第11章模拟数字转换器

1、第一节模拟-数字转换器111.1 11.1 概述概述 11.3 A/D11.3 A/D转换器转换器 11.2 D/A11.2 D/A转换器转换器第一节模拟-数字转换器2第一节模拟-数字转换器311.1、 概述第一节模拟-数字转换器4第一节模拟-数字转换器53REF3dRVI ）时时，时时001(33REF33 IdRVId2REF22dRVI 12REF12dRVI 03REF02dRVI 二、权电阻网络D/A转换器oFF0123()vR iRIIII OvA0S1S2S3S0I1I2I3I0d1d2d3d(LSB)(MSB)VViF( /2)R RRR2R22R32REFV第一节模拟-数字转

2、换器6OFF3210()vR iRIIII ）（001122334REFO22222ddddVv nREF00112211nREFO222222DVddddVvnnnnn ）（3REF3dRVI 2REF22dRVI 12REF12dRVI 03REF02dRVI 取取RF = R/2 ，得，得对对n位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器取转换器取RF = R/2 ，得，得第一节模拟-数字转换器7A0S1S2S3S0I1I2I3I0d1d2d3dREFV(LSB)(MSB)VVOviF( /2)R RRR2R22R32第一节模拟-数字转换器8三. 倒T形电阻网络D/A转换器A0S1S2S3S4I

3、16I8IR20d1d2d3dREFV(LSB)(MSB)VVOviRR2R2R2R2倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器2I2I4I8I16II第一节模拟-数字转换器9R2R2R2R2R2RRR16/I8/I4/I2/I2/I4/I8/I16/IIi0VREFVABCDABCD计算倒计算倒T形电阻网络支路电流的等效电路形电阻网络支路电流的等效电路可计算出各支路中的电流可计算出各支路中的电流:RVIREF每个支路的电流依次为：每个支路的电流依次为：4I8I2I16I第一节模拟-数字转换器10012316842dIdIdIdIi nnnnnnnDVddddVv2)2222(2REF001

4、12211REFO )2222(2001122334REFOddddVRiv A0S1S2S3S4I16I8IR20d1d2d3dREFV(LSB)(MSB)VVOviRR2R2R2R2倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器2I2I4I8I16II第一节模拟-数字转换器11四. D/A转换器的转换精度与转换速度在在D/A转换器中常用转换器中常用分辨率分辨率和和转换误差转换误差来描述来描述转换精度。转换精度。用输入二进制数码的位数给出。用输入二进制数码的位数给出。用用D/A转换器转换器能够分辨出的最能够分辨出的最小电压与最大电压之比给出。小电压与最大电压之比给出。121 n第一节模拟-数字

5、转换器12实际实际D/A转换特性和理想转换特性和理想D/A转换特性间的最大偏差。转换特性间的最大偏差。一般用最低有效位的倍数表示。一般用最低有效位的倍数表示。也可用输出电压满刻度也可用输出电压满刻度FSR的百分数。的百分数。表示输出电压误差绝对值的大小。表示输出电压误差绝对值的大小。REF0011223341o)2222(21Vddddv 如果如果VREF偏离标准值偏离标准值 VREF ，则4位倒位倒T形电阻网形电阻网络络D/A转换器的输出电压误差为：转换器的输出电压误差为：第一节模拟-数字转换器13通常用建立时间通常用建立时间tset来定量描述来定量描述D/A转换器的转换速度。转换器的转换速

6、度。tset1LSB2voto稳态值稳态值第一节模拟-数字转换器14第一节模拟-数字转换器151. 1. 取样定理取样定理一、 A/D转换器的基本原理Svt0Ivt0对输入模拟信号的取样对输入模拟信号的取样模拟信号模拟信号取样信号取样信号(max)is2 ff 取样频率取样频率vI最高频率最高频率sf(max)if第一节模拟-数字转换器16)( fA(max)ifS(max)ifff0还原取样信号所用滤波器的频率特性还原取样信号所用滤波器的频率特性满足取样定理条件下，满足取样定理条件下，可用低通滤波器将可用低通滤波器将取样信号取样信号还原为还原为输入模拟信号。输入模拟信号。第一节模拟-数字转换

7、器172. 2. 量化和编码量化和编码量化：量化： 进行进行A/D转换时，转换时，取样电压表示为数字信号所取的最小数量单位的整数倍取样电压表示为数字信号所取的最小数量单位的整数倍,所取最小数量叫做所取最小数量叫做量化单位量化单位，用，用表示。表示。数字信号最低有效位的数字信号最低有效位的1所代表的数量大小就等于所代表的数量大小就等于。编码：编码：把量化的结果用代码表示出来，把量化的结果用代码表示出来， 这些代码是这些代码是A/D转换的结果。转换的结果。量化误差：量化误差：量化过程引入的误差。量化过程引入的误差。当输入的模拟电压在正、负范围内变化时，当输入的模拟电压在正、负范围内变化时，一般要求

8、采用二进制一般要求采用二进制补码补码的形式编码。的形式编码。第一节模拟-数字转换器18二、取样-保持电路vL为高电平时为高电平时T导通，取样。导通，取样。vL返回低电平后返回低电平后T截止，保持。截止，保持。AIvOvLvIRFRTHC取样取样保持电路的基本形式保持电路的基本形式以上电路很不完善，取样速度受限制。以上电路很不完善，取样速度受限制。第一节模拟-数字转换器19集成取样集成取样- -保持电路保持电路LF398LF398vL为高电平时为高电平时S闭合，电路处于取样工作状态。闭合，电路处于取样工作状态。vL返回低电平后返回低电平后S 断开，电路进入保持状态。断开，电路进入保持状态。典型接

9、法典型接法LF398IvOvLvVHCOSV23876514V1AIvOvLv1R2RSHC2AL1D2DOSVREFV238765电路结构电路结构第一节模拟-数字转换器20模拟输入三、并联比较型A/D转换器并联比较型并联比较型A/DA/D转换器转换器属于直接属于直接A/DA/D转换器，转换器，它能将输入的模拟电它能将输入的模拟电压直接转换为输出的压直接转换为输出的数字量而不需要经过数字量而不需要经过中间变量。中间变量。图示电路输入为图示电路输入为0VREF间间的模拟电压，输出为的模拟电压，输出为3位位二进制数码二进制数码d2d1d0。第一节模拟-数字转换器21四、反馈比较型A/D转换器1.

10、计数型计数型A/D转换器转换器转换开始前先用复位信号将计数器置零，转换开始前先用复位信号将计数器置零，而且转换控制信号应停留在而且转换控制信号应停留在vL=0的状态。的状态。CDAC(MSB)(LSB)(MSB)(LSB)CLKIvOvLv脉冲源模拟输入并并行行数数字字输输出出计数器计数器输输出出寄寄存存器器GBv第一节模拟-数字转换器22当当vL变为高电平时开始转换，计数器开始计数，变为高电平时开始转换，计数器开始计数， vO不不断增加。断增加。当增至当增至vO = vI时，时， vB=0将门封锁，计数器停止计数，将门封锁，计数器停止计数，这时计数器中所存的数字就是所求的输出数字信号。这时计

11、数器中所存的数字就是所求的输出数字信号。CDAC(MSB)(LSB)(MSB)(LSB)CLKIvOvLv脉冲源模拟输入并并行行数数字字输输出出计数器计数器输输出出寄寄存存器器GBv这种方案的明显缺点是转换时间太长。这种方案的明显缺点是转换时间太长。第一节模拟-数字转换器23CDAC(MSB)(LSB)(MSB)(LSB)CLKIvOvLv逐次渐近寄存器控制逻辑脉冲源转换控制信号模拟输入2. 逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器转换器并并行行数数字字输输出出转换开始前先将寄存器清零，所以加给转换开始前先将寄存器清零，所以加给D/A转转换器的数字量也全是换器的数字量也全是0。第一节模拟-数字转换器2

12、4CDAC(MSB)(LSB)(MSB)(LSB)CLKIvOvLv逐次渐近寄存器控制逻辑脉冲源转换控制信号模拟输入并并行行数数字字输输出出转换控制信号转换控制信号vL变为高电平时开始转换，时钟信号变为高电平时开始转换，时钟信号首先将寄存器的最高位置成首先将寄存器的最高位置成1，使寄存器的输出为，使寄存器的输出为10000。这个数字量被。这个数字量被D/A转换器转换成相应的模转换器转换成相应的模拟电压拟电压vO，并送到比较器与输入信号，并送到比较器与输入信号vI进行比较。进行比较。第一节模拟-数字转换器25如果如果vO vI，说明数字过大了，则这个，说明数字过大了，则这个1应去掉；应去掉；如果

13、如果vO vI ，说明数字还不够大，这个，说明数字还不够大，这个1应保留。应保留。然后，再按同样的方法将次高位置然后，再按同样的方法将次高位置1，并比较，并比较vO与与vI的的大小以确定这一位的大小以确定这一位的1是否应当保留。是否应当保留。这样逐位比较下去，直到最低位比较完为止。这时寄这样逐位比较下去，直到最低位比较完为止。这时寄存器里所存的数码就是所求的输出数字量。存器里所存的数码就是所求的输出数字量。逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器的转换速度比并联比较型转换器的转换速度比并联比较型A/D转转换器低，但比计数型换器低，但比计数型A/D转换器的转换速度要高得多。转换器的转换速度要高得多。而且

14、在输出位数较多时，逐次渐近型而且在输出位数较多时，逐次渐近型A/D转换器的电转换器的电路规模要比并联比较型小得多。路规模要比并联比较型小得多。因此逐次渐近型因此逐次渐近型A/D转换器是目前集成转换器是目前集成A/D转换器产品中用得最多的一种转换器产品中用得最多的一种电路。电路。第一节模拟-数字转换器26GT(LSB)(MSB)GvIvoutf（）G计计数数器器寄寄存存器器五、V- F变换型A/D转换器并并行行数数字字输输出出单稳态单稳态触发器触发器DRCLK计数计数脉冲脉冲V-F变换器变换器V-F变换型变换型A/D转换器的电路结构框图转换器的电路结构框图第一节模拟-数字转换器27六、A/D转换

15、器的转换精度与转换速度单片集成的单片集成的A/D转换器采用转换器采用分辨率分辨率和和转换误差转换误差来描述。来描述。分辨率：分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，以输出二进制或十进制的位数表示， 说明说明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。转换误差：转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，通常以输出误差最大值的形式给出， 表示实际输出的数字量表示实际输出的数字量 和理论上应有的输出数字量之间的差别。和理论上应有的输出数字量之间的差别。1. A/D转换器的转换精度转换器的转换精度第一节模拟-数字转换器28A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，转换器的转换速度主