AD转换器第九章数-模和模-数转换

1、AD转换器第九章数-模和模-数转换1 9.1 概述概述 9.2 D/A转换器转换器 9.3 A/D转换器转换器 第九章第九章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换 AD转换器第九章数-模和模-数转换2 P388 10.1 P388 10.1 概述概述 将模拟量转换成相应的数字量；将模拟量转换成相应的数字量； 将数字量转换成相应的模拟量。将数字量转换成相应的模拟量。 实现实现A/DA/D转换的电路转换的电路; ; 实现实现D/AD/A转换的电路。转换的电路。 模模/数转换：数转换： 数数/模转换：模转换： A/D转换器转换器 (ADCAnalog Digital Converter): D/

2、A转换器转换器 (DAC Digital Analog Converter)： 典型应用：计算机自动控制系统。典型应用：计算机自动控制系统。 AD转换器第九章数-模和模-数转换3 A/D转换器、转换器、D/A转换器的应用转换器的应用 放大器放大器 传感器传感器 (温度、压温度、压 力、流量、力、流量、 应力等）应力等） 采样采样/ 保持器保持器 ADC 计算机计算机显示器显示器 DAC 示波器示波器 打印机打印机 计算机进行各种计算机进行各种 数字处理（如滤数字处理（如滤 波、计算）、数波、计算）、数 据保存、打印等据保存、打印等 显示器显示字符、显示器显示字符、 曲线、图形、图曲线、图形、图

3、 象等。象等。 AD转换器第九章数-模和模-数转换4 10. 2 D / A 转换转换 D/A转换器的方框图转换器的方框图: n位数位数 字量字量 输入输入 数数 码码 寄寄 存存 器器 n位位 模拟模拟 开关开关 解码解码 网络网络 求和求和 电路电路 基准电压基准电压 模拟量模拟量 输出输出 基本思想：基本思想： 将数字量的每一位代码按权的大小转将数字量的每一位代码按权的大小转 换成相应的模拟量，再将各模拟量相换成相应的模拟量，再将各模拟量相 加，即得到相应的模拟量输出。加，即得到相应的模拟量输出。 AD转换器第九章数-模和模-数转换5 d0 d1 d2 d3 四位四位DACDAC + V

4、o V VREF REF 输入数字量输入数字量 输出电压输出电压 参考电压（基准电压）参考电压（基准电压） )2222( 2 0 0 1 1 2 2 3 3 4 dddd V Vo REF 原理图原理图 AD转换器第九章数-模和模-数转换6 D/AD/A转换器按解码网络结构不同分为转换器按解码网络结构不同分为: : 在速度要求不高的情况可选在速度要求不高的情况可选CMOSCMOS开关开关 D/AD/A转换器；如果要求较高的转换速度转换器；如果要求较高的转换速度 则应选用双极型电流开关则应选用双极型电流开关D/AD/A转换器。转换器。 权电阻网络权电阻网络 D / A 转换器转换器 、 T T形

5、电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器、转换器、 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器、转换器、 权电流型权电流型D/AD/A转换器等。转换器等。 D/AD/A转换器按模拟电子开关电路不同分为：转换器按模拟电子开关电路不同分为： CMOSCMOS开关型和双极型开关开关型和双极型开关D/AD/A转换器。转换器。 AD转换器第九章数-模和模-数转换7 10. 2. 2 权电阻网络权电阻网络 D / A D / A 转换器转换器 VREF + - uo D3D2D1D0 I0I1I2I3 23R22R21R20R I R / 2 (MSB)(LSB) S0S1S2S3 D3D2D1D0 S

6、0S1S2S3 所谓所谓“权电阻权电阻”， 是指电阻值是指电阻值 的大小，的大小， 与有与有 关数字量的权关数字量的权 密切相关。密切相关。(LSB)(MSB) 最低位最低位最高位最高位 AD转换器第九章数-模和模-数转换8 VREF + - uo D3D2D1D0 I0I1I2I3 23R22R21R20R I R / 2 (MSB)(LSB) S0S1S2S3 D3D2D1D0 S0S1S2S3 电子开关电子开关 ： Dn = 1 时，时， Sn 接接VREF ； Dn = 0 时，时， Sn 接地端接地端 。 AD转换器第九章数-模和模-数转换9 VREF + - uo D3D2D1D0

7、 I0I1I2I3 23R22R21R20R I R / 2 (MSB)(LSB) 23R22R21R20R VREF I1 = 2I0 I2 = 4I0 I3 = 8I0 当当 D3D2D1D0 = 1111时时 ： S0S1S2S3 D3D2D1D0 I = I0 + I1 + I2 + I3 I0 = VREF 23 R 参考参考 电压电压 I = VREF 23R ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 ) AD转换器第九章数-模和模-数转换10 VREF + - uo D3D2D1D0 I0I1I2I3 23R22R21R20R I R / 2 (MSB)(L

8、SB) uo = - IR / 2 VREF 24 = - ( 8 D3 + 4 D2 + 2 D1 + D0 ) = - KNB D/AD/A电路输出模拟电路输出模拟 电压电压U UO O与输入的与输入的 数字量数字量D D3 3D D2 2D D1 1D D0 0成成 正比！正比！ AD转换器第九章数-模和模-数转换11 VREF RRR 2R2R2R2R + + - A vo S2S3S1S0 RF I 2R i D0D1D2D3 P394 10.2.3倒倒T形电阻网络形电阻网络D / A转换器转换器 电阻网络电阻网络 S0S3: 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

9、I1I2I3I0 Di=0, Si接地；接地； Di=1, Si接运接运 放的反相端。放的反相端。 AD转换器第九章数-模和模-数转换12 2R2R 2R2R + VREF 2R RRR ABCD I0 I1 I2I3 I I= VREF R I3= VREF 2R I2= VREF 4R I1= VREF 8R I0= VREF 16R 无论模拟电子开关无论模拟电子开关S Si i 处于何种位置，与 处于何种位置，与S Si i相相 连的连的2R2R电阻都将接电阻都将接“地地”，因此电阻网络可以等，因此电阻网络可以等 效为：效为： AD转换器第九章数-模和模-数转换13 I = I3 + I

10、2 + I1 + I0 VREF 2R =D3 VREF 16R D0 VREF 8R D1 VREF 4R D2+ = VREF 16R ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 ) I= VREF R VREF RRR 2R2R2R2R + - A vo S2S3S1S0 RF I 2R i D0D1D2D3 I / 2I / 4I / 8 I / 16 I / 16 AD转换器第九章数-模和模-数转换14 = VREF RF 16R ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 ) vo - VREF RRR 2R2R2R2R + - A vo S2S3S1S0 RF I 2R

11、i D0D1D2D3 I / 2I / 4I / 8 I / 16 I / 16 vo= - I RF )2(D 2 V R R V i 1n 0i i n REFf o D/AD/A电路输出模拟电压电路输出模拟电压V VO O与输与输 入的数字量入的数字量D D3 3D D2 2D D1 1D D0 0成正比！成正比！ AD转换器第九章数-模和模-数转换15 倒倒T形电阻网络单片集成形电阻网络单片集成D / A转换器转换器 CB7520（AD7520） 图图10.8 CB7520（AD7520）的电路原理图）的电路原理图 外接外接 反馈电阻可反馈电阻可 外接，也可外接，也可 以用内部反以用内

12、部反 馈电阻馈电阻R。 AD转换器第九章数-模和模-数转换16 补：权电流型补：权电流型D/AD/A转换器转换器 1 1、结构上采用恒流源取代电阻网络提、结构上采用恒流源取代电阻网络提 供电流大小依次减半的支路电流，使每供电流大小依次减半的支路电流，使每 条支路的大小不再受开关内阻和压降的条支路的大小不再受开关内阻和压降的 影响，降低对开关电路的要求，从而提影响，降低对开关电路的要求，从而提 高转换精度，减小转换误差。高转换精度，减小转换误差。 2、 实用权电流型实用权电流型D/A转换器中常利用转换器中常利用 倒梯形电阻网络的分流作用产生一组恒倒梯形电阻网络的分流作用产生一组恒 流源。流源。

13、AD转换器第九章数-模和模-数转换17 补：具有双极性输出的补：具有双极性输出的D/AD/A转换器转换器 利用倒梯形电阻网络可以构成双利用倒梯形电阻网络可以构成双 极型输出极型输出D/AD/A转换器的一般方法：转换器的一般方法： 只要在求和放大器的输入端接入只要在求和放大器的输入端接入 一个偏移电流，使输入最高位为一个偏移电流，使输入最高位为1 1而而 其他各位输入为其他各位输入为0 0时的输出时的输出V V0 0=0=0，同，同 时将输入的符号位反相后接到一般的时将输入的符号位反相后接到一般的 D/AD/A转换器的输入，就得到了双极型转换器的输入，就得到了双极型 输出的输出的D/AD/A转换

14、器。转换器。 AD转换器第九章数-模和模-数转换18 P397 10. 2. 4 D/A转换器的转换精度和转换速度转换器的转换精度和转换速度 一、一、 D/A转换器的转换精度转换器的转换精度 工程上习惯用输入数字量的有效位数工程上习惯用输入数字量的有效位数n来表来表 示分辨率。示分辨率。 D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压转换器能够分辨出来的最小输出电压 (此时输入的数字代码只有最低有效位为此时输入的数字代码只有最低有效位为 1，其，其 余各位都是余各位都是 0 ) 与最大输出电压与最大输出电压(此时输入的数此时输入的数 字代码所有各位全是字代码所有各位全是 1 )之比，即之比，即 1.分

15、辨率分辨率理论转换精度理论转换精度 转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。 分辨率分辨率= = 12 1 )V 2 12 /()V 2 1 ( V V REFREF nn n n m LSB 当当Vm一定时，输入数字代码的位数一定时，输入数字代码的位数n越多，越多， 分辨率值越小，分辨能力越高。分辨率值越小，分辨能力越高。 AD转换器第九章数-模和模-数转换19 2.转换误差转换误差决定实际转换精度决定实际转换精度 10. 2. 4 D/A转换器的转换精度和转换速度转换器的转换精度和转换速度 转换误差通常用输出电压满刻度转换误差通常用输出电压满刻度FSR

16、( Full Scale Range ) 的百分数表示的百分数表示 。 例如例如 ，给出转换误，给出转换误 差为差为 LSB ， 2 1 这就表示输出模拟这就表示输出模拟 电压的绝对误差电压的绝对误差 等于输入数字代码为等于输入数字代码为 0001 时输出电压的一半时输出电压的一半 。 造成转换误差的原因主要有造成转换误差的原因主要有 ： 参考电压参考电压 VREF的波动的波动 ； 运算放大器的零点漂移运算放大器的零点漂移 ； 模拟开关的导通内阻和导通电压模拟开关的导通内阻和导通电压 ； 电阻网络中的电阻值偏差电阻网络中的电阻值偏差 ；. AD转换器第九章数-模和模-数转换20 10. 2.

17、4 D/A转换器的转换精度和转换速度转换器的转换精度和转换速度 二、二、 D/A转换器的转换速度转换器的转换速度 为了便于定量地描述为了便于定量地描述D/A转换器的转换转换器的转换 速度速度 ， 定义了建立时间定义了建立时间 tS 和转换速率和转换速率 SR两两 个参数个参数 。 1. 建立时间建立时间 tS 通常以大信号工作情况下通常以大信号工作情况下 ( 输入由输入由 全全 0 变为全变为全 1 或者由全或者由全 1 变为变为 全全 0 ) 输出电压到达某一规定值所需要的时输出电压到达某一规定值所需要的时 间定为建立时间间定为建立时间 tS 。 建立时间最短的可达建立时间最短的可达 0.

18、1 s 。 这个参数的值越小越好这个参数的值越小越好 。 AD转换器第九章数-模和模-数转换21 10. 2.4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 二、二、 D/A转换器的转换速度转换器的转换速度 2. 转换速率转换速率 SR 转换速率转换速率 SR 以大信号工作状态下以大信号工作状态下 输出模拟电压的变化率表示输出模拟电压的变化率表示 。 D/A转换器完成一次转换所需要的转换器完成一次转换所需要的 时间应包括建立时间和上升时间应包括建立时间和上升(或下降或下降)时时 间两部分间两部分 ， 它的最大值为它的最大值为 TTR(max) = tS + VO(max) / SR 其中其

19、中 VO(max) 为输出电压的最大值为输出电压的最大值 。 AD转换器第九章数-模和模-数转换22 10. 3 A / D 转换器转换器 ( ADC ) 10. 3. 1 A/D转换的基本原理转换的基本原理 10. 3. 2 取样取样-保持电路保持电路 10. 3. 3 直接直接A/D转换器转换器 10. 3. 4 间接间接A/D转换器转换器 10. 3. 5 A/D转换器的转换精度与转换速度转换器的转换精度与转换速度 AD转换器第九章数-模和模-数转换23 因为输入的模拟量在因为输入的模拟量在 时间上是连续的，时间上是连续的， P399 10. 3 A/D转换的基本原理转换的基本原理 在在

20、A / D转换中，转换中， 而输出的数字信号是离而输出的数字信号是离 散量，散量， 所以进行转换时只能在一系列选定所以进行转换时只能在一系列选定 的瞬间的瞬间 (亦即瞬间坐标轴上的一些规定点亦即瞬间坐标轴上的一些规定点) 对输入的模拟信号采样，对输入的模拟信号采样， 然后再把这些采然后再把这些采 样值转换为输出的数字量样值转换为输出的数字量 。 A / D 转换过程应包括转换过程应包括 ：取样、 取样、保持、保持、 量化、量化、编码 编码 这四个步骤这四个步骤 。 AD转换器第九章数-模和模-数转换24 0 t vi 0 t vO 1. 取样与保持取样与保持 1) 取样取样: 就是将随时间连续

21、变化的模拟量转换为就是将随时间连续变化的模拟量转换为 时间离散的模拟量。取样的过程示意如下图：时间离散的模拟量。取样的过程示意如下图： 0 t S(t) Ts 采样脉冲采样脉冲 离散模离散模 拟量拟量 AD转换器第九章数-模和模-数转换25 若采样电路用传输门实现，并用采样脉冲若采样电路用传输门实现，并用采样脉冲S(t) 控制传输门的导通与否，其电路如下图所示。控制传输门的导通与否，其电路如下图所示。 vi（t） vo（t） TG S（t） 在在S S（t t）的脉宽）的脉宽 期间，传输门导通，输出信号期间，传输门导通，输出信号 vo（t）为输入为输入vi（t） ，而在（，而在（T TS S-

22、 - ）期间，传输门）期间，传输门 关闭，输出信号关闭，输出信号vo（t）=0=0。对应输入波形。对应输入波形vi（t） ， 输出波形输出波形vo（t） ，如上图所示。，如上图所示。 AD转换器第九章数-模和模-数转换26 由波形图可以看出，取样信号由波形图可以看出，取样信号S S（t t）的频率愈）的频率愈 高，所取得信号经低通滤波后愈能真实地复现输入高，所取得信号经低通滤波后愈能真实地复现输入 信号。合理的取样频率由取样定理确定。信号。合理的取样频率由取样定理确定。 取样定理：设取样信号取样定理：设取样信号S S（t t）的频率为）的频率为fs，输入模，输入模 拟信号拟信号vi（t）的最高

23、频率分量的频率为的最高频率分量的频率为fimax，则必，则必 须满足下面的关系：须满足下面的关系： max 2 is ff 一般取一般取 。 max ) 53 ( is ff 由于将取样电路取得的模拟信号转换为数字信由于将取样电路取得的模拟信号转换为数字信 号仍需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提号仍需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提 供一个稳定值，一般应将每次取得的模拟信号保持供一个稳定值，一般应将每次取得的模拟信号保持 一段时间，以保证到下一个取样脉冲来之前输入信一段时间，以保证到下一个取样脉冲来之前输入信 号不变。号不变。 AD转换器第九章数-模和模-数转换27 取样保持电路取

24、样保持电路 取样脉冲高电平期间，开关取样脉冲高电平期间，开关S闭合，电容闭合，电容 CH采样采样, vo =vi ; 忽略各种漏电流，电容忽略各种漏电流，电容CF保保 持持 ；vo 保持保持 。 vovi CH A1A2 开关驱开关驱 动电路动电路 S 取样脉冲低电平期间，开关取样脉冲低电平期间，开关S断开，电容断开，电容 CH无放电回路，无放电回路， 电电 子子 开开 关关 取样保取样保 持电容持电容 AV1 AV1=1 AD转换器第九章数-模和模-数转换28 t 取样取样-保持器输入输出波形图：保持器输入输出波形图： 取样取样 脉冲脉冲 高电平期间高电平期间 vO跟随跟随vi 低电平期间低

25、电平期间vO保持不变，保持不变， 同时进行同时进行A/DA/D转换转换 输入模拟输入模拟 信号信号vi 取样取样- -保持器保持器 输出信号输出信号vO AD转换器第九章数-模和模-数转换29 2. 量化和编码量化和编码 而数而数 字信号不仅在时间上是离散的，字信号不仅在时间上是离散的， 而且在幅值上而且在幅值上 也是不连续的。也是不连续的。 任何一个数字量的大小只能是任何一个数字量的大小只能是 某个规定的最某个规定的最 小数量单位的整数倍。小数量单位的整数倍。 因此，在进行因此，在进行 A / D 转换时也必须把采样转换时也必须把采样- 保持器输出电压化为这个最小单位保持器输出电压化为这个最

26、小单位 的整数倍。的整数倍。 这这 个转化过程就叫做个转化过程就叫做 “量化量化”， 所取的最小数量单位所取的最小数量单位 叫做量化单位，用叫做量化单位，用表示。表示。 它是数字信号最低有它是数字信号最低有 效位为效位为1 时所对应的模拟量，即时所对应的模拟量，即1LSB。 采样采样- -保持电路的输出信号，虽然已成为保持电路的输出信号，虽然已成为 阶梯状，但阶梯信号幅值仍然是连续的，阶梯状，但阶梯信号幅值仍然是连续的， 把量化的结果用代码把量化的结果用代码 (二进制或二十二进制或二十 进制进制 ) 表示出来，称为表示出来，称为 “ 编码编码 ” 。 经编码后得到的代码经编码后得到的代码 就是

27、就是A/DA/D转换器输出的数字量。转换器输出的数字量。 AD转换器第九章数-模和模-数转换30 在量化过程中，由于取样电压不一定能被在量化过程中，由于取样电压不一定能被 整整 除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差 称为量化误差，用称为量化误差，用 表示。量化误差是原理性误表示。量化误差是原理性误 差，它是无法消除的。差，它是无法消除的。 量化方式量化方式 只舍不入只舍不入 有舍有入有舍有入 1）只舍不入：）只舍不入：取最小量化单位取最小量化单位 =Vm/2n，其中，其中Vm 为模拟电压最大值，为模拟电压最大值，n为数字代码的位数，将为数字代码的

28、位数，将0 之间的模拟电压归并到之间的模拟电压归并到0 ，把，把 2 之间的模拟电之间的模拟电 压归并到压归并到1 ，以此类推。，以此类推。 这种方法产生的量化误差为这种方法产生的量化误差为 。 AD转换器第九章数-模和模-数转换31 例：设输入信号例：设输入信号VI 的变化范围为的变化范围为01V，试用，试用“只只 舍不入舍不入”和和“有舍有入有舍有入”的方法量化且用的方法量化且用3 3位二进位二进 制编码。制编码。 只舍不入：只舍不入： 2）有舍有入：）有舍有入：取量化单位为取量化单位为 = = ， 12 2 1 n m V 将将0 /2 之间的模拟电压归并到之间的模拟电压归并到0 0 ，

29、把，把 /23 /2 之间的之间的 模拟电压归并到模拟电压归并到1 ，以此类推。，以此类推。 即把小于即把小于 /2的信号忽略（舍去），把大于的信号忽略（舍去），把大于 /2 到到 之值视为之值视为 （归入）。（归入）。 V 8 1 这种方法产生的量化误差为这种方法产生的量化误差为 /2/2。 有舍有入有舍有入： v 15 2 12 2V 1n m AD转换器第九章数-模和模-数转换32 111 110 101 100 011 010 001 000 111 110 101 100 011 010 001 000 输入 信号 1V 7/8V 6/8V 5/8V 4/8V 3/8V 2/8V 1

30、/8V 0 二进制 代码 输入 信号 二进制 代码 1V 13/15V 11/15V 9/15V 7/15V 5/15V 3/15V 1/15V 0 代表的模拟 电压 7=7/8（V） 6=6/8（V） 5=5/8（V） 4=4/8（V） 3=3/8（V） 2=2/8（V） 1=1/8（V） 0 =0 （V） 代表的模拟 电压 7=14/15（V） 6=12/15（V） 5=10/15（V） 4= 8/15（V） 3= 6/15（V） 2= 4/15（V） 1= 2/15（V） 0 = 0 (V） AD转换器第九章数-模和模-数转换33 dn-1 d1 d0 数字量输出 (n位) ADC的数字

31、 化编码电路 CPS S C ADC 采样-保持电路 采样展宽信号输入模拟电压 ui(t) us(t) 模拟电子开关模拟电子开关S在采样脉冲在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的的控制下重复接通、断开的 过程。过程。S接通时，接通时，ui(t)对对C充电，为采样过程；充电，为采样过程；S断开时，断开时，C 上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的 模拟电压经数字化编码电路转换成一组模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。位的二进制数输出。 A/D转换的基本原理转换的基本原理 AD转换器第九章数-模和模-数转换34 P4

32、03 10. 3. 2 直接直接A/D转换器转换器 直接直接A/D转换器能把输入的模拟电压转换器能把输入的模拟电压 直接转换为输出的数字量而不需要经过直接转换为输出的数字量而不需要经过 中间变量。中间变量。 并联比较型并联比较型ADC 反馈比较型反馈比较型ADC 一、并联比较型一、并联比较型ADC AD转换器第九章数-模和模-数转换35 REF 1n m V 15 2 12 2V 电路如左图电路如左图 所示，所示， 它由它由 三部分组成：三部分组成： 电压比较器、电压比较器、 寄存器、代寄存器、代 码转换电路。码转换电路。 0VREF 优点：转换速度快。优点：转换速度快。 缺点：需要很多的缺点

33、：需要很多的 电压比较器和触发电压比较器和触发 器。器。 AD转换器第九章数-模和模-数转换36 逻辑状态关系表逻辑状态关系表 根据以上真值表得到代码转换器的组合逻辑电路根据以上真值表得到代码转换器的组合逻辑电路 寄存器状态寄存器状态 VREF vi 13VREF / 15 13VREF / 15 vi 11VREF / 15 11VREF / 15 vi 9VREF / 15 9VREF / 15 vi 7VREF / 15 7VREF / 15 vi 5VREF / 15 5VREF / 15 vi 3VREF / 15 3VREF / 15 vi VREF / 15 VREF / 15

34、vi 0 Q7 d2d0d1 数字量输出数字量输出输入电压输入电压 vi 1 111 11111 1 01 11 111 11 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 00000 1 0 0 000 0 0100 0 01100 1110 11 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 0 00 Q6Q5Q4Q3Q2Q1 AD转换器第九章数-模和模-数转换37 二、逐次渐近型二、逐次渐近型ADC AD转换器第九章数-模和模-数转换38 转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟 脉冲首先将寄存器最高位置成脉

35、冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为，使输出数字为1000。这。这 个数码被个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压转换器转换成相应的模拟电压vo，送到比较器，送到比较器 中与中与vi进行比较。若进行比较。若vovi，说明数字过大了，故将最高位的，说明数字过大了，故将最高位的 1清除；若清除；若vovi，说明数字还不够大，应将这一位保留。然，说明数字还不够大，应将这一位保留。然 后，再按同样的方式将次高位置成后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确，并且经过比较以后确 定这个定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位 为止。

36、比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输 出。出。 AD转换器第九章数-模和模-数转换39 AD转换器第九章数-模和模-数转换40 转换开始前，先使转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个，第一个CP到来到来 后，后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是，于是FFA被置被置1，FFB和和FFC被置被置0。 这时加到这时加到D/A转换器输入端的代码为转换器输入端的代码为100，并在，并在D/A转换器的输出转换器的输出 端得到相应的模拟电压输出端得到相应的模拟电压输出vo。vo和和vi在比较器中比较，当若在比较器中

37、比较，当若vi vo时，比较器输出时，比较器输出vB=1；当；当vivo时，时，vB=0。 第二个第二个CP到来后，环形计数器右移一位，变成到来后，环形计数器右移一位，变成Q2=1， Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门，这时门G1打开，若原来打开，若原来vB=1，则，则FFA被置被置0，若，若 原来原来vB =0，则，则FFA的的1状态保留。与此同时，状态保留。与此同时，Q2的高电平将的高电平将FFB置置 1。 第三个第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置置 1，同时将门，同时将门G2打开，并根据比较器的输出决定打开，并根据比较器的输出决

38、定FFB的的1状态是否状态是否 应该保留。应该保留。 第四个第四个CP到来后，环形计数器到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门，门 G3打开，根据比较器的输出决定打开，根据比较器的输出决定FFC的的1状态是否应该保留。状态是否应该保留。 第五个第五个CP到来后，环形计数器到来后，环形计数器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、 FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。送出。 AD转换器第九章数-模和模-数转换41 设原理电路为设原理电路为8 8位位A/DA/D转换器，转换器，vi=6.84V，其中，其中 D/A转换器基

39、准电压转换器基准电压VREF=10V。 t 5.0000 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 6.835937 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 vO 转换时间转换时间=80uS 7.5000 常用集成逐次比常用集成逐次比 较型较型A/DA/D转换器有转换器有 ADC0808/0809ADC0808/0809（8 8 位）、位）、AD575AD575（1010 位）、位）、AD574AAD574A （1212位）位） 这种这种A/DA/D转换器具转换器具 有转换速度较快、有转换速度较快、 精度高等特点。精度高等特点。 启动脉冲启

40、动脉冲 CP D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 10uS 1 0 1 0 0 0 0 0 AD转换器第九章数-模和模-数转换42 P407 10. 3. 4 间接间接A/D转换器转换器 这种转换器的结构框图如图这种转换器的结构框图如图所示。所示。 它由积分器、过零比较器、时钟脉冲源、控制它由积分器、过零比较器、时钟脉冲源、控制 逻辑和计数器等部分组成。逻辑和计数器等部分组成。 一、双积分型一、双积分型A/D转换器转换器 ：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分， 先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟先对输入模拟电压进行积分，将其变换

41、成与输入模拟 电压成正比的时间间隔电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间，再利用计数器测出此时间 间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电 压；接着对基准电压进行同样的处理。压；接着对基准电压进行同样的处理。 AD转换器第九章数-模和模-数转换43 CO CO= 1 0 Vo0 vO0 AD转换器第九章数-模和模-数转换44 AD转换器第九章数-模和模-数转换45 AD转换器第九章数-模和模-数转换46 下面以输入正极性的直流电压下面以输入正极性的直流电压V VI I为例，说明电路将为例，说明电路将 模拟电压转换为数字量的基本原理模

42、拟电压转换为数字量的基本原理: : （1 1）准备阶段）准备阶段 转换之前，转换控制信号转换之前，转换控制信号VL=0，使，使n位计数器和位计数器和 附加触发器附加触发器FFA均置均置0，同时封锁，同时封锁G门，计数器不工门，计数器不工 作，同时开关作，同时开关S0闭合，积分电容放电。此时，由于闭合，积分电容放电。此时，由于 VL和和QA均为均为0，故，故L1输出为输出为0，使开关，使开关S1接至被测模接至被测模 拟电压一侧。拟电压一侧。 （2 2）第一次积分（采样）阶段）第一次积分（采样）阶段 积分器对积分器对vi 在固定时间在固定时间T1（由计数器的位数决（由计数器的位数决 定）内进行积分

43、，即定）内进行积分，即 当当VL=1以后，开关以后，开关S0断开，由于此时断开，由于此时QA仍为仍为0， 开关开关S1仍接至仍接至vI 一侧，转换开始。一侧，转换开始。 AD转换器第九章数-模和模-数转换47 I 1 I T 0O v RC T dtv RC 1 (t)v 1 式中式中V VI I为为T T1 1时间内输入模拟电压的平均值。因为时间内输入模拟电压的平均值。因为 V VO O（t t）00，比较器输出，比较器输出V VC C=1=1，开启门，开启门G G1 1，周期为，周期为T TC C的的 时钟脉冲计数器从时钟脉冲计数器从0 0开始计数，当计数到最大容量开始计数，当计数到最大容

44、量 N=2N=2n n时，计数器回到时，计数器回到0 0状态，同时附加触发器状态，同时附加触发器FFFFA A的的 Q QA A=1=1，使开关，使开关S S1 1转接到基准电压转接到基准电压V VREFREF上，第一次积分上，第一次积分 结束。此时结束。此时 T1=NTC=2nTC I C n 1 I 1O V RC T2 T RC V )(TV 因为因为2 2n nT TC C不变，所以积分器的输出不变，所以积分器的输出V VO O（t t）与）与 输入模拟电压的平均值成正比。输入模拟电压的平均值成正比。 AD转换器第九章数-模和模-数转换48 （3）第二次积分阶段）第二次积分阶段 当计数器计满时，开关当计数器计满时，开关S1转向基准电压（转向基准电压（-VREF）一方，）一方， 积分器开始向相反方向进行第二次积分。经过积分器开始向相反方向进行第二次积分。经过T2时间后，时间后， 积分器输出电