数字电路与逻辑设计第7章数模与模数转换器课件.ppt

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1、第第7 7章章数模与模数转换器数模与模数转换器概述概述7.17.1D/AD/A转换器转换器7.27.27.17.1概述概述将模拟量转换为数字量，这种转换将模拟量转换为数字量，这种转换称为模称为模/数转换，用数转换，用A/D表示；而将数字表示；而将数字量变换为模拟信号量的过程称为称为数量变换为模拟信号量的过程称为称为数/模转换，用模转换，用D/A表示。表示。带有模数和数模转换电路的测控系带有模数和数模转换电路的测控系统大致可用图统大致可用图7-1所示的框图表示。所示的框图表示。图图7-1一般测控系统框图一般测控系统框图图中，模拟信号由传感器转换为电信图中，模拟信号由传感器转换为电信号，经放大器放

2、大后送入号，经放大器放大后送入A/D转换器转换为转换器转换为数字量，由数字电路进行处理，再由数字量，由数字电路进行处理，再由D/A转转换器还原为模拟量，去驱动执行部件。换器还原为模拟量，去驱动执行部件。7.2D/A7.2D/A转换器转换器7.2.17.2.1权权权权电阻网络型电阻网络型电阻网络型电阻网络型D/AD/A转换器转换器转换器转换器 7.2.27.2.2倒倒倒倒T T 形电阻网络型形电阻网络型形电阻网络型形电阻网络型D/AD/A转换器转换器转换器转换器 7.2.37.2.3集集集集成成成成D/AD/A转换转换转换转换器器器器AD7524AD75247.2.47.2.4D/AD/A转换器

3、的主转换器的主转换器的主转换器的主要技术指标要技术指标要技术指标要技术指标7.2.17.2.1权电阻网络型权电阻网络型D/AD/A转换器转换器D/A转换器是利用电阻网络和模拟转换器是利用电阻网络和模拟开关，将多位二进制数开关，将多位二进制数D转换为与之成比转换为与之成比例的模拟量的一种转换电路，因此，输例的模拟量的一种转换电路，因此，输入应是一个入应是一个n位的二进制数，它可以按二位的二进制数，它可以按二进制数转换为十进制数的通式展开为进制数转换为十进制数的通式展开为Dn=dn-12n-1+dn-22n-2+d121+d020而输出量应当是与输入的数字量成比例而输出量应当是与输入的数字量成比例

4、的模拟量的模拟量A：A=KDn =K(dn-12n-1+dn-22n-2+d121+d020)式中式中K转换系数为一个常数，单位转换系数为一个常数，单位为伏特。为伏特。7.2.37.2.3集成集成D/AD/A转换器转换器AD7524AD7524AD7524是是CMOS单片低功耗单片低功耗8位位D/A转换器。采用倒转换器。采用倒T形电阻网络结构。型号形电阻网络结构。型号中的中的“AD”表示美国的芯片生产公司模拟表示美国的芯片生产公司模拟器件公司的代号。如图器件公司的代号。如图7-3所示为其典型所示为其典型实用电路。实用电路。图中，供电压图中，供电压VDD为为+5+15V，D0D7为输入数据，可输

5、入为输入数据，可输入TTL/CMOS电电平；平；CS为片选信号，为片选信号，WR为写入命令，为写入命令，VREF为参考电压，可正、可负。为参考电压，可正、可负。IOUT是模是模拟输出电流，一正一负。拟输出电流，一正一负。A为运算放大器，将输出电流转换为运算放大器，将输出电流转换为输出电压，输出电压的数值可通过接为输出电压，输出电压的数值可通过接在在16脚与输出端之间的反馈电阻脚与输出端之间的反馈电阻RFB进行进行调节。调节。16脚内部已经集成了一个电阻，脚内部已经集成了一个电阻，所以所以RFB可为零，即将可为零，即将16脚与输出端短路。脚与输出端短路。AD7524的功能表见表的功能表见表7-1

6、。7.2.4D/A7.2.4D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1.D/A转换器的转换精度转换器的转换精度（1）分辨率）分辨率分辨率是用以说明分辨率是用以说明D/A转换器在理转换器在理论上可达到的精度，用于表征论上可达到的精度，用于表征D/A转换器转换器对输入微小量变化的敏感程度。对输入微小量变化的敏感程度。显然，输入数字量的位数越多，输显然，输入数字量的位数越多，输出电压可分离的等级越多，即分辨率越出电压可分离的等级越多，即分辨率越高。高。(2)转换精度转换精度转换精度是用以说明转换精度是用以说明D/A转换器实际转换器实际输出的模拟电压值与理论输出模拟电压值输出的模拟电压值与理论输

7、出模拟电压值之间的最大误差，也称为转换误差。之间的最大误差，也称为转换误差。D/A转换器的转换精度有绝对精度和转换器的转换精度有绝对精度和相对精度之分。相对精度之分。其中，绝对精度是指转换器实际输其中，绝对精度是指转换器实际输出电压与理论值之间的误差，该误差是出电压与理论值之间的误差，该误差是由由D/A转换器的增益误差、零点误差、非转换器的增益误差、零点误差、非线性误差和噪声等因素造成的。线性误差和噪声等因素造成的。通常用数字量位数作为度量绝对精通常用数字量位数作为度量绝对精度的单位，如精度为度的单位，如精度为（1/2）LSB，如果，如果满量程为满量程为10V，则，则12位位D/A转换器的绝对

8、转换器的绝对精度为精度为1.22mV。2.D/A转换器的转换时间转换器的转换时间（1）建立时间）建立时间tset它是在输入数字量各位由全它是在输入数字量各位由全0变为全变为全1，或由全，或由全1变为全变为全0，输出电压达到某一，输出电压达到某一规定值（如最小值取规定值（如最小值取LSB/2或满量程的或满量程的0.01%）所需要的时间。）所需要的时间。（2）转换速率）转换速率SR它是在大信号工作时，即输入数字它是在大信号工作时，即输入数字量的各位由全量的各位由全0变为全变为全1，或由全，或由全1变为全变为全0时，输出电压时，输出电压uO的变化率。这个参数与的变化率。这个参数与运算放大器的压摆率类

9、似。运算放大器的压摆率类似。7.3A/D7.3A/D转换器转换器7.3.17.3.1采样、采样、采样、采样、保持、量化、保持、量化、保持、量化、保持、量化、编码编码编码编码7.3.27.3.2并并并并行比较型行比较型行比较型行比较型A/DA/D转换器转换器转换器转换器7.3.37.3.3 逐次逼逐次逼逐次逼逐次逼 近近近近型型型型A/DA/D转换器转换器转换器转换器7.3.47.3.4双双双双积分型积分型积分型积分型A/DA/D转换器转换器转换器转换器7.3.57.3.5A/DA/D转换器的主转换器的主转换器的主转换器的主要技术指标要技术指标要技术指标要技术指标A/D转换器的功能，是将输入的模

10、转换器的功能，是将输入的模拟量转换为输出的数字量。一个完整的拟量转换为输出的数字量。一个完整的A/D转换过程，必须包括采样、保持、量转换过程，必须包括采样、保持、量化、编码化、编码4部分电路。部分电路。在具体实施时，常把这在具体实施时，常把这4个步骤合并个步骤合并进行。例如，采样和保持是利用同一电进行。例如，采样和保持是利用同一电路连续完成的，量化和编码是在转换过路连续完成的，量化和编码是在转换过程中同步实现的，而且所用的时间又是程中同步实现的，而且所用的时间又是保持的一部分。保持的一部分。7.3.17.3.1采样、保持、量化、编码采样、保持、量化、编码1.采样定理采样定理 采样是将时间上连续

11、变化的信号转采样是将时间上连续变化的信号转化为时间上离散的信号，即将时间上连化为时间上离散的信号，即将时间上连续变化模拟量转换为一系列等间隔的脉续变化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。冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。为了保证能从采样信号中将原信号为了保证能从采样信号中将原信号恢复，必须满足条件恢复，必须满足条件 fs2fi(max)(7-3)式中式中:fs采样频率；采样频率；fi(max)信号信号ui中最高次谐波分量中最高次谐波分量的频率。的频率。这一关系称为采样定理（又称香农定这一关系称为采样定理（又称香农定理）。理）。2.采样保持电路采样保持电路A/D转换需要一定

12、时间，在转换过转换需要一定时间，在转换过程中，如果送给程中，如果送给ADC的模拟量发生变化，的模拟量发生变化，则不能保持精度，为此在则不能保持精度，为此在ADC前加入采前加入采样保持电路。采样保持电路有两种工作样保持电路。采样保持电路有两种工作状态：采样状态和保持状态。状态：采样状态和保持状态。如图如图7-5所示为一个实际的采样保持所示为一个实际的采样保持电路电路LF198的电路结构图。的电路结构图。图图7-5采样保持电路采样保持电路图中，图中，A1、A2是两个运算放大器，是两个运算放大器，S是模拟开关，是模拟开关，L是控制模拟开关状态的逻是控制模拟开关状态的逻辑单元电路。辑单元电路。3.量化

13、与编码量化与编码 为了使采样得到的离散的模拟量与为了使采样得到的离散的模拟量与n位二进制码的位二进制码的2n个数字量一一对应，还个数字量一一对应，还必须将采样后离散的模拟量归并到必须将采样后离散的模拟量归并到2n个个离散电平中的某一个电平上，这样的一离散电平中的某一个电平上，这样的一个过程称之为量化。个过程称之为量化。数字信号具有在时间上离散和幅度数字信号具有在时间上离散和幅度上断续变化的特点。上断续变化的特点。把量化的结果用二进制码，或是其把量化的结果用二进制码，或是其他数制的代码表示出来，称为编码。这他数制的代码表示出来，称为编码。这些代码就是些代码就是A/D转换的结果。量化和编码转换的结

14、果。量化和编码是所有是所有A/D转换器不可缺少的核心部分之转换器不可缺少的核心部分之一。一。既然模拟电压是连续的，那么它就既然模拟电压是连续的，那么它就不一定是不一定是的整数倍，在数值上只能取接的整数倍，在数值上只能取接近的整数倍，因而量化过程不可避免地近的整数倍，因而量化过程不可避免地会引入误差。这种误差称为量化误差。会引入误差。这种误差称为量化误差。4.A/D转换器的分类转换器的分类按转换过程，按转换过程，A/D转换器可大致分转换器可大致分为直接型为直接型A/D转换器和间接型转换器和间接型A/D转换器转换器两种。其中，直接型两种。其中，直接型A/D转换器能把输入转换器能把输入的模拟电压直接

15、转换为输出的数字代码，的模拟电压直接转换为输出的数字代码，而不需要经过中间变量。而不需要经过中间变量。间接型间接型A/D转换器是把待转换的输转换器是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，然入模拟电压先转换为一个中间变量，然后再对中间变量量化编码，得出转换结后再对中间变量量化编码，得出转换结果。果。A/D转换器的大致分类如图转换器的大致分类如图7-7所示。所示。图图7-7A/D转换器的分类转换器的分类7.3.27.3.2并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器3位并位并行比较型行比较型A/D转换器转换器的原理电路的原理电路如图如图7-8所示。所示。图图7-83位并行比较型位并行比较型A

16、/D转换器转换器它由电阻分压器、电压比较器、寄它由电阻分压器、电压比较器、寄存器及编码器组成。图中，八个电阻将存器及编码器组成。图中，八个电阻将参考电压参考电压VREF分成八个等级，其中七个分成八个等级，其中七个等级的电压（等级的电压（VREF/15，3VREF/15，13VREF/15）分别作为七个比较器）分别作为七个比较器C1C7的参考电压。的参考电压。根据各比较器的参考电压值，可以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确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。态的关系。比较器的输出状态由比较器的输出状态由D触发器存储，触发器存储，CP作用后，触发器的输出状态作

17、用后，触发器的输出状态Q7 Q1与与对应比较器的输出状态对应比较器的输出状态CO7 CO1相同。相同。经代码转换网络经代码转换网络(优先编码器优先编码器)输出数字量输出数字量D2D1D0。优先编码器优先级别最高是。优先编码器优先级别最高是Q7，最低是，最低是Q1。设设uI变化范围是变化范围是0VREF，输出，输出3位数字量位数字量为为D2、D1、D0，3位并行比较型位并行比较型A/D转换器的输转换器的输入、输出关系如表入、输出关系如表7-2所示。所示。表表7-2并行比较型并行比较型A/D转换器的输入输出关系转换器的输入输出关系通过观察此表，可确定代码转换网通过观察此表，可确定代码转换网络输出、

18、输入之间的逻辑关系：络输出、输入之间的逻辑关系：D2=Q4D1=Q6+Q4Q2D0=Q7+Q6Q5+Q4Q3+Q2Q1在并行在并行A/D转换器中，转换器中，uI同时加同时加到所有比较器的输出端，从到所有比较器的输出端，从uI加入经比加入经比较器、较器、D触发器和编码器的延迟后，可触发器和编码器的延迟后，可得到稳定的输出。得到稳定的输出。7.3.37.3.3逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器转换器1.概述概述逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器属于直接型转换器属于直接型A/D转换器，其转换过程相当于一架天平转换器，其转换过程相当于一架天平秤量物体的过程，不过这里不是加减砝秤量物体的过程，不过这里

19、不是加减砝码，而是通过码，而是通过D/A转换器及寄存器加减标转换器及寄存器加减标准电压，使标准电压值与被转换电压平准电压，使标准电压值与被转换电压平衡。这些标准电压通常称为衡。这些标准电压通常称为“电压砝码电压砝码”。逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器由比较器、环转换器由比较器、环形分配器、控制门、寄存器与形分配器、控制门、寄存器与D/A转换器转换器构成。构成。比较的过程首先是取最大的电压砝码，比较的过程首先是取最大的电压砝码，即寄存器最高位为即寄存器最高位为1时的二进制数所对应时的二进制数所对应的的D/A转换器输出的模拟电压，将此模拟转换器输出的模拟电压，将此模拟电压电压uA与与uI进行比较，

20、当进行比较，当uAuI时，最高时，最高位置位置0；反之，当；反之，当uAuI时，最高位时，最高位1保留，保留，再将次高位置再将次高位置1，转换为模拟量与，转换为模拟量与uI进行进行比较，确定次高位比较，确定次高位1保留还是去掉。保留还是去掉。以上过程可以用图以上过程可以用图7-9加以说明，图加以说明，图中表示将模拟电压中表示将模拟电压uI转换为转换为4位二进制数位二进制数的过程。的过程。图图7-9逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器的逼近过程转换器的逼近过程图中的电压砝码依次为图中的电压砝码依次为800mV、400mV、200mV和和100mV，转换开始前，转换开始前先将寄存器清零，所以加给先将寄

21、存器清零，所以加给D/A转换器的转换器的数字量全为数字量全为0。当转换开始时，通过当转换开始时，通过D/A转换器送转换器送出一个出一个800mV的电压砝码与输入电压比的电压砝码与输入电压比较，由于较，由于uI800mV，将，将800mV的电压的电压砝码去掉；再加砝码去掉；再加400mV的电压砝码，的电压砝码，uI400mV，于是保留，于是保留400mV的电压砝码；的电压砝码；再加再加200mV的砝码，的砝码，uI400mV+200mV，200mV的电压砝码也保的电压砝码也保留；再加留；再加100mV的电压砝码，因的电压砝码，因uI400mV+200mV+100mV，故去掉，故去掉100mV的电

22、压砝码。的电压砝码。最后寄存器中获得的二进制码最后寄存器中获得的二进制码0110，即为即为uI对应的二进制数。对应的二进制数。2.逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器的工作原理转换器的工作原理下面结合图下面结合图7-10的逻辑图具体说明的逻辑图具体说明逐次比较的过程。逐次比较的过程。图图7-103位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换器转换器这是一个输出这是一个输出3位二进制代码的逐次位二进制代码的逐次逼近型逼近型A/D转换器。图中的转换器。图中的C为电压比较为电压比较器；触发器器；触发器FA、FB 和和FC组成了组成了3位数码位数码寄存器，触发器寄存器，触发器F1F5构成环形分配器和构成环形分配器和

23、门门G1G9一起组成控制逻辑电路。一起组成控制逻辑电路。转换开始前，先将转换开始前，先将FA、FB、FC置零，置零，同时将同时将F1F5组成的环形移位寄存器置为组成的环形移位寄存器置为Q1Q2Q3Q4Q5=10000。转换控制信号转换控制信号uL变成高电平以后，变成高电平以后，转换开始。第一个转换开始。第一个CP脉冲到达后，脉冲到达后，FA被被置置1，而，而FB、FC被置被置0。这时寄存器的状。这时寄存器的状态态QAQBQC=100加到加到D/A转换器的输入端，转换器的输入端，并在并在D/A转换器的输出端得到相应的模拟转换器的输出端得到相应的模拟电压电压uA(800mV)。uA和和uI比较，其

24、结果有比较，其结果有两种：若两种：若uIuA，则，则uB=0；若；若uIuA，则，则uB=1。同时，移位寄存器右移一位，使。同时，移位寄存器右移一位，使Q1Q2Q3Q4Q5=01000。第二个第二个CP到达时到达时,FB被置成被置成1。若原。若原来的来的uB=1(uIuA)，则，则FA被置成被置成0，此时，此时电压砝码为电压砝码为400mV；若原来的；若原来的uB=0(uIuA)，则，则FA的的“1”状态保留，此时的电压砝状态保留，此时的电压砝码为码为400mV加上原来的电压砝码值。同加上原来的电压砝码值。同时移位寄存器右移一位，变为时移位寄存器右移一位，变为00100状态。状态。第三个第三个

25、CP到达时到达时,FC被置成被置成1。若原。若原来的来的uB=1，则，则FB被置成被置成0；若原来的；若原来的uB=0，则，则FB的的“1”状态保留，此时的电压砝码状态保留，此时的电压砝码为为200mV加上原来保留的电压砝码值。加上原来保留的电压砝码值。同时移位寄存器右移一位，变成同时移位寄存器右移一位，变成00010状状态。态。第四个第四个CP到达时，同时根据这时到达时，同时根据这时uB的状态决定的状态决定FC的的“1”是否应当保留。这时是否应当保留。这时FA、FB、FC的状态就是所要的转换结果。的状态就是所要的转换结果。同时，移位寄存器右移一位，变为同时，移位寄存器右移一位，变为00001

26、状态。由于状态。由于Q5=1，于是，于是FA、FB、FC的状的状态便通过门态便通过门G6、G7、G8送到了输出端。送到了输出端。第五个第五个CP到达后，移位寄存器右移到达后，移位寄存器右移一位，使得一位，使得Q1Q2Q3Q4Q5=10000，返回初，返回初始状态。同时，由于始状态。同时，由于Q5=0，门，门G6、G7、G8被封锁，转换输出信号随之消失。被封锁，转换输出信号随之消失。所以对于图示的所以对于图示的A/D转换器转换器,完成一完成一次转换的时间为次转换的时间为(n+2)TCP。3.逐次逼近型集成逐次逼近型集成A/D转换器转换器ADC0809ADC0809由八路模拟开关、地址锁由八路模拟

27、开关、地址锁存与译码器、比较器、存与译码器、比较器、D/A转换器、寄存转换器、寄存器、控制电路和三态输出锁存器等组成。器、控制电路和三态输出锁存器等组成。电路如图电路如图7-11所示。所示。图图7-11ADC0809逻辑框图逻辑框图ADC0809采用双列直插式封装采用双列直插式封装,共有共有28条引脚，现分四组简述如下。条引脚，现分四组简述如下。（1）模拟信号输入线（）模拟信号输入线（8条）条）IN0IN7为八路模拟电压输入线，加为八路模拟电压输入线，加在模拟开关上，工作时采用时分割的方在模拟开关上，工作时采用时分割的方式，轮流进行式，轮流进行A/D转换。转换。（2）地址输入和控制线（）地址输

28、入和控制线（4条）条）其中其中ADDA、ADDB和和ADDC为地址为地址输入线（输入线（Address），用于选择），用于选择IN0IN7中哪一路模拟电压送给比较器进行中哪一路模拟电压送给比较器进行A/D转转换。换。ALE为地址锁存允许输入线，高电为地址锁存允许输入线，高电平有效。平有效。当当ALE1时，三条地址线上地址信时，三条地址线上地址信号得以锁存，经译码器控制八路模拟开号得以锁存，经译码器控制八路模拟开关工作。关工作。（3）数字量输出及控制线（）数字量输出及控制线（11条）条）START为启动脉冲输入线，该线的为启动脉冲输入线，该线的正脉冲由正脉冲由CPU送来，宽度应大于送来，宽度应大

29、于100ns，上升沿将寄存器清零，下降沿启动上升沿将寄存器清零，下降沿启动ADC工作。工作。EOC为转换结束输出线，该线高电为转换结束输出线，该线高电平表示平表示A/D转换已结束，数字量已锁入转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器三态输出锁存器”。2-82-1为数字量输出为数字量输出线，线，2-1为最高位。为最高位。OE为输出允许端，高为输出允许端，高电平时可输出转换后的数字量。电平时可输出转换后的数字量。（4）电源线及其他（）电源线及其他（5条）条）CLOCK为时钟输入线，用于为为时钟输入线，用于为ADC0809提供逐次比较所需的提供逐次比较所需的640kHz时钟时钟脉冲。脉冲。VCC为为

30、+5V电源输入线，电源输入线，GND为地为地线。线。+VREF和和-VREF为参考电压输入线，用为参考电压输入线，用于给于给D/A转换器供给标准电压。转换器供给标准电压。+VREF常和常和VCC相连，相连，-VREF常接地。常接地。7.3.47.3.4双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器1.双积分型双积分型A/D转换器的工作原理转换器的工作原理双积分型双积分型A/D转换器属于间接型转换器属于间接型A/D转换器，它是把待转换的输入模拟电压转换器，它是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，如时间先转换为一个中间变量，如时间T；再对；再对中间变量量化编码，得出转换结果，这中间变量量化编码，

31、得出转换结果，这种种A/D转换器多称为电压转换器多称为电压-时间变换型时间变换型（简称（简称VT型）。型）。图图7-12 给出的是给出的是VT型双积分型型双积分型A/D转换器的原理图。转换器的原理图。图图7-12双积分型双积分型A/D转换器转换器转换开始前，先将计数器清零，并接转换开始前，先将计数器清零，并接通开关通开关S0使电容使电容C完全放电。转换开始，断完全放电。转换开始，断开开S0。整个转换过程分两阶段进行。整个转换过程分两阶段进行。第一阶段，令开关第一阶段，令开关S1置于输入信号置于输入信号uI一侧一侧,积分器（由集成运放积分器（由集成运放A组成）对组成）对uI进进行固定时间行固定时

32、间T1的积分。积分结束时的积分。积分结束时,积分器积分器的输出电压为的输出电压为:uO1=1/CT10(-uI/R)dt=-T1uI/RC(7-4)可见积分器的输出可见积分器的输出uO1与与uI成正比。成正比。这一过程称为转换电路对输入模拟电压这一过程称为转换电路对输入模拟电压的采样过程。在采样开始时，逻辑控制的采样过程。在采样开始时，逻辑控制电路将计数门打开，计数器计数。电路将计数门打开，计数器计数。当计数器达到满量程当计数器达到满量程N时，计数器时，计数器由全由全“1”复复“0”，这个时间正好等于，这个时间正好等于T1。计数器复计数器复“0”时，同时给出一个溢出脉冲时，同时给出一个溢出脉冲

33、（即进位脉冲）使逻辑控制电路发出信（即进位脉冲）使逻辑控制电路发出信号，令开关号，令开关S1转换至参考电压转换至参考电压-VREF一侧，一侧，采样阶段结束。采样阶段结束。第二阶段称为定速率积分过程，将第二阶段称为定速率积分过程，将uO1转换为成比例的时间间隔。采样阶段结束转换为成比例的时间间隔。采样阶段结束时，一方面因时，一方面因-VREF的极性与的极性与uI相反，积分相反，积分器向相反方向积分。计数器由器向相反方向积分。计数器由0开始计数，开始计数，经过经过T2时间，积分器输出电压回升为零，时间，积分器输出电压回升为零，过零比较器过零比较器B输出低电平，关闭计数门，输出低电平，关闭计数门，计

34、数器停止计数，同时通过逻辑控制电路计数器停止计数，同时通过逻辑控制电路使开关使开关S1与与uI相接，重复第一步。相接，重复第一步。因此得到：因此得到：T2VREF/RC=T1uI/RC 即即T2=uITI/VREF (7-5)上式表明，反向积分时间上式表明，反向积分时间T2与输入与输入模拟电压模拟电压uI成正比。成正比。在在T2期间期间,控制门控制门G打开，标准频率打开，标准频率为为fCP的时钟通过的时钟通过G，计数器对，计数器对UG计数，计数，计数结果为计数结果为D，由于，由于 T1=N1TCPT2=DTCP则计数的脉冲数为：则计数的脉冲数为：D=T1uI/TCPVREF =NiuI/VRE

35、F (7-6)计数器中的数值就是计数器中的数值就是A/D转换器转换后的数字转换器转换后的数字量，至此即完成了量，至此即完成了V/T转换。若输入电压转换。若输入电压uI1uI，uO1uO1，则，则T2T2，它们之间也都满足固定的比，它们之间也都满足固定的比例关系，如图例关系，如图7-13所示。所示。图图图图7-137-13双积分型双积分型双积分型双积分型A/DA/D转换器的波形图转换器的波形图转换器的波形图转换器的波形图双积分型双积分型A/D转换器与逐次逼近型转换器与逐次逼近型A/D转换器相比较，因有积分器的存在，转换器相比较，因有积分器的存在，积分器的输出只对输入信号的平均值有积分器的输出只对

36、输入信号的平均值有所响应，所以，其突出优点是工作性能所响应，所以，其突出优点是工作性能比较稳定，且抗干扰能力强；由以上分比较稳定，且抗干扰能力强；由以上分析可以看出，只要两次积分过程中积分析可以看出，只要两次积分过程中积分器的时间常数相等，计数器的计数结果器的时间常数相等，计数器的计数结果与与R、C无关，所以，该电路对无关，所以，该电路对R、C精精度的要求不高，而且电路结构也比较简度的要求不高，而且电路结构也比较简单。单。2.集成双积分型集成双积分型A/D转换器转换器集成双积分型集成双积分型ADC品种有很多，大品种有很多，大致分成二进制输出和致分成二进制输出和BCD输出两大类，输出两大类，图图

37、7-14是是BCD码双积分型码双积分型ADC的框图，的框图，它是一种它是一种3(1/2)位位BCD码码A/D转换器。转换器。图图7-14BCD码双积分型码双积分型ADC框图框图3(1/2)位的位的3表示低三位有表示低三位有09十个数码，十个数码，1/2的分母的分母2表示最高位只有表示最高位只有0、1两个数码，两个数码，分子分子1表示最高位数码最大为表示最高位数码最大为1，显示的数，显示的数值范围为值范围为00001999。同类产品有。同类产品有ICL7107、7109、5G14433等。双积分型等。双积分型A/D转换器转换器一般外接配套的一般外接配套的LED显示器或显示器或LCD显示器，显示器

38、，可以将模拟电压可以将模拟电压uI用数字量直接显示出来。用数字量直接显示出来。7.3.5A/D7.3.5A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标A/D转换器的主要技术指标有转换转换器的主要技术指标有转换精度、转换速度等。选择精度、转换速度等。选择A/D转换器时，转换器时，除考虑这两项技术指标外，还应注意满除考虑这两项技术指标外，还应注意满足其输入电压的范围、输出数字的编码、足其输入电压的范围、输出数字的编码、工作温度范围和电压稳定度等方面的要工作温度范围和电压稳定度等方面的要求。求。1.A/D转换器的转换精度转换器的转换精度单片集成单片集成A/D转换器的转换精度是用分转换器的转换精度是用

39、分辨率和转换误差来描述的。辨率和转换误差来描述的。分辨率，分辨率，A/D转换器的分辨率以输出二转换器的分辨率以输出二进制（或十进制）数的位数来表示。它说进制（或十进制）数的位数来表示。它说明明A/D转换器对输入信号的分辨能力。转换器对输入信号的分辨能力。从理论上讲，从理论上讲，n位输出的位输出的A/D转换器能转换器能区分区分2n个不同等级的输入模拟电压，能区个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的分输入电压的最小值为满量程输入的1/2n。在最大输入电压一定时，输出位数在最大输入电压一定时，输出位数愈多，分辨率愈高。例如，愈多，分辨率愈高。例如，A/D转换器输转换器输出为出

40、为8位二进制数，输入信号最大值为位二进制数，输入信号最大值为5V，那么这个转换器应能区分出输入信号，那么这个转换器应能区分出输入信号的最小电压为的最小电压为19.53mV。转换误差，转换误差通常是以输出转换误差，转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出的。它表示误差的最大值形式给出的。它表示A/D转转换器实际输出的数字量和理论上输出的换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别，常用最低有效位的数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示。倍数表示。2.A/D转换器的转换时间转换器的转换时间转换时间是指转换时间是指A/D转换器从转换控转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的制信号到

41、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/D转换器的转转换器的转换时间与转换电路的类型有关，不同类换时间与转换电路的类型有关，不同类型的转换器转换速度相差甚远。型的转换器转换速度相差甚远。并行比较型并行比较型A/D转换器的转换速度转换器的转换速度最高，最高，8位二进制输出的单片集成位二进制输出的单片集成A/D转转换器转换时间可达到换器转换时间可达到50ns以内，逐次比以内，逐次比较型较型A/D转换器次之，它们多数的转换时转换器次之，它们多数的转换时间在间在1050s以内，间接以内，间接A/D转换器的速转换器的速度最慢。度最慢。7.47.4多路模拟开关多路模拟开关

42、7.4.1模拟模拟开关的功能开关的功能及电路组成及电路组成7.4.2模拟开关模拟开关的各种工作模式的各种工作模式模拟开关，是通过数字量来控制传模拟开关，是通过数字量来控制传输门（输门（TG）的接通和断开，以传输数字）的接通和断开，以传输数字信号或模拟信号的开关。它具有功耗低、信号或模拟信号的开关。它具有功耗低、速度快、体积小、无机械触点及使用寿速度快、体积小、无机械触点及使用寿命长等优点，因此在一定程度上可以用命长等优点，因此在一定程度上可以用来代替继电器。它的缺点是导通电阻不来代替继电器。它的缺点是导通电阻不够小（几十至几百欧），断开时仍有泄够小（几十至几百欧），断开时仍有泄露电流（约露电流

43、（约0.1A），且通过的电流一般），且通过的电流一般为毫安级。为毫安级。7.4.17.4.1模拟开关的功能及电路组成模拟开关的功能及电路组成图图7-15（a）给出了）给出了CC4066 CMOS四双向模拟开关的管脚，其中四双向模拟开关的管脚，其中VDD为正电为正电源，源，CC4066的的VSS端可以接地也可以接端可以接地也可以接负电源，负电源，VSS接负电源可以增大关断电阻。接负电源可以增大关断电阻。输入信号在输入信号在0VDD之间变化，输入端与之间变化，输入端与输出端可互换。它由四个传输门构成，输出端可互换。它由四个传输门构成，图（图（b）为其中一个模拟开关的逻辑图。）为其中一个模拟开关的逻

44、辑图。当当VC10时，开关断开，反之，当时，开关断开，反之，当VC11时，则接通。时，则接通。图图7-15CC4066（a）引脚排列）引脚排列(b)逻辑图逻辑图 7.4.27.4.2模拟开关的各种工作模式模拟开关的各种工作模式表表7-3各种模拟开关的连接方式各种模拟开关的连接方式7.5.17.5.1系统的技术系统的技术系统的技术系统的技术要求要求要求要求7.5.27.5.2系统方框图系统方框图系统方框图系统方框图7.5.37.5.3电路设计电路设计电路设计电路设计7.57.5数据采集系统简介数据采集系统简介*7.5.17.5.1系统的技术要求系统的技术要求数据采集和控制系统多种多样，但数据采集

45、和控制系统多种多样，但其基本工作过程相似，汇集被测控对象其基本工作过程相似，汇集被测控对象的各种模拟量，通过的各种模拟量，通过A/D转换器转换为数转换器转换为数字量，再通过计算机、数字信号处理芯字量，再通过计算机、数字信号处理芯片等对所采集的信号进行加工处理后，片等对所采集的信号进行加工处理后，再通过再通过D/A转换器转换成相应的模拟量，转换器转换成相应的模拟量，实现所需的控制。实现所需的控制。设计一个温度控制器，来控制一个加设计一个温度控制器，来控制一个加热器，当环境温度达到设定值时，加热器热器，当环境温度达到设定值时，加热器自动断电。电路应包括以下几项功能。自动断电。电路应包括以下几项功能

46、。测温和控制范围：测温和控制范围：1865；控温精度控温精度:1；电路具有显示温度环节和超温报警指示；电路具有显示温度环节和超温报警指示；采用单片机作为控制电路，采用继电器作采用单片机作为控制电路，采用继电器作为执行机构。为执行机构。7.5.27.5.2系统方框图系统方框图本系统由集成温度传感器、放大电本系统由集成温度传感器、放大电路、路、A/D转换器、单片机、转换器、单片机、D/A转换器、转换器、控制驱动电路、加热器、锁存器、译码控制驱动电路、加热器、锁存器、译码显示电路、键盘接口电路、数据存储器显示电路、键盘接口电路、数据存储器RAM和程序存储器和程序存储器EPROM等部分组成，等部分组成

47、，如图如图7-17所示。所示。图图7-17温度控制器的方框图温度控制器的方框图传感器采用集成温度传感器传感器采用集成温度传感器AD590，AD590是按是按K氏度标定的电流型温度传感器。氏度标定的电流型温度传感器。温度每变化温度每变化1K，电流就变化，电流就变化1A。经过放大电路的放大，在温度达到最高经过放大电路的放大，在温度达到最高温度时，放大电路的输出可以达到温度时，放大电路的输出可以达到A/D转转换器所需要的最大模拟量数值。模拟信换器所需要的最大模拟量数值。模拟信号送入号送入A/D转换器，变换成数字信号后，转换器，变换成数字信号后，将数字量送往单片机。将数字量送往单片机。单片机将传输过来

48、的数字信号存入单片机将传输过来的数字信号存入单片机中的存储器，如果数据量大，可单片机中的存储器，如果数据量大，可以转存到外挂的以转存到外挂的RAM中。从温度传感器中。从温度传感器测得的信号，经单片机处理后通过测得的信号，经单片机处理后通过LED数码管显示实时温度。通过键盘，用户数码管显示实时温度。通过键盘，用户可设置温度的上限值，当温度超过上限可设置温度的上限值，当温度超过上限值时，单片机通过可控硅控制加热器停值时，单片机通过可控硅控制加热器停止工作，并报警显示温度值，直到温度止工作，并报警显示温度值，直到温度下降到允许范围内。下降到允许范围内。7.5.37.5.3电路设计电路设计本设计采用本

49、设计采用80C52单片机对加热器单片机对加热器实行自动控制，系统主要包括温度测量、实行自动控制，系统主要包括温度测量、数据采集、键盘显示、输出控制四部分。数据采集、键盘显示、输出控制四部分。1.温度测量电路温度测量电路温度测量是整个控制系统的关键，温度测量是整个控制系统的关键，控制的可靠性取决于温度测量的精度。控制的可靠性取决于温度测量的精度。AD590是一种输出电流信号的高精度是一种输出电流信号的高精度温度传感器，其测量范围为温度传感器，其测量范围为-50+100，为了便于对信号进行放大，先利用一个电为了便于对信号进行放大，先利用一个电阻将所测的电流信号转化为电压信号。阻将所测的电流信号转化

50、为电压信号。AD590在制造时按照开氏温度标定，在制造时按照开氏温度标定，即在温度为即在温度为0时的电流为时的电流为273A，温度每，温度每增加增加1，电流随之增加，电流随之增加1A，为了使温度，为了使温度为为0时输出电压为时输出电压为0，应加入一偏移量，应加入一偏移量，来抵消来抵消0时时AD590的输出。的输出。如图如图7-18所示电路，所示电路，DW233是标准稳是标准稳压二极管，因压二极管，因IRW=I0+IR3。在一定温度条件。在一定温度条件下下I0是固定的，如是固定的，如0时时I0=273A。调节。调节RW1可改变其中的电流可改变其中的电流IRW，使，使0时，时，IR3=IRW-I0