。 1-n 0i REFii REF00REF11REF2n2nREF1n1n REFno U2d U2dU2dU2dU2d UDu 8.2 数 模 转 换 器 1-n 0i ii00112n2n1n1nn 2d2d2

4、d2d2dD 即 ： D/A转 换 器 的 输 出 电 压 uO， 等 于 代 码 为 1的 各 位 所 对 应的 各 分 模 拟 电 压 之 和 。 D/A转 换 器 一 般 由 数 码 缓 冲 寄 存 器 、 模 拟 电 子 开 关 、参 考 电 压 、 解 码 网 络 和 求 和 电 路 等 组 成 。 8.2 数 模 转 换 器数 码 缓 冲寄 存 器 n位 数 控模 拟 开 关 解 码 网 络n位 数 字量 输 入 模 拟 量输 出求 和 电 路参 考 电 压n 位 D/A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

5、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 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 。 Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 I n-1 In-2 I2 I1 I0 2 0R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R/2) u0 UREF + I 1. 权 电 阻 网 络 D/A转 换 器 权 电 阻 网

6、 络 DAC原 理 图 8.2 数 模 转 换 器二 、 D/A转 换 器 的 主 要 电 路 形 式权 电 阻 双 向 模 拟 开 关数 字 量 输 入 模拟量输出 权 电 阻 的 排 列 顺 序 和 权 值 的 排 列 顺 序 相 反 。 运 算 放 大 器 集 成 运 算 放 大 器 ， 作 为 求 和 权 电 阻 网 络 的 缓 冲 ， 并 将 电 流转 换 为 电 压 输 出 。8.2 数 模 转 换 器 Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2

7、 d1 d0 RF (R/2) u0 UREF + I 0I0d 2R2UR2UI1d ii i1nREFi1n REFii 时 ，时 ，权 电 阻 网 络 DAC的 原 理 分 析 开 关 Si的 位 置 受 数 据 锁 存 器 输 出 的 数 码 di控 制 ： 当 di=1时 ， Si将 对应 的 权 电 阻 接 到 参 考 电 压 UREF上 ； 当 di=0时 ， Si将 对 应 的 权 电 阻 接 地 。i1nREFii1n REFii 2R2UdR2UdI 虚 短 8.2 数 模 转 换 器 1-n 0i ii1-nREFi-1-n REF1-n 0i i1-n 0i i 012

8、2n1n 2dR2UR2UdI IIIIII 虚 断运 算 放 大 器 总 的 输 入 电 流 为 运 算 放 大 器 输 出 电 压 为 1n 0i ii1nREFFFO 2dR2URIRu令 RF=R/2 ， 则 nnREF1n 0i iinREFO D2U2d2Uu 即 ： 输 出 的 模 拟 电 压 uO正 比 于 输 入 的 数 字 量 Dn， 从 而 实 现了 从 数 字 量 到 模 拟 量 的 转 换 。 因 而 uO的 变 化 范 围 是 REFnn U2 120 8.2 数 模 转 换 器当 Dn=Dn-1D0=0时 ， uO=0； 当 Dn=Dn-1D0=111时 ， 。R

9、EFnnO U2 12u 权 电 阻 网 络 D/A转 换 器 的 特 点 优 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 。 8.2 数 模 转 换 器 A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R) u 0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R R + 2. 倒 T型 电 阻 网 络 D/A转 换 器 数 字 量 输 入 模拟量输出 电 阻 解 码 网 络 中 ， 电 阻 只 有 R和 2R两 种 ， 并 构 成 倒 T型

10、 电 阻 网络 。 当 d i=1时 ， 相 应 的 开 关 Si接 到 求 和 点 ； 当 di=0时 ， 相 应 的 开关 Si接 地 。 但 由 于 虚 短 ， 求 和 点 和 地 相 连 ， 所 以 不 论 开 关 如 何 转向 ， 电 阻 2R总 是 与 地 相 连 。 这 样 ， 倒 T型 网 络 的 各 节 点 向 上 看 和向 右 看 的 等 效 电 阻 都 是 2R， 整 个 网 络 的 等 效 输 入 电 阻 为 R。 求 和 点倒 T型 电 阻 网 络 D/A转 换 器 原 理 图 8.2 数 模 转 换 器 A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d

11、0 RF (R) u 0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2I 2I 2I 2I 2I n1-n2-n21 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R R n1-n2-n21 2I 2I 2I 2I 2I I + I 参 考 电 压 UREF供 出 的 总 电 流 为 ： RUI REF 0I0d 2R2U2II1d ii inREFinii 时 ，时 ， inREFiinii 2R2Ud2IdI 分 流 ： 流 入 求 和 点 的 各 支 路 电 流 为 ： 1n 0i iinREF1n 0i iin 00112n2n1n1nn n01n122n11n 012-n1-n

12、2dR2U2d2I 2d2d2d2d2I 2Id2Id2Id2Id IIIII )( 8.2 数 模 转 换 器流 入 求 和 点 的 电 流 为 ：虚 断 ， 运 算 放 大 器 的 输 出 电 压 为 ： 1n 0i iinREFFFO 2dR2URIRu 倒 T型 电 阻 网 络 D/A转 换 器 的 特 点 ： 优 点 ： 电 阻 种 类 少 ， 只 有 R和 2R， 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 。 应 用 ： 它 是 目 前 集 成 D/A转 换 器 中 转 换 速 度 较 高 且

13、使 用较 多 的 一 种 ， 如 8位 D/A转 换 器 DAC0832， 就 是 采 用 倒 T型 电阻 网 络 。8.2 数 模 转 换 器令 RF=R ， 则 nnREF1n 0i iinREFO D2U2d2Uu 即 ： 输 出 的 模 拟 电 压 uO正 比 于 输 入 的 数 字 量 Dn， 从 而 实 现 了 从数 字 量 到 模 拟 量 的 转 换 。 分 辨 率 用 于 表 征 D/A转 换 器 对 输 入 微 小 量 变 化 的 敏 感 程 度 。 12 1UU nm 分 辨 率 分 辨 率 越 高 ， 转 换 时 对 输 入 量 的 微 小 变 化 的 反 应 越 灵 敏

14、 。 而 分 辨 率 与 输 入 数 字 量 的 位 数 有 关 ， n越 大 ， 分 辨 率 越 高 。 8.2 数 模 转 换 器1. 分 辨 率 三 、 D/A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 输入 数 字 量 的 位 数 n表 示 D/A转 换 器 的 分 辨 率 ； 可 用 D/A转 换 器 的 最 小 输 出 电 压 与 最 大 输 出 电 压 之 比 来 表示 分 辨 率 。 05/75 001 010 011 100 101 110 111vo/V D000 8.2 数 模 转 换 器2

15、. 转 换 精 度 D/A转 换 器 的 转 换 精 度 是 指 输 出 模 拟 电 压 的 实 际 值 与 理 想值 之 差 ， 即 最 大 静 态 转 换 误 差 。3. 转 换 速 度 从 输 入 的 数 字 量 发 生 突 变 开 始 ，到 输 出 电 压 进 入 与 稳 定 值 相 差 0.5LSB范 围 内 所 需 要 的 时 间 ， 称 为建 立 时 间 t set。 目 前 单 片 集 成 D/A转 换器 （ 不 包 括 运 算 放 大 器 ） 的 建 立 时 间最 短 达 到 0.1微 秒 以 内 。 4. 温 度 系 数 在 输 入 不 变 的 情 况 下 ， 输 出 模

16、拟 电 压 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 1 ， 输 出 电 压 变化 的 百 分 数 作 为 温 度 系 数 。 8.2 数 模 转 换 器1.DAC0832结 构 框 图 四 、 8位 集 成 DAC08328位输 入寄 存 器 8位DAC寄 存 器 8位D/A转 换 器 UREFIOUT2R fbAGNDVCCDGNDDI7DI0CSWR1WR2XFERILE LE LE IOUT1& & RFB 它 由 一 个 8位 输 入 寄 存 器 、 一 个 8位 DAC寄 存 器 和 一 个 8位 D/A转 换 器

17、 三 大部 分 组 成 ， D/A转 换 器 采 用 了 倒 T型 R-2R电 阻 网 络 。 LE 1， 跟 随 0， 锁 存 8.2 数 模 转 换 器2.DAC0832引 脚 功 能 DI7 DI0： 8位 输 入 数 据 信 号 。I OUT1： DAC输 出 电 流 1。 当 DAC锁 存 器 中 为 全 1时 ， IOUT1最 大 （ 满量 程 输 出 ） ； 为 全 0时 ， IOUT1为 0。 IOUT2： DAC输 出 电 流 2。 它 作 为 运 算 放 大 器 的 另 一 个 差 分 输 入 信号 （ 一 般 接 地 ） 。 满 足 IOUT1+IOUT2 满 量 程 输

18、 出 电 流 。 Rfb： 反 馈 电 阻 （ 内 已 含 一 个 反 馈 电 阻 ） 接 线 端 。 DAC0832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 Rfb，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 。ILE： 输 入 锁 存 允 许 信 号 ， 高 电 平 有 效 。 CS： 片 选 信 号 ， 低 电 平 有 效 。 WR1： 输 入 数 据 选 通 信 号 ， 低 电 平 有 效 。 （ 上 升 沿 锁 存 ）XFER： 数

19、 据 传 送 选 通 信 号 ， 低 电 平 有 效 。 WR2： 数 据 传 送 选 通 信 号 ， 低 电 平 有 效 。 （ 上 升 沿 锁 存 ） 8.2 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“ 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 声 容 限 较 高 ， 通 常 是 不 需 要 考 虑 “ 地 ” 的 形 式 的 ， 但 对于 模 拟 电 路 而 言 ， 这 个 不 同 地 方 的 “ 地 ” 对 测 量 的 精 度 是 构 成影

20、响 的 ， 因 此 ， 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 的 一 点 把 它 们 连 接 起 来 。 DGND： 数 字 地 ， 是 控 制 电 路 中 各 种 数 字 电 路 的 零 电 位 。 AGND： 模 拟 地 ， 是 放 大 器 、 A/D和 D/A转 换 器 中 模 拟 电 路 的 零 电 位 。 UREF： 参 考 电 压 输 入 。 一 般 此 端 外 接 一 个 精 确 、 稳 定 的 电 压基 准 源 。 UREF可 在 -10V至 +10V范 围 内 选 择 。UCC： 电 源 输 入 端 （

21、一 般 取 +5V +15V） 。 3.DAC0832特 性 参 数 8.2 数 模 转 换 器分 辨 率 ： 8位建 立 时 间 ： 1s增 益 温 度 系 数 ： 20ppm/ （ ppm-百 万 分 之 一 ， 10-6）输 入 电 平 ： TTL功 耗 ： 20mW4.DAC0832工 作 方 式 当 ILE、 CS和 WR1同 时 有 效 时 ， 输 入 数 据 DI7 DI0进 入 输 入寄 存 器 ； 并 在 WR 1的 上 升 沿 实 现 数 据 锁 存 。 当 WR2和 XFER同 时 有效 时 ， 输 入 寄 存 器 的 数 据 进 入 DAC寄 存 器 ； 并 在 WR2

22、的 上 升 沿 实现 数 据 锁 存 。 八 位 D/A转 换 电 路 随 时 将 DAC寄 存 器 的 数 据 转 换 为模 拟 信 号 （ IOUT1+IOUT2） 输 出 。 DAC0832 的 使 用 有 双 缓 冲 器 型 、 单 缓 冲 器 型 和 直 通 型 三 种工 作 方 式 。 DAC0832的 三 种 工 作 方 式 8.2 数 模 转 换 器 （ b） 单 缓 冲 方 式 ： 适 合 在 不 要 求 多 片 D/A同 时 输 出 时 。 此 时 只 需 一 次 写 操作 ， 就 开 始 转 换 ， 提 高 了 D/A的 数 据 吞 吐 量 。（ a） 双 缓 冲 方 式

23、 ： 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 D/A的同 步 转 换 输 出 。（ c） 直 通 方 式 ： 输 出 随 输 入 的 变 化 随 时 转 换 。 A/D转 换 是 将 模 拟 信 号 转 换 为 数 字 信 号 ， 转 换 过 程 通 过取 样 、 保 持 、 量 化 和 编 码 四 个 步 骤 完 成 。 8.3 模 数 转 换 器一 、 A/D转 换 器 的 基 本 工 作 原 理采 样 保 持 量 化 编 码

24、VI DO模 拟 量 输 入 数 字 量 输 出 取 样 （ 也 称 采 样 ） 是 将 时 间 上 连 续 变 化 的 信 号 ， 转 换 为 时间 上 离 散 的 信 号 ， 即 将 时 间 上 连 续 变 化 的 模 拟 量 转 换 为 一 系 列等 间 隔 的 脉 冲 ， 脉 冲 的 幅 度 取 决 于 输 入 模 拟 量 。1.取 样 和 保 持 8.3 模 数 转 换 器取 样 过 程 采 样 脉 冲 输入模拟信号 采样输出信号 maxf2fs 模 拟 信 号 经 采 样 后 ， 得 到 一 系 列 样 值 脉 冲 。 采 样 脉 冲 宽 度 一 般 是 很 短 暂 的 ， 在 下

25、 一 个 采 样 脉 冲 到 来 之 前 ， 应 暂 时 保 持所 取 得 的 样 值 脉 冲 幅 度 ， 以 便 进 行 转 换 。 因 此 ， 在 取 样 电 路 之后 须 加 保 持 电 路 。8.3 模 数 转 换 器 在 采 样 脉 冲 S(t)到 来 的 时 间 内 ， VT导 通 ， U I(t)向 电 容 C充 电 ， 假定 充 电 时 间 常 数 远 小 于 ， 则 有 ： UO(t) US(t) UI(t)。 采 样 采 样 结 束 ， VT截 止 ， 而 电 容 C上 电 压 保 持 充 电 电 压 UI(t)不 变 ， 直 到下 一 个 采 样 脉 冲 到 来 为 止

26、。 保 持 场 效 应 管 VT为 采 样 门 ， 电 容 C为 保 持 电 容 ， 运 算 放 大 器 为 跟随 器 ， 起 缓 冲 隔 离 作 用 。取 样 保 持 电 路 及 输 出 波 形 输 入 的 模 拟 电 压 经 过 取 样 保 持 后 ， 得 到 的 是 阶 梯 波 。 而 该 阶梯 波 仍 是 一 个 可 以 连 续 取 值 的 模 拟 量 ， 但 n位 数 字 量 只 能 表 示 2n个 数 值 。 因 此 ， 用 数 字 量 来 表 示 连 续 变 化 的 模 拟 量 时 就 有 一 个 类似 于 四 舍 五 入 的 近 似 问 题 。8.3 模 数 转 换 器2.量

27、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 量 化 。 指 定 的 离 散 电 平 称 为 量 化 电 平 Uq 。 用 二 进 制 数 码来 表 示 各 个 量 化 电 平 的 过 程 称 为 编 码 。 两 个 量 化 电 平 之 间 的 差 值称 为 量 化 单 位 ， 位 数 越 多 ， 量 化 等 级 越 细 ， 就 越 小 。 取 样 保持 后 未 量 化 的 U o值 与 量 化 电 平 Uq值 通 常 是 不 相 等 的 ， 其 差 值 称 为量 化 误 差 ， 即 =Uo-Uq。量 化 的

28、方 法 一 般 有 两 种 ： 只 舍 不 入 法 和 有 舍 有 入 法 。 8.3 模 数 转 换 器1)只 舍 不 入 法 当 Uo的 尾 数 时 ，舍 尾 取 整 。 这 种 方 法 总为 正 值 ， max 。 2)有 舍 有 入 法 当 U o的 尾 数 /2时 ， 舍尾 取 整 ； 当 Uo的 尾 数 /2时 ，舍 尾 入 整 。 这 种 方 法 可 正 可负 ， 但 是 | max|= /2。 可 见 ，它 的 误 差 要 小 。 A/D转 换 器 有 直 接 转 换 法 和 间 接 转 换 法 两 大 类 。 直 接 法 是 通 过 一 套 基 准 电 压 与 取 样 保 持

29、 电 压 进 行 比 较 ， 从而 直 接 将 模 拟 量 转 换 成 数 字 量 。 其 特 点 是 工 作 速 度 高 ， 转 换 精度 容 易 保 证 ， 调 准 也 比 较 方 便 。 直 接 A/D转 换 器 有 计 数 型 、 逐 次比 较 型 、 并 行 比 较 型 等 。 间 接 法 是 将 取 样 后 的 模 拟 信 号 先 转 换 成 中 间 变 量 时 间 t或 频率 f, 然 后 再 将 t或 f转 换 成 数 字 量 。 其 特 点 是 工 作 速 度 较 低 ， 但转 换 精 度 可 以 做 得 较 高 ， 且 抗 干 扰 性 强 。 间 接 A/D转 换 器 有

30、单 次积 分 型 、 双 积 分 型 等 。8.3 模 数 转 换 器二 、 A/D转 换 器 的 主 要 电 路 形 式 8.3 模 数 转 换 器 R + C5 + C6 + C4 + C3 + C2 + C1 + C0 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 & & & & & & UREF ui d2 d1 d0 R/2 R R R R R R CP 电 压 比 较 器 FF7 FF6 FF5 FF4 FF3 FF2 FF1 寄 存 器 编 码 器 15U13 REF 15U11 REF 15U9 REF 15U7 REF 15U5 REF

31、15U3 REF 15U1 REF 1. 并 行 比 较 型 A/D转 换 器 量 化 电 平 依 据 有 舍 有入 划 分 为 7个 电 平 。量 化 单 位 为 =(2/15)UREF量 化 误 差 为| max|= (1/15)UREF电 压 比 较 器 U + U-时 ， Ci 1； U+ U-时 ， Ci 0。 8.3 模 数 转 换 器 并 行 比 较 型 A/D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 ）QQQQQQQ6 5 4 3 2 1 0 d d d2 1 0uI15( )15

32、)( 1515 )( 1515 )( 1515 )( 15 15 )( 1515 )( 1515 )( 10 33 55 77 99 1111 1313 1 UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF 0 0 0 0 0 011 1 1111 1 11 1 110 1 110 0 1100 1 10 1 10 1 110 0 0 10 0 10 00 00 00 0 10 0 0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1例 如 ： uI 4.2V， UREF 6V。3.6V 4.4V则 数 字 量 输 出 d2d1d0 101。 优 点

33、 ： 转 换 速 度 很 快 ， 故 又 称 高 速 A/D转 换 器 。 含 有 寄 存 器的 A/D转 换 器 兼 有 取 样 保 持 功 能 ， 所 以 它 可 以 不 用 附 加 取 样 保持 电 路 。 缺 点 ： 电 路 复 杂 ， 对 于 一 个 n位 二 进 制 输 出 的 并 行 比 较 型 A/D转 换 器 ， 需 n -1个 电 压 比 较 器 和 2n -1个 触 发 器 ， 编 码 电 路 也随 n的 增 大 变 得 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 。 因 此 ， 这 种 转 换 器 适 用

34、 于 高 速 ， 精 度 较 低 的 场 合 。 8.3 模 数 转 换 器并 行 比 较 型 A/D转 换 器 的 特 点 ： 2. 逐 次 逼 近 型 A/D转 换 器 8.3 模 数 转 换 器 取 样 保 持 n位 DAC 控 制 逻 辑 + - + C 时 钟 源 Qn-1Qn-2Qn-3 Q2Q1Q0 逐 位 逼 近 寄 存 器 （ SAR） 输出寄 存器 转 换 控 制 信 号 模 拟 输 入 u1 u1 偏 移 电 压 u0 u0 /2 UREF 比 较 器 U C CP US dn-1(MSB) dn-2 n位 并 行 d2 数 字 输 出 d1 d 0 (LSB) 逐 次

35、逼 近 型 A/D转 换 器 原 理 图 8.3 模 数 转 换 器 转 换 开 始 前 先 将 逐 次 逼 近 寄 存 器 SAR清 “ 0” ； 开 始 转 换 以 后 ， 第 一 个 时 钟 脉 冲 首 先 将 寄 存 器 最 高 位 置 成 1，使 输 出 数 字 为 100 0。 这 个 数 码 被 D/A转 换 器 转 换 成 相 应 的 模拟 电 压 uo， 经 偏 移 /2后 得 到 uO uO /2， 并 送 到 比 较 器 中与 uI进 行 比 较 。 若 uI uo， 说 明 数 字 过 大 ， 故 将 最 高 位 的 1清除 置 零 ； 若 u Iuo， 说 明 数 字

36、 还 不 够 大 ， 应 将 这 一 位 保 留 。 然 后 ， 按 同 样 的 方 法 将 次 高 位 置 成 1， 并 且 经 过 比 较 以 后 确定 这 个 1是 保 留 还 是 清 除 。 这 样 逐 位 比 较 下 去 ， 一 直 到 最 低 位为 止 。 比 较 完 毕 后 ， SAR中 的 状 态 就 是 所 要 求 的 数 字 量 输 出 。逐 次 逼 近 型 A/D转 换 器 的 工 作 原 理 ： 8.3 模 数 转 换 器例 ： 若 UREF -4V， n 4。 当 采 样 保 持 电 路 输 出 电 压 uI=2.49V时 ， 试列 表 说 明 逐 次 逼 近 型 A

37、DC电 路 的 A/D转 换 过 程 。解 ： 量 化 单 位 为 V2501642 |U| nREF .偏 移 电 压 为 /2 0.125V 转 换 的 结 果 为 ： d3d2d1d0 1010。 双 积 分 型 ADC的 转 换 原 理 是 先 将 模 拟 电 压 UI转 换 成 与 其 大小 成 正 比 的 时 间 间 隔 T， 再 利 用 基 准 时 钟 脉 冲 通 过 计 数 器 将 T变换 成 数 字 量 。 8.3 模 数 转 换 器3.双 积 分 型 A/D转 换 器 这 种 A/D转 换 器 具 有 很 多 优 点 。 首 先 ， 其 转 换 结 果 与 时 间常 数 R

38、C无 关 ， 从 而 消 除 了 由 于 斜 波 电 压 非 线 性 带 来 的 误 差 ，允 许 积 分 电 容 在 一 个 较 宽 范 围 内 变 化 ， 而 不 影 响 转 换 结 果 。其 次 ， 由 于 输 入 信 号 积 分 的 时 间 较 长 ， 且 是 一 个 固 定 值 T1，而 T2正 比 于 输 入 信 号 在 T1内 的 平 均 值 ， 这 对 于 叠 加 在 输 入 信 号上 的 干 扰 信 号 有 很 强 的 抑 制 能 力 。 最 后 ， 这 种 A/D转 换 器 不 必采 用 高 稳 定 度 的 时 钟 源 ， 它 只 要 求 时 钟 源 在 一 个 转 换 周

39、 期（ T 1+T2） 内 保 持 稳 定 即 可 。 这 种 转 换 器 被 广 泛 应 用 于 要 求 精度 较 高 而 转 换 速 度 要 求 不 高 的 仪 器 中 。 mVVV 44.2096410101221 分 辨 率 = 1. 分 辨 率 分 辨 率 指 A/D转 换 器 对 输 入 模 拟 信 号 的 分 辨 能 力 。 从 理 论上 讲 ， 一 个 n位 二 进 制 数 输 出 的 A/D转 换 器 应 能 区 分 输 入 模 拟 电压 的 2n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 1/2n） 。 F

40、SRn21 8.3 模 数 转 换 器三 、 A/D转 换 器 的 主 要 技 术 指 标例 如 ， A/D转 换 器 的 输 出 为 12位 二 进 制 数 ， 最 大 输 入 模 拟 信 号为 10V， 则 其 分 辨 率 为 2. 转 换 时 间 转 换 时 间 是 指 A/D转 换 器 从 接 到 转 换 启 动 信 号 开 始 ， 到 输出 端 获 得 稳 定 的 数 字 信 号 所 经 过 的 时 间 。 A/D转 换 器 的 转 换 速 度 主 要 取 决 于 转 换 电 路 的 类 型 ， 不 同类 型 A/D转 换 器 的 转 换 速 度 相 差 很 大 。 双 积 分 型

41、A/D转 换 器 的 转 换 速 度 最 慢 ， 需 几 百 毫 秒 左 右 ； 逐 次 逼 近 式 A/D转 换 器 的 转 换 速 度 较 快 ， 需 几 十 微 秒 ； 并 行 比 较 型 A/D转 换 器 的 转 换 速 度 最 快 ， 仅 需 几 十 纳 秒 时 间 。 8.3 模 数 转 换 器 8.3 模 数 转 换 器3. 转 换 误 差 它 表 示 A/D转 换 器 实 际 输 出 的 数 字 量 和 理 论 上 输 出 的 数 字 量之 间 的 差 别 。 常 用 最 低 有 效 位 的 倍 数 表 示 。例 如 ， 转 换 误 差 。 就 表 明 实 际 输 出 的 数

42、字 量 和 理论 上 应 得 到 的 输 出 数 字 量 之 间 的 误 差 小 于 最 低 位 的 半 个 字 。LSB21例 ： 某 信 号 采 集 系 统 要 求 用 一 片 A/D转 换 集 成 芯 片 在 1s内 对 16个 热 电偶 的 输 出 电 压 分 数 进 行 A/D转 换 。 已 知 热 电 偶 输 出 电 压 范 围 为 0 25mV（ 对 应 于 0 450 温 度 范 围 ） ， 需 分 辨 的 温 度 为 0.1 ， 试 问 应 选 择 几位 的 A/D转 换 器 ？ 其 转 换 时 间 为 多 少 ？解 ： 4500145010 .分 辨 率 = 4096121

43、12 12位 ADC的 分 辨 率 = 故 需 选 用 13位 A/D转 换 器 。ms562161 .转 换 时 间 = 8.3 模 数 转 换 器四 、 8位 集 成 ADC0809 1.ADC0809特 性 参 数 分 辨 率 ： 8位精 度 ： 8位转 换 时 间 ： 100s增 益 温 度 系 数 ： 20ppm/输 入 电 平 ： TTL功 耗 ： 15mW ADC0809是 采 用 CMOS工 艺 制 成 的 8位 八 通 道 逐 次 逼 近 型A/D转 换 器 。 发 出 A/D转 换 启 动 信 号 START， 在 START的 上 升 沿 将 SAR清 0， 转 换 结

44、束 标 志 EOC变 为 低 电 平 ， 在 START的 下 降 沿 开始 转 换 ；8.3 模 数 转 换 器2.ADC0809工 作 原 理 转 换 结 束 后 ， EOC跳 为 高 电 平 ， 在 OE端 输 入 高 电 平 ， 从而 得 到 转 换 结 果 输 出 。 输 入 3位 地 址 信 号 ， 在 ALE脉 冲 的 上 升 沿 将 地 址 锁 存 ， 经译 码 选 通 某 一 通 道 的 模 拟 信 号 进 入 比 较 器 ； 转 换 过 程 在 时 钟 脉 冲 CLK的 控 制 下 进 行 ； IN0 IN7： 8路 模 拟 电 压 输 入 。 ADDC、 ADDB、 AD

45、DA： 3位 地 址 信 号 。 ALE： 地 址 锁 存 允 许 信 号 输 入 ， 高 电 平 有 效 。 D7 D0（ 2-1 2-8） ： 8位 二 进 制 数 码 输 出 。 OE： 输 出 允 许 信 号 ， 高 电 平 有 效 。 即 当 OE=1时 ， 打 开 输 出锁 存 器 的 三 态 门 ， 将 数 据 送 出 。 U R(+)和 UR(-)： 基 准 电 压 的 正 端 和 负 端 。 8.3 模 数 转 换 器3.ADC0809引 脚 功 能 CLK： 时 钟 脉 冲 输 入 端 。 一 般 在 此 端 加 500kHz的 时 钟 信 号 。 START： A/D转

46、换 启 动 信 号 ， 为 一 正 脉 冲 。 在 START的 上 升沿 将 逐 次 比 较 寄 存 器 SAR清 0， 在 其 下 降 沿 开 始 A/D转 换 过程 。 EOC： 转 换 结 束 标 志 输 出 信 号 。 在 START信 号 上 升 沿 之 后 EOC信 号 变 为 低 电 平 ； 当 转 换 结 束 后 ， EOC变 为 高 电 平 。 此信 号 可 作 为 向 CPU发 出 的 中 断 请 求 信 号 。 8.3 模 数 转 换 器 第 8章 小 结1.熟 练 掌 握 典 型 A/D、 D/A转 换 器 的 主 要 特 性 参 数 及 使 用方 法 ；2.正 确 理 解 A/D、 D/A转 换 器 的 工 作 原 理 。