第 10章 数 -模转换和模 -数转换第 10 章 数 -模转换和模 -数转换
10.1 概述
10.2 D/A转换器 (DAC)
10.3 A/D转换器 (ADC)
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.1 概为了能用数字技术来处理模拟信号,必须把模拟信号转换成数字信号,才能送入数字系统进行处理 。 同时,往往还需把处理后的数字信号转换成模拟信号,作为最后的输出 。
我们把前一种从模拟信号到数字信号的转换称为模 —数转换,
A/D（ Analog to Digital） 转换,把后一种从数字信号到模拟信号的转换称为 D/A（ Digital to Analog） 转换 。 同时,把实现 A/D转换的电路称为 A/D转换器 （ Analog Digital
Converter ） ；把实现 D/A 转换的电路称为 D/A 转换器
（ Digital Analog Converter） 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换在目前常见的 D/A转换器中,有权电阻网络 D/A转换器,倒梯形电阻网络 D/A转换器等 。 A/D转换器的类型也有多种,可以分为直接 A/D转换器和间接 A/D转换器两大类 。 在直接 A/D转换器中,输入的模拟信号直接被转换成相应的数字信号；而在间接 A/D转换器中,输入的模拟信号先被转换成某种中间变量 （ 如时间,频率等 ）,然后再将中间变量转换为最后的数字量 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.2 D/A转换器（ DAC）
10.2.1 D/A
D/A转换器是将输入的二进制数字信号转换成模拟信号,
以电压或电流的形式输出 。 因此,D/A转换器可以看作是一个译码器 。 一般常用的线性 D/A转换器,其输出模拟电压 U
和输入数字量 D之间成正比关系,即 U=KD,式中 K为常数 。
D/A转换器的一般结构如图 10-1所示,图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号 。 n位寄存器的并行输出分别控制 n个模拟开关的工作状态 。 通过模拟开关,将参考电压按权关系加到电阻解码网络 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-1 DAC方框图第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.2.2 D/A转换器的主要电路形式
1,权电阻网络 D/A转换器图 10-2 权电阻 DAC
第 10章 数 -模转换和模 -数转换开关 Si的位置受数据锁存器输出的数码 Di控制,当 Di=1
时,Si将电阻网络中相应的电阻 Ri和基准电压 UR接通；当
Di=0时,Si将电阻 Ri接地 。
权电阻网络由 n个电阻 （ 20R~2n-1R） 组成,电阻值的选择应使流过各电阻支路的电流 Ii和对应 Di位的权值成正比 。
例如,数码最高位 Dn-1,其权值为 2n-1,驱动开关 Sn-1,连接的电阻 Rn-1=2n-1-(n-1)=20R； 最低位 D0,驱动开关 S0,连接的权电阻为 R0=2n-1-(0)R=2n-1R。 因此,对于任意位 Di,其权值为 2i,驱动开关 Si,连接的权电阻值为 Ri=2n-1-iR,即位权 （ i）
越大,对应的权电阻值就越小 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换集成运算放大器,作为求和权电阻网络的缓冲,主要是减少输出模拟信号负载变化的影响,并将电流转换为电压输出 。
当 Di=1时,Si将相应的权电阻 Ri=2n-1-iR与基准电压 UR
接通,此时,由于运算放大器负输入端为虚地,该支路产生的电流为
i
n
R
in
R
i R
U
R
UI 2
22 11
当 Di=0时,由于 Si接地,Ii=0。 因此,对于 Di位所产生的电流应表示为
i
i
n
R
in
R
i DR
U
R
UI 2
22 11
第 10章 数 -模转换和模 -数转换运算放大器总的输入电流为
1
0
1
1
0
1
1
0
2222
n
i
i
in
R
n
i
i
in
R
n
i
i DR
UD
R
UII
运算放大器的输出电压为
1
0
1 22
n
i
i
in
Rf
f DR
URIRU
若 Rf=1/2R，代入上式后则得
1
0
1
0
1 2222
n
i
i
in
R
n
i
i
in
Rf DUD
R
URU
第 10章 数 -模转换和模 -数转换从上式可见,输出模拟电压 U的大小与输入二进制数的大小成正比,实现了数字量到模拟量的转换 。
当 D=Dn-1…D0=0时,U=0。
当 D=Dn-1… D0=11…1 时,最大输出电压
Rn
n
m UV 2
12
因而 U的变化范围是
Rn
n
U
2
12~0?
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
2,倒 T型电阻网络 D/A转换器图 10-3 R-2R倒 T型 DAC
第 10章 数 -模转换和模 -数转换从图 10-3中可以看出,由 UR向里看的等效电阻为 R,数码无论是 0 还是 1,开关 Si都相当于接地 。 因此,由 UR流出的总电流为 I=UR/R,而流入 2R支路的电流是依 2的倍速递减,
流入运算放大器的电流为
1
0
0
0
1
1
2
2
1
1
0112111
2
2
)2222(
2
2222
n
i
i
in
n
n
n
nn
nnnn
D
I
DDDD
I
I
D
I
D
I
D
I
DI
第 10章 数 -模转换和模 -数转换运算放大器的输出电压为
1
0
22
n
i
i
in
f
f D
IRRIU
若 Rf=R，并将 I=UR/R代入上式,则有
1
0
2
2
n
i
i
in
R DUU
可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.2.3 D/A转换器的主要技术指标
1.分辨率分辨率是指输入数字量最低有效位为 1 时,对应输出可分辨的电压变化量 ΔU与最大输出电压 Um之比,
12
1
n
mU
U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 。
而分辨率与输入数字量的位数有关,n越大,分辨率越高 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
2.
转换精度是实际输出值与理论计算值之差,这种差值,
由转换过程各种误差引起,主要指静态误差,它包括：
① 非线性误差 。 它是电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差产生的,常用满刻度的百分数来表示 。
② 比例系数误差 。 它是参考电压 UR的偏离而引起的误差,因 UR是比例系数,故称之为比例系数误差 。 当 ΔUR一定时,比例系数误差如图 10 - 4 中的虚线所示 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-4 比率系数误差第 10章 数 -模转换和模 -数转换
③ 漂移误差 。 它是由运算放大器零点漂移产生的误差 。 当输入数字量为 0 时,由于运算放大器的零点漂移,
输出模拟电压并不为 0。 这使输出电压特性与理想电压特性产生一个相对位移,如图 10-5 中的虚线所示 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-5 漂移误差第 10章 数 -模转换和模 -数转换
3.
从数字信号输入 DAC起,到输出电流 （ 或电压 ）
达到稳态值所需的时间为建立时间 。 建立时间的大小决定了转换速度 。 目前 10~12 D/A 转换器 （ 不包括运算放大器 ） 的建立时间可以在 1 微秒以内 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.2.4 八位集成 DAC0832
图 10-6 集成 DAC0832框图与引脚图第 10章 数 -模转换和模 -数转换它由一个八位输入寄存器,一个八位 DAC寄存器和一个八位 D/A转换器三大部分组成,D/A转换器采用了倒 T
型 R-2R电阻网络 。 由于 DAC0832有两个可以分别控制的数据寄存器,所以,在使用时有较大的灵活性,可根据需要接成不同的工作方式 。 DAC0832中无运算放大器,
且是电流输出,使用时须外接运算放大器 。 芯片中已设置了 Rfb,只要将 9 脚接到运算放大器的输出端即可 。 若运算放大器增益不够,还须外加反馈电阻 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换器件上各引脚的名称和功能如下：
ILE,输入锁存允许信号,输入高电平有效 。
CS,片选信号,输入低电平有效 。
WR1,输入数据选通信号,输入低电平有效 。
WR2,数据传送选通信号,输入低电平有效 。
XFER,数据传送选通信号,输入低电平有效 。
D7~D0,八位输入数据信号 。
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 +10 V范围内选择 。
Rfb,反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
IOUT1,DAC输出电流 1。 此输出信号一般作为运算放大器的一个差分输入信号 。 当 DAC寄存器中的各位为 1 时,
电流最大；为全 0 时,电流为 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）。 IOUT1和 IOUT2满足如下关系：
IOUT1+IOUT2=
UCC,电源输入端 （ 一般取 +5V ） 。
DGND,数字地 。
AGND,模拟地。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换从 DAC0832的内部控制逻辑分析可知,当 ILE,CS和
WR1同时有效时,LE1为高电平 。 在此期间,输入数据
D7~D0进入输入寄存器 。 当 WR2和 XFER同时有效时,
LE2为高电平 。 在此期间,输入寄存器的数据进入 DAC寄存器 。 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等三种工作方式。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-7 DAC0832的三种工作方式第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.3 A/D转换器 (ADC)
10.3.1 A/D
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 。
1,取样和保持取样 （ 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 。 其过程如图 10-8 所示 。 图中 Ui(t)为输入模拟信号,S(t)为采样脉冲,为取样后的输出信号 。)(' tU
o
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-8 取样过程第 10章 数 -模转换和模 -数转换在取样脉冲作用期 τ 内,取样开关接通,
使,在其它时间 （ TS-τ） 内,输出 =0。 因此,
每经过一个取样周期,对输入信号取样一次,在输出端便得到输入信号的一个取样值 。 为了不失真地恢复原来的输入信号,根据取样定理,一个频率有限的模拟信号,
其取样频率 fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率 fmax的两倍,即取样频率必须满足：
)()(' tUtU io?
m a x2 ff s?
第 10章 数 -模转换和模 -数转换模拟信号经采样后,得到一系列样值脉冲 。 采样脉冲宽度 τ一般是很短暂的,在下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 。 图 10-9（ a） 是一种常见的取样保持电路,场效应管 V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 。 在取样脉冲 S(t)到来的时间 τ内,场效应管 V导通,输入模拟量 Ui(t)向电容充电；假定充电时间常数远小于 τ,那么 C上的充电电压能及时跟上 Ui(t)的采样值 。 采样结束,V迅速截止,电容 C上的充电电压就保持了前一取样时间 τ的输入 Ui(t)的值,一直保持到下一个取样脉冲到来为止 。
当下一个取样脉冲到来,电容 C上的电压 再按输入 Ui(t)变化 。 在输入一连串取样脉冲序列后,取样保持电路的缓冲放大器输出电压 Uo（ t） 便得到如图 10-9（ b） 所示的波形 。
)(' tUo
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-9
(a) 取样保持电原理图； (b) 输出波形图第 10章 数 -模转换和模 -数转换
2,量化和编码输入的模拟电压经过取样保持后,得到的是阶梯波 。 由于阶梯的幅度是任意的,将会有无限个数值,因此该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量 。 另一方面,由于数字量的位数有限,只能表示有限个数值 (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 。 必须将取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 。 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间隔 S,位数越多,
量化等级越细,S就越小 。 取样保持后未量化的 Uo值与量化电平 Uq值通常是不相等的,其差值称为量化误差 δ,即 δ=Uo-Uq。
量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
1)
它是将取样保持信号 Uo不足一个 S的尾数舍去,取其原整数 。 如图 10-10（ a） 是采用了只舍不入法 。 区域
（ 3） 中 Uo=3.6V时将它归并到 Uq=3V的量化电平,因此,
编码后的输出为 011。 这种方法 δ总为正值,δmax≈S。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-10
(a) 只舍不入法； (b) 有舍有入法第 10章 数 -模转换和模 -数转换
2)
当 Uo的尾数＜ S/2时,用舍尾取整法得其量化值；当 Uo
的尾数 ≥S/2时,用舍尾入整法得其量化值 。 如图 10-10（ b）
采用了有舍有入法 。 区域 （ 3） 中 Uo=3.6 V,尾数 0.6
V≥S/2=0.5V,因此,归化到 Uq=4V,编码后为 100 。 区域 （ 5）
中 Uo=4.1V,尾数小于 0.5V,归化到 4V,编码后为 100。 这种方法 δ可为正,也可为负,但是 |δmax|=S/2。 可见,它要比第一种方法误差要小 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.3.2 A/D
ADC电路分成直接法和间接法两大类 。
直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较,
从而直接转换成数字量 。 其特点是工作速度高,转换精度容易保证,调准也比较方便 。
间接法是将取样后的模拟信号先转换成时间 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,一般在测试仪表中用的较多 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
1,计数斜波式 A/D转换器图 10-11 计数斜波式 ADC
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
2,逐次逼近式 A/D转换器图 10-12 逐次逼近式 ADC
第 10章 数 -模转换和模 -数转换这种转换器是将转换的模拟电压 Ui与一系列的基准电压比较 。 比较是从高位到低位逐位进行的,并依次确定各位数码是 1 还是 0。 转换开始前,先将逐位逼近寄存器 （ SAR）
清 0,开始转换后,控制逻辑将逐位逼近寄存器 （ SAR） 的最高位置 1,使其输出为 100…000,这个数码被 D/A转换器转换成相应的模拟电压 Uo,送至比较器与输入 Ui比较 。 若 Uo＞
Ui,说明寄存器输出的数码大了,应将最高位改为 0（ 去码 ）,同时设次高位为 1；若 Uo≤Ui,说明寄存器输出的数码还不够大,因此,需将最高位设置的 1 保留 （ 加码 ）,同时也设次高位为 1。 然后,再按同样的方法进行比较,确定次高位的 1是去掉还是保留 （ 即去码还是加码 ） 。 这样逐位比较下去,一直到最低位为止,比较完毕后,寄存器中的状态就是转化后的数字输出 。 例如,一个待转换的模拟电压
Ui=163mV,逐位逼近寄存器 （ SAR） 的数字量为八位 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换表 10-1 Ui=163mV的逐次比较过程第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-13 Ui=163mV逐次比较 Uo波形图第 10章 数 -模转换和模 -数转换
3,双积分型 A/D转换器双积分型 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 。 图 10-14是双积分型 ADC的原理框图,它由积分器,零值比较器,时钟控制门 G和计数器 （ 计数定时电路 ） 等部分构成 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-14 双积分 ADC原理框图第 10章 数 -模转换和模 -数转换积分器：由运算放大器和 RC积分网络组成,这是转换器的核心 。 它的输入端接开关 S,开关 S受触发器 Fn的控制,
当 Qn=0 时,S接输入电压 +Ui,积分器对输入信号电压 +Ui
（ 正极性 ） 积分 （ 正向积分 ） ；当 Qn=1 时,S接基准电压 -
UR（ 负极性 ）,积分器对基准电压 -UR积分 （ 负向积分 ） 。
因此,积分器在一次转换过程中进行两次方向相反的积分 。
积分器输出 Uo接零值比较器 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换零值比较器：当积分器输出 Uo≤0时,比较器输出
UC=1；当积分器输出 Uo>0时,比较器输出 UC=0。 零值比较器输出 UC作为控制门 G的门控信号 。
时钟控制门 G：时钟控制门 G有两个输入端,一个接标准时钟脉冲源 CP,另一个接零值比较器输出 UC。 当零值比较器输出 UC=1 时,G门开,标准时钟脉冲通过 G门加到计数器；当零值比较器输出 UC=0时,G门关,标准时钟脉冲不能通过 G门加到计数器,计数器停止计数 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换计数器 （ 计数定时电路 ）,它由 n+1个触发器构成,触发器 Fn-1…F1F0构成 n位二进制计数器,触发器 Fn实现对 S的控制 。 计数定时电路在启动脉冲的作用下,全部触发器被置 0，
触发器 Fn输出 Qn=0,使开关 S接输入电压 +Ui,同时 n位二进制计数器开始计数 （ 设电容 C上初始值为 0,并开始正向积分,
则此时 Uo≤0,比较器输出 UC=1,G门开 ） 。 当计数器计入 2n
个脉冲后,触发器 Fn-1…F1F0状态由 11…111回到 00…000,Fn-
1(Qn-1)触发 Fn,使 Qn=1,发出定时控制信号,使开关转接至 -
UR,触发器 Fn-1…F1F0再从 00…000开始计数,并开始负向积分,
Uo逐步上升 。 当积分器输出 Uo＞ 0时,零值比较器输出 UC=0，
G门关,计数器停止计数,完成一个转换周期,把与输入模拟信号 +Ui平均值成正比的时间间隔转换为数字量 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图
10-
15
双积分ADC
工作波形第 10章 数 -模转换和模 -数转换
① 取样阶段 。 在启动脉冲作用下,将全部触发器置 0，
由于触发器 Fn输出 Qn=0,使开关 S接输入电压 +Ui,A/D转换开始,+Ui加到积分器的输入端后,积分器对 +Ui进行正向积分 。 由于此时 Uo≤0,比较器输出 UC=1,G门开,n位二进制计数器开始计数,一直到 t=T1=2nTCP（ TCP为时钟周期 ） 时,触发器 Fn-1…F1F0状态回到 00…000,而触发器 Fn由 0 翻转为 1，
由于 Qn=1,使开关转接至 -UR,至此,取样阶段结束,
dtUtU t io )(1)(
0?
其中 τ=RC为积分时间常数。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换当 +Ui为正极性不变常量时,Uo（ T1） 值为
i
CP
n
io U
TUTTU
2)( 1
1
② 比较阶段 。 开关转至 -UR后,积分器对基准电压进行负向积分,积分器输出为
)(
2
)(
1
)()(
1
1
1
Tt
U
U
T
dtUTUtU
R
i
CP
n
t
T
Roo
第 10章 数 -模转换和模 -数转换当 Uo＞ 0 时,零值比较器输出 UC=0,G门关,计数器停止计数,完成一个转换周期 。 假设此时计数器已记录了 α个脉冲,
R
in
R
CP
i
CP
n
R
i
CP
n
R
i
CP
n
CP
U
U
V
U
T
U
T
T
U
U
T
Tt
U
U
T
TTU
TTtT
2
0
2
)(
2
)(
2
)(
2
121
12
可求得第 10章 数 -模转换和模 -数转换由上式可见,计数器记录的脉冲数 α与输入电压 +Ui成正比,
计数器记录 α个脉冲后的状态就表示了 +Ui的数字量的二进制代码,实现了 A/D转换 。
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 RC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期 （ T1+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 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
4,并联比较型 A/D转换器并联比较型 A/D转换器的电原理图如图 10-16所示 。 它由电压比较器,寄存器和编码器三部分构成 。
电压比较器：电压比较器由电阻分压器和七个比较器构成 。 在电阻分压器中,量化电平依据有舍有入法进行划分,
电阻链把参考电压 UR分压,得到从 1/16UR到 13/16UR之间七个量化电平,量化单位为 Δ=(2/16)UR=(1/8)UR。 然后,把这七个量化电平分别接到七个电压比较器 C6~C0的负输入端,作为比较基准 。 同时,将模拟输入 UIN接到七个电压比较器的正输入端,与这七个量化电平进行比较 。 若 UIN大于比较器的参考电平,则比较器的输出 Ci=1,否则 Ci=0。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图
10-
16
并联比较型A/
D
转换器第 10章 数 -模转换和模 -数转换寄存器：由七个 D触发器构成 。 在时钟脉冲 CP的作用下,
将比较结果暂时寄存,以供编码用 。
编码器：由六个与非门构成 。 将比较器送来的七位二进制码转换成三位二进制代码 D2,D1,D0。 编码网络的逻辑关系为
01234560
1351
32
QQQQQQQD
QQQD
QD
第 10章 数 -模转换和模 -数转换表 10-2 并联型 A/D转换器的转换关系第 10章 数 -模转换和模 -数转换例如,假设模拟输入 UIN=3.8V,UR=8V。 当模拟输入
UIN=3.8V加到各级比较器时,由于
VUVU RR 5.4169,5.3167
因此,比较器的输出 C6~C0为 0001111。 在时钟脉冲作用下,比较器的输出存入寄存器,经编码网络输出 A/D转换结果,D2D1D0=100。 这也就是并联比较型 A/D转换器的工作过程 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换由上述分析可知,并联比较型 A/D转换器的转换速度很快,其转换速度实际上取决于器件的速度和时钟脉冲的宽度 。 但电路复杂,对于一个 n位二进制输出的并联比较型 A/D转换器,需 ２ 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 。 其转换精度将受分压网络和电压比较器灵敏度的限制 。 因此,这种转换器适用于高速,精度较低的场合 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.3.3 A/D转换器的主要技术指标
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） 。 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
mVVV 44.20 9 64 1010122 1分辨率 =
FSRn21
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
2.
转换速度是指完成一次转换所需的时间,转换时间是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
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,转换速度在几十微秒；并联型 A/D转换器的转换速度最快,仅需几十纳秒时间 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
3,相对精度在理想情况下,输入模拟信号所有转换点应当在一条直线上,但实际的特性不能做到输入模拟信号所有转换点在一条直线上 。 相对精度是指实际的转换点偏离理想特性的误差,一般用最低有效位来表示 。 例如,10 位二进制数输出的 A/D转换器 AD571,在室温 （ +25℃ ） 和标准电源电压 （ U+=+5V,U-=-15V） 的条件下,转换误差 ≤ 。
当使用环境发生变化时,转换误差也将发生变化,实际使用中应加以注意 。
LSB21?
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.3.4 八位集成 ADC0809
图 10-17 ADC0809
(a) 电原理框图； (b) 引脚图第 10章 数 -模转换和模 -数转换
1.
ADC0809通过 IN0~IN7可输入八路单端模拟电压 。 ALE
将三位地址线 ADDC,ADDB和 ADDA进行锁存,然后由译码电路选通八路模拟输入中的某一路进行 A/D转换,地址译码与选通输入的关系如表 10-3所示 。
表 10-3 地址译码选通表通道号 01234567
地址
ADDC 00001111
ADDB 00110011
ADDA 01010101
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
2,八位 D/A转换器
ADC0809内部由树状开关和 256R电阻网络构成八位
D/A转换器,其输入为逐次近似寄存器 SAR的八位二进制数据,输出为 UST,变换器的参考电压为 UR(+)和 UR(-)。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
3,逐次近似寄存器 SAR和比较器在比较前,SAR为全 0,变换开始,先使 SAR的最高位为 1,其余仍为 0,此数字控制树状开关输出 UST,UST和模拟输入 UIN送比较器进行比较 。 若 UST＞ UIN,则比较器输出逻辑 0,SAR的最高位由 1 变为 0；若 UST≤UIN,则比较器输出逻辑 1SAR的最高位保持 1。 此后,SAR的次高位置 1,其余较低位仍为 0,而以前比较过的高位保持原来值 。 再将 UST和 UIN进行比较 。 此后的过程与上述类似,
直到最低位比较完为止 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
4.
转换结束后,SAR的数字送三态输出锁存器，以供读出。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
5.
IN0~IN7：模拟输入 。
UR(+)和 UR(-)：基准电压的正端和负端,由此施加基准电压,基准电压的中心点应在 UCC/2附近,其偏差不应超过
± 0.1V。
ADDC,ADDB,ADDA,模拟输入端选通地址输入 。
ALE,地址锁存允许信号输入,高有效 。
D7~D0：数码输出 。
OE：输出允许信号,高有效 。 即当 OE=1时,打开输出锁存器的三态门,将数据送出 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
CLK,时钟脉冲输入端 。 一般在此端加 500kHz的时钟信号 。
START：启动信号 。 为了启动 A/D转换过程,应在此引脚加一个正脉冲,脉冲的上升沿将内部寄存器全部清 0，
在其下降沿开始 A/D转换过程 。
EOC：转换结束输出信号 。 在 START信号上升沿之后
1~8 个时钟周期内,EOC信号变为低电平 。 当转换结束后,
转换后数据可以读出时,EOC变为高电平 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
6,主要技术指标分辨率,八位。
转换时间,100μs 。
功耗,15mW
电源,5V 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
7,工作时序图 10-18 ADC0809工作时序图
10.1 概述
10.2 D/A转换器 (DAC)
10.3 A/D转换器 (ADC)
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.1 概为了能用数字技术来处理模拟信号,必须把模拟信号转换成数字信号,才能送入数字系统进行处理 。 同时,往往还需把处理后的数字信号转换成模拟信号,作为最后的输出 。
我们把前一种从模拟信号到数字信号的转换称为模 —数转换,
A/D（ Analog to Digital） 转换,把后一种从数字信号到模拟信号的转换称为 D/A（ Digital to Analog） 转换 。 同时,把实现 A/D转换的电路称为 A/D转换器 （ Analog Digital
Converter ） ；把实现 D/A 转换的电路称为 D/A 转换器
（ Digital Analog Converter） 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换在目前常见的 D/A转换器中,有权电阻网络 D/A转换器,倒梯形电阻网络 D/A转换器等 。 A/D转换器的类型也有多种,可以分为直接 A/D转换器和间接 A/D转换器两大类 。 在直接 A/D转换器中,输入的模拟信号直接被转换成相应的数字信号；而在间接 A/D转换器中,输入的模拟信号先被转换成某种中间变量 （ 如时间,频率等 ）,然后再将中间变量转换为最后的数字量 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.2 D/A转换器（ DAC）
10.2.1 D/A
D/A转换器是将输入的二进制数字信号转换成模拟信号,
以电压或电流的形式输出 。 因此,D/A转换器可以看作是一个译码器 。 一般常用的线性 D/A转换器,其输出模拟电压 U
和输入数字量 D之间成正比关系,即 U=KD,式中 K为常数 。
D/A转换器的一般结构如图 10-1所示,图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号 。 n位寄存器的并行输出分别控制 n个模拟开关的工作状态 。 通过模拟开关,将参考电压按权关系加到电阻解码网络 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-1 DAC方框图第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.2.2 D/A转换器的主要电路形式
1,权电阻网络 D/A转换器图 10-2 权电阻 DAC
第 10章 数 -模转换和模 -数转换开关 Si的位置受数据锁存器输出的数码 Di控制,当 Di=1
时,Si将电阻网络中相应的电阻 Ri和基准电压 UR接通；当
Di=0时,Si将电阻 Ri接地 。
权电阻网络由 n个电阻 （ 20R~2n-1R） 组成,电阻值的选择应使流过各电阻支路的电流 Ii和对应 Di位的权值成正比 。
例如,数码最高位 Dn-1,其权值为 2n-1,驱动开关 Sn-1,连接的电阻 Rn-1=2n-1-(n-1)=20R； 最低位 D0,驱动开关 S0,连接的权电阻为 R0=2n-1-(0)R=2n-1R。 因此,对于任意位 Di,其权值为 2i,驱动开关 Si,连接的权电阻值为 Ri=2n-1-iR,即位权 （ i）
越大,对应的权电阻值就越小 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换集成运算放大器,作为求和权电阻网络的缓冲,主要是减少输出模拟信号负载变化的影响,并将电流转换为电压输出 。
当 Di=1时,Si将相应的权电阻 Ri=2n-1-iR与基准电压 UR
接通,此时,由于运算放大器负输入端为虚地,该支路产生的电流为
i
n
R
in
R
i R
U
R
UI 2
22 11
当 Di=0时,由于 Si接地,Ii=0。 因此,对于 Di位所产生的电流应表示为
i
i
n
R
in
R
i DR
U
R
UI 2
22 11
第 10章 数 -模转换和模 -数转换运算放大器总的输入电流为
1
0
1
1
0
1
1
0
2222
n
i
i
in
R
n
i
i
in
R
n
i
i DR
UD
R
UII
运算放大器的输出电压为
1
0
1 22
n
i
i
in
Rf
f DR
URIRU
若 Rf=1/2R，代入上式后则得
1
0
1
0
1 2222
n
i
i
in
R
n
i
i
in
Rf DUD
R
URU
第 10章 数 -模转换和模 -数转换从上式可见,输出模拟电压 U的大小与输入二进制数的大小成正比,实现了数字量到模拟量的转换 。
当 D=Dn-1…D0=0时,U=0。
当 D=Dn-1… D0=11…1 时,最大输出电压
Rn
n
m UV 2
12
因而 U的变化范围是
Rn
n
U
2
12~0?
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
2,倒 T型电阻网络 D/A转换器图 10-3 R-2R倒 T型 DAC
第 10章 数 -模转换和模 -数转换从图 10-3中可以看出,由 UR向里看的等效电阻为 R,数码无论是 0 还是 1,开关 Si都相当于接地 。 因此,由 UR流出的总电流为 I=UR/R,而流入 2R支路的电流是依 2的倍速递减,
流入运算放大器的电流为
1
0
0
0
1
1
2
2
1
1
0112111
2
2
)2222(
2
2222
n
i
i
in
n
n
n
nn
nnnn
D
I
DDDD
I
I
D
I
D
I
D
I
DI
第 10章 数 -模转换和模 -数转换运算放大器的输出电压为
1
0
22
n
i
i
in
f
f D
IRRIU
若 Rf=R，并将 I=UR/R代入上式,则有
1
0
2
2
n
i
i
in
R DUU
可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.2.3 D/A转换器的主要技术指标
1.分辨率分辨率是指输入数字量最低有效位为 1 时,对应输出可分辨的电压变化量 ΔU与最大输出电压 Um之比,
12
1
n
mU
U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 。
而分辨率与输入数字量的位数有关,n越大,分辨率越高 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
2.
转换精度是实际输出值与理论计算值之差,这种差值,
由转换过程各种误差引起,主要指静态误差,它包括：
① 非线性误差 。 它是电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差产生的,常用满刻度的百分数来表示 。
② 比例系数误差 。 它是参考电压 UR的偏离而引起的误差,因 UR是比例系数,故称之为比例系数误差 。 当 ΔUR一定时,比例系数误差如图 10 - 4 中的虚线所示 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-4 比率系数误差第 10章 数 -模转换和模 -数转换
③ 漂移误差 。 它是由运算放大器零点漂移产生的误差 。 当输入数字量为 0 时,由于运算放大器的零点漂移,
输出模拟电压并不为 0。 这使输出电压特性与理想电压特性产生一个相对位移,如图 10-5 中的虚线所示 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-5 漂移误差第 10章 数 -模转换和模 -数转换
3.
从数字信号输入 DAC起,到输出电流 （ 或电压 ）
达到稳态值所需的时间为建立时间 。 建立时间的大小决定了转换速度 。 目前 10~12 D/A 转换器 （ 不包括运算放大器 ） 的建立时间可以在 1 微秒以内 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.2.4 八位集成 DAC0832
图 10-6 集成 DAC0832框图与引脚图第 10章 数 -模转换和模 -数转换它由一个八位输入寄存器,一个八位 DAC寄存器和一个八位 D/A转换器三大部分组成,D/A转换器采用了倒 T
型 R-2R电阻网络 。 由于 DAC0832有两个可以分别控制的数据寄存器,所以,在使用时有较大的灵活性,可根据需要接成不同的工作方式 。 DAC0832中无运算放大器,
且是电流输出,使用时须外接运算放大器 。 芯片中已设置了 Rfb,只要将 9 脚接到运算放大器的输出端即可 。 若运算放大器增益不够,还须外加反馈电阻 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换器件上各引脚的名称和功能如下：
ILE,输入锁存允许信号,输入高电平有效 。
CS,片选信号,输入低电平有效 。
WR1,输入数据选通信号,输入低电平有效 。
WR2,数据传送选通信号,输入低电平有效 。
XFER,数据传送选通信号,输入低电平有效 。
D7~D0,八位输入数据信号 。
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 +10 V范围内选择 。
Rfb,反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
IOUT1,DAC输出电流 1。 此输出信号一般作为运算放大器的一个差分输入信号 。 当 DAC寄存器中的各位为 1 时,
电流最大；为全 0 时,电流为 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）。 IOUT1和 IOUT2满足如下关系：
IOUT1+IOUT2=
UCC,电源输入端 （ 一般取 +5V ） 。
DGND,数字地 。
AGND,模拟地。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换从 DAC0832的内部控制逻辑分析可知,当 ILE,CS和
WR1同时有效时,LE1为高电平 。 在此期间,输入数据
D7~D0进入输入寄存器 。 当 WR2和 XFER同时有效时,
LE2为高电平 。 在此期间,输入寄存器的数据进入 DAC寄存器 。 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等三种工作方式。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-7 DAC0832的三种工作方式第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.3 A/D转换器 (ADC)
10.3.1 A/D
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 。
1,取样和保持取样 （ 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 。 其过程如图 10-8 所示 。 图中 Ui(t)为输入模拟信号,S(t)为采样脉冲,为取样后的输出信号 。)(' tU
o
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-8 取样过程第 10章 数 -模转换和模 -数转换在取样脉冲作用期 τ 内,取样开关接通,
使,在其它时间 （ TS-τ） 内,输出 =0。 因此,
每经过一个取样周期,对输入信号取样一次,在输出端便得到输入信号的一个取样值 。 为了不失真地恢复原来的输入信号,根据取样定理,一个频率有限的模拟信号,
其取样频率 fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率 fmax的两倍,即取样频率必须满足：
)()(' tUtU io?
m a x2 ff s?
第 10章 数 -模转换和模 -数转换模拟信号经采样后,得到一系列样值脉冲 。 采样脉冲宽度 τ一般是很短暂的,在下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 。 图 10-9（ a） 是一种常见的取样保持电路,场效应管 V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 。 在取样脉冲 S(t)到来的时间 τ内,场效应管 V导通,输入模拟量 Ui(t)向电容充电；假定充电时间常数远小于 τ,那么 C上的充电电压能及时跟上 Ui(t)的采样值 。 采样结束,V迅速截止,电容 C上的充电电压就保持了前一取样时间 τ的输入 Ui(t)的值,一直保持到下一个取样脉冲到来为止 。
当下一个取样脉冲到来,电容 C上的电压 再按输入 Ui(t)变化 。 在输入一连串取样脉冲序列后,取样保持电路的缓冲放大器输出电压 Uo（ t） 便得到如图 10-9（ b） 所示的波形 。
)(' tUo
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-9
(a) 取样保持电原理图； (b) 输出波形图第 10章 数 -模转换和模 -数转换
2,量化和编码输入的模拟电压经过取样保持后,得到的是阶梯波 。 由于阶梯的幅度是任意的,将会有无限个数值,因此该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量 。 另一方面,由于数字量的位数有限,只能表示有限个数值 (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 。 必须将取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 。 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间隔 S,位数越多,
量化等级越细,S就越小 。 取样保持后未量化的 Uo值与量化电平 Uq值通常是不相等的,其差值称为量化误差 δ,即 δ=Uo-Uq。
量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
1)
它是将取样保持信号 Uo不足一个 S的尾数舍去,取其原整数 。 如图 10-10（ a） 是采用了只舍不入法 。 区域
（ 3） 中 Uo=3.6V时将它归并到 Uq=3V的量化电平,因此,
编码后的输出为 011。 这种方法 δ总为正值,δmax≈S。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-10
(a) 只舍不入法； (b) 有舍有入法第 10章 数 -模转换和模 -数转换
2)
当 Uo的尾数＜ S/2时,用舍尾取整法得其量化值；当 Uo
的尾数 ≥S/2时,用舍尾入整法得其量化值 。 如图 10-10（ b）
采用了有舍有入法 。 区域 （ 3） 中 Uo=3.6 V,尾数 0.6
V≥S/2=0.5V,因此,归化到 Uq=4V,编码后为 100 。 区域 （ 5）
中 Uo=4.1V,尾数小于 0.5V,归化到 4V,编码后为 100。 这种方法 δ可为正,也可为负,但是 |δmax|=S/2。 可见,它要比第一种方法误差要小 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
10.3.2 A/D
ADC电路分成直接法和间接法两大类 。
直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较,
从而直接转换成数字量 。 其特点是工作速度高,转换精度容易保证,调准也比较方便 。
间接法是将取样后的模拟信号先转换成时间 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,一般在测试仪表中用的较多 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
1,计数斜波式 A/D转换器图 10-11 计数斜波式 ADC
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
2,逐次逼近式 A/D转换器图 10-12 逐次逼近式 ADC
第 10章 数 -模转换和模 -数转换这种转换器是将转换的模拟电压 Ui与一系列的基准电压比较 。 比较是从高位到低位逐位进行的,并依次确定各位数码是 1 还是 0。 转换开始前,先将逐位逼近寄存器 （ SAR）
清 0,开始转换后,控制逻辑将逐位逼近寄存器 （ SAR） 的最高位置 1,使其输出为 100…000,这个数码被 D/A转换器转换成相应的模拟电压 Uo,送至比较器与输入 Ui比较 。 若 Uo＞
Ui,说明寄存器输出的数码大了,应将最高位改为 0（ 去码 ）,同时设次高位为 1；若 Uo≤Ui,说明寄存器输出的数码还不够大,因此,需将最高位设置的 1 保留 （ 加码 ）,同时也设次高位为 1。 然后,再按同样的方法进行比较,确定次高位的 1是去掉还是保留 （ 即去码还是加码 ） 。 这样逐位比较下去,一直到最低位为止,比较完毕后,寄存器中的状态就是转化后的数字输出 。 例如,一个待转换的模拟电压
Ui=163mV,逐位逼近寄存器 （ SAR） 的数字量为八位 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换表 10-1 Ui=163mV的逐次比较过程第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-13 Ui=163mV逐次比较 Uo波形图第 10章 数 -模转换和模 -数转换
3,双积分型 A/D转换器双积分型 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 。 图 10-14是双积分型 ADC的原理框图,它由积分器,零值比较器,时钟控制门 G和计数器 （ 计数定时电路 ） 等部分构成 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图 10-14 双积分 ADC原理框图第 10章 数 -模转换和模 -数转换积分器：由运算放大器和 RC积分网络组成,这是转换器的核心 。 它的输入端接开关 S,开关 S受触发器 Fn的控制,
当 Qn=0 时,S接输入电压 +Ui,积分器对输入信号电压 +Ui
（ 正极性 ） 积分 （ 正向积分 ） ；当 Qn=1 时,S接基准电压 -
UR（ 负极性 ）,积分器对基准电压 -UR积分 （ 负向积分 ） 。
因此,积分器在一次转换过程中进行两次方向相反的积分 。
积分器输出 Uo接零值比较器 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换零值比较器：当积分器输出 Uo≤0时,比较器输出
UC=1；当积分器输出 Uo>0时,比较器输出 UC=0。 零值比较器输出 UC作为控制门 G的门控信号 。
时钟控制门 G：时钟控制门 G有两个输入端,一个接标准时钟脉冲源 CP,另一个接零值比较器输出 UC。 当零值比较器输出 UC=1 时,G门开,标准时钟脉冲通过 G门加到计数器；当零值比较器输出 UC=0时,G门关,标准时钟脉冲不能通过 G门加到计数器,计数器停止计数 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换计数器 （ 计数定时电路 ）,它由 n+1个触发器构成,触发器 Fn-1…F1F0构成 n位二进制计数器,触发器 Fn实现对 S的控制 。 计数定时电路在启动脉冲的作用下,全部触发器被置 0，
触发器 Fn输出 Qn=0,使开关 S接输入电压 +Ui,同时 n位二进制计数器开始计数 （ 设电容 C上初始值为 0,并开始正向积分,
则此时 Uo≤0,比较器输出 UC=1,G门开 ） 。 当计数器计入 2n
个脉冲后,触发器 Fn-1…F1F0状态由 11…111回到 00…000,Fn-
1(Qn-1)触发 Fn,使 Qn=1,发出定时控制信号,使开关转接至 -
UR,触发器 Fn-1…F1F0再从 00…000开始计数,并开始负向积分,
Uo逐步上升 。 当积分器输出 Uo＞ 0时,零值比较器输出 UC=0，
G门关,计数器停止计数,完成一个转换周期,把与输入模拟信号 +Ui平均值成正比的时间间隔转换为数字量 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图
10-
15
双积分ADC
工作波形第 10章 数 -模转换和模 -数转换
① 取样阶段 。 在启动脉冲作用下,将全部触发器置 0，
由于触发器 Fn输出 Qn=0,使开关 S接输入电压 +Ui,A/D转换开始,+Ui加到积分器的输入端后,积分器对 +Ui进行正向积分 。 由于此时 Uo≤0,比较器输出 UC=1,G门开,n位二进制计数器开始计数,一直到 t=T1=2nTCP（ TCP为时钟周期 ） 时,触发器 Fn-1…F1F0状态回到 00…000,而触发器 Fn由 0 翻转为 1，
由于 Qn=1,使开关转接至 -UR,至此,取样阶段结束,
dtUtU t io )(1)(
0?
其中 τ=RC为积分时间常数。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换当 +Ui为正极性不变常量时,Uo（ T1） 值为
i
CP
n
io U
TUTTU
2)( 1
1
② 比较阶段 。 开关转至 -UR后,积分器对基准电压进行负向积分,积分器输出为
)(
2
)(
1
)()(
1
1
1
Tt
U
U
T
dtUTUtU
R
i
CP
n
t
T
Roo
第 10章 数 -模转换和模 -数转换当 Uo＞ 0 时,零值比较器输出 UC=0,G门关,计数器停止计数,完成一个转换周期 。 假设此时计数器已记录了 α个脉冲,
R
in
R
CP
i
CP
n
R
i
CP
n
R
i
CP
n
CP
U
U
V
U
T
U
T
T
U
U
T
Tt
U
U
T
TTU
TTtT
2
0
2
)(
2
)(
2
)(
2
121
12
可求得第 10章 数 -模转换和模 -数转换由上式可见,计数器记录的脉冲数 α与输入电压 +Ui成正比,
计数器记录 α个脉冲后的状态就表示了 +Ui的数字量的二进制代码,实现了 A/D转换 。
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 RC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期 （ T1+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 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换
4,并联比较型 A/D转换器并联比较型 A/D转换器的电原理图如图 10-16所示 。 它由电压比较器,寄存器和编码器三部分构成 。
电压比较器：电压比较器由电阻分压器和七个比较器构成 。 在电阻分压器中,量化电平依据有舍有入法进行划分,
电阻链把参考电压 UR分压,得到从 1/16UR到 13/16UR之间七个量化电平,量化单位为 Δ=(2/16)UR=(1/8)UR。 然后,把这七个量化电平分别接到七个电压比较器 C6~C0的负输入端,作为比较基准 。 同时,将模拟输入 UIN接到七个电压比较器的正输入端,与这七个量化电平进行比较 。 若 UIN大于比较器的参考电平,则比较器的输出 Ci=1,否则 Ci=0。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换图
10-
16
并联比较型A/
D
转换器第 10章 数 -模转换和模 -数转换寄存器：由七个 D触发器构成 。 在时钟脉冲 CP的作用下,
将比较结果暂时寄存,以供编码用 。
编码器：由六个与非门构成 。 将比较器送来的七位二进制码转换成三位二进制代码 D2,D1,D0。 编码网络的逻辑关系为
01234560
1351
32
QQQQQQQD
QQQD
QD
第 10章 数 -模转换和模 -数转换表 10-2 并联型 A/D转换器的转换关系第 10章 数 -模转换和模 -数转换例如,假设模拟输入 UIN=3.8V,UR=8V。 当模拟输入
UIN=3.8V加到各级比较器时,由于
VUVU RR 5.4169,5.3167
因此,比较器的输出 C6~C0为 0001111。 在时钟脉冲作用下,比较器的输出存入寄存器,经编码网络输出 A/D转换结果,D2D1D0=100。 这也就是并联比较型 A/D转换器的工作过程 。
第 10章 数 -模转换和模 -数转换由上述分析可知,并联比较型 A/D转换器的转换速度很快,其转换速度实际上取决于器件的速度和时钟脉冲的宽度 。 但电路复杂,对于一个 n位二进制输出的并联比较型 A/D转换器,需 ２ 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 。 其转换精度将受分压网络和电压比较器灵敏度的限制 。 因此,这种转换器适用于高速,精度较低的场合 。
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10.3.3 A/D转换器的主要技术指标
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） 。 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
mVVV 44.20 9 64 1010122 1分辨率 =
FSRn21
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2.
转换速度是指完成一次转换所需的时间,转换时间是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
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,转换速度在几十微秒；并联型 A/D转换器的转换速度最快,仅需几十纳秒时间 。
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3,相对精度在理想情况下,输入模拟信号所有转换点应当在一条直线上,但实际的特性不能做到输入模拟信号所有转换点在一条直线上 。 相对精度是指实际的转换点偏离理想特性的误差,一般用最低有效位来表示 。 例如,10 位二进制数输出的 A/D转换器 AD571,在室温 （ +25℃ ） 和标准电源电压 （ U+=+5V,U-=-15V） 的条件下,转换误差 ≤ 。
当使用环境发生变化时,转换误差也将发生变化,实际使用中应加以注意 。
LSB21?
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10.3.4 八位集成 ADC0809
图 10-17 ADC0809
(a) 电原理框图； (b) 引脚图第 10章 数 -模转换和模 -数转换
1.
ADC0809通过 IN0~IN7可输入八路单端模拟电压 。 ALE
将三位地址线 ADDC,ADDB和 ADDA进行锁存,然后由译码电路选通八路模拟输入中的某一路进行 A/D转换,地址译码与选通输入的关系如表 10-3所示 。
表 10-3 地址译码选通表通道号 01234567
地址
ADDC 00001111
ADDB 00110011
ADDA 01010101
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2,八位 D/A转换器
ADC0809内部由树状开关和 256R电阻网络构成八位
D/A转换器,其输入为逐次近似寄存器 SAR的八位二进制数据,输出为 UST,变换器的参考电压为 UR(+)和 UR(-)。
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3,逐次近似寄存器 SAR和比较器在比较前,SAR为全 0,变换开始,先使 SAR的最高位为 1,其余仍为 0,此数字控制树状开关输出 UST,UST和模拟输入 UIN送比较器进行比较 。 若 UST＞ UIN,则比较器输出逻辑 0,SAR的最高位由 1 变为 0；若 UST≤UIN,则比较器输出逻辑 1SAR的最高位保持 1。 此后,SAR的次高位置 1,其余较低位仍为 0,而以前比较过的高位保持原来值 。 再将 UST和 UIN进行比较 。 此后的过程与上述类似,
直到最低位比较完为止 。
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4.
转换结束后,SAR的数字送三态输出锁存器，以供读出。
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5.
IN0~IN7：模拟输入 。
UR(+)和 UR(-)：基准电压的正端和负端,由此施加基准电压,基准电压的中心点应在 UCC/2附近,其偏差不应超过
± 0.1V。
ADDC,ADDB,ADDA,模拟输入端选通地址输入 。
ALE,地址锁存允许信号输入,高有效 。
D7~D0：数码输出 。
OE：输出允许信号,高有效 。 即当 OE=1时,打开输出锁存器的三态门,将数据送出 。
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CLK,时钟脉冲输入端 。 一般在此端加 500kHz的时钟信号 。
START：启动信号 。 为了启动 A/D转换过程,应在此引脚加一个正脉冲,脉冲的上升沿将内部寄存器全部清 0，
在其下降沿开始 A/D转换过程 。
EOC：转换结束输出信号 。 在 START信号上升沿之后
1~8 个时钟周期内,EOC信号变为低电平 。 当转换结束后,
转换后数据可以读出时,EOC变为高电平 。
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6,主要技术指标分辨率,八位。
转换时间,100μs 。
功耗,15mW
电源,5V 。
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7,工作时序图 10-18 ADC0809工作时序图
