1、內容提要內容提要: 本章主要介紹數模轉換（本章主要介紹數模轉換（D/A)和模數轉換和模數轉換（A/D)的基本原理和常見的典型電路。的基本原理和常見的典型電路。 在數模轉換電路中，主要介紹權電阻網絡型數在數模轉換電路中，主要介紹權電阻網絡型數模轉換器、倒梯形電阻網絡型數模轉換器，另外模轉換器、倒梯形電阻網絡型數模轉換器，另外也介紹了權電流型數模轉換器、開關樹型數模轉也介紹了權電流型數模轉換器、開關樹型數模轉換器以及權電容型網絡型數模轉換器。換器以及權電容型網絡型數模轉換器。 在模數轉換電路中，首先介紹模數轉換器一在模數轉換電路中，首先介紹模數轉換器一般框圖原理和步驟，然后介紹采樣保持電路和模般框

2、圖原理和步驟，然后介紹采樣保持電路和模數轉換器的主要類型。數轉換器的主要類型。 在介紹數模轉換器和模數轉換器電路的基礎在介紹數模轉換器和模數轉換器電路的基礎上，也講述它們的轉換精度和速度等主要參數。上，也講述它們的轉換精度和速度等主要參數。 在計算機控制系統中，被控量一般為非電量，如在計算機控制系統中，被控量一般為非電量，如溫度、壓力、位移等，首先由傳感器將它們轉化成連溫度、壓力、位移等，首先由傳感器將它們轉化成連續變化的模擬量，再由模續變化的模擬量，再由模/數轉換器轉換成數字量，送數轉換器轉換成數字量，送到計算機中進行處理和計算。處理后要經過數到計算機中進行處理和計算。處理后要經過數/模轉換

3、模轉換器將計算機輸出的數字量轉換成模擬量，加到執行機器將計算機輸出的數字量轉換成模擬量，加到執行機構，以調節被控對象的大小。構，以調節被控對象的大小。一個計算機控制系統的框圖如圖一個計算機控制系統的框圖如圖11.1.1所示。所示。1.用途：用途：圖圖11.1.2為一個溫度控制系統：為一個溫度控制系統：傳感器傳感器放大器放大器A/DA/D轉換轉換微型計算機微型計算機控制控制對象對象D/A轉換轉換電加熱爐電加熱爐熱電偶熱電偶執行機構執行機構圖圖11.1.2溫度溫度時間時間 為了保證數據處理結果的準確性，為了保證數據處理結果的準確性，A/D轉換器和轉換器和D/A轉換器必須有足夠的轉換精度，另外對于過

4、程控轉換器必須有足夠的轉換精度，另外對于過程控制和檢測需求，制和檢測需求， A/D轉換器和轉換器和D/A轉換器必須有足夠轉換器必須有足夠的轉換速度。故的轉換速度。故轉換精度和轉換速度轉換精度和轉換速度是是A/D轉換器和轉換器和D/A轉換器的主要性能指標。轉換器的主要性能指標。3、概念及分類、概念及分類（1） D/A轉換器：轉換器： 目前常用的目前常用的D/A轉換器有權電阻網絡轉換器有權電阻網絡D/A轉換器、倒轉換器、倒梯形電阻網絡梯形電阻網絡D/A轉換器、權電流型轉換器、權電流型D/A轉換器、權電轉換器、權電容型容型D/A轉換器以及開關樹型轉換器以及開關樹型D/A轉換器等幾種類型。轉換器等幾種

5、類型。 將數字信號轉換成模擬信號的過程稱為數將數字信號轉換成模擬信號的過程稱為數/模轉換模轉換（Digital to Analog），實現的電路稱為），實現的電路稱為D/A轉換器，轉換器，簡寫成簡寫成DAC（DigitalAnalog Converter）。）。 A/D轉換器的類型可分成直接轉換器的類型可分成直接A/D轉換器和間接轉換器和間接A/D轉換器。在直接轉換器。在直接A/D轉換器中，輸入的模擬電壓信號直轉換器中，輸入的模擬電壓信號直接被轉換成相應的數字信號；而在間接接被轉換成相應的數字信號；而在間接A/D轉換器中，轉換器中，輸入的模擬信號首先被轉換成某種中間變量（如時間、輸入的模擬信號

6、首先被轉換成某種中間變量（如時間、頻率等），然后再將這個中間量轉換成輸出的數字量。頻率等），然后再將這個中間量轉換成輸出的數字量。 將模擬信號轉換成數字信號的過程稱為模將模擬信號轉換成數字信號的過程稱為模/數轉換數轉換（Analog to Digital），實現的電路稱為），實現的電路稱為A/D轉換器，轉換器，簡寫為簡寫為ADC（AnalogDigital Converter）。）。 數字量是用代碼按位數組合起來表示的，對于有數字量是用代碼按位數組合起來表示的，對于有權碼，每位代碼都有一定的權。為了將數字量轉換成權碼，每位代碼都有一定的權。為了將數字量轉換成模擬量，必須將每一位的代碼按其權的大

7、小轉換成相模擬量，必須將每一位的代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后相加，即可得與數字量成正比的總應的模擬量，然后相加，即可得與數字量成正比的總模擬量，從而實現數字模擬的轉換。模擬量，從而實現數字模擬的轉換。D111101D/AA(電壓 或 電流) ？D/A轉換器的目的為：轉換器的目的為： D/A轉換器是由數碼寄存器、模擬電子開關電路、轉換器是由數碼寄存器、模擬電子開關電路、解碼電路、求和電路及基準電壓及部分組成。解碼電路、求和電路及基準電壓及部分組成。 數字量是以串行或并行方式輸入并存儲在數碼寄數字量是以串行或并行方式輸入并存儲在數碼寄存器中，寄存器輸出的每位數碼驅動對應數位上的電存器中

8、，寄存器輸出的每位數碼驅動對應數位上的電子開關將電阻解碼網絡中獲得的相應數位權值送入求子開關將電阻解碼網絡中獲得的相應數位權值送入求和電路中，求和電路將各位權值相加就得到與數字量和電路中，求和電路將各位權值相加就得到與數字量相應的模擬量。相應的模擬量。如權電阻網絡型、倒梯形電阻網絡型、權電流型、權如權電阻網絡型、倒梯形電阻網絡型、權電流型、權電容型以及開關樹型。電容型以及開關樹型。*按模擬開關電路的不同把按模擬開關電路的不同把D/A分為：分為：CMOS開關型和雙極型開關型，其中雙極型開關開關型和雙極型開關型，其中雙極型開關D/A轉換器又分為電流開關型和轉換器又分為電流開關型和ECL電流開關型。

9、其中電流開關型。其中CMOS型功耗低，但速度慢。雙極型的轉換速度快。型功耗低，但速度慢。雙極型的轉換速度快。一個多位二進制數可表示為一個多位二進制數可表示為0011221101212222ddddddddDnnnnnnn其中：其中：2n-1、2n221、20稱為最高位（稱為最高位（Most Significant Bit，簡稱，簡稱MSB）到最低位（）到最低位（Least Significant Bit，簡稱，簡稱LSB）的權。）的權。圖圖11.2.2權電阻網絡模擬開關求和放大器RVIRVIRVIRVIRVIREFREFREFREFiREFi031221302222權電流：（3）VREF：基準

10、電壓：基準電壓)(01230IIIIRIRvFF由于由于V V0，故各電流為故各電流為001122338,42,dRVIdRVIdRVIdRVIREFREFREFREF，輸出電壓為輸出電壓為)2222(2)222()(0011223340312230123ddddVdRVdRVdRVdRVRIIIIRiRvREFREFREFREFREFFFFo2RRF。的最大變化范圍是故輸出電壓時，當時，當REFnnREFnnVVvv2120,2121111D; 00000D0n0n 注：注：1.若若VREF取正值，則輸出電壓為負值。若想輸出取正值，則輸出電壓為負值。若想輸出電壓為正值，可以將電壓為正值，可以

11、將VREF取負值。取負值。)2222(2001122334ddddVvREFo2. 此電路的優點是電路結構簡單，所用的電阻元件少。此電路的優點是電路結構簡單，所用的電阻元件少。缺點是各個電阻的阻值相差較大，輸入數字量的位數缺點是各個電阻的阻值相差較大，輸入數字量的位數越多，差別就越大，故很難保證電阻的精確度。越多，差別就越大，故很難保證電阻的精確度。nREFREFDVddddddddVv80011223344556677802)22222222(2 為了克服權電阻網絡為了克服權電阻網絡D/A轉換器電阻阻值相差太轉換器電阻阻值相差太大的缺點，改進電路為倒大的缺點，改進電路為倒T型電阻網絡型電阻網

12、絡D/A轉換器，如轉換器，如圖圖11.2.4所示。所示。圖圖11.2.4根據根據“虛短虛短”“”“虛虛地地”，有，有VV，無論開關打在哪一無論開關打在哪一面，流過每個支路面，流過每個支路的電流始終不變。的電流始終不變。故可等效成圖故可等效成圖11.2.5所示電路。所示電路。RRRR圖圖11.2.5RRRR圖圖11.2.5)()()()(16842010123IdIdIdIdiIdiIdiiii流入地端時，流入時，RVIREF故輸出電壓為故輸出電壓為DVddddRVRRiVREFREFO40011223342)2222(21)16()8()4()2(0123IdIdIdIdiRVIREFnnRE

13、FnnnnnREFoDVddddVv2)2222(200112211 上式說明輸出的模擬電壓與輸入的數字量成正比，其上式說明輸出的模擬電壓與輸入的數字量成正比，其其輸出公式與權電阻網絡其輸出公式與權電阻網絡D/A轉換器相同。轉換器相同。REFnnOnnVVD2120120,范圍為為“正”取“負”則得OREFVV圖圖11.2.6圖圖11.2.61000118899102)2222(2DVddddVvnREFREFo 圖圖11.2.61010102DVRRRvREFW10101102)1 (DVRRvREFW注：注：在圖在圖11.2.7電路中，電路中，RW1可調節反饋電阻的阻值，可調節反饋電阻的阻

14、值，使得運算放大器的放大比例系數增加，從而達到提高滿使得運算放大器的放大比例系數增加，從而達到提高滿量程輸出電壓的目的；量程輸出電壓的目的；*RW2起到減小滿量程的目的，因為它是和內部電阻網起到減小滿量程的目的，因為它是和內部電阻網絡的等效電阻串聯，從而改變電流絡的等效電阻串聯，從而改變電流I；*在實際應用中，在實際應用中，D/A轉換器輸轉換器輸入的數字量可能是正數，也可入的數字量可能是正數，也可能是負數，這就要求能是負數，這就要求D/A轉換轉換器能將不同極性的數字量轉換器能將不同極性的數字量轉換成正、負極性的模擬電壓，工成正、負極性的模擬電壓，工作在雙極性方式，這個內容在作在雙極性方式，這個

15、內容在下面介紹下面介紹 在前面介紹的權電阻網絡在前面介紹的權電阻網絡D/A轉換器和倒轉換器和倒T形電阻形電阻網絡網絡D/A轉換器中，都沒有考慮開關的導通電阻和導通轉換器中，都沒有考慮開關的導通電阻和導通壓降，而是當成理想開關處理，這無疑會引起轉換誤壓降，而是當成理想開關處理，這無疑會引起轉換誤差，影響轉換精度。差，影響轉換精度。 解決這個問題采用的一種方法是利用一組恒流源解決這個問題采用的一種方法是利用一組恒流源構成構成“權權”，其原理電路如圖，其原理電路如圖11.2.8所示。所示。由于采用恒流源，由于采用恒流源，每個支路電流的大小每個支路電流的大小不再受開關內阻合壓降不再受開關內阻合壓降的影

16、響，故而降低了的影響，故而降低了對開關電路的要求。對開關電路的要求。EiEEBEBiRVVVI當輸入的數字量當輸入的數字量為為1時，相應的開時，相應的開關將恒流源接到關將恒流源接到運算放大器的輸運算放大器的輸入端；當輸入的入端；當輸入的數字量為數字量為0時，相時，相應的開關將恒流應的開關將恒流源接地源接地)2222(2)16842(0011223340123ddddIRdIdIdIdIRiRvFFFo此電路中利用倒此電路中利用倒T形電阻網絡，目的是為了減少電阻形電阻網絡，目的是為了減少電阻的種類。的種類。其中：其中： (1)各個管子的基極接到一起，若各管的各個管子的基極接到一起，若各管的VBE

17、相同，相同，則各發射極處于相同的電位，各支路電流的計算和倒則各發射極處于相同的電位，各支路電流的計算和倒T形電阻網絡一樣，即流過每個電阻的電流依次減少形電阻網絡一樣，即流過每個電阻的電流依次減少1/2。為了保證發射結壓降相等，發射極電流較大的管子增加為了保證發射結壓降相等，發射極電流較大的管子增加了發射結的面積。了發射結的面積。(3)運算放大器運算放大器A1、三極管、三極管TR、電阻、電阻RR、R構成基準構成基準電流發生電路。其基準電流為電流發生電路。其基準電流為IRVIRREFREFnRREFFRREFFFoDRVRddddRVRddddIRv40011223340011223342)222

18、2(2)2222(2*DAC0808為為8位位D/A轉換器，其典型應轉換器，其典型應用電路如圖用電路如圖11.2.11所所示。示。VR、 VR接基準接基準電流發生電路中運電流發生電路中運算放大器的反相輸算放大器的反相輸入端和同相輸入端。入端和同相輸入端。COMP供外接補償供外接補償電容的，電容的，VCC和和VEE為正負電源輸入端。為正負電源輸入端。*11.2.5 權電容網絡權電容網絡D/A轉換器（自學）轉換器（自學） 由于由于D/A轉換器中數字量有正負之分，此時要求輸轉換器中數字量有正負之分，此時要求輸出電壓也應有正負，這就要求出電壓也應有正負，這就要求D/A轉換器工作于雙極性轉換器工作于雙極

19、性方式。方式。 由于二進制算術運算中通常都把帶符號的數值用由于二進制算術運算中通常都把帶符號的數值用補碼的形式表示，故希望補碼的形式表示，故希望D/A轉換器能夠把以補碼形式轉換器能夠把以補碼形式輸入的正、負數分別轉換成正負極性輸出的模擬電壓。輸入的正、負數分別轉換成正負極性輸出的模擬電壓。為了簡單起見，下面以為了簡單起見，下面以3位補碼的情況為例，說明如何位補碼的情況為例，說明如何實現實現D/A轉換器的雙極性工作方式。轉換器的雙極性工作方式。 此表數值若用普通的此表數值若用普通的3位倒梯形電阻網絡的位倒梯形電阻網絡的D/A轉換器實現，其電路如圖轉換器實現，其電路如圖11.2.12所示。所示。)

20、222(280011223dddvo則對應表則對應表112的數字量輸的數字量輸出為出為 為了得到表為了得到表11-3中在輸入代碼為中在輸入代碼為100時，輸出電壓時，輸出電壓為為0V，此時電路如圖，此時電路如圖11.2.13所示所示圖圖11.2.13RVIRVIiREFBBB22 另外對照表另外對照表11-2和和11-3可知兩個最高位（符號位）可知兩個最高位（符號位）為取反的形式，故將最高位取反后加到普通為取反的形式，故將最高位取反后加到普通D/A轉換轉換器上即可得到雙極型輸出，如圖器上即可得到雙極型輸出，如圖11.2.13所示。所示。圖圖11.2.13一般地構成雙極性輸出的一般地構成雙極性輸

21、出的D/A轉換器的方法：只要在求轉換器的方法：只要在求和放大器的輸入端接入一個偏移電流，使輸入最高位和放大器的輸入端接入一個偏移電流，使輸入最高位為為1,而其他各位輸入為而其他各位輸入為0時的輸出時的輸出vo=0。同時將輸入的。同時將輸入的符號位（最高位）符號位（最高位）反相后接到一般反相后接到一般的的D/A轉換器地轉換器地輸入，就得到了輸入，就得到了雙極性輸出的雙極性輸出的D/A轉換器。轉換器。一一 、D/A轉換器的轉換精度轉換器的轉換精度 在在D/A轉換器中，通常用分辨率和轉換誤差來轉換器中，通常用分辨率和轉換誤差來描述轉換精度。描述轉換精度。 分辨率用于表示分辨率用于表示D/A轉換器對輸

22、入微小量變化敏轉換器對輸入微小量變化敏感程度的，定義為感程度的，定義為D/A轉換器模擬輸出電壓可能分成轉換器模擬輸出電壓可能分成的等級數，從的等級數，從0000到到1111全部全部2n個不同的狀態，個不同的狀態，給出給出2n個不同的輸出電壓，位數越多，等級越多，意個不同的輸出電壓，位數越多，等級越多，意味著分辨率越高。所以在實際應用中，往往味著分辨率越高。所以在實際應用中，往往用輸入數用輸入數字量的位數表示字量的位數表示D/A轉換器的分辨率轉換器的分辨率。121A/Dn轉換器的分辨率1. 分辨率：（理論精度）分辨率：（理論精度）另外另外也用也用D/A轉換器能夠分辨出的最小電壓與最大電壓轉換器能

23、夠分辨出的最小電壓與最大電壓之比表示分辨率之比表示分辨率，即，即001. 01023112110 由于由于D/A轉換器的各個環節在參數及性能上和理論轉換器的各個環節在參數及性能上和理論值存在著差異，如基準電壓不夠穩定、運算放大器的值存在著差異，如基準電壓不夠穩定、運算放大器的零點漂移、模擬開關的導通內阻和導通壓降、電阻網零點漂移、模擬開關的導通內阻和導通壓降、電阻網絡中電阻阻值的偏差以及三極管特性不一致等等因素，絡中電阻阻值的偏差以及三極管特性不一致等等因素，都會使得實際精度與轉換誤差有關系。都會使得實際精度與轉換誤差有關系。轉換誤差是表示由各種因素轉換誤差是表示由各種因素引起誤差的一個綜合性

24、的指引起誤差的一個綜合性的指標，它表示實際的標，它表示實際的D/A轉換轉換器特性和理論轉換特性之間器特性和理論轉換特性之間的最大偏差，如圖的最大偏差，如圖11.2.16所所示示圖圖11.2.163、轉換誤差分析、轉換誤差分析 轉換誤差包括比例系數誤差、失調誤差和非線性轉換誤差包括比例系數誤差、失調誤差和非線性誤差等。由不同因素引起的轉換誤差各有不同的特點。誤差等。由不同因素引起的轉換誤差各有不同的特點。下面以下面以4位倒位倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器來介紹各種因素轉換器來介紹各種因素引起誤差的情況。引起誤差的情況。 當基準電壓當基準電壓VREF偏離標準值偏離標準值VREF時，會在輸出時

25、，會在輸出端產生誤差電壓端產生誤差電壓v01 。 由由VREF引起的轉換誤差，引起的轉換誤差，叫做比例系數誤差。叫做比例系數誤差。)2222(20011223340ddddVvREF則由則由VREF產生的誤差為產生的誤差為REFVddddv)2222(2100112233401圖圖11.2.17中的虛線為在一中的虛線為在一定的定的VREF時，時， vo偏離理偏離理論值的情況。論值的情況。圖圖11.2.17 由于運算放大器的由于運算放大器的零點漂移所造成的誤差，零點漂移所造成的誤差，其誤差電壓其誤差電壓vo 2的大的大小與輸入的數字量無關，小與輸入的數字量無關，輸出電壓特性曲線將發輸出電壓特性曲

26、線將發生平移。如圖生平移。如圖11.2.18所所示。示。圖圖11.2.18 由于模擬開關的導通電由于模擬開關的導通電阻和導通壓降都不能為零，阻和導通壓降都不能為零，故而它們的存在肯定會引起故而它們的存在肯定會引起輸出產生誤差電壓輸出產生誤差電壓 vo3 。由。由于每個開關的導通電阻不一于每個開關的導通電阻不一定相等，接地時和接定相等，接地時和接VREF的的壓降也不一定相同，故壓降也不一定相同，故 vo3即非常數，也不和輸入數字即非常數，也不和輸入數字量成正比量成正比,這種誤差就是非線這種誤差就是非線性誤差，它沒有一定的規律。性誤差，它沒有一定的規律。還有電阻網絡的電阻阻值得還有電阻網絡的電阻阻

27、值得偏差，也會產生非線性誤差偏差，也會產生非線性誤差vo4 。如圖。如圖11.2.19所示所示圖圖11.2.19絕對值相加總誤差：幾種誤差的*注：目前常用的有兩類注：目前常用的有兩類D/A轉換器：一類只包含電阻網轉換器：一類只包含電阻網絡（或恒流源電路）和模擬開關；另一類除此之外還絡（或恒流源電路）和模擬開關；另一類除此之外還包含運算放大器及參考電源發生電路。對于第一類必包含運算放大器及參考電源發生電路。對于第一類必須外接參考電壓和運算放大器，應該注意合理確定參須外接參考電壓和運算放大器，應該注意合理確定參考電壓源穩定度和運算放大器的零點漂移的要求。考電壓源穩定度和運算放大器的零點漂移的要求。

28、二二 、D/A轉換器的轉換速度轉換器的轉換速度 當當D/A轉換器輸入的數字量發生變化時，輸出的轉換器輸入的數字量發生變化時，輸出的模擬量并不能立即達到所對應的輸出電壓，它需要一模擬量并不能立即達到所對應的輸出電壓，它需要一段建立時間。通常用建立時間段建立時間。通常用建立時間tset來定量描述來定量描述D/A轉換轉換器的轉換速度。器的轉換速度。建立時間建立時間 tset：從輸入的數字量發生突變開始，直到輸：從輸入的數字量發生突變開始，直到輸出電壓進入與穩態值相差出電壓進入與穩態值相差1LSB/2范圍以內所用的時范圍以內所用的時間。如圖間。如圖11.2.20所示。所示。由于數字量的變化越大，建由于

29、數字量的變化越大，建立的時間就越長，故一般產立的時間就越長，故一般產品給出的是輸入從全品給出的是輸入從全0跳變到跳變到全全1(或反之）時的建立時間。或反之）時的建立時間。目前在不包含運算放大器的目前在不包含運算放大器的D/A轉換器中，轉換器中， tset最小為最小為0.1s以內；在包含運算放大以內；在包含運算放大器的集成器的集成D/A轉換器中，轉換器中， tset最小為最小為1.5 s以內。以內。解：解： a. 計算計算1 LSB /2所對應的輸出電壓：所對應的輸出電壓：)2222(200112211ddddVvnnnnnREFo 當當LSB1,其余為其余為0時，輸出電壓為時，輸出電壓為nRE

30、FoVv2故（故（1/2）LSB的輸出電壓絕對值為的輸出電壓絕對值為12212nREFnREFoVVvn 位倒位倒T形電阻網絡的輸出電壓為形電阻網絡的輸出電壓為最低位最低位112REFoVv對于對于CB7520在在n 位位D/A轉換器中，轉換器中， VREF引起的輸出電壓的變化引起的輸出電壓的變化為：為：REFnnnnnVddddv )2222(2100112210則當輸入的數字量全為則當輸入的數字量全為1時，誤差最大，但應小于等于時，誤差最大，但應小于等于1LSB /2，故，故102212nREFREFnnVVv1110102212REFREFVV對于對于CB7520則有則有%05. 021

31、2112211111010REFREFVV而允許參考電壓的變化量僅為而允許參考電壓的變化量僅為mVVVREFREF512221021122101011111010注：上面計算為輸入、輸出處于穩態下得出的，輸入注：上面計算為輸入、輸出處于穩態下得出的，輸入靜態誤差。在動態時，還有附加的動態轉換誤差。靜態誤差。在動態時，還有附加的動態轉換誤差。1110102212REFREFVV1110102212REFREFVV解：若要求解：若要求D/A轉換器的精度小于轉換器的精度小于0.05%，也是要求，也是要求D/A轉換器的實際輸出值和理論值之間的誤差（絕對誤轉換器的實際輸出值和理論值之間的誤差（絕對誤差）

32、，一般應低于差），一般應低于 1LSB /2，即，即LBSoUv21兩邊同除輸入為全為兩邊同除輸入為全為1時的最大電壓得：時的最大電壓得：mLBSmoUUUv21轉換器的分辨率轉換器精度ADAD/21/即即故故由于由于10位位D/A轉換器分辨率為轉換器分辨率為%1 . 0%05. 02121/n轉換器的分辨率AD%097. 0%10012110121A/Dn轉換器的分辨率轉換器的分辨率轉換器精度ADAD/21/故應取十位或十位以上的故應取十位或十位以上的D/A轉換器。轉換器。由于輸入的模擬信號在時間上是連續的，輸出的數字由于輸入的模擬信號在時間上是連續的，輸出的數字信號在時間和幅值都是是離散的

33、，因此轉換時一般要信號在時間和幅值都是是離散的，因此轉換時一般要經過經過取樣、保持、量化和編碼取樣、保持、量化和編碼 四個過程。實際中有時四個過程。實際中有時取樣和保持、量化和編碼會同時實現。取樣和保持、量化和編碼會同時實現。D111101A/DA(電壓電壓 或或 電流電流)？A/D轉換器是將模擬量轉換成數字量轉換器是將模擬量轉換成數字量 所以所以A/D轉換過程是首先對輸入模擬電壓信號進轉換過程是首先對輸入模擬電壓信號進行取樣，然后保持并將取樣電壓量化為數字量，并按行取樣，然后保持并將取樣電壓量化為數字量，并按一定的編碼形式給出轉換結果。一定的編碼形式給出轉換結果。 取樣是將隨時間連續變化的模

34、擬量轉換為時間離取樣是將隨時間連續變化的模擬量轉換為時間離散的模擬量。散的模擬量。 為了使得取樣信號能為了使得取樣信號能逼近輸入模擬信號，則取逼近輸入模擬信號，則取樣信號應該有足夠高的頻樣信號應該有足夠高的頻率。為了保證取樣信號將率。為了保證取樣信號將被取樣信號恢復，其頻率被取樣信號恢復，其頻率關系必須滿足取樣定理。關系必須滿足取樣定理。圖圖11.3.1為對某個輸入信號進行采樣的波形。其中為對某個輸入信號進行采樣的波形。其中vs為取樣信號，為取樣信號，vI 表示輸入的模擬信號。表示輸入的模擬信號。圖圖11.3.1(max)2isff 一般取一般取(max)53(isff 注：在取樣電路每次取得

35、的模擬信號轉換為數字信號注：在取樣電路每次取得的模擬信號轉換為數字信號時都需要一定的時間時都需要一定的時間,而且為了給后續的量化編碼提供而且為了給后續的量化編碼提供一個穩定值，則每次取得的模擬信號必須通過保持電一個穩定值，則每次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時間。一般取樣和保持過程往往是通過取路保持一段時間。一般取樣和保持過程往往是通過取樣保持電路同時完成的。樣保持電路同時完成的。 若若fs為取樣信號的頻率，為取樣信號的頻率， fi（max）為輸入模擬信號為輸入模擬信號的最高頻率分量的頻率，則它們必須滿足的最高頻率分量的頻率，則它們必須滿足二二 、量化和編碼、量化和編碼1.量化量化 數

36、字量不僅時間上是離散的，而且數值上也是離數字量不僅時間上是離散的，而且數值上也是離散的，所以任何一個數字量的大小只能是某個規定的散的，所以任何一個數字量的大小只能是某個規定的最小數量單位的整數倍。最小數量單位的整數倍。將采樣電壓表示為最小數量將采樣電壓表示為最小數量單位（單位（）的整數倍，稱為量化。）的整數倍，稱為量化。所取得最小數量單位所取得最小數量單位叫做量化單位，用叫做量化單位，用表示，它是數字信號最低位表示，它是數字信號最低位（LSB）為）為1,其它位為其它位為0時所對應的模擬量，即時所對應的模擬量，即1LSB。如圖如圖11.2.3所示所示 將量化的結果用代碼（可以是二進制，也可以是將

37、量化的結果用代碼（可以是二進制，也可以是其他進制）表示出來，這個過程稱為編碼，這些代碼其他進制）表示出來，這個過程稱為編碼，這些代碼也是也是A/D轉換器的輸出數字量。轉換器的輸出數字量。3. 量化誤差：量化誤差： 由于模擬電壓是連續的，那么由于模擬電壓是連續的，那么不可能所有的電壓不可能所有的電壓都能被量化單位都能被量化單位整除整除，所以量化過程不可避免地會，所以量化過程不可避免地會引入誤差，這種誤差就叫做量化誤差。量化誤差屬于引入誤差，這種誤差就叫做量化誤差。量化誤差屬于原理性誤差，無法消除。原理性誤差，無法消除。A/D轉換器的位數越多，各轉換器的位數越多，各離散電平之間的差值就越小，量化誤

38、差也越小。離散電平之間的差值就越小，量化誤差也越小。a. 只舍不入量化方式只舍不入量化方式以以3位位A/D轉換器為例轉換器為例 設輸入電壓設輸入電壓vI為為01V，取量化單位取量化單位1/8 V，量，量化中把不足量化單位部分化中把不足量化單位部分舍棄，如舍棄，如01/8 V都當成都當成0V處理，用處理，用000表示；在表示；在1/82/8V都當成都當成1 處理，處理，即當成即當成1/8V處理，用處理，用001表表示，依此類推，如圖示，依此類推，如圖11.3.2（a）所示，其最大量化誤）所示，其最大量化誤差為差為 。注：由于后者的量化誤差比前者小，所以大多數注：由于后者的量化誤差比前者小，所以大

39、多數A/D轉轉換器采用四舍五入的量化方式。換器采用四舍五入的量化方式。 取量化單位為取量化單位為 2/15 V，量化中將不足半個量化，量化中將不足半個量化單位部分舍去，對于等于或單位部分舍去，對于等于或大于半個量化單位的部分按大于半個量化單位的部分按一個量化單位處理。如一個量化單位處理。如01/15 V 當當0V處理，用處理，用000表示；在表示；在1/153/15 V當成當成1 處理，即處理，即2/15 V，用，用001表表示，依此類推，如圖示，依此類推，如圖11.3.2(b）所示，其最大量化誤差為所示，其最大量化誤差為1/2 。當輸入的模擬電壓為當輸入的模擬電壓為正負范圍內變化時，正負范圍

40、內變化時，一般采用二進制補碼一般采用二進制補碼的形式編碼。的形式編碼。11.3.2 取樣保持電路取樣保持電路取樣保持電路的原理圖及輸出波形如圖取樣保持電路的原理圖及輸出波形如圖11.3.3所示所示1.原理電路：原理電路：圖圖11.3.3 該電路是由放大器該電路是由放大器A、保持電容、保持電容CH和開關驅動電和開關驅動電路組成。其中路組成。其中vI為輸入的模擬電壓，為輸入的模擬電壓， vL為取樣控制信為取樣控制信號號,T為為N溝道增強型溝道增強型MOS管，做為模擬開關，管，做為模擬開關，11.3.2 取樣保持電路取樣保持電路圖圖11.3.3a.當取樣控制電壓當取樣控制電壓vL為高為高電平時，電平

41、時，NMOS管導通，管導通，輸入電壓輸入電壓vI通過通過R1和和T給給電容電容CH充電。若取充電。若取R1 RF，并設運放為理想的，并設運放為理想的，則則vo vc vIb.當取樣電壓當取樣電壓vL為低電平時，為低電平時，NMOS管截止，管截止，CH上的電壓在上的電壓在這段時間內基本不變，則輸出這段時間內基本不變，則輸出電壓也不變，取樣結果被保存電壓也不變，取樣結果被保存下來，即下來，即vo vc vI。 CH漏電越小，運放的輸入阻抗越高，則保持的時漏電越小，運放的輸入阻抗越高，則保持的時間也越長。間也越長。注：圖注：圖11.3.4的電路由于的電路由于充電時通過充電時通過R1和和T，它們，它們

42、將影響取樣速度。而若將影響取樣速度。而若減小減小R1則會降低電路的則會降低電路的輸入電阻。采取得措施輸入電阻。采取得措施是在電路的輸入端增加是在電路的輸入端增加一級隔離放大器。一級隔離放大器。圖圖11.3.311.3.2 取樣保持電路取樣保持電路 圖圖11.3.5 （a）是）是LF398的電路結構圖，圖的電路結構圖，圖11.3.5 （b）是其典型接法。）是其典型接法。圖圖11.3.5圖圖11.3.511.3.2 取樣保持電路取樣保持電路圖圖11.3.511.3.2 取樣保持電路取樣保持電路11.3.2 取樣保持電路取樣保持電路圖圖11.3.5 并聯比較型屬于直接并聯比較型屬于直接A/D轉換器，

43、它把輸入的模擬轉換器，它把輸入的模擬電壓直接轉換為輸出的數字量，而不需要經過中間量。電壓直接轉換為輸出的數字量，而不需要經過中間量。直接直接A/D轉換器還有反饋比較型。轉換器還有反饋比較型。圖圖11.3.6為并聯比較型為并聯比較型A/D轉換器的電路結構圖轉換器的電路結構圖.1. 組成：組成： 并聯比較并聯比較型型A/D轉換器是轉換器是由電壓比較器、由電壓比較器、寄存器和代碼寄存器和代碼轉換電路三部轉換電路三部分組成。分組成。圖圖11.3.6輸入為輸入為0VREF間的模擬電壓，間的模擬電壓，輸出為輸出為3位二進位二進制代碼制代碼d2d1d0。此此A/D轉換器轉換器不包括取樣不包括取樣保持電路，即

44、保持電路，即假定輸入的模假定輸入的模擬電壓擬電壓vI為取為取樣保持電路樣保持電路的輸出電壓。的輸出電壓。圖圖11.3.62. 量化方式：量化方式： 取量化取量化單位為單位為152REFV其比較其比較器中量器中量化電平化電平的劃分的劃分如圖如圖11.3.7所所示。示。由圖由圖11.3.7表可寫出輸表可寫出輸出端的邏輯式為出端的邏輯式為12345670246142QQQQQQQdQQQdQd12345670246142QQQQQQQdQQQdQd則比較器輸出則比較器輸出均為低電平，均為低電平，當當CLK上升沿上升沿到來后，所有到來后，所有的觸發器狀態的觸發器狀態置成置成0，即，即d2 d1 d00

45、00圖圖11.3.6若若15REFIVv 圖圖11.3.6則比較器則比較器C1輸出為輸出為高電平，其他為低高電平，其他為低電平。當電平。當CLK上升上升沿到來后，觸發器沿到來后，觸發器的狀態置成的狀態置成0000001，則，則d2 d1 d0001，依此類，依此類推。推。15315REFIREFVvV若若特點：特點：3.并聯比較型并聯比較型A/D轉換器的轉換精度主要取決于量化轉換器的轉換精度主要取決于量化電平的劃分，劃分越細，精度越高，但所用的比較器電平的劃分，劃分越細，精度越高，但所用的比較器和觸發器的數目越多。另外轉換精度與參考電壓、電和觸發器的數目越多。另外轉換精度與參考電壓、電阻及運放

46、也有關。阻及運放也有關。原理：取一個數字量加到原理：取一個數字量加到D/A轉換器上，則可得到一轉換器上，則可得到一個對應的輸出模擬電壓。將這個模擬電壓和輸入的模個對應的輸出模擬電壓。將這個模擬電壓和輸入的模擬電壓信號相比較。如果兩者不相等，則調整所取得擬電壓信號相比較。如果兩者不相等，則調整所取得數字量，直到兩個模擬電壓相等為止，最后所取得數數字量，直到兩個模擬電壓相等為止，最后所取得數字量即為所求的轉換結果。字量即為所求的轉換結果。 在反饋比較型在反饋比較型A/D轉換器中經常采用的有計數型轉換器中經常采用的有計數型和逐次漸進型兩種。和逐次漸進型兩種。1.計數型計數型A/D轉換器轉換器 圖圖1

47、1.3.8為計數型為計數型A/D轉換器的原理框圖。它是轉換器的原理框圖。它是由比較器由比較器C、D/A轉換器、計數器、脈沖源、控制門轉換器、計數器、脈沖源、控制門G以及輸出寄存器等幾部分構成。以及輸出寄存器等幾部分構成。圖圖11.3.8 取一個取一個“D”加到加到DAC上，得到模擬輸出電壓，將上，得到模擬輸出電壓，將該值與輸入電壓比較，如兩者不等，則調整該值與輸入電壓比較，如兩者不等，則調整D的大小，的大小，到相等為止，則到相等為止，則D為所求值為所求值圖圖11.3.8a. 將計數器清零，且將計數器清零，且vL0。此時門。此時門G被封鎖，計數器被封鎖，計數器不工作，計數器輸出為不工作，計數器輸

48、出為0，則，則vo0；如果；如果vI 0，則，則vI vo ，比較器的輸出電壓，比較器的輸出電壓vB1；圖圖11.3.8圖圖11.3.8圖圖11.3.8注：注： a.由于轉換過程中計數器的數字不斷變化，所以由于轉換過程中計數器的數字不斷變化，所以不能將計數器的狀態做為輸出的數字信號，而是在輸不能將計數器的狀態做為輸出的數字信號，而是在輸出端設置可輸出寄存器，并在出端設置可輸出寄存器，并在vL的下降沿的控制下，的下降沿的控制下，寄存器的狀態為最終的輸出數字信號。寄存器的狀態為最終的輸出數字信號。圖圖11.3.8b. 此方案的缺點是轉換時間長。當輸出為此方案的缺點是轉換時間長。當輸出為n位二進制位

49、二進制數碼時，最長的轉換時間是數碼時，最長的轉換時間是2n1倍的時鐘脈沖信號倍的時鐘脈沖信號周期。由于此電路結構簡單，常用在對轉換速度要求周期。由于此電路結構簡單，常用在對轉換速度要求不高的場合。不高的場合。圖圖11.3.8 為了提高轉換速度，在計數型為了提高轉換速度，在計數型A/D轉換器的基礎上，轉換器的基礎上，產生逐次漸近型產生逐次漸近型A/D轉換器。雖然也是反饋比較型轉換器。雖然也是反饋比較型A/D轉換器，但轉換器，但D/A轉換器的數字量的給出方式不同。轉換器的數字量的給出方式不同。逐次漸近就如逐次漸近就如稱重物，如稱重物，如13g的重物，有砝的重物，有砝碼碼8g、4g、2g、1g。比較

50、過程。比較過程如表如表11.3.1所示所示次就夠了只要比較 n圖圖11.3.9工作原理：工作原理：a.逐次漸近寄存逐次漸近寄存器清零；器清零；b. 先設寄存器狀態為最高位為先設寄存器狀態為最高位為1,其他位為其他位為0（如（如4位位A/D轉換器為轉換器為1000），經過），經過D/A轉換器后，送到比較器比較。轉換器后，送到比較器比較。圖圖11.3.9特點：電路不太復雜，速度較快特點：電路不太復雜，速度較快其組成為：其組成為：*由由FF1FF5構成順序脈構成順序脈沖發生器，沖發生器，其波形如圖其波形如圖11.3.11所示。所示。圖圖11.3.10*由由FFAFFC構成構成3位位數碼寄存器，數碼寄

51、存器，其輸出為三其輸出為三位二進制數位二進制數d2d1d0.圖圖11.3.10*G1G9組組成控制邏成控制邏輯電路。輯電路。*運算放大器運算放大器構成比較器，構成比較器，用它比較輸入用它比較輸入電壓電壓 vI和和vo的的大小大小 。若。若vI vo ，則，則vB為低為低電平，其比較電平，其比較器輸出端接到器輸出端接到三個控制與門三個控制與門的輸入端的輸入端圖圖11.3.10若設若設D/A轉換轉換器的參看電壓器的參看電壓VREF8V，輸入的模擬電輸入的模擬電壓為壓為vI5.86V,則轉換過程如則轉換過程如下：下：圖圖11.3.10(1) 開始前將開始前將FFA FFB置置零，同時將環零，同時將環

52、形計數器形計數器FF1FF5置成置成Q1Q5= 10000。(2) 當當vL為高為高電平時，轉換電平時，轉換開始。當第開始。當第1個脈沖到達后，個脈沖到達后，此時此時QAQBQC100 ，若，若D/A轉換器為轉換器為T形電阻網絡形電阻網絡型，則，輸出型，則，輸出電壓（不包含電壓（不包含求和放大器）求和放大器）為為圖圖11.3.10VdddVvREFo4)222(20011223圖圖11.3.10(3) 當第當第2個個脈沖上升沿脈沖上升沿來時，來時， QAQBQC110 。此時。此時IREFovVdddVv6)222(20011223故比較器輸出故比較器輸出為為1,同時同時Q1Q5= 00100

53、圖圖11.3.10(4) 當第當第3個個脈沖上升沿脈沖上升沿來時，來時， QAQBQC101 。此時。此時IREFovVdddVv5)222(20011223故比較器輸故比較器輸出為出為0,同時同時Q1Q5= 00010(5) 當第當第4個脈個脈沖上升沿來時，沖上升沿來時， QAQBQC101 。此時。此時Q1Q5= 00001,若取數若取數據則可并行輸據則可并行輸出。出。圖圖11.3.102004/12/25(6) 第第5個脈個脈沖來后，沖來后， Q1Q5= 10000 ，返，返回初態，回初態，同時門同時門G6G8被封被封鎖，轉換鎖，轉換輸出信號輸出信號消失。消失。圖圖11.3.10注：注：

54、a. 為了減為了減小量化誤差，小量化誤差，使使D/A轉換器輸轉換器輸出產生出產生/2的的偏移量；偏移量；b. 轉換時間比轉換時間比計數器型的要計數器型的要少少(n+2個脈個脈沖），轉換速沖），轉換速度高，當然比度高，當然比并聯型的要低，并聯型的要低，但電路要簡單但電路要簡單的多；的多；圖圖11.3.10c.位數越高，轉化精度越高。此種類型的位數越高，轉化精度越高。此種類型的A/D轉換器是轉換器是最常用的一種。最常用的一種。 雙積分型雙積分型A/D轉換器屬于間接轉換器屬于間接A/D轉換器，雙積分轉換器，雙積分型簡稱為型簡稱為 VT變換型，它首先把輸入的模擬電壓信號變換型，它首先把輸入的模擬電壓信

55、號轉換成與之成正比的時間寬度信號，然后在這個時間轉換成與之成正比的時間寬度信號，然后在這個時間寬度里對固定頻率的時鐘脈沖計數，計數的結果就是寬度里對固定頻率的時鐘脈沖計數，計數的結果就是正比于輸入模擬電壓的數字信號。最常用的間接正比于輸入模擬電壓的數字信號。最常用的間接A/D轉換器還有電壓頻率變換型（簡稱轉換器還有電壓頻率變換型（簡稱VF變換型）兩變換型）兩類。類。 VF變換型變換型A/D轉換器首先是把輸入的模擬電壓轉換器首先是把輸入的模擬電壓信號轉換成與之成正比的頻率信號，然后在一個固定信號轉換成與之成正比的頻率信號，然后在一個固定的時間間隔里對得到的頻率信號計數，計數的結果就的時間間隔里對

56、得到的頻率信號計數，計數的結果就是正比于輸入模擬電壓的數字信號。是正比于輸入模擬電壓的數字信號。圖圖11.3.12是雙積分型是雙積分型A/D轉換器的原理性框圖。轉換器的原理性框圖。它包含積它包含積分器、比分器、比較器、計較器、計數器、邏數器、邏輯控制和輯控制和時鐘信號時鐘信號源幾部分。源幾部分。圖圖11.3.12a.組成：組成：當當vL1 轉換開始轉換開始（S0斷開），其步斷開），其步驟如下驟如下a. 使開關使開關S1合到輸合到輸入信號入信號vI 一側一側:積分積分器對器對vI在固定時間在固定時間T1進行積分，其輸進行積分，其輸出電壓為出電壓為 ITIovCRTdtRvCv101)(1上式說明

57、，在固上式說明，在固定時間定時間T1的條件的條件下，積分器的輸下，積分器的輸出電壓出電壓vo與輸入與輸入電壓電壓vI 成正比。成正比。 ITIovCRTdtRvCv101)(1此時積分器反向積分此時積分器反向積分即即IREFvRCTVRCT12IREFvVTT1201201TIREFovRCTdtRVCv由此可見，由此可見，T2與輸入信號與輸入信號vI成正比。成正比。圖圖11.3.13若計數器在時間若計數器在時間T2內對固內對固定頻率定頻率fC（ fC1/TC）的）的時鐘脈沖進行計數，則計時鐘脈沖進行計數，則計數結果也一定與數結果也一定與vI 成正比。成正比。即即IREFCCvVTTTTD12

58、設設T1=NTC，則上式可變，則上式可變成成IREFvVND 即輸出的數字量與輸入即輸出的數字量與輸入的模擬電壓成正比。的模擬電壓成正比。而且輸入電壓與反向而且輸入電壓與反向積分的時間成正比。積分的時間成正比。 對于雙積分過程的控制，可由圖對于雙積分過程的控制，可由圖11.3.14所示的邏輯所示的邏輯電路來完成。電路來完成。圖圖11.3.14a. 轉換開始前：轉換控制信號轉換開始前：轉換控制信號 vL0 ，門，門G輸出為輸出為1,各觸發器被置零，同時，各觸發器被置零，同時，S0被關閉，被關閉，C完全放電。完全放電。b. 轉換開始：轉換控制信號轉換開始：轉換控制信號vL1，S0斷開，斷開，S1接

59、到輸接到輸入信號入信號vI一側，積分器開始對輸入電壓一側，積分器開始對輸入電壓vI進行積分。由進行積分。由于積分器于積分器A輸出為負電壓，故比較器輸出為負電壓，故比較器C輸出為高電平，輸出為高電平，門門G打開，計數器對打開，計數器對vG 端的脈沖計數。端的脈沖計數。 1Lvc. 當計數器計滿當計數器計滿2n個脈沖（個脈沖（T1時間）后，自動返回全時間）后，自動返回全0狀狀態，同時給態，同時給FFA一個進位信號，使一個進位信號，使FFA置置1。L1動作使得動作使得S1打在打在VREF一側，開始反向積分。當積分器的輸出到一側，開始反向積分。當積分器的輸出到0時，時，比較器輸出為低電平，將門比較器輸

60、出為低電平，將門G封鎖，一次轉換結束。封鎖，一次轉換結束。由于由于T1=2nTC（TC為時鐘為時鐘脈沖的周期），即脈沖的周期），即N2n，故輸出的數字量為：故輸出的數字量為：IREFnvVD2圖圖11.3.13IREFCCvVTTTTD12解：（解：（1）完成一次的時間為）完成一次的時間為TT1T2，當，當T1 T2時，時，完成的一次轉換的時間最長，故完成的一次轉換的時間最長，故s2048.010122122222410121cnCnfTTTTTs1536.0)1051 (1012)1 (12)1 (2)1 (41011121REFIcnREFICnREFIIREFVvfVvTVvTvVTTT