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数模和模数数模和模数转换器器第1页，共37页，编辑于2022年，星期六第二篇第二篇第2页，共37页，编辑于2022年，星期六12.1.1 DAC的基本概念的基本概念12.1.2 DAC的工作原理的工作原理12.1.3 集成数集成数/模转换器模转换器DAC0832第二篇第二篇第3页，共37页，编辑于2022年，星期六 为为为为了了了了能能能能用用用用数数数数字字字字技技技技术术术术来来来来处处处处理理理理模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号，必必必必须须须须把把把把模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号转转转转换换换换成成成成数数数数字字字字信信信信号号号号，才才才才能能能能送送送送入入入入数数数数字字字字系系系系统统统统进进进进行行行行处处处处理理理理。同同同同时时时时，往往往往往往往往还还还还需需需需把把把把处处处处理理理理后后后后的的的的数数数数字字字字信信信信号号号号转转转转换换换换成成成成模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号，作作作作为为为为最最最最后后后后的的的的输输输输出出出出。我我我我们们们们把把把把前前前前一一一一种种种种从从从从模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号到到到到数数数数字字字字信信信信号号号号的的的的转转转转换换换换称称称称为为为为模模模模/数数数数转转转转换换换换，或或或或简简简简称称称称为为为为ADCADC；把把把把后后后后一一一一种种种种从从从从数数数数字字字字信信信信号号号号到到到到模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号的的的的转转转转换换换换称称称称为为为为DACDAC转转转转换换换换。同同同同时时时时，把把把把实实实实现现现现模模模模/数数数数转转转转换换换换的的的的电电电电路路路路称称称称为为为为A/DA/D转换器；把实现数转换器；把实现数转换器；把实现数转换器；把实现数/模转换的电路称为模转换的电路称为模转换的电路称为模转换的电路称为D/AD/A转换器。转换器。转换器。转换器。第第2页页第4页，共37页，编辑于2022年，星期六 在在在在目目目目前前前前常常常常见见见见的的的的D/AD/A转转转转换换换换器器器器中中中中，有有有有权权权权电电电电阻阻阻阻网网网网络络络络D/AD/A转转转转换换换换器器器器，倒倒倒倒梯梯梯梯形形形形电电电电阻阻阻阻网网网网络络络络D/AD/A转转转转换换换换器器器器等等等等。A/DA/D转转转转换换换换器器器器的的的的类类类类型型型型也也也也有有有有多多多多种种种种，可可可可以以以以分分分分为为为为直直直直接接接接A/DA/D转转转转换换换换器器器器和和和和间间间间接接接接A/DA/D转转转转换换换换器器器器两两两两大大大大类类类类。在在在在直直直直接接接接A/DA/D转转转转换换换换器器器器中中中中，输输输输入入入入的的的的模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号直直直直接接接接被被被被转转转转换换换换成成成成相相相相应应应应的的的的数数数数字字字字信信信信号号号号；而而而而在在在在间间间间接接接接A/DA/D转转转转换换换换器器器器中中中中，输输输输入入入入的的的的模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号先先先先被被被被转转转转换换换换成成成成某某某某种种种种中中中中间间间间变变变变量量量量（如如如如时时时时间间间间、频频频频率率率率等等等等），然然然然后后后后再将中间变量转换为最后的数字量。再将中间变量转换为最后的数字量。再将中间变量转换为最后的数字量。再将中间变量转换为最后的数字量。第第2页页第5页，共37页，编辑于2022年，星期六12.1 数数/模转换器（模转换器（DAC）12.1.1 DAC12.1.1 DAC的基本概念的基本概念的基本概念的基本概念 数数/模模转转换换器器中中的的文文字字D代代表表数数字字量量，A代代表表模模拟拟量量，转换器用转换器用C表示。表示。1.DAC1.DAC的转换特性的转换特性的转换特性的转换特性 DAC电路的作用是将输入的数字量转换成与输入数字量电路的作用是将输入的数字量转换成与输入数字量成正比输出模拟量。成正比输出模拟量。DAC是将输入的二进制数字信号转换成模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。因此拟信号，以电压或电流的形式输出。因此DAC可以看作是一个译可以看作是一个译码器。码器。一般常用的线性一般常用的线性一般常用的线性一般常用的线性DACDAC，其输出模拟电压，其输出模拟电压，其输出模拟电压，其输出模拟电压U U和输入数字和输入数字和输入数字和输入数字量量量量D D之间成正比关系，即之间成正比关系，即之间成正比关系，即之间成正比关系，即U=KDU=KD，式中，式中，式中，式中K K为常数。为常数。为常数。为常数。第第2页页第6页，共37页，编辑于2022年，星期六 D/A转换器的一般结构如下图所示，转换器的一般结构如下图所示，图中数据锁存器用图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号。来暂时存放输入的数字信号。n位锁存器的并行输出分别控制位锁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。加到电阻解码网络。电电 子子 开开 关关电电 阻阻 网网 络络数数据据锁锁存存器器基基 准准 电电 压压求求 和和 放放 大大数数数数字字字字量量量量输输输输入入入入模模模模拟拟拟拟量量量量输输输输出出出出DACDAC组成框图组成框图组成框图组成框图第第2页页第7页，共37页，编辑于2022年，星期六 对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字拟量，从而实现数字/模拟转换。模拟转换。当输入的数字量是由当输入的数字量是由n位位8421BCD码表示的数字信号：码表示的数字信号：DAC电路的输出模拟电压电路的输出模拟电压u0（或模拟电流（或模拟电流i0）为：）为：电流转换系数电流转换系数电压转换系数电压转换系数第第2页页第8页，共37页，编辑于2022年，星期六DAC的转换特性曲线的转换特性曲线理想特性理想特性数字输入数字输入模拟输出模拟输出当当Ru（或（或Ri）为）为1、n时，根据上式可得时，根据上式可得DAC的转换特性的转换特性曲线如下图所示。曲线如下图所示。2.DAC2.DAC的主要参数的主要参数的主要参数的主要参数（1）分辨率：）分辨率：指最小输出电压（对应输入的数字量最低位为指最小输出电压（对应输入的数字量最低位为1，其他位均为，其他位均为0）与最大输出电压（对应输入的数字量各位全为）与最大输出电压（对应输入的数字量各位全为1）之比。）之比。第第2页页第9页，共37页，编辑于2022年，星期六 由上式可看出，当由上式可看出，当um一定时，输入数字量的位数一定时，输入数字量的位数n n越越越越多，分辩能力也就越高多，分辩能力也就越高多，分辩能力也就越高多，分辩能力也就越高。（2）绝对精度（或绝对误差）和非线性度：）绝对精度（或绝对误差）和非线性度：绝对精度绝对精度绝对精度绝对精度是指输入端加对应满刻度数字量时，是指输入端加对应满刻度数字量时，DAC输出的实际值与输出的实际值与理论值之差。一般绝对误差应低于理论值之差。一般绝对误差应低于uLSB/2。在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。非线性误差在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。非线性误差与满刻度值之比称与满刻度值之比称非线性度非线性度非线性度非线性度，常用百分比表示。，常用百分比表示。（3）建立时间：）建立时间：指输入变化后，输出值稳定到距最终输出量指输入变化后，输出值稳定到距最终输出量uLSB所所需的时间。需的时间。建立时间反映了建立时间反映了建立时间反映了建立时间反映了DACDAC电路转换的速度电路转换的速度电路转换的速度电路转换的速度。除此之外，在选用除此之外，在选用除此之外，在选用除此之外，在选用DACDAC器件时，还需要考虑其电源电压、输出方式、器件时，还需要考虑其电源电压、输出方式、器件时，还需要考虑其电源电压、输出方式、器件时，还需要考虑其电源电压、输出方式、输出值范围及输入逻辑电平等参数。输出值范围及输入逻辑电平等参数。输出值范围及输入逻辑电平等参数。输出值范围及输入逻辑电平等参数。第第2页页第10页，共37页，编辑于2022年，星期六Xn-1Xn-2X2X1X0Sn-1Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I020R21R2n-3R2n-2R2n-1RIFRF-+u01.1.权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络DACDAC12.1.2 DAC12.1.2 DAC的工作原理的工作原理 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络DACDAC的电路结构图的电路结构图的电路结构图的电路结构图n位二进制数字输入位二进制数字输入模拟电子开关模拟电子开关权电阻权电阻2R从最低位到最高位，每一从最低位到最高位，每一个位置上的电阻都是相邻高位电阻值个位置上的电阻都是相邻高位电阻值的的2倍倍UR集成运放集成运放和权电阻网络构和权电阻网络构成一个加法电路成一个加法电路第第2页页第11页，共37页，编辑于2022年，星期六Xn-1Xn-2X2X1X0Sn-1Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I020R21R2n-3R2n-2R2n-1RIFRF-+u0第第2页页第12页，共37页，编辑于2022年，星期六IF权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络DACDAC的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理 电阻电阻2R和运算放大器构成一个加法电路，电路图中和运算放大器构成一个加法电路，电路图中S0Sn-1为模拟电子开关，其位置状态由输入数字量为模拟电子开关，其位置状态由输入数字量Xi 控制。控制。Xi=1时，电子开关向上闭合，与基准电压时，电子开关向上闭合，与基准电压UR接通；当接通；当Xi=0时，电子开关向下闭合，与时，电子开关向下闭合，与“地地”相接。相接。当当Xi=1时，时，Si接通，通过电阻上的电流接通，通过电阻上的电流Ii流向运算放大器流向运算放大器的反相输入端，即流入求和电路。的反相输入端，即流入求和电路。由于集成运放的反相输入端为由于集成运放的反相输入端为“虚地虚地”，因此相当于权电阻，因此相当于权电阻2R与与“地地”相接；相接；当当Xi=0时，时，Si将权电阻将权电阻2R直接与直接与“地地”相连；相连；所以，无论所以，无论Si处于何种位置，与处于何种位置，与Si相连的权电阻相连的权电阻2R总是总是与与“地地”相通。相通。第第2页页第13页，共37页，编辑于2022年，星期六权电阻网络流入集成运放的总电流为各开关支路电流之和：权电阻网络流入集成运放的总电流为各开关支路电流之和：各开关支路的电流依次为各开关支路的电流依次为各开关支路的电流依次为各开关支路的电流依次为I Ii i=U UR R/(2/(2i iR)R)上上式式反反映映了了权权电电阻阻网网络络的的电电流流转转换换特特性性，根根据据运运算算放放大大器器求求和运算公式，可得出电路输出电压和运算公式，可得出电路输出电压u0为：为：若令：若令：若令：若令：当当当当X X0 0=“1 1”时，基准电流时，基准电流时，基准电流时，基准电流 I I0 0=U UR R/(2/(2n-1n-1 R)R)分析讨论分析讨论电流转换系数电流转换系数第第2页页第14页，共37页，编辑于2022年，星期六例：例：在权电阻求和网络在权电阻求和网络DAC电路中，设基准电源电路中，设基准电源UR=10V,反馈电阻反馈电阻RFR/2，输入二进制数，输入二进制数X的位数的位数n6，试求：，试求：解：解：（1）当最低位输入码由）当最低位输入码由0变为变为1时，输出电压时，输出电压u0的变化量为何值？的变化量为何值？（2）当）当X=110101时，输出电压时，输出电压u0为何值？为何值？（3）当）当X=111111时，输出电压值（最大满刻度电压）时，输出电压值（最大满刻度电压）u0？当最低位输入码由当最低位输入码由0变为变为1时，输出电压时，输出电压u0的变化量就是输入的变化量就是输入X=000001所对应的输出电压，其数值为：所对应的输出电压，其数值为：当当X=110101时：时：当当X=111111时：时：第第2页页第15页，共37页，编辑于2022年，星期六2.2.倒倒倒倒T T形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络DAC图12.3 R2R倒T形电阻网络DACu0+_2R2R2R2R2R2Rxn1xn2x2x1x0Sn1Sn2 S2 S1 S0In1In2 I2 I1 I0RFR结点结点BR结点结点CR结点结点DR结点结点E结点结点AIFUR基准电压基准电压该网络虽然也是由电阻网络、该网络虽然也是由电阻网络、电子开关、基准电压及运放电子开关、基准电压及运放组成，但其电阻网络与权电组成，但其电阻网络与权电阻网络完全不同。阻网络完全不同。第第2页页第16页，共37页，编辑于2022年，星期六倒倒倒倒T形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络DAC的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理 倒倒T形电阻网络中有形电阻网络中有n个节点，由电阻构成梯形结构，从个节点，由电阻构成梯形结构，从每个节点向左和向下看，每个支路的等效电阻均为每个节点向左和向下看，每个支路的等效电阻均为2R。从。从基准电压源基准电压源UR中流出的电流由节点中流出的电流由节点A节点节点B节点节点E地的过程中，每经过一个节点，就产生地的过程中，每经过一个节点，就产生1/2的分流流入模拟的分流流入模拟电子开关，所以流入各模拟电子开关的电流比例关系和二进制数电子开关，所以流入各模拟电子开关的电流比例关系和二进制数各位的权所对应的相同，流入运算放大器的电流和输入数码的值各位的权所对应的相同，流入运算放大器的电流和输入数码的值呈线性关系，实现数呈线性关系，实现数/模的转换。另外，无论输入数字信号是模的转换。另外，无论输入数字信号是“0”还是还是“1”，模拟电子开关的右边均为，模拟电子开关的右边均为“0”电位，所以电路电位，所以电路在工作的过程中，流过电阻网络的电流大小始终不变。在工作的过程中，流过电阻网络的电流大小始终不变。第第2页页第17页，共37页，编辑于2022年，星期六R2R倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC的输出电压为：的输出电压为：当当RF=R时，输出电压为：时，输出电压为：第第2页页第18页，共37页，编辑于2022年，星期六1.1.逻辑框图逻辑框图逻辑框图逻辑框图12.1.3 12.1.3 集成数集成数集成数集成数/模转换器模转换器模转换器模转换器DAC083DAC083 DAC0832是目前国内用得较普遍的数模转换器。它采用是目前国内用得较普遍的数模转换器。它采用CMOS工艺工艺制成的双列直插式单片制成的双列直插式单片8位数模转换器，以电流形式输出。当转换为电位数模转换器，以电流形式输出。当转换为电压输出时，可外接运算放大器压输出时，可外接运算放大器。DAC0832由一个由一个八位输入寄存器、八位输入寄存器、一个八位一个八位DAC寄寄存器和一个八位存器和一个八位D/A转换器三大部转换器三大部分组成，分组成，D/A转换转换器采用了倒器采用了倒T型型R-2R电阻网络。电阻网络。第第2页页第19页，共37页，编辑于2022年，星期六2.2.管脚排列图及功能管脚排列图及功能管脚排列图及功能管脚排列图及功能片选信号输入端片选信号输入端CSCSWRWR1 1XFERXFERWRWR2 2U UCCCCILEILEDGNDDGNDI IO1O1AGNDAGNDI IO2O2D D1 1D D0 0D D3 3D D2 2U UR RR RF FD D6 6D D7 7D D4 4D D5 5输入锁存允许信号端输入锁存允许信号端输入数据选通信号输入数据选通信号数据传送选通信号数据传送选通信号写信号写信号2基准电源输入端基准电源输入端反馈电阻反馈电阻D为数字量输入端为数字量输入端电流输出端电流输出端1和和2电源电源515V输入端输入端模拟模拟“地地”数字数字“地地”当当DAC0832的控制端恒处于有效电平时，芯片为直通工作方式。的控制端恒处于有效电平时，芯片为直通工作方式。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。芯片中已设置了了RF，只要将，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。不够，还须外加反馈电阻。第第2页页第20页，共37页，编辑于2022年，星期六讨论题讨论题 绝对精度是指输入端给定数字量时，绝对精度是指输入端给定数字量时，DAC输出的实际值与理论值之差；输出的实际值与理论值之差；非线性指在满刻度范围内，偏离理非线性指在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值与满刻度之比；想转换特性的最大值与满刻度之比；转换速度则是指从数字量输入到模转换速度则是指从数字量输入到模拟电压稳定输出之间所需要的时间拟电压稳定输出之间所需要的时间。什么是什么是DAC的绝的绝对精度、非线性对精度、非线性及转换速度？及转换速度？DAC0832数模转数模转换器是采用什么换器是采用什么制造工艺？制造工艺？DAC电路转换特性电路转换特性的含义是什么？请的含义是什么？请写出其表达式。写出其表达式。DAC电路转换特性是指它能将电路转换特性是指它能将输入的数字量转换成与其成正比输入的数字量转换成与其成正比的模拟量。表达式为：的模拟量。表达式为：已知某已知某DACDAC电路的最小分电路的最小分辨电压为辨电压为40mV，最大满，最大满刻度输出电压为刻度输出电压为1 10.2V,试试求该电路输入二进制数字求该电路输入二进制数字量的位数量的位数n=？.因为：因为：=所以：将已知数据代入所以：将已知数据代入公式可求得公式可求得n=8。uLSBum12n-1DAC0832数模转换器采用的数模转换器采用的是是CMOS工艺制成的双列直工艺制成的双列直插式单片插式单片8 8位数模转换器，以位数模转换器，以电流形式输出。电流形式输出。第第2页页第21页，共37页，编辑于2022年，星期六12.2.1 ADC的基本概念的基本概念 12.2.2 ADC的电路的形式和工作原理的电路的形式和工作原理 12.2.3 集成集成ADC0809简介简介 第第2页页第22页，共37页，编辑于2022年，星期六12.2.1 ADC12.2.1 ADC的基本概念的基本概念的基本概念的基本概念 A/D 转换器的作用就是将输入的模拟电压数字化。转换过转换器的作用就是将输入的模拟电压数字化。转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。第第2页页第23页，共37页，编辑于2022年，星期六1.1.采样保持电路采样保持电路采样保持电路采样保持电路 采样就是将时间连续的信号变成时间不连续的离散信号。这个过采样就是将时间连续的信号变成时间不连续的离散信号。这个过程是通过模拟开关来实现的。模拟开关每隔一定的时间间隔程是通过模拟开关来实现的。模拟开关每隔一定的时间间隔T(称为采样称为采样周期）闭合一次，一个连续信号通过这个开关，转换成一系列脉冲信号，称为采周期）闭合一次，一个连续信号通过这个开关，转换成一系列脉冲信号，称为采样信号。采样过程如下图所示。样信号。采样过程如下图所示。CP1时，采样开关时，采样开关S接通，接通，ui信号被采样，并送到电容信号被采样，并送到电容C中暂存。中暂存。CP0时，采样开关时，采样开关S断开，前面采样得到的电压信号在电容断开，前面采样得到的电压信号在电容C上保持，直到上保持，直到下一个下一个CP1信号到来，再对新的电压信号进行采样。信号到来，再对新的电压信号进行采样。uiu0SCPuiu0ADC采样保持电路采样保持电路第第2页页第24页，共37页，编辑于2022年，星期六2.2.量化编码电路量化编码电路量化编码电路量化编码电路 输输入入的的模模拟拟电电压压经经过过采采样样保保持持后后，得得到到的的是是一一个个一一个个的的阶阶梯梯波波。由由于于阶阶梯梯的的幅幅度度是是任任意意的的，将将会会有有无无限限个个数数值值，因因此此该该阶阶梯梯形形采采样样信信号号仍仍可可看看作作是是一一个个可可以以连连续续取取值值的的模模拟拟量量。另另一一方方面面，由由于于数数字字量量的的位位数数有有限限，只只能能表表示示有有限限个个数数值值(n位位数数字字量量只只能能表表示示2n个个数数值值)。因因此此，用用数数字字量量来来表表示示连连续续变变化化的的模模拟拟量量时时就就有有一一个个类类似似于于四四舍舍五五入入的的近近似似问问题题。必必须须将将采采样样后后的的样样值值电电压压归归化化到到与与之之接接近近的的离离散散电电平平上上，这这个个过过程程称称为为量量量量化化化化。指指定定的的离离散散电电平平称称为为量量化化电电压压。用用二二进进制制数数码码来来表表示示各各个个量量化化电电压压的的过过程程称称为为编编编编码码码码。两两个个量量化化电电压压之之间间的的差差值值称称为为量量量量化化化化间间间间隔隔隔隔S S，位位数数越越多多，量量化化等等级级越越细细，S就就越越小小。取取样样保保持持后后未未量量化化的的uo值值与与量量化化电电压压uq值值通通常常是是不不相相等等的的，其其差差值值称称为为量量量量化化化化误误误误差差差差，即即=uo-uq。量化的方法一般有两种：量化的方法一般有两种：舍尾取整法舍尾取整法舍尾取整法舍尾取整法和和四舍五入法四舍五入法四舍五入法四舍五入法。第第2页页第25页，共37页，编辑于2022年，星期六 对采样值量化的方法有舍尾取整法、四舍五入法，对采样值量化的方法有舍尾取整法、四舍五入法，通常采用通常采用通常采用通常采用四舍五入法四舍五入法四舍五入法四舍五入法。当最小量化间隔（亦称为。当最小量化间隔（亦称为“量化当量量化当量”）为）为S时，时，若采样电压的尾数不足若采样电压的尾数不足S/2，则舍尾取整得其量化值；若采样，则舍尾取整得其量化值；若采样电压的尾数等于或大于电压的尾数等于或大于S/2，则舍尾入整，在原整数加，则舍尾入整，在原整数加1。例如：已知例如：已知S1V，若采样电压等于，若采样电压等于2.1V时，量化电压等时，量化电压等于于2V；若采样电压等于；若采样电压等于2.5V时，量化电压等于时，量化电压等于3V。舍尾取整法舍尾取整法四舍五入法四舍五入法 不论何种量化方式，量化过程中必然存在被测输入量与量化不论何种量化方式，量化过程中必然存在被测输入量与量化值之间的误差。若要减小值之间的误差。若要减小，就应在，就应在测量范围内减小量化间隔测量范围内减小量化间隔S，即增加数字量，即增加数字量X的位数和模拟电压的最大值的位数和模拟电压的最大值um。四舍五入量化方式的量化当量四舍五入量化方式的量化当量S应按下式选取：应按下式选取：第第2页页第26页，共37页，编辑于2022年，星期六3.3.集成集成集成集成ADCADC的主要参数的主要参数的主要参数的主要参数分分 辨辨 率率 通常用通常用ADCADC输出的二进制位数来表示。输出的二进制位数来表示。位数越多,误差越小,转换精度越高。转换时间转换时间 指指ADC完成一次对模拟量的测量到数字量的转换完成所需的时完成一次对模拟量的测量到数字量的转换完成所需的时间。间。它反映了ADC转换的快慢速度。绝对精度绝对精度 指指ADC转换拍所得数字量所代表的模拟量与实际模拟输转换拍所得数字量所代表的模拟量与实际模拟输入值之差，入值之差，通常以数字量最低位所代表的模拟输入值ULSB来衡量。第第2页页第27页，共37页，编辑于2022年，星期六12.2.2 ADC12.2.2 ADC电路的形式和工作原理电路的形式和工作原理电路的形式和工作原理电路的形式和工作原理 1.1.逐次比较型逐次比较型逐次比较型逐次比较型ADCADCCP转换开始前寄存转换开始前寄存器清零。转换后，器清零。转换后，在在CP作用下，逻作用下，逻辑控制器首先使辑控制器首先使寄存器中最高有寄存器中最高有效位置效位置“1”。输出数字量经输出数字量经DAC转换后产生相应的转换后产生相应的模拟电压模拟电压uF，送到比较器中与输入信号，送到比较器中与输入信号ui进行比较，进行比较，ui大时比较器输出大时比较器输出“1”，否则，否则为为“0”。电电压压比比较较器器输出数字量输出数字量模拟信号输入模拟信号输入基准电压基准电压逐次逼逐次逼近寄存器近寄存器D/A 转换器转换器逻逻辑辑控控制制器器数码数码 寄存器寄存器uF反馈电压反馈电压第第2页页第28页，共37页，编辑于2022年，星期六 逐次比较型逐次比较型ADC是集成是集成ADC芯片中使用较多的一种，它芯片中使用较多的一种，它通过对输入量的多次比较，最终得到输入模拟电压量化编码通过对输入量的多次比较，最终得到输入模拟电压量化编码输出。输出。当当uiuF时，比较器输出时，比较器输出0，控制器控制寄存器保留最高位的，控制器控制寄存器保留最高位的1，次高位，次高位置置“1”；当；当uiuF时，比较器输出时，比较器输出“1”，控制器控制寄存器最高位置，控制器控制寄存器最高位置“0”，次高位置，次高位置“1”。寄存器内数据经。寄存器内数据经DAC电路后输出反馈信号到比较器，进电路后输出反馈信号到比较器，进行第二次比较，并将比较结果送入逻辑控制器，送入行第二次比较，并将比较结果送入逻辑控制器，送入“0”时保留寄存器中高时保留寄存器中高两位的值，并将第三位置两位的值，并将第三位置“1”，若送入，若送入1保留最高位，次高位置保留最高位，次高位置“0”，第，第三位置三位置“1”，寄存器内数据经，寄存器内数据经DAC电路后输出反馈信号到比较器，电路后输出反馈信号到比较器，经过经过逐次比较，直至得到寄存器中最低位的比较结果。比较完毕，寄存逐次比较，直至得到寄存器中最低位的比较结果。比较完毕，寄存器中的状态（即产生的数码）就是所要求的器中的状态（即产生的数码）就是所要求的ADC输出的数字量。输出的数字量。第第2页页第29页，共37页，编辑于2022年，星期六2.2.双积分型双积分型双积分型双积分型ADCADC双积分型双积分型A/D转换器原理图转换器原理图URUiS1RS2CUo积分器积分器0比较器比较器CP数字量输出数字量输出n位计数器_+A1_+A2逻辑控制器 双积分型双积分型ADC的基本原理的基本原理是对输入模拟电压是对输入模拟电压Ui和参考电和参考电压各进行一次积分，先将模拟压各进行一次积分，先将模拟电压电压Ui转换成与其大小相对应转换成与其大小相对应的时间间隔的时间间隔T，再在此时间间，再在此时间间隔内用计数率不变的计数器进隔内用计数率不变的计数器进行计数，计数器所计下的数字行计数，计数器所计下的数字量正比于输入的模拟电压量正比于输入的模拟电压Ui。双积分型双积分型ADC的转换速度较的转换速度较慢，但是它的电路不复杂，在慢，但是它的电路不复杂，在数字万用表等对速度要求不高数字万用表等对速度要求不高的场合，常使用双积分型的场合，常使用双积分型ADC。第第2页页第30页，共37页，编辑于2022年，星期六双积分型双积分型双积分型双积分型ADCADC的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理 积分前，计数器清零，开关积分前，计数器清零，开关S2先闭合，后打开，使先闭合，后打开，使C上的电压为零。上的电压为零。在采样阶段，在采样阶段，S1接被测电压，接被测电压，S2打开。被测电压被送入积分器进行积分，积分器打开。被测电压被送入积分器进行积分，积分器输出电压小于输出电压小于0，比较器输出高电平，比较器输出高电平1，逻辑控制器控制计数器开始计数，对，逻辑控制器控制计数器开始计数，对被测电压的积分持续到计数器由全被测电压的积分持续到计数器由全1变为全变为全0的瞬间。当计数器为的瞬间。当计数器为n位时，计位时，计数时间为数时间为T1=2nTC，TC是时钟脉冲的周期。这时积分器的输出电压为：是时钟脉冲的周期。这时积分器的输出电压为：当计数器由全当计数器由全1变为全变为全0时，进入比较阶段，控制器使时，进入比较阶段，控制器使S1接参考电压接参考电压UR，这，这时积分器对时积分器对UR反向积分，电压反向积分，电压U0逐渐上升，计数器又从逐渐上升，计数器又从0开始计数。当积分器开始计数。当积分器积分至积分至U0=0时，比较器输出低电平时，比较器输出低电平0，控制器封锁，控制器封锁CP脉冲，使计数器停止计数，若脉冲，使计数器停止计数，若计数器的输出数码为计数器的输出数码为D，此时积分器的输出电压与计数器的输出数码之间的，此时积分器的输出电压与计数器的输出数码之间的关系为：关系为：而而T2=DTC，所以：，所以：以用来表示模拟量的采样值。以用来表示模拟量的采样值。即计数器输出的数码与被测电压成正比，可即计数器输出的数码与被测电压成正比，可第第2页页第31页，共37页，编辑于2022年，星期六12.2.3 12.2.3 集成集成ADC0809简介简介简介简介 ADC0809集成电路结构组成图集成电路结构组成图第第2页页第32页，共37页，编辑于2022年，星期六 ADC0809通过通过IN0IN7可输入八路单端模拟电压。可输入八路单端模拟电压。ALE将三位地址线将三位地址线ADDC、ADDB和和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路进行A/D转换。转换。ADC0809内部由树状开关和内部由树状开关和256R电阻网络构成八位电阻网络构成八位D/A转换器，其输入为转换器，其输入为逐次近似寄存器逐次近似寄存器SAR的八位二进制数据，输出为的八位二进制数据，输出为UST，变换器的参考电压为，变换器的参考电压为UR(+)和和UR(-)。在比较前，在比较前，SAR为全为全 0，变换开始，先使，变换开始，先使SAR的最高位为的最高位为1，其余仍为，其余仍为0，此数字控制树状开关输出此数字控制树状开关输出UST，UST和模拟输入和模拟输入UIN送比较器进行比较。若送比较器进行比较。若USTUIN，则比较器输出逻辑，则比较器输出逻辑0，SAR的最高位由的最高位由 1 变为变为0；若；若USTUIN，则比较，则比较器输出逻辑器输出逻辑 1，SAR的最高位保持的最高位保持 1。此后，。此后，SAR的次高位置的次高位置 1，其余较低位，其余较低位仍为仍为 0，而以前比较过的高位保持原来值。再将，而以前比较过的高位保持原来值。再将UST和和UIN进行比较。此后的过程进行比较。此后的过程与上述类似，直到最低位比较完为止。与上述类似，直到最低位比较完为止。转换结束后，转换结束后，SAR的数字送三态输出锁存器，以供读出。的数字送三态输出锁存器，以供读出。第第2页页第33页，共37页，编辑于2022年，星期六ADC0809集成电路管脚排列图集成电路管脚排列图ADC0809左图是左图是ADC0809集成芯片的引脚图。集成芯片的引脚图。它是一个它是一个28脚的芯片，采用脚的芯片，采用CMOS工工艺制成的艺制成的8位位ADC，内部采用逐次比较，内部采用逐次比较结构形式。各引脚的作用如下：结构形式。各引脚的作用如下：IN0IN7 8个模拟信号输入端。由个模拟信号输入端。由地址译码器控制将其中一路送入地址译码器控制将其中一路送入转换器进行转换。转换器进行转换。ADDA、ADDB、ADDC 是模拟信道是模拟信道的地址选择。的地址选择。ALE是地址锁存允许信号，高电平时可进行模拟信道的地址选择；是地址锁存允许信号，高电平时可进行模拟信道的地址选择；START是启动信号。上升沿将寄存器清零，下降沿开始进行转换。是启动信号。上升沿将寄存器清零，下降沿开始进行转换。CP是时钟脉冲输入端；是时钟脉冲输入端；EOC为模数转换结束，高电平有效；为模数转换结束，高电平有效；D0D7 是数字量输出端口；是数字量输出端口；UR（+）：正参考电压输出；：正参考电压输出；UR（）：负参考电压输出；：负参考电压输出；UCC：电源；：电源；GND：地端。地端。第第2页页第34页，共37页，编辑于2022年，星期六1 1A/DA/D和和D/AD/A转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。5 5A/DA/D转转换换器器和和D/AD/A转转换换器器的的主主要要技技术术参参数数是是转转换换精精度度和和转转换换速速度度，在在与与系系统统连连接接后后，转转换换器器的的这这两两项项指指标标决决定定了了系系统统的的精精度度与与速速度度。目目前前，A/DA/D与与D/AD/A转转换换器器的的发发展展趋趋势势是是高高速速度度、高高分分辨辨率率及及易易于于与与微微型型计计算算机机接接口口，用用以以满满足足各各个个应应用用领领域域对对信信号号处处理理的要求。的要求。2 2倒倒T T型型电电阻阻网网络络D/AD/A转转换换器器中中电电阻阻网网络络阻阻值值仅仅有有R和和2R两两种种，各各2R支支路路电电流流Ii与与Di数数码码状状态态无无关关，是是一一定定值值。由由于于支支路路电电流流流流向向运运放放反反相相端端时时不不存存在在传传输输时时间间，因而具有较高的转换速度。，因而具有较高的转换速度。3 3在在权权电电流流型型D/AD/A转转换换器器中中，由由于于恒恒流流源源电电路路和和高高速速模模拟拟开开关关的的运运用用使使其其具具有有精精度高、转换快的优点，双极型单片集成度高、转换快的优点，双极型单片集成D/AD/A转换器多采用此种类型电路。转换器多采用此种类型电路。4 4不不同同的的A/DA/D转转换换方方式式具具有有各各自自的的特特点点，并并行行A/DA/D转转换换器器速速度度高高；双双积积分分A/DA/D转转换换器器精精度度高高；逐逐次次比比较较型型A/DA/D转转换换器器在在一一定定程程度度上上兼兼有有以以上上两两种种转转换换器器的的优优点点，因因此此得得到普遍应用。到普遍应用。本章小结本章小结本章小结本章小结第第2页页第35页，共37页，编辑于2022年，星期六练习题练习题在在ADC0809电路中，若电路中，若输入电位为输入电位为7.286V,经逐经逐次比较转换，这个次比较转换，这个ADC电路输出的电路输出的8位二进制数位二进制数字量字量D应为何值？应为何值？ADC电路可分为哪电路可分为哪两类？并行输出两类？并行输出ADC电路由哪几部电路由哪几部分组成？分组成？ADC电路可分为逐次比较型电路可分为逐次比较型ADC和双和双积分型积分型ADC两类。并行输出的两类。并行输出的ADC电路电路由电压比较器、寄存器和编码器三大由电压比较器、寄存器和编码器三大部分组成。部分组成。ADCADC有哪两种量化方式？有哪两种量化方式？它们的量化当量它们的量化当量S S各按什各按什么公式选取？它们的量化么公式选取？它们的量化误差各在什么范围内？哪误差各在什么范围内？哪种量化方式好些？种量化方式好些？.ADC的量化方式有舍尾取整法和四的量化方式有舍尾取整法和四舍五入法两种。若采样电压的尾数舍五入法两种。若采样电压的尾数不足不足S/2,则舍尾取整得其量化值；若则舍尾取整得其量化值；若采样电压的尾数等于或大于采样电压的尾数等于或大于S/2则四则四舍五入，在原数上加舍五入，在原数上加1取整。四取整。四舍五入法好一些。舍五入法好一些。多看！多练！多看！多练！勤思考勤思考第第2页页第36页，共37页，编辑于2022年，星期六第第2页页第37页，共37页，编辑于2022年，星期六