第9章数模与模数转换PPT讲稿.ppt

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1、第1页，共78页，编辑于2022年，星期二教学基本要求教学基本要求n1 1、掌掌握握倒倒T T形形电电阻阻网网络络D/AD/A转转换换器器(DAC)(DAC)、集集成成D/AD/A转转换换器器75207520的工作原理及相关计算。的工作原理及相关计算。n2 2、正确理解、正确理解D/AD/A转换器的两种输出方式。转换器的两种输出方式。n3 3、了了解解并并行行比比较较、逐逐次次比比较较、双双积积分分A/DA/D转转换换器器(ADC)(ADC)的工作原理及其特点。的工作原理及其特点。n4 4、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。9 9 数模与模数转换器

2、数模与模数转换器第2页，共78页，编辑于2022年，星期二D/A转换、A/D转换的应用模模拟拟传感器传感器A/D转换器转换器数字控制数字控制计算机计算机D/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ADCADC和和DACDAC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。传感器传感器(温度、压力、流量、温度、压力、流量、应力等）应力等）计算机进行数字处理（如计计算机进行数字处理（如计算、滤波）、数据保存等算、滤波）、数据保存等用模拟量作为控制用模拟量作为控制信号信号第3页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.1 9.1.1 倒倒

3、T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器 9.1.2 9.1.2 权电流型权电流型D/AD/A转换器转换器 9.1.3 D/A9.1.3 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式 9.1.4 D/A9.1.4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 9.1.5 9.1.5 集成集成D/AD/A转换及其应用转换及其应用 9.1.0 D/A9.1.0 D/A转换器概述转换器概述 9.1 D/A9.1 D/A转换器转换器第4页，共78页，编辑于2022年，星期二1 1、DACDAC的功能的功能:将数字量成正比地转换与之对应的模拟量将数字量成正比地转换与之对应的模拟量 。（设（设D/A

4、D/A转换器的输转换器的输 入数字量为入数字量为 n n位）位）n n位位数字量数字量模拟量模拟量0-5V0-5V或或0-9V0-9V等等9.1.0 D/A 9.1.0 D/A 转换器概述转换器概述DACDAC4 4位位8 8位位9 9位位1212位位1616位等位等n=n=第5页，共78页，编辑于2022年，星期二如何如何实现实现D/AD/A？9.1.0 D/A 9.1.0 D/A 转换器概述转换器概述 数字量是用代码按数位组合而成的数字量是用代码按数位组合而成的,对于有权码对于有权码,每位代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转换成相码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权

5、的大小转换成相应的模拟量应的模拟量,然后，将这些模拟量相加然后，将这些模拟量相加,即可得到与数字量成即可得到与数字量成正比的模拟量正比的模拟量,这样，就可以实现数字量这样，就可以实现数字量-模拟量的转换。模拟量的转换。2.2.实现实现D/AD/A转换的基本思想转换的基本思想第6页，共78页，编辑于2022年，星期二3.3.D/AD/A转换器的组成转换器的组成:9.1.0 D/A 9.1.0 D/A 转换器概述转换器概述 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第7页，共78页，编辑于2022年，星期二4.4.D/AD/A转换器的分类转换器的分类:9.1.0 D/

6、A 9.1.0 D/A 转换器概述转换器概述按解码网络按解码网络结构分类结构分类 T T型电阻网络型电阻网络DACDAC倒倒T T形电阻网络形电阻网络DACDAC权电流权电流DACDAC 权电阻网络权电阻网络DAC DAC 按模拟电子开按模拟电子开关电路分类关电路分类 CMOSCMOS开关型开关型DACDAC双极型开关型双极型开关型DAC DAC 电流开关型电流开关型DAC DAC ECLECL电流开关型电流开关型DAC DAC D/A D/A 转转换换器器第8页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.1 9.1.1 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器D Di i=0,

7、S=0,Si i则将电阻则将电阻2 2R R接地接地D Di i=1,=1,S Si i接运算放大器反相端，电流接运算放大器反相端，电流I Ii i流入求和电路流入求和电路 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输输出出模模拟拟电电压压输入输入4 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S Si i处于处于何种位置，与何种位置，与S Si i相连的相连的2R2R电阻将接电阻将接“地地”或虚地或虚地。1 1、原理电路、原理电路第9页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.1 9.1.1 倒

8、倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器2 2、D/AD/A转换器的倒转换器的倒T T形电阻网络形电阻网络基准电源基准电源V VREFREF提供的总电流为：提供的总电流为：I=I=？流过各开关支路的电流：流过各开关支路的电流：I I3 3=？I I2 2=？I I1 1=？I I0 0=？I/I/4 4I/I/8 8I/I/1616R RR RR RR RI/I/2 2I/I/4 4I/I/8 8I/I/1616I/I/2 2I I3 3I I2 2I I1 1I I0 0流入每个流入每个2R2R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 2的整数倍递减。的整数倍递减。第1

9、0页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.1 9.1.1 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器3.3.工作原理：工作原理：I II I2 2I I1 1I I0 0I I3 3流入运放的总电流：流入运放的总电流：i i I I0 0+I I1 1+I I2 2+I I3 3(9.1.1)(9.1.1)第11页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.1 9.1.1 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器3.3.工作原理：工作原理：I II I2 2I I1 1I I0 0I I3 3输出模拟电压：输出模拟电压：(9.1.2)(9.1.2)第12页，共7

10、8页，编辑于2022年，星期二9.1.1 9.1.1 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器3.3.工作原理：工作原理：4 4 位倒位倒T T形电阻网络形电阻网络DACDAC的输出模拟电压的输出模拟电压：(9.1.2)(9.1.2)推广到推广到 n n 位倒位倒T T形电阻网络形电阻网络DAC,DAC,有：有：(9.1.3)(9.1.3)令：令：则则 O O=K NK NB B (9.1.4)(9.1.4)上式表明，上式表明，在电路中输入的每一个二进制数在电路中输入的每一个二进制数N NB B，均能得到与之成正比的模拟电压输出。均能得到与之成正比的模拟电压输出。第13页，共78

11、页，编辑于2022年，星期二为提高为提高D/AD/A转换器的精度，对电路参数的要求：转换器的精度，对电路参数的要求：(1)(1)基准电压稳定性好；基准电压稳定性好；(2)(2)倒倒T T形电阻网络中形电阻网络中R R和和2R2R电阻比值的精度要高；电阻比值的精度要高；(3)(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(4)(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 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 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/AD/A转换器的精度，可采用权电流型转换器的精度

12、，可采用权电流型D/AD/A转换器。转换器。9.1.1 9.1.1 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器第14页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.2 9.1.2 权电流型权电流型D/AD/A转换器转换器D Di i=1=1时，开关时，开关S Si i接运放的接运放的反相端反相端;D Di i=0=0时，开关时，开关S Si i接地。接地。电电路路在恒流源电路中，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。影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。采用

13、恒流源电路后对提高转换精度有什么好处？采用恒流源电路后对提高转换精度有什么好处？第15页，共78页，编辑于2022年，星期二实际的权电流实际的权电流D/AD/A转换器电路转换器电路9.1.2 9.1.2 权电流型权电流型D/AD/A转换器转换器第16页，共78页，编辑于2022年，星期二 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0模拟量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 09.1.3 D/A9.1.3 D/A转换器的输出方式转换器的输出方

14、式表表9.1.1 89.1.1 8位位D/AD/A转换器在单极性输出时的输入转换器在单极性输出时的输入/输出关系输出关系第17页，共78页，编辑于2022年，星期二1.1.单极性输出方式单极性输出方式 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器单极性电压输出的电路转换器单极性电压输出的电路 反相输出反相输出 同相输出同相输出 9.1.3 D/A9.1.3 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式第18页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.3 D/A9.1.3 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式双极性输出的双极性输出的8 8位位D/AD/A转换器输入与输出关系转换器输入与输出关系

15、十进十进制数制数2的补码的补码偏移二进制码偏移二进制码模拟量模拟量 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1D0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 O/VLSB1270 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 11271260 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 012611 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 111271 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 11271281 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0128第19页，共78页，编辑于2022年，星期二十进制数2的补码模拟D7D6D5

16、D4D3D2D1D0127011111111271260111111012610000000110000000000-111111111-1-12710000001-127-12810000000-128（3）双极性输出）双极性输出 1）2的补码的补码正数：补码原码负数：补码反码1符号位符号位第20页，共78页，编辑于2022年，星期二十进制数偏移二进制码模拟量D7D6D5D4D3D2D1D0127111111111271261111111012611000000110100000000-101111111-1-12700000001-127-12800000000-1282）偏移二进制码偏移

17、二进制码自然二进制码-80H=偏移二进制码2的补码+80H=偏移二进制码第21页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.3 D/A9.1.3 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式双极性输出的双极性输出的8 8位位D/AD/A转换器转换器N NB B27=80H=1/2VREF第22页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.4 D/A9.1.4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1.1.转换精度转换精度 ：通常用分辨率和转换误差来描述。：通常用分辨率和转换误差来描述。分辨率：分辨率：其定义为其定义为D/AD/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级转换器模拟输出电压可能被分离的

18、等级数。实际应用中往往用输入数字量的数。实际应用中往往用输入数字量的位数位数表示表示D/AD/A转换器的分转换器的分辨率。辨率。分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。压之比给出。n n位位D/AD/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为:第23页，共78页，编辑于2022年，星期二转换误差：转换误差：n转换误差转换误差：转换误差是指：转换误差是指D/AD/A转换器实际精度与理论上可达转换器实际精度与理论上可达到的精度之间存在误差。到的精度之间存在误差。n产生原因产生原因：由于：由于D/AD/A转换器中各元件参数值存在误差

19、，如基准转换器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影响。电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。n几种转换误差几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等9.1.4 D/A9.1.4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标第24页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.4 D/A9.1.4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 比例系数误差：比例系数误差：是指实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率是指实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差。的偏差。如在如在n n 位倒

20、位倒T T 形电阻网形电阻网络络D/AD/A转换器中，当转换器中，当V VREFREF偏偏离标准值离标准值V VREFREF时，就会在时，就会在输出端产生误差电压。由输出端产生误差电压。由式式9.1.39.1.3可知可知 由由V VREFREF引起的误差属于引起的误差属于比例系数误差。比例系数误差。第25页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.4 D/A9.1.4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 失调误差：由失调误差：由运算运算放大器的零点漂移引起，放大器的零点漂移引起，其大小与输入数字量无其大小与输入数字量无关，该误差使输出电压关，该误差使输出电压的转移特性曲线发生平的

21、转移特性曲线发生平移移 。三位三位D/AD/A转换器的失调误转换器的失调误差如图差如图9.1.89.1.8所示。所示。第26页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.5 9.1.5 集成集成D/AD/A转换器及其应用转换器及其应用1.AD7520D/A1.AD7520D/A转换器转换器9 9位位CMOSCMOS电流开关型电流开关型D/AD/A转换器转换器 第27页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.5 9.1.5 集成集成D/AD/A转换器及其应用转换器及其应用1.AD7520D/A1.AD7520D/A转换器中的转换器中的1 1位位CMOSCMOS模拟开关电路模拟开关电路 优点：

22、优点：使用简便、功耗低、转换速度较快、温度系数小、通用性强。使用简便、功耗低、转换速度较快、温度系数小、通用性强。第28页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.5 9.1.5 集成集成D/AD/A转换器及其应用转换器及其应用 2 2、集成、集成D/AD/A转换器应用之一：转换器应用之一：数字式可编程增益控制电路数字式可编程增益控制电路 第29页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.5 9.1.5 集成集成D/AD/A转换器及其应用转换器及其应用 2 2、集成、集成D/AD/A转换器应用之二：转换器应用之二：脉冲波产生电路脉冲波产生电路 第30页，共78页，编辑于2022年，星期二9

23、.1.5 9.1.5 集成集成D/AD/A转换及其应用转换及其应用 *2.2.集成集成D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832 它是八位的它是八位的D/AD/A变换器变换器,即在对其输入八即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。得相应的模拟电压值。下图是它的内部框图和引脚图：下图是它的内部框图和引脚图：第31页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.5 9.1.5 集成集成D/AD/A转换及其应用转换及其应用 *2.2.集成集成D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832八位八位寄存器寄存器(1)

24、(1)输入输入八位八位寄存器寄存器(2)(2)输入输入八位八位变换器变换器U UR RR RfbfbI Iout1out1I Iout2out2AGNDAGNDV VCCCCu uo oDGNDDGND&ILEILECSCSWRWR1 1WRWR2 2XFERXFERA/DA/DD D7 7D D0 0.1 11 1简化电路框图简化电路框图第32页，共78页，编辑于2022年，星期二9.1.5 9.1.5 集成集成D/AD/A转换及其应用转换及其应用 *2.2.集成集成D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832DAC 0832 DAC 0832 管脚图管脚图CSCSWRWR1 1WR

25、WR2 2AGNDAGNDD D4 4D D5 5D D6 6D D7 7D D0 0D D1 1D D2 2D D3 3U UCCCCU UR RR Rf f b bDGNDDGNDILEILEXFERXFERI Iout2out2I Iout1out11 12 23 34 45 56 67 78 89 99 91919181817171616151514141313121211112020CSCS：片选端：片选端WRWR1 1、WRWR2 2：写入端：写入端D D7 7-D-D0 0：数据输入端：数据输入端XFERXFER：转移控制端：转移控制端ILEILE：所存使能端：所存使能端I Io

26、ut2out2I Iout1out1：电流输出端：电流输出端U UR R：参考电压端：参考电压端R Rf bf b：内部反馈电：内部反馈电 阻输出端阻输出端第33页，共78页，编辑于2022年，星期二功功 能能数据数据D D7 7-D-D0 0输输入到寄存器入到寄存器1 1数据由寄存器数据由寄存器1 1转送寄存器转送寄存器2 2从输出端取从输出端取模拟量模拟量控控 制制 条条 件件CSILEWR1WR2XFER说说 明明01WR1=0时存入数据时存入数据WR1=1时锁定时锁定WR2=0时存入数据时存入数据WR2=1时锁定时锁定0无控制信号，无控制信号，随时可取随时可取DAC0832 功功 能能

27、 表表第34页，共78页，编辑于2022年，星期二例例1.DAC的连接工作的连接工作第35页，共78页，编辑于2022年，星期二9.2.1 A/D9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 9.2.2 9.2.2 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器 9.2.3 9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器9.2.4 9.2.4 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器 9.2.5 A/D9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 9.2 A/D 9.2 A/D 转换器转换器9.2.6 9.2.6 集成集成A/DA/D转换器及其应用转换器及其应用

28、 第36页，共78页，编辑于2022年，星期二 A/DA/D转转换换器器要要将将时时间间上上连连续续，幅幅值值也也连连续续的的模模拟拟量量转转换换为为时时间间上上离散离散，幅值也离散的数字信号，它一般要包括幅值也离散的数字信号，它一般要包括:取样取样、保持保持、量化、量化、编码编码4 4个过程个过程。A/DA/D转换器概述转换器概述ADCADCD Dn n-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能将将模模拟拟电电压压成成正正比比地地转转换换成成对对应应的的数数字量。字量。1.A/D1.A/D功能功能:第37页，共78页，编辑于2022年，星期二n2.A/D2.A/D转换器分

29、类转换器分类 并联比较型并联比较型 特点特点:转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns-110ns-1 s,s,但电路但电路复杂。复杂。逐次逼近型逐次逼近型 特点特点:转换速度适中转换速度适中,转换时间转换时间 为几为几 s-100 s-100 s,s,转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡个很好的平衡。双积分型双积分型 特点特点:转换速度慢转换速度慢,转换时间转换时间 几百几百 s-s-几几ms,ms,但抗但抗干扰能力最强。干扰能力最强。A/DA/D转换器概述转换器概述第38页，共78页，编辑于2022年，星期二9.2.1

30、 A/D9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 1.1.取样与保持取样与保持 采样是将随时间连续变化的模拟采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。采样信号采样信号S(t)S(t)的频率愈高，所采得的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定输入信号。合理的采样频率由采样定理确定理确定。采样定理：设采样信号采样定理：设采样信号S S(t t)的频的频率为率为f fs s，输入模拟信号，输入模拟信号 I I(t t)的最高的最高频率分量的频率为频率分量的频率为f fima

31、ximax，则则 f fs s 2 2f fimaximax(9.2.1)(9.2.1)第39页，共78页，编辑于2022年，星期二 要将取样电路每次采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后要将取样电路每次采得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，在取样电路后要保加保持电路，将所采续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要保加保持电路，将所采样的模拟信号保持一段时间。取样与保持过程往往是通过采样与保持电路同时样的模拟信号保持一段时间。取样与保持过程往往是通过采样与保持电路同时完成的。完成的。电路要求：电路要求：A AV1V1 A AV2

32、V2=1 A=1 A1 1、A A2 2的的R Ri i高，高，A A2 2 的的R Ro o低低采样采样不能放电不能放电保持保持1.1.取样与保持取样与保持9.2.1 A/D9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程第40页，共78页，编辑于2022年，星期二（2）量化编码）量化编码量化：量化：将介于两个离散电平之间的采样值，归并到这两个离散电平之一上。编码：编码：将量化后的有限个整量值用n位一组数字代码来描述以形成数字量。第41页，共78页，编辑于2022年，星期二(1)(1)量化及量化误差量化及量化误差量化过程中所取最小数量单位称为量化单位用量化过程中所取最小数量单位称为量化

33、单位用 表示。它是数字信号表示。它是数字信号最低位为最低位为1 1时所对应的模拟量，即时所对应的模拟量，即1LSB1LSB。任何一个数字量的大小只。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。能是某个规定的最小数量单位的整数倍。在量化过程中由于采样电压不一定能被在量化过程中由于采样电压不一定能被 整除，所以量化前后不可避整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差我们称之为量化误差，用免地存在误差，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/DA/D转换器的位数越多，各离散转换器的位数越多，各离散电平之间的

34、差值越小，量化误差越小。电平之间的差值越小，量化误差越小。两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。9.2.1 A/D9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程第42页，共78页，编辑于2022年，星期二（5）量化方式和量化方式和量化误差量化误差 1)只舍不入法只舍不入法量化误差为：量化误差为：S(量化单位量化单位).000000011101100第43页，共78页，编辑于2022年，星期二2)四舍五入法四舍五入法量化误差为：量化误差为：S/2000001100110100第44页，共78页，编辑于2022年，星

35、期二9.2.2 9.2.2 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器电压比较电压比较器器输入输入模拟模拟电压电压精密电精密电阻网络阻网络（2 23 3个个电阻）电阻）精密参精密参考电压考电压D D触发触发器器V VREFREF/15/153V3VREFREF/15/157V7VREFREF/15/159V9VREFREF/15/1511V11VREFREF/15/155V5VREFREF/15/1513V13VREFREF/15/15输出输出数字数字量量1、电路组成、电路组成第45页，共78页，编辑于2022年，星期二2、工作原理、工作原理11V11VREFREF/15/159V9VREF

36、REF/15/1513V13VREFREF/15/157V7VREFREF/15/153V3VREFREF/15/15V VREFREF/15/155V5VREFREF/15/15V VI I=8V=8VREFREF/15/151 11 11 11 10 00 00 00 00 00 01 11 11 11 1I I7 7的优先级最高的优先级最高0 00 01 1v vi iv vO O第46页，共78页，编辑于2022年，星期二 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 9

37、VREF/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

38、值与各比较器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输出状态的关系。比较器的输出状态由。比较器的输出状态由D D触发器存储，经优先编码器编码，得到触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。数字量输出。9.2.2 9.2.2 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器 第47页，共78页，编辑于2022年，星期二在并行在并行A/DA/D转换器中，输入电压转换器中，输入电压 I I同时加到所有比较器的输入端，同时加到所有比较器的输入端，从从 I I加入到三位数字量稳定输出所经历的时间为比较器、加入到三位数字量稳定输出所经历的时间为比较器、D D触发器触发器和编

39、码器延迟时间之和。如不考虑各器件的延迟，可认为三位和编码器延迟时间之和。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与数字量是与 I I输入时刻同时获得的。所以它具有输入时刻同时获得的。所以它具有最短的转换时间最短的转换时间。缺点是电路复杂，如三位缺点是电路复杂，如三位ADCADC需比较器的个数目为需比较器的个数目为7 7个个,位数越多矛盾位数越多矛盾越突出。越突出。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。的方法。单片集成并行比较型单片集成并行比较型A/DA/D转换器的产品很多，如转换器的产品很多，如ADAD公司的

40、公司的AD9012 AD9012(TTL(TTL工艺工艺8 8位位)、AD9002(ECLAD9002(ECL工艺，工艺，8 8位位)、AD9020(TTLAD9020(TTL工艺，工艺，1010位位)等。等。3 3、电路特点：、电路特点：第48页，共78页，编辑于2022年，星期二9.2.2 9.2.2 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器分级并行转换分级并行转换1010位位A/DA/D转换器转换器第49页，共78页，编辑于2022年，星期二9.2.39.2.3 逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似

41、。所加砝码所加砝码重量重量第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次再加再加4 4克克再加再加2 2克克再加再加1 1克克8 8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量W Wx x ，8 8克砝码保留克砝码保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量W Wx x ，2 2克砝码撤除克砝码撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量W Wx x ，1 1克砝码保留克砝码保留 结果结果8 8 克克12 12 克克12 12 克克13 13 克克 1.1.转换原理转换原理 所用砝码重量：所用砝码重量：8 8克、克、4 4克、克、2 2克和克和1 1克。克。设待秤重量设待秤重量Wx Wx=13=13克。

42、克。称重过程称重过程 第50页，共78页，编辑于2022年，星期二9.2.3 9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器1.1.转换原理转换原理 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 I I VVREFREF/2/2 1 1 I I VVREFREF/2/2 0 0第51页，共78页，编辑于2022年，星期二9.2.3 9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器1.转换原理转换原理 0 1 0 0 0 1 0 0 I 3/4VREF 1010 I 3/4VREF 第52页，共78页，编辑于2022年，星期二9.2.3 9.2.3 逐次比较型

43、逐次比较型A/DA/D转换器转换器1.转换原理转换原理 0 0 1 0 0 0 1 0 I 5/8VREF 1010 I 00009.2.4 9.2.4 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器第63页，共78页，编辑于2022年，星期二9.2.4 双积分式A/D转换器0 00 00 00 00 0(1)(1)准备阶段准备阶段 工作原理工作原理CRCR信号将计数器清零；开关信号将计数器清零；开关S S2 2闭合，闭合，待积分电容放电完毕后，断开待积分电容放电完毕后，断开S S2 2。9.2.4 9.2.4 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器第64页，共78页，编辑于2022年，星期二(2

44、)(2)第一次积分第一次积分1 1T1=2T1=2n nT TC C0 00 00 01 10 01 10 01 11 11 10 00 00 0t=tt=t0 0时，开关时，开关S S1 1与与A A端接通，正的被测电压端接通，正的被测电压 I I 加到积分器的输入端。积加到积分器的输入端。积分器开始对分器开始对 I I积分，此阶段称为采样阶段积分，此阶段称为采样阶段9.2.4 9.2.4 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器工作原理工作原理0 00 00 00 01 10 01 10 01 11 11 10 00 01 10 00 00 01 10 01 10 01 11 11 11

45、11 11 10 00 00 01 10 01 10 01 11 11 10 01 10 01 10 00 01 10 01 10 01 11 11 10 00 00 0第65页，共78页，编辑于2022年，星期二(2)(2)第二次积分第二次积分1 11 10 00 01 10 01 10 0 V VREFREF加到积分器的输入端，积分器开始向相反方向进行第二次积加到积分器的输入端，积分器开始向相反方向进行第二次积分分；当当t=tt=t2 2时，积分器输出电压时，积分器输出电压 O O00，比较器输出，比较器输出 C C=0=0，时钟脉冲，时钟脉冲控制门控制门G G被关闭，计数停止。被关闭，计

46、数停止。工作原理工作原理9.2.4 9.2.4 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器0 0第66页，共78页，编辑于2022年，星期二9.2.4 9.2.4 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器T T1 1=2=2n nT TC C?T T2 2=T Tc c T T2 2=t=t1 1 t t2 2 在计数器中所计的数在计数器中所计的数=Q Qn-1n-1Q Q1 1Q Q0 0，(就就是是A/DA/D转换转换器得到的结果器得到的结果。第67页，共78页，编辑于2022年，星期二9.2.4 9.2.4 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器优点：优点：1.1.由于转换结果与时间常数

47、由于转换结果与时间常数RCRC无关，从而消除了积分非线无关，从而消除了积分非线 性带来的误差。性带来的误差。2.2.由于双积分由于双积分A/DA/D转换器在转换器在T1T1时间内采样的，是输入电压的平均值，时间内采样的，是输入电压的平均值，因因此具有很强的抗工频干扰的能力。此具有很强的抗工频干扰的能力。T T1 1=2=2n nT TC C3.3.不需要稳定的时钟源，只要时钟源在一个转换周期时间不需要稳定的时钟源，只要时钟源在一个转换周期时间 内保持稳定即可。内保持稳定即可。第68页，共78页，编辑于2022年，星期二1.1.转换精度转换精度 9.2.5 A/D9.2.5 A/D转换器的主要技

48、术指标转换器的主要技术指标 单片集成单片集成A/DA/D转换器的转换精度是用转换器的转换精度是用分辨率分辨率和和转换误差转换误差来描述的来描述的。分辨率分辨率:说明说明A/DA/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制(或十进制或十进制)数的位数表示。数的位数表示。转换误差：转换误差：表示表示A/DA/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之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。通常以输出误差的最大值形式给出，常用最低有间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出，常用最低有效位的倍数表示。效位的倍数表示。第69页，共78页，

49、编辑于2022年，星期二9.2.5 A/D9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2.2.转换时间转换时间 指指A/DA/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的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。数字信号所经过的时间。A/DA/D转换器的转换时间与转换电路的类型转换器的转换时间与转换电路的类型有关有关并行比较并行比较A/DA/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/DA/D转换器次之转换器次之 间接间接A/DA/D转换器转换器(如双积分如双积分A/D)A/D)的速度最慢的速度最慢 并行比较并行比较A/D

50、A/D转换器转换器(8(8位）位）逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器 间接间接A/DA/D转换器转换器10-5010-50 s s50ns50ns10ms-1000ms10ms-1000ms第70页，共78页，编辑于2022年，星期二9.2.5 A/D9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标例例9.2.1 9.2.1 某信号采集系统要求用一片某信号采集系统要求用一片A/DA/D转换集成芯片在转换集成芯片在1 1秒钟内秒钟内对对1616个热电偶的输出电压分时进行个热电偶的输出电压分时进行A/DA/D转换。已知热电偶输出电转换。已知热电偶输出电压范围为压范围为0-0.0