1、第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器第第 8 章數模和模數轉換器章數模和模數轉換器 概述概述本章小結本章小結A/D 轉換器轉換器D/A 轉換器轉換器 第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器8.1 概述概述 主要要求：主要要求： 理解數模和模數轉換器的概念和作用。理解數模和模數轉換器的概念和作用。 第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器一、數模和模數轉換器的作用一、數模和模數轉換器的作用 模擬模擬傳感器傳感器生產過程控制對象生產過程控制對象 A/D轉換器轉換器數字控制數字控制計算機計算機D/A轉換器轉換器 模擬模擬控制器控制器 由此可見，模擬由此可見，模擬- -數

2、字轉換器和數字轉換器和數字數字- -模擬轉換器是數模擬轉換器是數字系統和模擬系統相互聯系的橋梁，是數字系統中不可缺字系統和模擬系統相互聯系的橋梁，是數字系統中不可缺少的組成部分。少的組成部分。第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器數模轉換數模轉換是把數字量轉換為模擬量的過程。是把數字量轉換為模擬量的過程。 實現數模轉換的電路稱數模轉換器。實現數模轉換的電路稱數模轉換器。 Digital - Analog Converter，簡稱簡稱 D / A 轉換器。轉換器。 模數轉換模數轉換是把模擬量轉換為數字量的過程。是把模擬量轉換為數字量的過程。 實現模數轉換的電路稱模數轉換器。實現模數轉換

3、的電路稱模數轉換器。 Analog - Digital Converter，簡稱簡稱 A / D 轉換器。轉換器。 常見常見 D / A 轉換器轉換器權電阻網絡權電阻網絡 D / A轉換器轉換器倒倒 T 形電阻網絡形電阻網絡 D / A轉換器轉換器權電流網絡權電流網絡 D / A轉換器轉換器A / D 轉換器轉換器并聯比較型并聯比較型雙積分型雙積分型逐次逼近型逐次逼近型直接直接 A / D轉換器轉換器間接間接 A / D轉換器轉換器二、數模和模數轉換的概念二、數模和模數轉換的概念第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器主要要求：主要要求： 理解數模轉換的基本原理。理解數模轉換的基本原理

4、。 了解常用了解常用 D/A 轉換器的主要參數。轉換器的主要參數。 理解常用理解常用 D/A 轉換器的電路組成、工作原理、轉換器的電路組成、工作原理、特點及應用。特點及應用。 8.2 D/A 轉換器轉換器 第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器輸出模擬電壓輸出模擬電壓 uO 應正比于輸入數字量的大小，即：應正比于輸入數字量的大小，即： uO = KD = K(Dn- -1 2n- -1 + Dn- -2 2n- -2 + + D1 21 + D0 20 ) 可見，可見，uO D，uO 的大小反映了數字量的大小反映了數字量 D 的大小。的大小。D/A轉換器轉換器D0D1Dn- -2Dn

5、- -1uO數模轉換的基本原理數模轉換的基本原理 輸入數字量輸入數字量 D = (Dn- -1 Dn- -2 D1 D0 ) 2 = Dn- -1 2n- -1 + Dn- -2 2n- -2 + + D1 21 + D0 20 比例系數比例系數 K 是與電路結構有關的常數。也是輸入數是與電路結構有關的常數。也是輸入數字量最低位字量最低位 D0 = = 1 1、其余各位均為、其余各位均為 0 0 時的模擬輸出電壓。時的模擬輸出電壓。第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器 一、一、 電路組成電路組成8.2.1 權電阻網絡權電阻網絡 D / A 轉換器轉換器 模擬開關模擬開關 Si 受各

6、位輸入數字量控制，當受各位輸入數字量控制，當 Di =1 1 時，開關時，開關 Si 接到接到 1 1 端，電阻端，電阻 Ri 與基準電壓與基準電壓VREF相連；相連；當當 Di =0 0 時，開時，開關關 Si 則接到則接到 0 0 端，電阻端，電阻 Ri 接地。接地。0 00 0iFS0+- -uOS1S2S3D3D2D1D0iRFVREF22R21RI020RI123RI2I30 01 11 11 11 10 0+- -A(LSB)(MSB)模擬開關模擬開關權電阻網絡權電阻網絡求和運算求和運算 放大器放大器第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器 當電子開關當電子開關 S0 S3

7、 都接都接 1 1 端時，流入求和運算放大器輸入端時，流入求和運算放大器輸入端的總電流端的總電流 i為為 對于對于 n 位權電阻位權電阻 D / A 轉換器，則有轉換器，則有 i= I3+ I2+ I1+ I0=VREF20RD3+VREF21RD2+VREF22RD1+VREF23RD0VREF23R( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 )= 由于由于 i= - i F ，故運算放大器的輸出電壓，故運算放大器的輸出電壓 uO為為 uO= iF RF= - -iRF= - -RFVREF23R( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 ) uO= - -iRF= - -RFV

8、REF2n-1R( 2n-1 Dn-1+ 2n-2Dn-2+ 21D1+ 20D0 ) 二、二、 工作原理工作原理 輸出電壓正輸出電壓正比于輸入二進制比于輸入二進制數，從而實現數數，從而實現數模轉換。模轉換。第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器如圖所示權電阻網絡如圖所示權電阻網絡D/A轉換器中，設轉換器中，設 n=4，VREF=-10v，RF=R/2，試求：，試求： 當輸入數字量當輸入數字量 D3D2D1D0=0001 時，輸出電壓的值；時，輸出電壓的值； 當輸入數字量當輸入數字量 D3D2D1D0=1001 時，輸出電壓的值；時，輸出電壓的值；(1)當輸入數字量當輸入數字量 D3

9、D2D1D0=1111 時，輸出電壓的值。時，輸出電壓的值。解：解： V375. 9)21212121(210V625. 5)21202021(210V625. 0)21202020(21001234O01234O01234O - - - - - - - - - uuu第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器 三、三、權電阻網絡權電阻網絡 D / A 轉換器的優缺點轉換器的優缺點 權電阻權電阻 D/A 轉換器的優點是電路簡單，轉換速轉換器的優點是電路簡單，轉換速度也比較快；它的缺點是各個電阻的阻值相差很大，度也比較快；它的缺點是各個電阻的阻值相差很大，而且隨著輸入二進制代碼位數的增多，

10、電阻的差值也而且隨著輸入二進制代碼位數的增多，電阻的差值也隨之增加，難以保證電阻精度的要求，這給電路的轉隨之增加，難以保證電阻精度的要求，這給電路的轉換精度帶來很大影響，也不利于集成化。換精度帶來很大影響，也不利于集成化。 第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器S0+- -uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30 01 11 11 11 10 00 00 0RRR 一、一、 電路組成電路組成 8.2.2 R- -2R 倒倒 T 形電阻網絡形電阻網絡 D/A轉換器轉換器 電流電壓電流電壓轉換電路轉換電路( (簡稱簡稱 I/U

11、 轉換電路轉換電路) )模擬開關模擬開關 Si 打向打向1 1側側時，相應時，相應 2R 支路支路接虛地接虛地；打向打向0 0側側時，相應時，相應 2R 支路支路接地接地。故無論開關打向哪。故無論開關打向哪一側，倒一側，倒 T 型電阻網絡均可等效為下圖。型電阻網絡均可等效為下圖。 倒倒 T 型型電阻網絡電阻網絡模擬開關模擬開關第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器 從從 A、B、C 、D節點向左看去，節點向左看去，各節點對地的等效各節點對地的等效電阻均為電阻均為 R。VREFR 因此，由因此，由 VREF 流出的總電流流出的總電流 I 是固定不變的，其值為是固定不變的，其值為 I =

12、 ，并且每經過一個節點，電流被分流一半，從數字量高，并且每經過一個節點，電流被分流一半，從數字量高位到低位的電流分別為：位到低位的電流分別為： 、 、 、 。I3 =I2I2 =I4I1 =I8I0 =I16 二、二、 工作原理工作原理II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRBCDA 故流入求和運算放大器輸入端的總電流故流入求和運算放大器輸入端的總電流 i為為 i =I2D3+ I24VREF24R( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 )=I8D1+ I16D0I4D2+( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 )第第 8 章章 數模和模數轉換器

13、數模和模數轉換器 對于對于 n 位倒位倒 T 形電阻網絡形電阻網絡 D/A 轉換器，則有轉換器，則有 故運算放大器的輸出電壓故運算放大器的輸出電壓 uO 為為 uO = iF RF= - -iRF= - -RFVREF24R( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 ) uO = - -RFVREF2nR( 2n-1 Dn-1+ 2n-2Dn-2+ 21D1+ 20D0 ) 由于倒由于倒 T 形電阻網絡形電阻網絡 D / A 轉換器中各支路的電轉換器中各支路的電流恒定不變，直接流入運算放大器的反相輸入端，它流恒定不變，直接流入運算放大器的反相輸入端，它們之間不存在傳輸時間差，因而提高了轉

14、換速度，所們之間不存在傳輸時間差，因而提高了轉換速度，所以，倒以，倒 T 形電阻網絡形電阻網絡 D / A 轉換器的應用非常廣泛。轉換器的應用非常廣泛。第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器8.2.3 權電流型權電流型 D/A轉換器轉換器 在討論倒在討論倒 T 形電阻網絡形電阻網絡 D / A 轉換時，電子模擬轉換時，電子模擬 開關看成是理想的。然而在實際上，這些開關都存在開關看成是理想的。然而在實際上，這些開關都存在一定的、大小不等的電阻，其上會產生大小不一的電一定的、大小不等的電阻，其上會產生大小不一的電壓，這就不可避免地會引起轉換誤差。為了提高轉換壓，這就不可避免地會引起轉換誤

15、差。為了提高轉換精度，可采用權電流型精度，可采用權電流型 D / A 轉換器。轉換器。第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器 一、一、 電路組成電路組成8.2.3 權電流型權電流型 D/A轉換器轉換器 i 位電子模擬開關位電子模擬開關 Si 由相應輸入數據由相應輸入數據 Di 控制。當控制。當Di=1 1時，時，Si接接1 1，恒流源接運算放大器的反向端，并，恒流源接運算放大器的反向端，并提提供恒流供恒流 Ii ；當；當Di = 0 0時，時， Si 接接0 0，恒流源，恒流源接地接地。S0+- -uOS1S2S3D3D2D1D0iRF- -VREFI / 20 01 11 11 1

16、1 10 00 00 0I / 4I / 16I / 8- -+(LSB)(MSB)運算放運算放大器大器 權電流權電流恒流源恒流源模擬開關模擬開關第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器 當電子開關當電子開關 Si 都接都接 1 1 端時，最高位代碼對應支路的恒流源端時，最高位代碼對應支路的恒流源電流為電流為 I / 2，相鄰位支路的恒流源電流依次減半。故運算放大，相鄰位支路的恒流源電流依次減半。故運算放大器的輸出電壓器的輸出電壓 uO 為為 對于對于 n 位權電流型位權電流型 D / A 轉換器，則有轉換器，則有 uO = RF I 2n( 2n-1 Dn-1+ 2n-2Dn-2+

17、21D1+ 20D0 ) uO = iRF=RFI24( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 )= RF (I2D3+I8D1+ I16D0 )I4D2+ 二、二、 工作原理工作原理第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器8.2.4 D / A 轉換器主要參數轉換器主要參數 一、轉換精度一、轉換精度 D / A 轉換器的最低位有效數字量轉換器的最低位有效數字量（00000101）對應對應輸出的模擬電壓輸出的模擬電壓 ULSB 與最大數字量與最大數字量（11111111）輸出滿刻度電輸出滿刻度電壓壓 UFSR 的比值。的比值。121FSRLSB- - nUU分分辨辨率率 由此可

18、見，由此可見，D / A 轉換器轉換器的位數的位數 n 越多，分辨率越多，分辨率值就越小，能分辨的值就越小，能分辨的最小輸出電壓值也越小，分辨能最小輸出電壓值也越小，分辨能力就越強。對于一個力就越強。對于一個 10 位的位的 D/ A 轉換器，分辨率為轉換器，分辨率為 0.000 978。1. 分辨率分辨率第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器 2. 轉換誤差轉換誤差要獲得較高精度的要獲得較高精度的 D / A 轉換器，應選用低漂移高轉換器，應選用低漂移高精度的運算放大器，采用高穩定度的精度的運算放大器，采用高穩定度的 VREF 和選用高分和選用高分辨率的辨率的 D / A 轉換器。

19、轉換器。指指 D / A 轉換器從輸入數字信號開始轉換轉換器從輸入數字信號開始轉換到輸出模擬電壓達到穩定值時所需的時間。到輸出模擬電壓達到穩定值時所需的時間。轉換時間越短，轉換速度就越高。轉換時間越短，轉換速度就越高。指指 D / A 轉換器輸出模擬電壓與理轉換器輸出模擬電壓與理論輸出模擬電壓的最大差值。論輸出模擬電壓的最大差值。在在 D / A 轉換過程中，產生誤差的原因很多，常見轉換過程中，產生誤差的原因很多，常見的原因有運放的零點漂移、電子模擬開關接通時的導的原因有運放的零點漂移、電子模擬開關接通時的導通壓降、基準電壓通壓降、基準電壓 VREF 的波動、的波動、R - - 2R 倒倒 T

20、 形電阻形電阻網絡中電阻阻值的誤差等。網絡中電阻阻值的誤差等。 二、二、轉換時間轉換時間轉換誤差一般不大于轉換誤差一般不大于ULSB/2。 第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器常用集成常用集成 D / A 轉換器有兩類：一類內部僅含轉換器有兩類：一類內部僅含有電阻網絡和電子模擬開關兩部分，常用于一般的有電阻網絡和電子模擬開關兩部分，常用于一般的電子電路。另一類內部除含有電阻網絡和電子模擬電子電路。另一類內部除含有電阻網絡和電子模擬開關外，還帶有數據鎖存器，并具有片選控制和數開關外，還帶有數據鎖存器，并具有片選控制和數據輸入控制端，便于和微處理器進行連接，多用于據輸入控制端，便于和微

21、處理器進行連接，多用于微機控制系統中。微機控制系統中。 8.2.5 集成集成 D / A 轉換器轉換器 AD7520 介紹介紹第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器一、電路組成一、電路組成基準電壓輸入端基準電壓輸入端 VREF 可正可負可正可負 內部反饋內部反饋電阻電阻RF 倒倒 T 形電形電阻網絡阻網絡CMOS電子模擬開關電子模擬開關輸出模擬電壓輸出模擬電壓uO為為 uO= - - RFVREF210R( 29 D9 + 28D8 + + 21D1 + 20D0 )第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器開關管開關管兩級反相器兩級反相器電平電平偏移偏移電路電路 當當 i 位

22、數據位數據 Di =1 1時，時，V1 截止，截止，V3 導通，輸出低電平導通，輸出低電平0 0，經，經V4、V5 組成的反相器后輸出高電平組成的反相器后輸出高電平1 1，使，使 V9 導通；同時，導通；同時，V6、V7組成的反相器輸出低電平組成的反相器輸出低電平0 0，使，使 V8 截止。這時，截止。這時，2R 支路電阻經支路電阻經 V9 接位置接位置1 1 。當。當 Di =0 0時，則時，則 V8 導通，導通，V9 截止，截止，2R 支路電阻接支路電阻接位置位置0 0。從而實現了單刀雙擲開關的功能。從而實現了單刀雙擲開關的功能。二、電子模擬開關二、電子模擬開關第第 8 章章 數模和模數轉

23、換器數模和模數轉換器主要要求：主要要求：了解了解模數轉換的一般過程。模數轉換的一般過程。了解了解 轉換器的主要參數。轉換器的主要參數。 理解常用理解常用 轉換器轉換器的電路組成、工作原的電路組成、工作原理、特點及應用。理、特點及應用。8.3 A / D 轉換器轉換器 第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器8.3.1 A / D 轉換的一般過程轉換的一般過程 取樣：取樣：將模擬信號轉換為在時間斷續變化、在幅度上等于取樣期將模擬信號轉換為在時間斷續變化、在幅度上等于取樣期 間模擬信號大小的一串脈沖。間模擬信號大小的一串脈沖。保持：保持：保持取樣信號保持取樣信號，使其有充分時間轉換為數字信

24、號。使其有充分時間轉換為數字信號。量化：量化：把取樣保持電路輸出的樣值電壓變為量化單位整數倍的把取樣保持電路輸出的樣值電壓變為量化單位整數倍的 過程。過程。編碼：編碼：把量化的結果用二進制代碼表示。把量化的結果用二進制代碼表示。uI(t)C量化量化編碼編碼電路電路Dn- -1D1D0uI (t)S取樣保持電路取樣保持電路第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器 為了能較好地恢復原來的模擬信號，為了能較好地恢復原來的模擬信號，根據取樣定理，要求取樣脈沖根據取樣定理，要求取樣脈沖 uS 的頻率的頻率 fs 必須大于等于輸入模擬信號必須大于等于輸入模擬信號 uI 頻譜中頻譜中最高頻率最高頻率

25、 fI(max) 的的 2 倍，即倍，即 fs 2 fI(max)一、取樣一、取樣 - - 保持電路保持電路 當取樣脈沖當取樣脈沖 uS 為高電平時，為高電平時，NMOS管導通，輸入電壓管導通，輸入電壓uI 經其對經其對 C 迅速充電，迅速充電，使電容使電容 C 上的電壓上的電壓 uC 跟隨輸入電壓跟隨輸入電壓 uI 變化，在變化，在 tW 期間期間 uC = uI。 當取樣脈沖當取樣脈沖 uS 為低電平時，為低電平時，NMOS管截止，電容管截止，電容 C 上的電壓上的電壓 uC 在在 TS - - tW 期間保持不變，直到下一個取樣脈沖到期間保持不變，直到下一個取樣脈沖到來。輸出電壓來。輸出

26、電壓 uO 始終跟隨電容始終跟隨電容 C 上的上的電壓電壓 uC 變化。變化。第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器 要將取樣要將取樣- -保持電路輸出的樣值電壓變換成保持電路輸出的樣值電壓變換成與其成正比的數字量，還必須對樣值電壓進行量與其成正比的數字量，還必須對樣值電壓進行量化，通常用數字信號最低位化，通常用數字信號最低位（LSBLSB）1 1 對應的模對應的模擬電壓作為量化單位，用擬電壓作為量化單位，用表示。將樣值電壓變表示。將樣值電壓變為量化單位整數倍的過程稱為為量化單位整數倍的過程稱為量化量化。 在量化時，樣值電壓一般不能被在量化時，樣值電壓一般不能被 整除，非整除，非整數

27、部分的余數被舍去，這必然會產生誤差，稱整數部分的余數被舍去，這必然會產生誤差，稱為為量化誤差量化誤差。 A / D 轉換器的位數越多，量化單位轉換器的位數越多，量化單位越小，則越小，則量化誤差也越小量化誤差也越小。 二、量化與編碼二、量化與編碼第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器劃分量化電平的兩種方法劃分量化電平的兩種方法最大量化誤差最大量化誤差 = = (1/8)VREF最大量化誤差最大量化誤差 = /2 = (1/15)VREF6 =(6/8)VREF1 =(1/8)VREF4 =(4/8)VREF0 V(6/8)V(7/8)V0000000010010100100110111

28、00100101101110110111111模擬模擬電平電平二進制二進制代碼代碼代表的代表的模擬電平模擬電平0 = 0VREF2 =(2/8)VREF3 =(3/8)VREF5 =(5/8)VREF7 =(7/8)VREF(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V1 = 2/15VREF5 = 10/15VREF6 = 12/15VREF模擬模擬電平電平二進制二進制代碼代碼代表的代表的模擬電平模擬電平0 = 0VREF2 = 4/15VREF3 = 6/15VREF4 = 8/15VREF7 =14/15VREF(13/15)V0 V00000000100101

29、0010011011100100101101110110111111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器8.3.2 并聯比較型并聯比較型 A / D 轉換器轉換器 0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0uI電電阻阻構構成成分分壓壓器器 當當 0 V uI ( 1/15 ) VREF 時，時， D2D1D0 = 000 000。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器比較器寄存器寄存器編碼器編碼器

30、編編碼碼器器15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器0 00 00 00 00 00 01 10 00 01 1uI當當 ( 1/15 ) VREF uI ( 3/15 ) VREF 時，時， D2D1D0 = 001001。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器比較器寄存器寄存器編碼器編碼器編編碼碼器器8.3.2 并聯比較型并聯比較型 A / D 轉換器轉換器 15115315515131571591511VREFV

31、REFVREFVREFVREFVREFVREF第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器8.3.2 并聯比較型并聯比較型 A / D 轉換器轉換器 0 00 00 00 00 01 11 10 01 10 0uI當當 ( 3/15 ) VREF uI ( 5/15 ) VREF 時，時， D2D1D0 = 010 010。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器比較器寄存器寄存器編碼器編碼器編編碼碼器器15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF第第 8 章章 數模

32、和模數轉換器數模和模數轉換器VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器比較器寄存器寄存器編碼器編碼器編編碼碼器器8.3.2 并聯比較型并聯比較型 A / D 轉換器轉換器 0 00 00 00 01 11 11 10 01 11 1uI當當 ( 5/15 ) VREF uI ( 7/15 ) VREF 時，時， D2D1D0 = 011011。15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器8.3.2 并聯比較型并聯比較型 A /

33、 D 轉換器轉換器 0 00 00 01 11 11 11 11 10 00 0uI當當 ( 7/15 ) VREF uI ( 9/15 ) VREF 時，時， D2D1D0 = 100100。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器比較器寄存器寄存器編碼器編碼器編編碼碼器器15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器8.3.2 并聯比較型并聯比較型 A / D 轉換器轉換器 0 00 01 11 11 11 11 11 1

34、0 01 1uI當當 ( 9/15 ) VREF uI ( 11/15 ) VREF 時，時， D2D1D0 = 101101。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器比較器寄存器寄存器編碼器編碼器編編碼碼器器15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器8.3.2 并聯比較型并聯比較型 A / D 轉換器轉換器 0 01 11 11 11 11 11 11 11 10 0uI當當 ( 11/15 ) VREF uI ( 13

35、/15 ) VREF 時，時， D2D1D0 = 110110。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器比較器寄存器寄存器編碼器編碼器編編碼碼器器15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器8.3.2 并聯比較型并聯比較型 A / D 轉換器轉換器 1 11 11 11 11 11 11 11 11 11 1uI當當 ( 13/15 ) VREF uI 1 VREF 時，時， D2D1D0 = 111111。VREFuI R

36、R/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器比較器寄存器寄存器編碼器編碼器編編碼碼器器15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器逐次漸近型逐次漸近型 A / D 轉換器的轉換原理與天平稱物體重轉換器的轉換原理與天平稱物體重量的過程相似：先放一個最重的砝碼與被稱物體重量進行量的過程相似：先放一個最重的砝碼與被稱物體重量進行比較，如砝碼比物體輕，則砝碼保留；如砝碼比物體重，比較，如砝碼比物體輕，則砝碼保留；如砝碼比物體重，則去掉，換上一個次重量的

37、砝碼，再與被稱物的重量進行則去掉，換上一個次重量的砝碼，再與被稱物的重量進行比較。按照此辦法，直加到最輕的一個砝碼為止。將所有比較。按照此辦法，直加到最輕的一個砝碼為止。將所有留下的砝碼重量相加，就是最漸近被稱物體的重量。根據留下的砝碼重量相加，就是最漸近被稱物體的重量。根據這一思路可構成逐次漸近這一思路可構成逐次漸近 A / D 轉換器。轉換器。8.3.3 逐次漸近型逐次漸近型 A / D 轉換器轉換器第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器一、電路組成一、電路組成VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位位 D / A 轉換器轉換器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51

38、G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC1 電壓電壓 比較器比較器 3 位位 D / A 轉換器轉換器 數碼數碼寄存器寄存器 環形移環形移位寄存器位寄存器控制控制邏輯邏輯電路電路第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器二、工作原理二、工作原理1 1 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 00 00 0轉換開轉換開始前先始前先進行預進行預置置VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位位 D / A 轉換器轉換器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61

39、G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC1第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位位 D / A 轉換器轉換器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC10 1 0 0 00 1 0 0 01 0 01 0 0uO uI，uC=1 1uO uI，uC=0 0 1轉換控制轉換控制信號信號uS為為高

40、電平時，高電平時，轉換開始。轉換開始。 Q5 = 0 0，G7G9 被封被封鎖，無數鎖，無數碼輸出。碼輸出。二、工作原理二、工作原理第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器0 0 1 0 00 0 1 0 01 1( (0 0) ) 1 0 1 0如原來的如原來的 uC =1 1，則則 FF6 被置被置 0 0；反之，反之，FF6 保留保留 1 1狀態。狀態。 2VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位位 D / A 轉換器轉換器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C

41、11DFF4C11DFF51DuIuCC1Q5 = 0 0，無數碼無數碼輸出。輸出。二、工作原理二、工作原理第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器0 0 0 0 0 0 1 1 0 01 1(0 0) 1 1(0 0) 1 1如原來的如原來的 uC =1 1，則則FF7 被置被置 0 0；反之，反之，FF7 保留保留 1 1狀態。狀態。 3VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位位 D / A 轉換器轉換器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DF

42、F51DuIuCC1Q5 = 0 0，無數碼無數碼輸出。輸出。二、工作原理二、工作原理第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位位 D / A 轉換器轉換器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC1二、工作原理二、工作原理 這時，這時，FF6FF8的狀態就是所要求的狀態就是所要求轉換的結果。由于轉換的結果。由于Q5 = 1 1，故，故FF6FF8 的狀態通過的狀態通過 G7 G9 輸出。輸出。

43、0 0 0 0 0 0 0 0 1 11 1(0 0) 1 1(0 0) 1 1(0 0)如原來的如原來的 uC = 1 1，則則 FF8 被置被置 0 0 ；反之，反之，FF8 保留保留 1 1狀態。狀態。 4Q6Q7Q8第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器1 1 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 5VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位位 D / A 轉換器轉換器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuC

44、C1 Q5 = 0 0，G7 G9重新重新被封鎖，輸被封鎖，輸出的數字信出的數字信號消失。號消失。二、工作原理二、工作原理第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器檢零檢零比較器比較器積分器積分器定時定時觸發器觸發器G2&時鐘時鐘控制門控制門QuOuCFFnRD基準基準電壓電壓計數器計數器RS2usCPRC11J1KDn-1(MSB)D1D0 (LSB)n 位二進制計數位二進制計數器器RCPG1&-VREFS1CuI8.3.4 雙積分型雙積分型 A / D 轉換器轉換器 一、電路組成一、電路組成 積分器是積分器是 A / D 轉換器的核心轉換器的核心部分。通過開關部分。通過開關 S2 對

45、被測模擬電對被測模擬電壓壓 uI 和與其極性相反的基準電壓和與其極性相反的基準電壓 - -VREF進行兩次方向相反的積分，進行兩次方向相反的積分，時間常數時間常數= RC 。 第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器檢零檢零比較器比較器積分器積分器定時定時觸發器觸發器G2&時鐘時鐘控制門控制門QuOuCFFnRD基準基準電壓電壓計數器計數器RS2usCPRC11J1KDn-1(MSB)D1D0 (LSB)n 位二進制計數位二進制計數器器RCPG1&-VREFS1CuI8.3.4 雙積分型雙積分型 A / D 轉換器轉換器 檢零比較器在積分器之后，用檢零比較器在積分器之后，用以檢查積分器

46、輸出電壓以檢查積分器輸出電壓 uO 的過零時的過零時刻。當刻。當 uO 0 時，輸出時，輸出 uC = 0；當；當 uO 0 時，輸出時，輸出 uC = 1。一、電路組成一、電路組成第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器檢零檢零比較器比較器積分器積分器定時定時觸發器觸發器G2&時鐘時鐘控制門控制門QuOuCFFnRD基準基準電壓電壓計數器計數器RS2usCPRC11J1KDn-1(MSB)D1D0 (LSB)n 位二進制計數位二進制計數器器RCPG1&-VREFS1CuI一、電路組成一、電路組成8.3.4 雙積分型雙積分型 A / D 轉換器轉換器 時鐘控制門有三個時鐘控制門有三個輸

47、入端，第一個接檢零輸入端，第一個接檢零比較器的輸出比較器的輸出 uC，第二，第二個接轉換控制信號個接轉換控制信號 uS，第三個接標準時鐘脈沖第三個接標準時鐘脈沖源源 CP。當。當 uC = 1， uS =1時，時，G1 打開，計數器對打開，計數器對時鐘脈沖時鐘脈沖CP 計數；當計數；當 uC = 0 時，時，G1關閉，計關閉，計數器停止計數。數器停止計數。第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器檢零檢零比較器比較器積分器積分器定時定時觸發器觸發器G2&時鐘時鐘控制門控制門QuOuCFFnRD基準基準電壓電壓計數器計數器RS2usCPRC11J1KDn-1(MSB)D1D0 (LSB)n

48、 位二進制計數位二進制計數器器RCPG1&-VREFS1CuI一、電路組成一、電路組成8.3.4 雙積分型雙積分型 A / D 轉換器轉換器 當當 n 位二進制計數器計到位二進制計數器計到 2n 個時鐘脈沖時，個時鐘脈沖時，計數器由計數器由 11111 1 回到回到 00000 0 狀態，并送出進位信狀態，并送出進位信號使定時觸發器號使定時觸發器 FFn 置置1 1，即，即 Qn = 1 1，開關，開關 S2 接基接基準電壓準電壓 - -VREF ，計數器由，計數器由 0 0 開始計數，將與輸入模開始計數，將與輸入模擬電壓擬電壓 uI 成正比的時間間隔轉換成數字量。成正比的時間間隔轉換成數字量

49、。第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器1. 轉換準備轉換準備8.3.4 雙積分型雙積分型 A / D 轉換器轉換器 轉換控制信號轉換控制信號 uS =0 0，G2 輸出輸出 1 1，一是使開關，一是使開關 S1 閉合，電閉合，電容容 C 充分放電；二是使計數器清零，充分放電；二是使計數器清零，FFn 輸出輸出 Qn = 0 0，使開關，使開關 S2 接輸入模擬電壓接輸入模擬電壓 uI 。二二 、工工作作原原理理第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器8.3.4 雙積分型雙積分型 A / D 轉換器轉換器 2. 第一次積分（取樣階段）第一次積分（取樣階段）二二 、工工作作原原

50、理理 在時間在時間 t = 0 0 時，轉換控制信號時，轉換控制信號 uS 由由 0 0 變為變為 1 1，G2 輸出輸出 0 0，開關開關 S1 斷開，開關斷開，開關 S2 接入模擬電壓接入模擬電壓 uI 。uI 經電阻經電阻 R 對電容對電容 C 進行充電，積分器開始對進行充電，積分器開始對 uI 進行積分；積分器的輸出電壓進行積分；積分器的輸出電壓 uO (t) 為為uO (t) = = tuIRC - -tItduRC01uI dt第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器8.3.4 雙積分型雙積分型 A / D 轉換器轉換器 2. 第一次積分（取樣階段）第一次積分（取樣階段）

51、由于積分器由于積分器 uO 0，過零比較器輸出，過零比較器輸出 uC = 1，這時時鐘，這時時鐘控制門控制門 G1 打開，計數器開始對周期為打開，計數器開始對周期為 TC 的時鐘脈沖的時鐘脈沖 CP 進進行計數，經時間行計數，經時間T1=2nTC 后，計數器計滿后，計數器計滿 2n 個個 CP 脈沖，各脈沖，各計數觸發器自動返回計數觸發器自動返回 0 狀態，同時給定時觸發器狀態，同時給定時觸發器 FFn 送出一送出一個進位信號，個進位信號，FFn 置置 1 ，使開關，使開關 S2 接接 - -VREF。二二 、工工作作原原理理第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器2. 第一次積分（取

52、樣階段）第一次積分（取樣階段）8.3.4 雙積分型雙積分型 A / D 轉換器轉換器 第一次積分結束后，對應時間為第一次積分結束后，對應時間為 t = t1= T1，這時積分器輸出電壓，這時積分器輸出電壓 uO(t1) 為為 uO( t1 ) = uI = uI T1RC2nTCRC二二 、工工作作原原理理第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器8.3.4 雙積分型雙積分型 A / D 轉換器轉換器 3. 第二次積分（比較階段）第二次積分（比較階段） 在時間在時間 t = t1 ( =T1 ) 時，第一次積分結束，開關時，第一次積分結束，開關 S2 接接 VREF，電容，電容 C 開始

53、放電，積分器對開始放電，積分器對- -VREF 進行反向進行反向積分（第二次積分）。積分（第二次積分）。二二 、工工作作原原理理第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器8.3.4 雙積分型雙積分型 A / D 轉換器轉換器 3. 第二次積分（比較階段）第二次積分（比較階段） 由于積分器由于積分器 uO 0，檢零比較器輸出，檢零比較器輸出 uC = 1，計數器從，計數器從 0 開始第開始第二次計數。當積分器輸出電壓二次計數。當積分器輸出電壓 uO( t ) 上升到上升到 uO ( t ) = 0 時，由時，由 uC = 0，G1關閉，計數器停止計數。關閉，計數器停止計數。二二 、工工作作

54、原原理理第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器二二 、工工作作原原理理8.3.4 雙積分型雙積分型 A / D 轉換器轉換器 3. 第二次積分（比較階段）第二次積分（比較階段） 第二次積分的時間第二次積分的時間 T2 = t2 t1。這。這時輸出電壓時輸出電壓 uO ( t2 ) 為為 uO(t2) = uO(t1) + (- -VREF )dt = 0 - -1RCt1t2 得得 由此可知，第二次積分的時間間隔由此可知，第二次積分的時間間隔 T2 與輸入模擬電壓與輸入模擬電壓 uI 是成正比的。是成正比的。 T2 = uI 2nTCVREF第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數

55、轉換器二、二、工工作作原原理理8.3.4 雙積分型雙積分型 A / D 轉換器轉換器 3. 第二次積分（比較階段）第二次積分（比較階段） 如在如在 T2 時間內，計數器計的脈沖時間內，計數器計的脈沖個數為個數為N，由于，由于 T2 =NTC，則，則 因此，計數器計了因此，計數器計了N 個個 CP 脈沖脈沖后所處的狀態表示了輸入后所處的狀態表示了輸入 uI 的數字量，的數字量，從而實現了模擬量到數字量的轉換。從而實現了模擬量到數字量的轉換。計數器的位數就是計數器的位數就是 A / D 轉換器輸出轉換器輸出數字量的位數。數字量的位數。 2nVREFN = uI第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和

56、模數轉換器8.3.5 A / D 轉換器的主要參數轉換器的主要參數 1 . 分辨率分辨率 指指 A / D 轉換器輸出數字量的最低位變轉換器輸出數字量的最低位變化一個數碼時，對應輸入模擬量的變化量?；粋€數碼時，對應輸入模擬量的變化量。 例如例如 最大輸出電壓為最大輸出電壓為 5V 的的 8 位位 A / D 轉換器的分辨轉換器的分辨 率為率為 5V / 28 = 19.53 mA 分辨率也可用分辨率也可用 A / D 轉換器的位數表示。位數越轉換器的位數表示。位數越多，能分辨的最小模擬電壓值就越小。多，能分辨的最小模擬電壓值就越小。 第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器指指 A

57、/ D 轉換器轉換器實際輸出的數字量與理論輸出數字量實際輸出的數字量與理論輸出數字量之間的差值。通常用最低有效位之間的差值。通常用最低有效位 LSB 的倍數來表示。的倍數來表示。 2. 相對精度相對精度3. 轉換速度轉換速度例如例如 相對誤差相對誤差 1 LSB /2 ，即說明實際輸出數字量，即說明實際輸出數字量 和理想上得到的輸出數字量之間的誤差不大于最低和理想上得到的輸出數字量之間的誤差不大于最低 位位 1 的一半。的一半。 轉換時間是指轉換時間是指 A / D 轉換器完成一次轉換所需的時間，轉換器完成一次轉換所需的時間，即從接到轉換控制信號開始到輸出端得到穩定數字量所需即從接到轉換控制信

58、號開始到輸出端得到穩定數字量所需的時間。轉換時間越小，轉換速度越高。的時間。轉換時間越小，轉換速度越高。第第 8 章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器8.3.6 集成集成 A / D 轉換器轉換器 CC7106 介紹介紹 一、一、CC7106 的引腳功能的引腳功能VREF+、VREF-:基準電壓正負端基準電壓正負端CREF : 基準電容端基準電容端COM : 模擬信號公共端模擬信號公共端TEST : 數字地和測試端數字地和測試端IN+、IN-: 模擬電壓輸入端模擬電壓輸入端AZ : 外接校零電容端外接校零電容端BUF : 外接積分電阻端外接積分電阻端INT : 外接積分電容端外接積分電容端OSC1 OSC3:時鐘振蕩器外接元件端時鐘振蕩器外接元件端VDD、VEE : 電源正、負端電源正、負端a1g1 : 個位筆段驅動端個位筆段驅動端a2g2 : 十位筆段驅動端十位筆段驅動端a3g3 : 百位筆段驅動端百位筆段驅動端bc4 : 千位千位b、c 筆段驅動端筆段驅動端PM