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汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 Digital to Analog Converter and Analog to Digital Converter9.1 D/A转换器转换器9.2 A/D转换器转换器9 数模与模数转换器数模与模数转换器DAC与与ADC汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 1 1、掌握倒、掌握倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器、集成转换器、集成D/AD/A转换器的工转换器的工 作原理及相关计算。作原理及相关计算。2 2、掌握并行比较、逐次比较、双积分、掌握并行比较、逐次比较、双积分A/DA/D转换器的工作转换器的工作 原理及其特点。原理及其特点。3 3、正确理解、正确理解D/AD/A、A/DA/D转换器的主要参数。转换器的主要参数。本章的基本要求本章的基本要求汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 A/DA/D 转换器转换器 D/AD/A 转换器转换器 模拟模拟 控制器控制器 工业生产过程控制对象工业生产过程控制对象 模模 拟拟 传感器传感器 ADC和和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。将温度、压力、流将温度、压力、流量、应力等物理量量、应力等物理量转换为模拟电量。转换为模拟电量。计算机进行数字处计算机进行数字处理（如计算、滤波、理（如计算、滤波、保存等）保存等）用模拟量作为用模拟量作为控制信号控制信号数字控制数字控制 计算机计算机ADC与与DAC在工业生产流程中的应用：在工业生产流程中的应用：汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 例例例例1 1 1 1：图像温度传感图像温度传感图像温度传感图像温度传感例例例例2 2 2 2：声音信号的输入与放大输出声音信号的输入与放大输出声音信号的输入与放大输出声音信号的输入与放大输出例例例例3 3 3 3：CDCDCDCD音乐播放音乐播放音乐播放音乐播放汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 9.1 D/A转换器转换器9.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式9.1.3 权电流型权电流型D/A转换器转换器9.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标9.1.6 D/A转换器的应用转换器的应用汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 将数字量转换为与之成正比的模拟量。将数字量转换为与之成正比的模拟量。n n位位数字量数字量D/AD/A转换器概述转换器概述DAC模拟量模拟量数数/模转换器模转换器:O=K NB=汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后，将这些模拟量相加，即可得转换成相应的模拟量，然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，从而实现数字量到与数字量成正比的模拟量，从而实现数字量-模拟量的模拟量的转换。转换。实现实现D/A转换的基本思想转换的基本思想 N NB Bb b4 4224 4b b3 3223 3b b2 2222 2b b1 1221 1b b0 0220 0 12124 412123 302022 202021 112120 0将二进制数将二进制数将二进制数将二进制数N NB B(11001)(11001)B B转换为十进制数：转换为十进制数：转换为十进制数：转换为十进制数：9.1.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 D/A转换器的基本组成转换器的基本组成:DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入的数字数据可以并行输入也可串行输入用存放在数用存放在数码寄存器中的码寄存器中的数字量的各位数字量的各位数码进行转换数码进行转换由输入的由输入的n位数位数字量控制字量控制又称电阻网络，又称电阻网络，产生权电流产生权电流将权电流相将权电流相加产生与输入加产生与输入成正比的模拟成正比的模拟电压电压汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 实现实现D/A转换的原理电路转换的原理电路，,汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 D/A转换器的分类：转换器的分类：按解码网络按解码网络结构分类结构分类 T型电阻网络型电阻网络DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC权电流权电流DAC 权电阻网络权电阻网络DAC 按模拟电子开按模拟电子开关电路分类关电路分类 CMOS开关型开关型DAC双极型开关型双极型开关型DAC 电流开关型电流开关型DAC ECL电流开关型电流开关型DAC D/A 转换器汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器Di=0,Si则将电阻则将电阻2R接地接地Di=1,Si接运算放大器反相端，电流接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路流入求和电路 R-2R电阻电阻网络网络模拟电子开关模拟电子开关求和运算放大器求和运算放大器输输出出模模拟拟电电压压输入输入4位二进制数位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于处于何种位置，与何种位置，与Si相连的相连的2R电阻将接电阻将接“地地”或虚地或虚地。1、4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器基准电压基准电压 电阻网络电阻网络 模拟电子开关模拟电子开关 求和运算放大器求和运算放大器汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 D/A转换器的倒转换器的倒T形电阻网络形电阻网络基准电源基准电源VREF提供的总电流为：提供的总电流为：I=？流过各开关支路的电流：流过各开关支路的电流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16两端等效电阻为两端等效电阻为RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个流入每个2R电阻的电流从高位到低位按电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减：的整数倍递减：I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16 R汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 流入运放的总电流：流入运放的总电流：i I0+I1+I2+I3输出模拟电压：输出模拟电压：汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 4 4位倒位倒T T形电阻形电阻网络网络DAC的输出模拟电压：的输出模拟电压：n 位倒位倒T T形形电阻网络电阻网络DAC有：有：令：令：则则 O=K NB 在电路中输入的每一个在电路中输入的每一个二进制数二进制数NB，均能得到与之成正比的均能得到与之成正比的模拟电压输出。模拟电压输出。汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 AD7533 D/A转换器：转换器：使用使用:1):1)要外接运放，要外接运放，2)2)运放的反馈电阻可使用内部电阻运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻也可采用外接电阻。2.2.集成集成D/A转换器转换器10位位CMOS电流开关型电流开关型D/A转换器转换器 汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 关于倒关于倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器精度精度的讨论：的讨论：(1)、基准电压稳定性要好；、基准电压稳定性要好；(2)、倒、倒T形电阻网络中形电阻网络中R和和2R电阻比值的精度要高；电阻比值的精度要高；(4)、为实现电流从高位到低位按、为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的整数倍递减，模拟开关的导通电阻也相应地按的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。的整数倍递增。为进一步提高为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。转换器。为提高为提高D/A转换器的转换器的精度，对电路参数的要求：精度，对电路参数的要求：(3)、每个模拟开关的开关电压降要相等、每个模拟开关的开关电压降要相等汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 Di=1时，开关时，开关S Si i接运放的反相端接运放的反相端;Di=0时，开关时，开关S Si i接地接地。9.1.3 权电流权电流D/A转换器转换器1.4位权电流位权电流D/A转换器转换器(用恒流源代替倒用恒流源代替倒T型电阻网络型电阻网络)恒流源由三极管实现。恒流源由三极管实现。汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式 8位位D/A转换器在转换器在单极性输出单极性输出时的输入时的输入/输出关系输出关系000000001000000011111110000000011000000111111111模拟量模拟量 数字量数字量MSB LSB汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 常用双极性编码十进制数2的补码偏移二进制码模拟量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D00/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126100000001100000011000000000100000000-11111111101111111-1-1271000000100000001-127-1281000000000000000-128 *表中VLSB=VREF/256若采用偏移二进制码，则可以利用若采用偏移二进制码，则可以利用8位倒位倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器来实现。转换器来实现。通常需要有双极性输出，即输入的数字量有正负之分通常需要有双极性输出，即输入的数字量有正负之分汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 9.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率：分辨率：定义为定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。n位位DAC最多有最多有2n(0 2(0 2n n-1)-1)个模拟输出电压。即分辨率为个模拟输出电压。即分辨率为2n。位数越多位数越多D/A转换器的分辨率越高。转换器的分辨率越高。1、分辨率、分辨率汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 2、转换精度、转换精度转换精度是指对给定的数字量，转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与理转换器实际值与理论值之间的最大偏差。论值之间的最大偏差。产生原因：产生原因：由于由于D/A转换器转换器中各元件参数值存在误差，中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。影响。几种转换误差：比例系数误差、失调误差和非线性误差几种转换误差：比例系数误差、失调误差和非线性误差等等汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 9.1.6 集成集成D/A转换器的应用转换器的应用(1)微机系统接口电路微机系统接口电路(将数字量转化为模拟量将数字量转化为模拟量)(2)数字式可编程增益控制电路数字式可编程增益控制电路(3)脉冲波形产生电路脉冲波形产生电路汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 9.2.6 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用9.2 A/D 转换器转换器9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程9.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器9.2.4 双积分型双积分型A/D转换器转换器9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 ADCD Dn-1n-1 D D0 0输出数字量输出数字量输入模拟电压输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1.A/D功能功能:A/DA/D转换器概述转换器概述汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 并行比较型并行比较型 特点：转换速度快，转换时间特点：转换速度快，转换时间10ns 1 s，但但电路复杂。电路复杂。逐次比较型逐次比较型 特点：转换速度适中，转换时间为几特点：转换速度适中，转换时间为几 s 100 s，转换精度，转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。双积分型双积分型 特点：转换速度慢，转换时间为几百特点：转换速度慢，转换时间为几百 s 几几ms，但抗干扰，但抗干扰能力最强。能力最强。2.A/D2.A/D转换器分类转换器分类汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 取取样样时间上离散的信号时间上离散的信号保持、量化保持、量化量值上也离散的信号量值上也离散的信号编编码码模拟信号模拟信号时间上和量值上都连续时间上和量值上都连续数字信号数字信号时间上和量值上都离散时间上和量值上都离散9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 A/D转换器一般要包括取样、保持、量化及编码转换器一般要包括取样、保持、量化及编码4个过程。个过程。汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 1.取样取样 取样是将随时间连续变化的模拟取样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量。量转换为在时间离散的模拟量。取样信号取样信号S(t)的频率愈高，所采的频率愈高，所采得的信号愈能真实地复现输入信得的信号愈能真实地复现输入信号。合理的取样频率由取样定理号。合理的取样频率由取样定理确定。确定。取样定理：取样定理：设取样信号设取样信号S(t)的频的频率为率为fs，输入模拟信号输入模拟信号 I(t)的最的最高频率分量的频率为高频率分量的频率为fimax，则则 fs 2fimaxS(t)=1:开关闭合开关闭合S(t)=0:开关断开开关断开汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 将模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化将模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。信号保持一段时间。采样采样保持保持取样与保持取样与保持电路电路取样取样-保持控制电路保持控制电路2.保持保持输入放大器输入放大器输入放大器输入放大器输出放大器输出放大器输出放大器输出放大器保持电容保持电容保持电容保持电容汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 3.量化量化数字信号在数值上是离散的。取样数字信号在数值上是离散的。取样保持电路的输出电压还需保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。能是某个最小数量单位的整数倍。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。转换器输出的数字量。4.编码编码汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 在量化过程中由于所采样到的电压不一定能被量化单位在量化过程中由于所采样到的电压不一定能被量化单位 整除，整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用 表示。表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。有两种近似量化方式：只舍不入有两种近似量化方式：只舍不入(舍尾取整舍尾取整)量化方式和四舍五量化方式和四舍五入量化方式。入量化方式。l 量化误差：量化误差：量化前的电压与量化后的电压之差。量化前的电压与量化后的电压之差。l 量化方式量化方式 关于量化关于量化汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 011111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号输入信号编码编码量化后量化后电压电压a).只舍不入量化方式：只舍不入量化方式：量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最大量化误差为：最大量化误差为：最大量化误差为：取最小量化单位：取最小量化单位：取最小量化单位：取最小量化单位：1/8V1/8V=1/8 1/8 V V例：按只舍不入量化方式将例：按只舍不入量化方式将例：按只舍不入量化方式将例：按只舍不入量化方式将01V01V电压转换为电压转换为电压转换为电压转换为3 3位二进制代码位二进制代码位二进制代码位二进制代码取取取取=n n为为为为ADCADC的位的位的位的位数数数数汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 b).四舍五入量化方式：四舍五入量化方式：量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最大量化误差为：最大量化误差为：最大量化误差为：取最小量化单位：取最小量化单位：取最小量化单位：取最小量化单位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v输入信号输入信号编码编码模拟模拟电平电平=2/15 2/15 V V1/15V1/15V例：按四舍五入量化方式将例：按四舍五入量化方式将例：按四舍五入量化方式将例：按四舍五入量化方式将01V01V电压转换为电压转换为电压转换为电压转换为3 3位二进制代码位二进制代码位二进制代码位二进制代码取取取取=汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 电路组成电路组成9.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器电压比较器电压比较器输入模拟输入模拟电压电压电阻分压电阻分压器器参考电压参考电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数输出数字量字量汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 VI=8VREF/151111000001VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF/15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由器输出状态的关系。比较器的输出状态由D D触发器存储，经优先编触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。码器编码，得到数字量输出。汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器电路特点：电路特点：在并行在并行A/D转换器中，输入电压转换器中，输入电压 I同时加到所有比较器的输入同时加到所有比较器的输入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与 I输入时输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短，转换速度最快。刻同时获得的。所以它的转换时间最短，转换速度最快。缺点是电路复杂，如三位缺点是电路复杂，如三位ADC需需7个比较器、个比较器、7个触发器、个触发器、8个个电阻。位数越多，电路越复杂。电阻。位数越多，电路越复杂。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。行转换的方法。单片集成并行比较型单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如转换器的产品很多，如AD公司的公司的AD9012(TTL工艺，工艺，8位位)、AD9002(ECL工艺，工艺，8位位)、AD9020(TTL工艺，工艺，10位位)等。等。汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 所加砝码所加砝码所加砝码所加砝码重量重量重量重量 结果结果结果结果 9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器采用逐次逼近的转换过程，与用天平称物重原理采用逐次逼近的转换过程，与用天平称物重原理采用逐次逼近的转换过程，与用天平称物重原理采用逐次逼近的转换过程，与用天平称物重原理相似相似相似相似 。第一次第一次第一次第一次8 8 克克克克砝码总重砝码总重砝码总重砝码总重 待测重量待测重量待测重量待测重量WWx x ，8 8克砝码保留克砝码保留克砝码保留克砝码保留8 8 克克克克第二次第二次第二次第二次再加再加再加再加4 4克克克克砝码总重仍砝码总重仍砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量待测重量待测重量WWx x ，2 2克砝码撤除克砝码撤除克砝码撤除克砝码撤除12 12 克克克克第四次第四次第四次第四次再加再加再加再加1 1克克克克砝码总重砝码总重砝码总重砝码总重 待测重量待测重量待测重量待测重量WWx x ，1 1克砝码保留克砝码保留克砝码保留克砝码保留13 13 克克克克1.1.转换原理转换原理转换原理转换原理 所用砝码重量：所用砝码重量：所用砝码重量：所用砝码重量：8 8克、克、克、克、4 4克、克、克、克、2 2克和克和克和克和1 1克。克。克。克。设待秤重量设待秤重量设待秤重量设待秤重量WxWx =13=13克。克。克。克。汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 转换原理转换原理 1 0 0 0 1 0 0 0 VREF=10V第一个第一个CP：设输入模拟量设输入模拟量 A=6.84V8位逐次比较型位逐次比较型ADC框图框图初始置移位寄存器为初始置移位寄存器为1000 0000=5V A 5V 1保留保留汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 第二个第二个CP：0 1 0 0 1 1 0 0 A=6.84VVREF=10V已保留的已保留的1=7.5V A7.5V 保留保留08位逐次比较型位逐次比较型ADC框图框图汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 第三个第三个CP：0 0 1 0 1 0 1 0 A=6.84VVREF=10V已保留的已保留的1已保留的已保留的0=6.25V A 6.25V 1保留保留8位逐次比较型位逐次比较型ADC框图框图汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 10000000 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 111000000101000001011000010101000101011001010111010101111逐次逼近逐次逼近汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 1、逐次比较型、逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；2、逐次比较型、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数转换器完成一次转换所需时间与其位数n和和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短；越短；逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器电路特点：电路特点：逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器逻辑电路图：逻辑电路图：P P452 452 图图图图9.2.79.2.7汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 9.2.4 双积分型双积分型A/D转换器转换器1、双积分型双积分型A/D转换器的基本思想转换器的基本思想对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。双积计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。双积分型分型A/D转换器也称为电压时间数字式积分器转换器也称为电压时间数字式积分器。汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 2、电路组成、电路组成积分器积分器过零电压过零电压比较器比较器时钟脉冲控制时钟脉冲控制门门计数器计数器双积分型双积分型AD转换器转换器汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 0 00 00 00 00 0CR信号将计数器清零；开关信号将计数器清零；开关S2先闭合，待积分电容放电完毕后，先闭合，待积分电容放电完毕后，断开断开S2 使电容的初始电压为使电容的初始电压为0。S2由控制电路控制。由控制电路控制。3、工作原理、工作原理 准备阶段准备阶段(初始化阶段初始化阶段)：汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 经过经过2n个个CP 第一次积分：第一次积分：t=t0时，开关时，开关S1与与A端相接，积分器开始对端相接，积分器开始对 I积分。经积分。经2n个个CP后，开关切换到后，开关切换到B，积分器的输出电压，积分器的输出电压 o，=VP。第一积分时间为第一积分时间为2nTC。计数器为计数器为0，并开始计数。，并开始计数。汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 VREF加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当t=t2时积分器输出电压时积分器输出电压 O=0，比较器输出比较器输出 C=0，时钟脉冲控制时钟脉冲控制门门G被关闭，计数停止。此时计数结果作为转换得到的数字量。被关闭，计数停止。此时计数结果作为转换得到的数字量。第二次积分：第二次积分：汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 T1=2nTC T2=Tc T2=t1 t2 在计数器所计的数在计数器所计的数=Qn-1Q1Q0，就是就是A/D转换器得到的结果。转换器得到的结果。第一次积分：第一次积分：第一次积分：第一次积分：第二次积分：第二次积分：第二次积分：第二次积分：化简：化简：化简：化简：t t1 1时刻计数器回复到时刻计数器回复到时刻计数器回复到时刻计数器回复到0 0；为计数器新的计数结果。为计数器新的计数结果。为计数器新的计数结果。为计数器新的计数结果。输入电压平均值输入电压平均值输入电压平均值输入电压平均值汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 1.由于转换结果与时间常数由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线性带无关，从而消除了积分非线性带来的误差。来的误差。2.由于双积分由于双积分A/D转换器在转换器在T1时间内采用的是输入电压的平均值，时间内采用的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。因此具有很强的抗工频干扰的能力。T1=2nTC3.只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。双积分型双积分型A/D转换器的转换器的优点：优点：汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 1、转换精度、转换精度 9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 单片集成单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。分辨率分辨率:说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制数转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制数 的位数表示。的位数表示。转换误差：转换误差：表示表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。的差别。汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 2、转换时间、转换时间 指指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。的数字信号所经过的时间。A/D转换器的转换时间与转换电转换器的转换时间与转换电路的类型有关。路的类型有关。并行比较并行比较A/D转换器的转换速度最高转换器的转换速度最高,逐次比较型逐次比较型A/D转换器次之转换器次之,间接间接A/D转换器转换器(如双积分型如双积分型ADC)的速度最慢。的速度最慢。汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 使用使用A/D转换器时应注意以下几点：转换器时应注意以下几点：(1)转换过程各信号的时序配合转换过程各信号的时序配合100 s9.2.6 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用(以八位逐次比较型集成以八位逐次比较型集成以八位逐次比较型集成以八位逐次比较型集成A/DA/D转换器转换器转换器转换器 ADC0809ADC0809为例为例为例为例 P P456)456)汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 (2)参考电压的调节参考电压的调节(3)接地接地 模拟电路电源模拟电路电源 模拟电路模拟电路 A/D转换器转换器 数字电路电源数字电路电源 数字电路数字电路 A A/D、D/A及采样保持芯片上都提供了独立的模拟地及采样保持芯片上都提供了独立的模拟地(AGND)和和数字地数字地(DGND)的引脚。的引脚。模数、数模转换电路模数、数模转换电路中要特别注意到地线中要特别注意到地线的正确连接，否则干的正确连接，否则干扰很严重，以致影响扰很严重，以致影响转换结果的准确性。转换结果的准确性。在线路设计中，必须将所有器件的模拟地和数字地分别相连，在线路设计中，必须将所有器件的模拟地和数字地分别相连，然后将模拟地与数字地仅在一点上相连接。然后将模拟地与数字地仅在一点上相连接。汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 集成集成A/D转换器转换器ADC0809的典型应用的典型应用(与微处理器构成数据采集系统与微处理器构成数据采集系统)汕头大学工学院汕头大学工学院 数字电路数字电路 2011-2012 秋季学期秋季学期 作业作业1 1、P461 P461 课后习题课后习题课后习题课后习题9.1.19.1.1、9.1.49.1.42 2、9.2.19.2.1、9.2.29.2.2、9.2.39.2.3