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数模模数转换 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 第九章第九章 数数/模转换和模模转换和模/数转换数转换随着电子计算机高速发展，电子计算机已随着电子计算机高速发展，电子计算机已在国民经济各个部门和国防上获得越来越广泛的在国民经济各个部门和国防上获得越来越广泛的应用，现已进入千家万户。而数应用，现已进入千家万户。而数/模与模模与模/数转换数转换器是数字电子计算机和各用户之间不可缺少的接器是数字电子计算机和各用户之间不可缺少的接口部件。口部件。例如语音、图象、压力、流量、速度、温例如语音、图象、压力、流量、速度、温度、振幅等都是通过适当的转换器或传感器变换度、振幅等都是通过适当的转换器或传感器变换成模拟电信号，如果要将这些模拟电信号送给计成模拟电信号，如果要将这些模拟电信号送给计算机进行处理，必须将这些模拟信号转换成数字算机进行处理，必须将这些模拟信号转换成数字信号。模信号。模/数转换器就是将这些模拟信号转换成数转换器就是将这些模拟信号转换成数字信号的器件。经过数字计算机分析处理后的数字信号的器件。经过数字计算机分析处理后的结果，输出的是数字信号，必须将这些数字信号结果，输出的是数字信号，必须将这些数字信号转换成模拟信号，才能送去控制执行元件或者被转换成模拟信号，才能送去控制执行元件或者被人的感官所接受。数人的感官所接受。数/模转换器就是将数字信号模转换器就是将数字信号转换成模拟信号的器件。转换成模拟信号的器件。本章主要介绍本章主要介绍A/D、D/A变换的基本工作原变换的基本工作原理。理。9.1 9.1 转换系统转换系统常见的数常见的数/模和模模和模/数转换系统有以下几种。数转换系统有以下几种。一、数字控制系统一、数字控制系统以数控为例：首先对被加工件进行摄影、以数控为例：首先对被加工件进行摄影、测绘，这个过程可以说由传感器完成，然后进行测绘，这个过程可以说由传感器完成，然后进行量化，将具体的尺寸、形状、加工顺序量化，将具体的尺寸、形状、加工顺序，均由，均由数码表示，这个过程叫数码表示，这个过程叫A/DA/D转换成数字信息。第转换成数字信息。第三步，将加工顺序编写成计算机可以识别的程三步，将加工顺序编写成计算机可以识别的程序。例如进刀、退刀；前进、后退、左进、后序。例如进刀、退刀；前进、后退、左进、后退，用计算机进行分析处理。第四步，因执行控退，用计算机进行分析处理。第四步，因执行控制器一般只认模拟量，例如，左转还是右转，它制器一般只认模拟量，例如，左转还是右转，它主要取决于电感的极性主要取决于电感的极性(正电感、还是负电感？正电感、还是负电感？)速度大小是由电感或电流大小决定，运动方向和速度大小是由电感或电流大小决定，运动方向和速度速度(例如是向前，还是退后，是向左进还是右例如是向前，还是退后，是向左进还是右退，进多少尺寸？退多少尺寸？退，进多少尺寸？退多少尺寸？)主要取决于执主要取决于执行电机的型号、规格、机械安装、机械传动等。行电机的型号、规格、机械安装、机械传动等。需要将数字量转为模拟量需要将数字量转为模拟量(即即D/A变换变换)。最后一。最后一步由执行机构去完成各种操作。将被加工件生产步由执行机构去完成各种操作。将被加工件生产出来。出来。二、数据传输系统二、数据传输系统目前在通信目前在通信(例如移动数字电话例如移动数字电话)、遥控、遥控、遥遥测、数据广播、数字电视等，需要进行远距离传测、数据广播、数字电视等，需要进行远距离传送，采用数字信号比模拟信号抗干扰性强、保密送，采用数字信号比模拟信号抗干扰性强、保密性强。其系统方框图如下：性强。其系统方框图如下：9.2 9.2 数模数模(D/A)(D/A)转换器转换器一、基本原理一、基本原理所谓所谓D/A（数模）转换器（数模）转换器就是将离散的数字就是将离散的数字量转换为连续变化模拟量的数模转换器，又称为量转换为连续变化模拟量的数模转换器，又称为D/A转换器或转换器或DAC。D/A转换器可以看作是一个转换器可以看作是一个译码器译码器，它是将，它是将输入的二进制数字信号器输入的二进制数字信号器(或称编码信号或称编码信号)转换转换(翻翻译译)成模拟信号，并以电压或电流形式输出。成模拟信号，并以电压或电流形式输出。图图9-3表示了表示了4位二进制代码的数字信号经位二进制代码的数字信号经过过D/A转换器后的输出模拟信号电压的对应关转换器后的输出模拟信号电压的对应关系。每一个二进制代码的编码数字信号，都可以系。每一个二进制代码的编码数字信号，都可以翻译成一个相对应的十进制数值。翻译成一个相对应的十进制数值。例如：例如：(1010)2(10)10 ，量化级到信息所，量化级到信息所能分解的最小量。能分解的最小量。图中为图中为 ，要减少量化误差，只要增，要减少量化误差，只要增加数字编码信号的位数。加数字编码信号的位数。图图9-3 D/A转换器输出特性转换器输出特性01511110000例如：输入二进制代码为千位数码，其输例如：输入二进制代码为千位数码，其输出电压可能的最小变化为等值输出的出电压可能的最小变化为等值输出的1/1024。下图为一个下图为一个n位位D/A转换器的方框图。转换器的方框图。数字位模拟开关电阻网络及求和放大器参考电流数字寄存器V0D0D1Dn-1数字输入二、二、D/A转换器电路转换器电路基本原理：用电阻网络将数字量的每一位基本原理：用电阻网络将数字量的每一位转换成相应的模拟信号，并相加求和。转换成相应的模拟信号，并相加求和。1.权电阻权电阻D/A转换器转换器权电阻权电阻D/A转换器电路如图所示。转换器电路如图所示。它由数字寄存器、模拟电子开关、电阻网它由数字寄存器、模拟电子开关、电阻网络、求和放大器和参考电流等几部分组成。络、求和放大器和参考电流等几部分组成。寄存器：寄存器：在寄存器指令作用下，将输入数字量定时在寄存器指令作用下，将输入数字量定时地存入数字寄存器中，一直存放到下一个指令到地存入数字寄存器中，一直存放到下一个指令到来时为止。寄存器的输出量来时为止。寄存器的输出量Dn-1 D0用来控用来控制模拟电子开关制模拟电子开关Sn-1S0的状态。的状态。模拟电子开关：模拟电子开关：它受寄存器输出它受寄存器输出D控制，每一个位控制，每一个位Di控制相控制相应的一个模拟开关应的一个模拟开关Si。当当Di=1时，时，Si与参考电压与参考电压VREF与电阻网络与电阻网络中相应的电阻中相应的电阻Ri接通接通；当当Di=0时，时，Si将将Ri接地接地。权电阻译码网络：权电阻译码网络：对于对于n位二进制代码，权电阻译码网络由位二进制代码，权电阻译码网络由n个电阻组成个电阻组成(R0Rn-1)。网络中各支路的电阻值。网络中各支路的电阻值R0Rn-1，接二进制位权大小或比例减少。对于，接二进制位权大小或比例减少。对于Di对应的电阻支路对应的电阻支路ki=2n-1-ik。显然，当显然，当i=0，D0k0=2n-1k。当当i=n-1时，时，Dn-1 Rn-1=2n-1-(n-1)k=20k也就是说，二进制代码的也就是说，二进制代码的位权值越大位权值越大，对，对应的应的权电阻就越小权电阻就越小。运算放大器：运算放大器：它是作为求和权电阻网络的缓冲器，使输它是作为求和权电阻网络的缓冲器，使输出模拟电压出模拟电压v0受负载变化的影响，而且可以改受负载变化的影响，而且可以改变变Rf的大小来调节转换系数。的大小来调节转换系数。下面定量分析一下输出下面定量分析一下输出v0与输入数字信号与输入数字信号D之间的关系。之间的关系。当当Di=1时，对应的时，对应的Ri支路与参考电位支路与参考电位VBEF接通，则该支路电流为：接通，则该支路电流为：当当Di=0时，开关时，开关Si接地，则接地，则Ii=0。因此，对于因此，对于Di位产生的电流，写成通式位产生的电流，写成通式为：为：根据叠加原理，总的输出电流为：根据叠加原理，总的输出电流为：通过运放，输出电压通过运放，输出电压v0为：为：例例9-1：有一个：有一个4位位D/A转换器，输入转换器，输入4位二位二进制码进制码D3D2D1D0=1101，基准电位，基准电位VREF=8V，转换比例系数为转换比例系数为1，即，即2Rf/R=1。求输出。求输出v0。解：解：由于权电阻解码网络中电阻值的范围由于权电阻解码网络中电阻值的范围(R2n-1R)的范的范围很很宽，这给保保证输出出v0的精度的精度带来很大困来很大困难。为了解决了解决这个个问题，通常采用，通常采用R2R T型型电阻解阻解码网网络的的D/A转换器。器。2.R2R倒倒T形电阻解码网络形电阻解码网络D/A转换器转换器由图由图9-6可见，当可见，当Di=1时，对应的电阻支路时，对应的电阻支路流过的电流流过的电流 ，其中，其中且且Ii流向运放流向运放(-)端。端。当当Di=0时，时，但但 Ii流向流向运放运放(+)。即流向地。即流向地。图图9-6 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器写成通式：写成通式：于是流向于是流向(-)端总电流为：端总电流为：输出电压为：输出电压为：由于倒由于倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器中各支流的转换器中各支流的电流直接流入了运算放大器输入端，它们之间不电流直接流入了运算放大器输入端，它们之间不存在时间差，因而提高了工作速度并减少了动态存在时间差，因而提高了工作速度并减少了动态过程中输出端可能出现的尖峰脉冲。倒过程中输出端可能出现的尖峰脉冲。倒T形电阻形电阻网络网络D/A转换器是目前使用的转换器是目前使用的D/A转换器中速度转换器中速度较快的一种，也是用得较多的一种。较快的一种，也是用得较多的一种。3.权电流型权电流型D/A转换器转换器在前面分析的在前面分析的R-2R倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC的的过程中，将模拟开关当作理想开关，而没有考虑过程中，将模拟开关当作理想开关，而没有考虑它们的导电电阻和导通压降。而实际上这些开关它们的导电电阻和导通压降。而实际上这些开关总有一定的导通电阻和压降，且每个开关的情况总有一定的导通电阻和压降，且每个开关的情况又不完全相同，它们的存在无疑会引起转换误又不完全相同，它们的存在无疑会引起转换误差，影响转换精度。差，影响转换精度。解决这个问题的一种方法即采用图解决这个问题的一种方法即采用图9-7所示所示的权电流型的权电流型DAC。在。在DAC中有一组恒流源，每中有一组恒流源，每个恒流源电流大小依次为前一个个恒流源电流大小依次为前一个1/2，和输入二，和输入二进制数对应位的进制数对应位的“权权”成正比。由于采用了恒流成正比。由于采用了恒流源，每个支流的电流大小不再受开关内阻和压降源，每个支流的电流大小不再受开关内阻和压降的影响，从而降低了对开关电路的要求。的影响，从而降低了对开关电路的要求。恒流源电路经常使用图恒流源电路经常使用图9-7右侧所示的电路右侧所示的电路结构形式。只要在电路工作时保证结构形式。只要在电路工作时保证VB和和VEE保持保持不变，则三极管集电极电流即可保持不变，不受不变，则三极管集电极电流即可保持不变，不受开关内阻的影响。其电流大小近似为：开关内阻的影响。其电流大小近似为：图图9-7 权电流型权电流型DAC当输入数字量的某位代码为当输入数字量的某位代码为1时，对应的开时，对应的开关将恒流源接至运放的输入端；关将恒流源接至运放的输入端；当代码为当代码为0时，对应的恒流源接地。时，对应的恒流源接地。故输出电压为：故输出电压为：另外，在相同的另外，在相同的VB和和VEE取值下，为了得取值下，为了得到依次为到依次为1/2递减的电流源，就需要一组不同阻递减的电流源，就需要一组不同阻值的电阻。为了减少电阻阻值的种类，在实用的值的电阻。为了减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型权电流型DAC中经常利用倒中经常利用倒T型电阻网络的分流型电阻网络的分流作用产生成一组恒流源。如图作用产生成一组恒流源。如图9-9所示。所示。由图可见，由图可见，T3、T2、T1、T0和和Tc的基极的基极是接在一起的，只要这些三极管的发射结压降是接在一起的，只要这些三极管的发射结压降VBE相等，则它们的发射极处于相同的电位。相等，则它们的发射极处于相同的电位。图图9-9 实用的权电流型实用的权电流型DAC在计算各支路的电流时，可以认为在计算各支路的电流时，可以认为2R电阻电阻的上端都接到了同一个电位上，因而流过每个的上端都接到了同一个电位上，因而流过每个2R电阻的电流自左至右依次减少了电阻的电流自左至右依次减少了1/2。为保证。为保证所有三极管的发射结压降相等，在发射结电流较所有三极管的发射结压降相等，在发射结电流较大的三极管中按比例加大了发射结的面积，在图大的三极管中按比例加大了发射结的面积，在图中用增加发射极的数目来表示。图中的恒流源中用增加发射极的数目来表示。图中的恒流源IB0用来给用来给TR、TC、T0T3提供必要的基极偏置提供必要的基极偏置电流。电流。运算放大器运算放大器A1、三极管、三极管TR、电阻、电阻RR、R组组成了基准电流发生电路。基准电流成了基准电流发生电路。基准电流IREF是由外加是由外加的基准电压的基准电压VREF和电阻和电阻RR决定。由于决定。由于T3和和TR具具有相同的有相同的VBE，而发射极回路电阻相差一倍，所，而发射极回路电阻相差一倍，所以它们的发射极电流也必然相差一倍。故有：以它们的发射极电流也必然相差一倍。故有：将式将式(9-4)代入式代入式(9-3)得得:对于输入为对于输入为n位二进制数码的这种电路结构位二进制数码的这种电路结构的的D/A转换器，输出电压的计算公式可写成：转换器，输出电压的计算公式可写成：采用这种权电流型采用这种权电流型D/A转换电路生产的单片转换电路生产的单片集成集成DAC有有DC0806、DAC0807、DAC0808。单片集成单片集成DA转换器转换器DAC0808 求输出电压？求输出电压？输出电压输出电压:09.96V4、权电容网络、权电容网络1、输出电压的精度只与各个电容器电容量的比例有关，而输出电压的精度只与各个电容器电容量的比例有关，而与它们电容量的绝对值无关。与它们电容量的绝对值无关。2、输出电压的稳态值不受开关内阻及参考电压内阻的影响，输出电压的稳态值不受开关内阻及参考电压内阻的影响，因而降低了对开关电路及参考电压源的要求。因而降低了对开关电路及参考电压源的要求。3、稳态下权电容网络不消耗功率。稳态下权电容网络不消耗功率。在在MOS集成电路中电容器不仅容易制作，而且可以通过集成电路中电容器不仅容易制作，而且可以通过精确控制电容器的尺寸严格地保持各电容器之间电容量的精确控制电容器的尺寸严格地保持各电容器之间电容量的比例关系。比例关系。主要缺点主要缺点：在输入数字量位数较多时各个电容器的电容在输入数字量位数较多时各个电容器的电容量相差很大，这不仅会占用很大的硅片面积影响集成度，量相差很大，这不仅会占用很大的硅片面积影响集成度，而且由于电容充、放电时间的增加也降低了电路的转换速而且由于电容充、放电时间的增加也降低了电路的转换速度。度。4.DAC的主要技术指标的主要技术指标（一）分辨率（一）分辨率分辨率是指对输出最小电压的分辨能力。分辨率是指对输出最小电压的分辨能力。它是用输入数码只有最低有效位为它是用输入数码只有最低有效位为1时的输出电时的输出电压与输入数码为全压与输入数码为全1时输出满量程电压之比来表时输出满量程电压之比来表示。示。因此分辨率可表示为因此分辨率可表示为（二）转换误差（二）转换误差转换误差常用满量程转换误差常用满量程FSR的百分数来表的百分数来表示。例如，一个示。例如，一个DAC的线形误差为的线形误差为0.05%，就是，就是说转换误差是满量程输出的万分之五。说转换误差是满量程输出的万分之五。有时有时 转换误差用最低有效位转换误差用最低有效位LSB的倍数来的倍数来表示。例如，一个表示。例如，一个DAC的转换误差是的转换误差是LSB/2，则，则表示输出电压绝对误差是最低表示输出电压绝对误差是最低 有效位（有效位（LSB）为为1时输出电压的时输出电压的1/2。DAC的转换误差主要有失调误差和满值误的转换误差主要有失调误差和满值误差。差。失调误差是指输入数字量全为失调误差是指输入数字量全为0时，模拟输时，模拟输出值与理论输出值的偏差。出值与理论输出值的偏差。满值误差又称增益误差，是指输入数字量满值误差又称增益误差，是指输入数字量全为全为1时，实际输出电压不等于满值的偏差。满时，实际输出电压不等于满值的偏差。满值误差通过调整运放的反馈电阻加以消除。值误差通过调整运放的反馈电阻加以消除。DAC产生误差的主要原因有：参考电压产生误差的主要原因有：参考电压VREF的波动、运放的零点漂移，电阻网络中电阻的波动、运放的零点漂移，电阻网络中电阻阻值偏差等原因。阻值偏差等原因。（三）转换速度（三）转换速度通常用建立时间通常用建立时间tset来定量描述来定量描述DAC的转换的转换速度。速度。tset定义：从输入的数字量发生突变开始，定义：从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳定值相差直到输出电压进入与稳定值相差1/2LSB范围范围以内这段时间，称为建立时间以内这段时间，称为建立时间tset。如图。如图9-10所所示。示。目前器件水平：高达目前器件水平：高达0.1s左右。左右。图图9-10 DAC的建立时间的建立时间1/2LSB tset tset9.3 A/D9.3 A/D转换器转换器所谓所谓模数转换模数转换就是上述数模转换的逆过就是上述数模转换的逆过程，即将模拟电压转换成与之成比例的数字量。程，即将模拟电压转换成与之成比例的数字量。实现模数转换的电路成为模数转换器，又称实现模数转换的电路成为模数转换器，又称A/D转换器或转换器或ADC。在在A/D变换过程中，输入的模拟信号往往在变换过程中，输入的模拟信号往往在时间上是连续的，而输出是离散的数字量。所以时间上是连续的，而输出是离散的数字量。所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间对输入的模进行转换时必须在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号进行采样，然后再将这些采样值转换为数拟信号进行采样，然后再将这些采样值转换为数字量。字量。因此，一般因此，一般A/D转换过程要经过四个步骤：转换过程要经过四个步骤：采样采样 保持保持 量化量化 编码编码不过这些步骤有些是合并进行的。不过这些步骤有些是合并进行的。采样采样采样采样(又称取样又称取样)是将一个连续变化的模拟是将一个连续变化的模拟量量转换成时间上转换成时间上 离散离散的模拟量。或者说，采样就的模拟量。或者说，采样就是把一个时间上连续的模拟量一串脉冲，这是把一个时间上连续的模拟量一串脉冲，这些脉宽是等宽的，但其幅度取决于采样的输入的些脉宽是等宽的，但其幅度取决于采样的输入的模拟量。如图模拟量。如图9-12所示。所示。图图9-12采样保持采样保持原理原理图中：图中：i(t)输入模拟量输入模拟量 S(t)采样脉冲采样脉冲 0*(t)采样输出信号采样输出信号因此，采样电路实际上是一个受采样脉冲因此，采样电路实际上是一个受采样脉冲控制的电子开关，在控制的电子开关，在S(t)采样脉冲宽度采样脉冲宽度tw内，开内，开关接通，此时输出关接通，此时输出0*(t)等于输入等于输入i(t)；而在；而在(Ts-tw)的时间内，开关断开，输出的时间内，开关断开，输出 0*(t)为为0。为。为了了使采样信号恢复成原信号，采样周期应满足采样使采样信号恢复成原信号，采样周期应满足采样定理。定理。1.采样保持电路采样保持电路所谓所谓采样采样，即在一个微小时间内对模拟信，即在一个微小时间内对模拟信号进行取样，然后将此取样的模拟信号保持一段号进行取样，然后将此取样的模拟信号保持一段时间，使时间，使A/D转换器有充足的时间进行转换器有充足的时间进行A/D转转换，这就是采样。换，这就是采样。保持电路的作用。保持电路的作用。图图9-13是取样是取样保持电路的基本形式。图保持电路的基本形式。图中：中：T N沟道增强型沟道增强型MOS管，作为模拟开管，作为模拟开 关。关。图图9-13 采样保持实用电路采样保持实用电路当取样控制信号当取样控制信号vL(S(t)为高电平时，为高电平时，T导导通。输入信号通。输入信号vi经经RI、T向电容向电容CH充电。若取充电。若取RI=RF，并忽略运放的输入电流，则充电后，并忽略运放的输入电流，则充电后V0=VC=-VI。当当VL返回低电平以后，返回低电平以后，MOS管截止。由于管截止。由于CH上的电压在一段时间内保持不变。所以上的电压在一段时间内保持不变。所以v0也也保持不变，取样结果被保存下来。如保持不变，取样结果被保存下来。如CH上电流上电流越小，运放输入阻抗越大，越小，运放输入阻抗越大，v0保持时间越长。保持时间越长。下图所示是单片集成取样下图所示是单片集成取样保持电路保持电路LF398的电路原理图及符号图。的电路原理图及符号图。当逻辑输入当逻辑输入VL为高电平为高电平1时，时，S闭合；闭合；VL为低电平为低电平0时，时，S断开。断开。当当S闭合时，闭合时，A1和和A2均工作在电压跟随器均工作在电压跟随器状态，所以状态，所以v0=v0=vi，外接电容，外接电容CH接在接在R2的的引出端与地之间，故电容的电压也等于引出端与地之间，故电容的电压也等于vi；当当S断开后，断开后，CH上的电压不变，所以上的电压不变，所以v0的的数值仍然保留下来。数值仍然保留下来。D1、D2是开关电路的保护电路。是开关电路的保护电路。2.采样定理：采样定理：通常取通常取 s=(35)imax3.量化与编码量化与编码从前面的采样从前面的采样保持电路的分析中得知保持电路的分析中得知,在采样脉冲持续期在采样脉冲持续期tw内，内，v0=vi，在两次采样的，在两次采样的间隔时间间隔时间(Ts-tw)时间内，时间内，v0保持不变。保持不变。(Ts-tw)这这段时间供量化和编码。段时间供量化和编码。什么叫量化？在什么叫量化？在A/D转化过程中，必须把采转化过程中，必须把采样样保持的样值电压化成某个最小单位的整数保持的样值电压化成某个最小单位的整数倍。这个过程称为量化。所取的最小单位称量化倍。这个过程称为量化。所取的最小单位称量化单位，可以用单位，可以用表示。表示。什么叫编码？把量化的结果用代码什么叫编码？把量化的结果用代码(一般是一般是二进制码二进制码)表示出来，称为表示出来，称为编码编码。显然，编码输。显然，编码输出的数字信号最低有效位的出的数字信号最低有效位的1代表的数量大小就代表的数量大小就等于等于。由于模拟信号是连续的，那么它就不一定由于模拟信号是连续的，那么它就不一定能被能被整除，因此量化过程不可避免地会引入误整除，因此量化过程不可避免地会引入误差，这种误差称为差，这种误差称为量化误差量化误差。通常在划分量化等级时有两种方法：通常在划分量化等级时有两种方法：如图如图9-15所示。所示。图图9-15 划分量化等级时的两种方法划分量化等级时的两种方法图中：图中：左边量化方法：只舍不入法左边量化方法：只舍不入法量化单位：量化单位：=1/8V，最大量化误差：最大量化误差：1/8V。右边量化方法：有舍有入法右边量化方法：有舍有入法量化单位：量化单位：2/15V最大量化误差：最大量化误差：1/2=1/15V。结论结论：采用有舍有入的方法比只舍不入法：采用有舍有入的方法比只舍不入法量化误差要小。量化误差要小。二、二、A/D转换器电路转换器电路A/D转换器可分为直接转换器可分为直接A/D转换器和间接转转换器和间接转换器。所谓直接转换器就是把输入的模拟电压直换器。所谓直接转换器就是把输入的模拟电压直接转换为输出的数字量而不需要经过中间变量。接转换为输出的数字量而不需要经过中间变量。常用的电路有并联比较型和反馈比较型两常用的电路有并联比较型和反馈比较型两种。种。直接直接A/D转换器转换器 1.1 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器图图9-16为并联比较型为并联比较型A/D转换器电路结构转换器电路结构图。它由电压比较器、寄存器、代码转换器三部图。它由电压比较器、寄存器、代码转换器三部分组成。此图没有考虑取样分组成。此图没有考虑取样保持电路，并假保持电路，并假设取样设取样保持已完成。保持已完成。图图9-16 并联比较型并联比较型 A/D转换器转换器 电路结构图电路结构图（1）电压比较器：）电压比较器：它由电阻分压器和电压比较器组成。电阻它由电阻分压器和电压比较器组成。电阻分压器由分压器由8个电阻构成，产生不同数值的参考电个电阻构成，产生不同数值的参考电压，作为量化刻度，分别送到各个比较器与取压，作为量化刻度，分别送到各个比较器与取样样保持的输入模拟电压保持的输入模拟电压vi进行比较。进行比较。当当vi高于量化刻度时，比较器输出为高电高于量化刻度时，比较器输出为高电平；反之比较器输出为低电平。平；反之比较器输出为低电平。（2）积存器）积存器它由它由7个个D触发器组成，它在时钟脉冲触发器组成，它在时钟脉冲CP作作用下，将比较的结果暂时寄存在寄存器中，供编用下，将比较的结果暂时寄存在寄存器中，供编码用。码用。（3）编码网络（代码转换器）编码网络（代码转换器）它的作用是将寄存器输出信号编译成相应它的作用是将寄存器输出信号编译成相应的二进制代码。编码网络的函数表达式为：的二进制代码。编码网络的函数表达式为：小结：小结：优点优点：转换速度最快：转换速度最快缺点缺点：所需硬件数目很多。如果需要的二：所需硬件数目很多。如果需要的二进制代码增加一倍，分压电阻、电压比较器、寄进制代码增加一倍，分压电阻、电压比较器、寄存器的硬件数目近似增加一倍。如输出存器的硬件数目近似增加一倍。如输出n位二进位二进制代码，需制代码，需2n个电阻，个电阻，(2n-1)个电压比较器和个电压比较器和D触发器以及复杂的编码网络。触发器以及复杂的编码网络。应用场合应用场合：适用于高速度、高精度要求的：适用于高速度、高精度要求的场合。场合。1.2 反馈型反馈型A/D转换器转换器构思：取一个数字量加到构思：取一个数字量加到D/A转换器上，于转换器上，于是得到一个对应的输出的模拟电压。将这个模拟是得到一个对应的输出的模拟电压。将这个模拟电压与输入的模拟电压信号相比较。如果两者不电压与输入的模拟电压信号相比较。如果两者不相等，则调整所取的数字量直到两个模拟电压相相等，则调整所取的数字量直到两个模拟电压相等为止，最后所取的数字量就是所求的转换结等为止，最后所取的数字量就是所求的转换结果。果。固所取的数字量的方法不同，反馈比较型固所取的数字量的方法不同，反馈比较型A/D转换器又可分为计数型和逐次渐进型两种方转换器又可分为计数型和逐次渐进型两种方案。案。图图9-17 计数型计数型A/D转换器的原理框图转换器的原理框图A.计数型计数型A/D转换器转换器图图9-17是计数型是计数型A/D转换器的原理框图。它转换器的原理框图。它由比较器由比较器C、DAC、计数器、脉冲源、输出寄存、计数器、脉冲源、输出寄存器、控制门器、控制门G几部分组成。几部分组成。转换前先用复位信号将计数器置转换前先用复位信号将计数器置0，而且转，而且转换控制信号应停留在换控制信号应停留在VL=0的状态。这时门的状态。这时门G被封被封锁，计数器不工作。计数加给锁，计数器不工作。计数加给DAC的全的全0数字信数字信号，所以号，所以v0=0。如如VI0，则VIV0，VB=1。当当VL=1时开始转换。脉冲源的信号经门时开始转换。脉冲源的信号经门G加到计数器的加到计数器的CP端作加法计数，随着计数的进端作加法计数，随着计数的进行，行，DAC输出的模拟信号也不断增加。当输出的模拟信号也不断增加。当V0=VI时，时，VB=0，将，将G封锁，计数器停止计数。这时封锁，计数器停止计数。这时计数器中所存的数字就是所求的输出数字信号。计数器中所存的数字就是所求的输出数字信号。优点：电路非常简单。优点：电路非常简单。缺点：转换时间太长，最长的转换时间为缺点：转换时间太长，最长的转换时间为（2n-1）cp的周期。的周期。(n为二进制位数为二进制位数)为了提高速度，在上述基础上出现了逐次为了提高速度，在上述基础上出现了逐次渐进型渐进型A/D转换器。不同在于输入数字量的给出转换器。不同在于输入数字量的给出方式有所改变。方式有所改变。B.逐次渐进逐次渐进ADC如图如图9-18所示。它有五部分组成所示。它有五部分组成(比较器、比较器、DAC、寄存器、控制逻辑及脉冲源、寄存器、控制逻辑及脉冲源)图图9-18 逐次比较型逐次比较型ADC原理框图原理框图转换前先将寄存器清转换前先将寄存器清0，所以加给，所以加给DAC的数的数字量也是全字量也是全0。转换控制信号。转换控制信号VL=1时开始转换，时开始转换，时钟脉冲首先将寄存器的最高位置成时钟脉冲首先将寄存器的最高位置成1，是寄存，是寄存器的输出为器的输出为100.00。这个数字量被。这个数字量被D/A转换器转换器转换成相应的模拟电压转换成相应的模拟电压V0，并送到比较器与，并送到比较器与VI比较。比较。若若V0 VI ，说明数字量取大了，应去掉最，说明数字量取大了，应去掉最高位这个高位这个1 1。若若V0 VI ，说明数字量取小了，应保留，说明数字量取小了，应保留最高位这个最高位这个1 1。然后按同样的方法将次高位置然后按同样的方法将次高位置1，并比较，并比较V0与与VI的大小，然后决定该次高位的的大小，然后决定该次高位的1是否保留。是否保留。这样逐位比较下去，直到这样逐位比较下去，直到V0=VI为止。这时，寄为止。这时，寄存器里所存的数码就是所求的输出数字量。存器里所存的数码就是所求的输出数字量。完成一次转换所需的时间完成一次转换所需的时间=CP的周期的周期(n+2)。(这里包括清这里包括清0的一次的一次)显然，它比并行比较型显然，它比并行比较型A/D转换器要慢，但转换器要慢，但比计数型比计数型A/D转换器要快。转换器要快。所以逐次渐进型所以逐次渐进型A/D转换器是目前集成转换器是目前集成A/D转换器产品中用的最多的一种电路。转换器产品中用的最多的一种电路。2.间接间接A/D转换器转换器目前出现的间接目前出现的间接A/D转换器大都分为转换器大都分为电压电压时间型时间型(VT变换型变换型)或或电压电压频率变换型频率变换型(VF变换型变换型)两类。两类。变换思想变换思想：在：在VT变换型变换型A/D转换器中，转换器中，首先将输入的模拟电压信号转换成与之成正比例首先将输入的模拟电压信号转换成与之成正比例的时间宽度信号，然后在这个时间宽度内对固定的时间宽度信号，然后在这个时间宽度内对固定已知频率的时钟脉宽计数，计数结果就是正比于已知频率的时钟脉宽计数，计数结果就是正比于输入模拟电压的数字量。输入模拟电压的数字量。在在VF变换型变换型A/D转换器中，首先将输入转换器中，首先将输入的模拟电压信号转换成与之成正比例的频率信的模拟电压信号转换成与之成正比例的频率信号，然后在一个已知的固定的时间间隔里对该频号，然后在一个已知的固定的时间间隔里对该频率进行计数，所得到的计数结果就是正比于输入率进行计数，所得到的计数结果就是正比于输入模拟电压的数字量。模拟电压的数字量。2.1 双积分型双积分型A/D转换器（转换器（VT型）型）在在VT型型A/D转换器用得最多的是双积分转换器用得最多的是双积分型型A/D转换器。图转换器。图9-19就是它的原理框图。它包就是它的原理框图。它包含积分器、比较器、控制逻辑、计数器及时钟信含积分器、比较器、控制逻辑、计数器及时钟信号源几个部分。号源几个部分。图图9-19 双积分型双积分型A/D转换器原理框图转换器原理框图转换开始前，使计数器清转换开始前，使计数器清0，积分器电容，积分器电容C完全放电完全放电(即开关即开关S2合上，电容合上，电容C两端电压为两端电压为0)。下面对照图下面对照图9-19(a)、(b)来讨论电路的转换过来讨论电路的转换过程：程：（1）0tT0，t=0时，开关时，开关S2断开，断开，S1将输将输入信号入信号vi=vi1接到积分器上，电容器接到积分器上，电容器C被恒流充被恒流充电电(设设vi1在转换过程中保持恒定，从而充电电流在转换过程中保持恒定，从而充电电流I=vi1/R为一个不变的值为一个不变的值)，积分器的输出电压，积分器的输出电压v0便开始以固定的斜率便开始以固定的斜率vi1/RC下降。在积分器开始下降。在积分器开始积分的同时，过积分的同时，过0比较器输出比较器输出vc=1，使控制门，使控制门G开启，计数脉冲开启，计数脉冲CP便送入计数器，开始计数。便送入计数器，开始计数。（2）T0tT1，T0时刻，刚好第时刻，刚好第M个个(2n个个)CP脉冲到达，模脉冲到达，模M计数器完成了一个计数循环。最计数器完成了一个计数循环。最高位输出高位输出1个进位脉冲个进位脉冲(Qn=1)，而，而Qn-1Q0位输位输出全为出全为0。Qn=1使使S1转换到与输入信号转换到与输入信号vi极性相极性相反的基准电流反的基准电流-VR上，因为上，因为-VR是一个恒定值，是一个恒定值，故故积分器又以固定斜率积分器又以固定斜率VR/RC上升，而计数器又从上升，而计数器又从0开始计数。开始计数。在在0T0时间内，输入信号时间内，输入信号vi的平均值为：的平均值为：T0时刻积分器的输出电压时刻积分器的输出电压v0(T0)为为由于由于T0=2nTcp(Tcp为时钟为时钟cp的周期的周期)，是，是模模M计数器完成一次循环的时间，故将计数器完成一次循环的时间，故将(1)式代入式代入(2)式可得式可得可见，可见，vi越大，在越大，在T0周期的平均值周期的平均值 也也越大，也即越大，也即T0时的时的v0值也越大；故值也越大；故V01正比于正比于输入电压的平均值输入电压的平均值 。（3）t=T1，T1时刻，积分器的输出达到过零时刻，积分器的输出达到过零(0+)状态，过零比较器输出状态，过零比较器输出vc=0，将控制门，将控制门G关闭，关闭，计数器停止计数，由于计数器停止计数，由于tT0后积分器以后积分器以VR/RC的斜率上升，其在的斜率上升，其在T1时的输出时的输出v0(T)=0即即可见，积分器的可见，积分器的C放电时间放电时间(T1-T0)与积分与积分器器在在T0时的输出时的输出V01成正比。若从成正比。若从T0到到T1所计到的所计到的脉冲数为脉冲数为N，则，则(T1-T0)=NTcp。将将(3)式代入式代入(4)式，可得式，可得由此可见，时间间隔由此可见，时间间隔(T1-T0)内计数脉冲的内计数脉冲的个数个数N与输入信号的平均值与输入信号的平均值 成正比。成正比。若若 ，则，则（4）tT1，T1时刻，开关时刻，开关S2关闭，使关闭，使C完全放完全放电，并在下一次转换前将计数器清电，并在下一次转换前将计数器清0。有上述分析可知，在每一次转换过程中都有上述分析可知，在每一次转换过程中都进行了两次积分，而且积分斜率不同，故称之为进行了两次积分，而且积分斜率不同，故称之为双斜率积分双斜率积分ADC。优点：优点：精度较高，其精度主要决定于基准精度较高，其精度主要决定于基准电压电压-VR，而元件，而元件R、C等误差及电路延迟时等误差及电路延迟时间造成的误差，均因经过间造成的误差，均因经过2次积分而自动对消次积分而自动对消了。而且抗干扰能力很强，能有效地抑制对称干了。而且抗干扰能力很强，能有效地抑制对称干扰（积分周期内平均值为扰（积分周期内平均值为0的干扰）。的干扰）。缺点：缺点：转换速度低，每转换一个转换速度低，每转换一个n位数，需位数，需要要2n个时钟周期。个时钟周期。应用范围：多应用于精度要求高，且速度应用范围：多应用于精度要求高，且速度要求不高且被电压可能混有干扰的系统中，如数要求不高且被电压可能混有干扰的系统中，如数字频率测量设备等。字频率测量设备等。2.2 电压电压频率转换器频率转换器VF变换型变换型A/D转换器的电路结构框图如转换