第八章 数字与模拟的转换及应用电路

1、第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 目标目标 熟悉A/D、D/A转换器的基本构成、原理和技术指标； 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 8.1 8.1 数数/ /模转换器模转换器(DAC)(DAC) 在生产中，许多待控制和测量对象在实现控制和测量等 功能时，将其对应的各种非电物理量(温度、流量、压力等) 通过传感器转变为相应的模拟电信号，再由模数转换器(ADC) 转换为对应的二进制数字信号，才能被计算机、单片机所识 别进而实现控制、测量等功能；计算机、单片机对这些数字 信号进行各种计算和处理后，输出相应的控制量。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/

2、/数转换数转换 这些输出量需要经过数模转换器(DAC)变换转换为相应的 模拟输出量，进而去驱动执行机构，实现被控制的物理量按 照预先的设定变化。 由此可见，模数转换器和数模转换器模拟在计算机、单 片机为控制核心的智能化测量、控制仪器的应用中具有十分 重要的作用。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 8.1.1 DAC8.1.1 DAC的工作原理的工作原理 DAC的作用是将一组输入的数字信号(最常用的是二进制 数字量)转换为与该数字信号成比例的模拟电压或模拟电流 的电路，故有时又将DAC称为解码器。DAC通常采用的转换方 法是将输入的二进制数字量按其权值分别转换成对应的模拟

3、信号，再将各自所转换的模拟量相叠加，最后得到的模拟总 量即为 DAC转换所得。 图8.1就是基于上述思想组建的DAC框图。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 在图8.1中，数据锁存用来暂时存放输入的数字量 D0D1D2Dn-1，这些数字量用来控制电子开关，使得参考电压 按位切换到电阻译码网络中变成加权电流，然后经求和电路 求和，输出相应的模拟电压Uo。DAC的输入是数字信号，它可 以是任何一种编码，常用的是二进制码D/A转换器有时又称 为解码器。 根据电阻译码网络的不同，可将DAC分为权电阻DAC、T形 电阻DAC和

4、倒T形电阻DAC等。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 8.1.2 8.1.2 权电阻网络权电阻网络DACDAC 图8.2所示为n位权电阻网络DAC电路原理。它由权电阻网 络(20R、21R、22R、2n-1R)，电子开关(S0、S1、S2、Sn-1) 和反相求和电路A组成。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 权电阻网络(20R、21R、22R、2n-1R)由n个电阻组成， 其中电阻的取值应使流过它的电流Ii和对应的数字量Di位的 权值成正比。例如，数字量的最高位Dn-1的权值为2n-1，其对

5、应的权电阻Rn-1=2n-12n-1R=20R；最低位D0的权值为20，其对 应的权电阻R0=2n-1 20R=2n-1R。故此，于任意数码位Di对其 权值为2i，其对应的全电阻Ri=2n-12iR，也就是说，权位越 高，对应的权电阻越小。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 电子开关(S0、S1、S2、Sn-1)的状态取决于相应的数 字量D0D1D2Dn-1，当Di=0时，相应的电子开关Si接地；当Di=1 时，相应的电子开关Si将对应的电阻Ri与基准电压UREF接通。 因反相求和电路A为理想集成运算放大器，则有I=IF(虚 断)。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/

6、 /数转换数转换 又由虚地点(U-0)可得到 且各支路的电流Ii为 式中，当Di =0时，Ii=0；Di=1时， 将式(8-2)代入式(8-1)中，可得到 oFFFF0121 () n UR IR IRIIII REF 1 2 ii ni U ID R REF 1 2 i ni U I R 0112 oFFFFREF 1230 2222 n nnn DDDD UR IR IR U RRRR 0121FREF 0111 1 2222 2 n n n R U DDDD R 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 在n位权电阻网络D/A转换器中，经常取反馈电阻Rf=R/2， 则此时权

7、电阻网络D/A网络的输出电压Uo可表示为 式(8-4)表明，n位权电阻网络D/A转换器的模拟输出电压 Uo与输入的数字量Dn- 1 Dn- 2 D1D0成正比，即实现了从数字量 到模拟量的转换。 0121REF o0121 (2222) 2 n n n U UDDDD 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 【例【例8-1】如图8.3所示的4位权电阻网路DAC电路，若UREF=12V， 求对应D3D2D1D0分别为0110和1100时输出电压值。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 解：解：(1) 当D3D2D1D0=0110时， (2) 同理，当D3D2D

8、1D0=1100时， 0123REF o0123 4 (2222) 2 U UDDDD 0123 4 12 (20212120) 2 12 4 12 (22 )4.5(V) 2 0123REF o0123 4 (2222) 2 U UDDDD 23 4 12 (22 )9(V) 2 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 在式(8-4)中，当Dn-1Dn-2D1D0=0时，n位权电阻网络D/A转换 器的模拟输出电压Uo =0；当Dn-1 Dn-2 D1D0=1111时，输出电压 为 Uo 所以n位权电阻网络D/A转换器的模拟输出电压Uo的变化范围是 0 REF (21) 2 n

9、 n U REF (21) 2 n n U 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 n位权电阻网络D/A转换电路的优点是结构比较简单、直观， 需用的元器件数不多。它的缺点是电阻网络中电阻的阻值随着 数字信号位数Di的增加，低位电阻 与高位电阻 差 别甚大，这样使得电阻网络的每个电阻值的精度保持一致就比 较困难，特别是在集成电路中就更不利，因此在集成DAC中， 一般很少采用此种电路。 0 (2)R 1 (2) n R 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 8.1.3 倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC 为了克服n位权电阻网络D/A转换器电阻网络电阻值的精 度难以保

10、持一致的缺点，下面来看图8.4所示的倒T形电阻 网络D/A转换器。电阻网络中只有R和2R两种电阻，且两个 R和一个2R构成倒T形结构。电子开关(S0、S1、S2、Sn-1) 的状态取决于相应的数字量D0D1D2Dn-1，当Di=0时，相应 的电子开关Si接运算放大器的同相端(接地)；当Di=1时， 电子开关Si接运放的反相端(虚地)。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 也就是说，无论电子开关在任何位置，电阻2R始终 相当于接到了“地”上，所以流过每条支路电阻2R中的 电流不会随着电子开关的变化而改变。从参考电压UREF 端向右看，得到电阻网路的等效电路如图8.5所示。 从

11、图8.5中不难看出，从电路右端向左看进去的电 阻网络的等效电阻为R，所以，由参考电压UREF提供的总 电流为I=UREF/R，此电流向左每经过一个节点，电流就 衰减为之前的一半，则流入运放的反相输入端的电流I 为 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 倒T形电阻网络D/A转换器的优点是电阻种类少，只有R 和2R，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时 间差，提高了转换速度。倒T形电阻网络D/A转换器是目

12、前集 成D/A转换器中使用较多的一种，如8位D/A转换器DAC0832， 10位D/A转换器CB7520等，就是采用倒T形电阻网络。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 8.1.4 D/A8.1.4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 D/A转换器的主要技术指标有转换精度、转换速度、温 度系数等。 1. 转换精度 D/A转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来衡量。 1) 分辨率 D/A转换器的分辨率是指对输出电压的分辨能力。D/A转 换器的分辨率为最小分辨输出电压ULSB(对应的输入数字量 仅最低位为1，其余位为0)与最大输出电压UFSR(对应的输 入数字量各

13、位全为1)之比。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 分辨率= 由式(8-6)可知，输入数字量的位数n越大，分辨率最小。即 数字量的有效位数n越多，分辨率的数值越小，分辨力越强。因 此在实际中常用输入数字量的有效位n数来表示分辨率，如10位 D/A的分辨率为10位。 LSBREF 0121 FSBREF0121 /21 /2 (2222)21 n nnn n UU UUDDDD (8-6) 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 2) 转换误差 D/A转换器的转换误差有绝对误差和相对误差之分，绝对误差 是指实际输出模拟电压与理论输出模拟电压之间的偏差。通常

14、用最小分辨率输出电压的倍数表示，如 ULSB就表示输出值与理 论值的误差为最小可分辨电压的一半。相对误差是绝对误差与 满刻度输出电压UFSR(对应的输入数字量各位全为1)之比，通常 用百分数表示。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 例如，某D/A转换器的UFSR=1V，实际模拟电压输出为1001mV， 则其相对误差为 可见，转换误差越小，电路的转换精度越高。 10001001 100%0.1% 1000 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 2. 转换速度 当输入的数字量发生变化时，输出的模拟量(电压或电流) 达到稳定值所需要的一段时间称为建立时间，建立

15、时间越短， 转换速度越高。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 3. 温度系数 在输入不变的情况下，输出模拟电压(或电流)随温度 变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高 1，输出电压变化的百分数作为温度系数。此参数表明 D/A转换器受温度变化影响的特性。一般D/A转换器的温度 灵敏度为50ppm/。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 8.1.5 8.1.5 集成集成D/AD/A转换器及应用转换器及应用 DAC 0832是常用的集成8位D/A转换芯片，它是用CMOS工 艺制成的双列直插式(DIP)的DAC，数据输入方法可以是单缓 冲、双缓冲或

16、直接输入。可以直接与8080、MCS51等微处理器 连接。DAC 0832以其接口方便、价格低廉、转换控制容易等 优点，且可与DAC 0830/0831/相互替换，在单片机应用系统 中应用非常广泛。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 1DAC内部结构和引脚功能 DAC 0832的内部结构框图和引脚排列如图8.6、图8.7所 示，DAC 0832具有双缓冲功能，就是输入数据可分别经过两 个寄存器保存。 结构框图中第一个寄存器称为8位输入寄存器，常用于连 接单片机，接收单片机送来的数字信号；第二个寄存器称为8 位DAC寄存器， 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换

17、数转换 8位的D/A转换器是把该DAC寄存器锁存的数据转换成相应的 模拟电流。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 (1)：片选信号输入，低电平有效。它与ILE信号结合起来用 以控制输入寄存器是否起作用。 (2)：写信号1输入端，低电平有效，在ILE和 有效时，用 于控制把外部数据写锁存于输入寄存器中。 AGND(3)：模拟地。为芯片模拟电路接地点。 D0D7(4)(7)、(13)(16)：为8位数字数据输入端。 VREF(8)：基准电压输入端，电压范围为-10+10V。 Rfb(9)：反馈电阻引出端。该电阻被制作在芯

18、片内，用作运算 放大器的反馈电阻。 DGND(10)：数字地。为芯片数字电路接地点。 CS 1 WRCS 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 IOUT2(11)：电流输出2端，在DAC的电流输出转换为电压输 出时，该端应和运放的同相端一起接地。 IOUT1(12)：电流输出1端，在DAC的电流输出转换为电压输 出时，该端应和运放的反相端一起连接。 (17)：传送控制信号，输入、低电平有效。它和 一起控制8位DAC寄存器的锁存。 (18)：写信号2输入端，低电平有效。在有效的条件下， 用它将输入寄存器中的数据传送到8位DAC寄存器中。 ILE(19)：输入寄存器允许信号端，高

19、电平有效。 VCC(20)：电源电压，范围为+5+15V，+15V为最佳。 XFER 2 WR 2 WR 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 2DAC 0832的3种工作方式 从DAC 0832的内部结构框图可知，当在ILE、 及 3个控制 信号都有效时，把数据线上的8位数据锁入输入寄存器中，同时数 据送到8位DAC寄存器的输入端。在 、 都有效的情况下，8 位数据再次被锁存到8位DAC寄存器，同时数据送到8位D/A转换器 的输入端，这时开始把8位数据转换为相对应的模拟电流从IOUT1和 IOUT2输出。针对两个寄存器锁存信号的控制方法形成DAC 0832的3 种工作方式。

20、 WR2 CS 1 WR XFER 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 1) 双缓冲方式 由写信号1输入端 先将输入端的数字信号锁存到输入寄存 器中，当需要D/A转换时，再由写信号2输入端 将输入寄存器 中的信号锁存到DAX寄存器中后再送入D/A转换电路，即数据通 过两个寄存器锁存后再送入D/A转换电路，执行两次写操作才 能完成一次D/A转换。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 2) 单缓冲方式 使两个寄存器中之一始终处于直通状态，由一个寄存器 来锁存数据，也可用一个锁存信号使得两个寄存器同时选通 及锁存，即输入数据只经过一级缓冲送入D/A转换电路。

21、第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 3) 直通方式 先将两个寄存器的相关控制信号都预设成有效状态，使得 两个寄存器均处于直通状态，只要输入端有数字量，就可开始 将此送入D/A转换电路进行D/A转换。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 3DAC 0832应用 电路如图8.8所示，两片74LS163组成一个8位二进制计数 器，计数器的输出从00000000到11111111反复变化。DAC 0832构成了一个双缓冲输出的D/A转换器。计数器输出为 11111111时，电路的输出电压uo达到最大值Umax，在下一个脉 冲到来时，计速器输出为00000000，

22、此时电路的输出电压 uo=0。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 当计数器从00000000到11111111变化的过程中，电路的 输出会得到256(28)个逐步递增的模拟电压，基于仿真软件仿 真后用虚拟示波器看到的锯齿波形如图8.9所示。 因为每256个计数脉冲，计数器从0000000变为1111111， 对应的模拟电压从0到Umax输出变化也对应地改变一次，所以 输出的锯齿波频率fo=256fcp(为计数器的脉冲频率)。从图8.9 所示的锯齿波波形图中也可读出两个光标的差值，即锯齿波 的周期为256ms，为图8.8中时钟脉冲频率(1kHz)的1/256。 第第8 8章

23、数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 DAC 0832是由倒T形权电阻网络构成的D/A转换器，其11、 12脚所连接的集成运算放大器A的作用是将DAC 0832的输出电 流转化为输出电压，而输出电压由于与参考电压UREF成正比， 故要提高输出锯齿波电压的幅度，只需改变参考电压UREF的值 即可。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 8.2 8.2 模模/ /数转换器数转换器(ADC)(ADC) 8.2.1 ADC8.2.1 ADC的基本步骤的基本步骤 1取样

24、和保持 取样(又称采样)是将时间上连续变化的信号，转换为时 间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系 列等间隔的脉冲信号，脉冲信号的幅度取决于输入模拟量的 振幅。 为了在DAC时能恢复出被采样的信号，这里有必要介绍 采样定理。采样定理是指为了从采样信号中不失真地恢复出 原始信号，采样频率fs至少应是原始信号最高有效频率fmax的 2倍，即要满足fs2fmax。在实际中一般取fs(45)fmax。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 由于每次把采样电压转换成数字量都需要一定的时间， 因此在每次采样后必须将所采得的电压保持一段时间。完成 这种功能的便是采样保持电路。

25、 图8.10给出了基本采样保持电路的原理电路。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 图8.10 基本采样保持电路 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 其中，运算放大器A接成电压跟随器的目的是提高输入阻 抗，减小输入电流。C是保持电容。VT是由场效应管组成的模 拟开关，并受采样脉冲us控制。当控制脉冲us为采样电平(高 电平1)时，开关S导通，保持电容C充电，则输出电压uo随输 入电压ui变化而变化。而当us为保持电平(低电平)时，开关 S断开，保持电容C保存输入电压ui值，使放大器输出电压uo等 于S断开瞬间时的输入电压值。 采样保持电压波形如图8.11

26、所示。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 2量化和编码 从图8.11可以明显地看出，采样保持电路输出的信号 uo已经是阶梯波，但此波的幅度仍然有无限多个取值，而 且大小是随机的。也就是说，此种阶梯波依然还是一个 “模拟量”。我们无法用数字信号来表示出此“模拟量” 的无限多个取值。为了解决这一问题，要将采样保持电路 输出信号经过量化处理。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 量化是指将采样保持后的信号幅值转化成某个最 小数量单位的整数倍的过程。所规定的最小数量单位 叫作量化单位或量化间隔，用表示，即 FSR 1LSB 2n U 模拟输入电压 分割数 上式

27、中n表示要将模拟输入电压转化为n位二进制 的位数。位数n越多，量化等级越细，就越小。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 例如，有一模拟信号，幅值范围为02V，要转化为3位 和4位二进制代码，则其量化间隔分别为 (n=3)=1LSB= 和 (n=4)=1LSB= 3 21 V 24 4 21 (V) 28 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 对采样保持后的模拟电压的量化方法一般有只舍不入法 和四舍五入法两种。 (1) 只舍不入法。 当量化电压的尾数小于1LSB时，舍去尾数部分，取其整 数部分。例如，当1LSB 时，如果量化电压uo满足 1 V 8 第第8

28、 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 用图形表示为图8.12所示。 0Uo= 时，则量化值为0 =0V。 Uo2= 时，则量化值为1 = 。 Uo3= 时，则量化值为2 = 。 1 V 8 1 V 8 2 V 8 1 V 8 2 V 8 3 V 8 2 V 8 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 图8.11 采样保持电压波形图8.12 只舍不入法量化 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 (2) 四舍五入法。 当量化电压的尾数小于 LSB时，舍去尾数部分，取其 整数部分；而当量化电压的尾数大于 LSB时，则给量化值 再加上1LSB。 1 2 1

29、 2 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 例如，当1LSB 时，如果量化电压uo满足 0Uo = 时，则量化值为0 =0V。 Uo = 时，则量化值为0+= 。 Uoui，则电压比器的输出us=1(高电平)，逐次渐进寄 存器中的该位被复位，即寄存器的输出为0000。 若 ui，则电压比器的输出us=0(低电平)，逐次渐进寄 存器中的该位被保存，即寄存器的输出为1000。 i u i u 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 接着，将此高位置，低位全部为零，按上面所述方法 逐位进行转换、比较、判断，以便得到此高位是该保留(置1) 还是复位(置0)。把逐次渐进

30、寄存器中的每一位都置1后，转 换、比较和判断后，最后再逐次渐进寄存器保存的二进制数 就是模拟输入信号ui所转化出来的数字信号。 逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数n 和时钟脉冲频率有关，位数越少，时钟频率越高，转换所需 时间越短。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 【例【例8-28-2】一个8位逐次比较型ADC，设DAC的参考电压REF=-10V， 如输入的模拟电压为ui=8.54V，试说明转换过程并计算出转换 结果。 解：解：对于DAC的输出电压ui由式(8-4)可得 = = 按照逐次渐进的方法得到如表8.1所示。 i u 0121REF 0121 (2

31、222) 2 n n n U DDDD 01234567 01234567 8 10 (22222222) 2 DDDDDDDD 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 则此电路转换的结构为11011010。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 3. V-R双积分型ADC V-T变化型ADC是先把输入的模拟信号转换成与之对应的 时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉 冲信号计数，计数的结果就是输入模拟信号的数字信号，是 一种间接转化法。在V-T变换型电路中使用最多的是双积分型 ADC。 V-T双积分型ADC的原理如图8.18所示。它由积分器A1

32、、 比较器A2、计数器、逻辑控制、锁存器等组成。该电路的工 作过程如下。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 图8.18 V-T双积分型ADC 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 1) 起始状态 转换开始前，使得计数器复位，并接通开关S，让 电容C放电，从而使得积分器A1输出电压uo=0，然后再断 开，且控制逻辑发出控制信号UC时，使控制开关接入 模拟输入信号ui。 2) 定时积分 由于积分器A1的反相端是“虚地”，所以电容C的充 电电压uo按照某个负斜率方向变化。则有 1 1 oii 0 1 d T T uu tU RCRC (8-7) 第第8 8章数

33、章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 在积分器输出电压uo为负电压期间，比较器A2输出高 电平U2=1，与门G打开，脉冲信号CP通过G门加到计数器开 始加法计数。若输出电压uo为正，则A2输出低电平U2=0， 与门G关闭，计数停止。当计数器计满n个数值后，计数 器复位。此时控制逻辑发出控制信号UC，使控制开关接 入参考电压-UR。积分器对模拟输入信号ui的积分完成。 即第一阶段的定时积分完成，开始对参考电压-UR进行积 分。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 在式(8-7)中，T1=2nTC，为第一阶段的积分所需时间，其中 TC是计数脉冲CP的周期，则在第一阶段的积分

34、完成时，积分 器的输出电压为 C1 oii 2nTT uUU RCRC (8-8) 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 3) 定压积分 当控制信号UC使控制开关K接入负参考电压-UR后，积 分器开始第二阶段的对-UR的积分，因为参考电压-UR为负 值，积分器进行的是反向积分。而且积分器的初始值 为负值，则电压比较器A2输出高电平U2=1，与门G打开，脉 冲信号CP通过G门加到计数器开始加法计数。计数器计满 后复位。第二积分阶段的输出电压为 C i 2nT U RC 2 2 oRR 0 1 d T T uUtU RCRC (8-9) 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /

35、数转换数转换 其中，T2为积分器在第二积分阶段电压从 上升到0 时所需的时间，则有 C i 2nT U RC 2 R T U RC C i 2nT U RC (8-10) = 由式(8-9)有 C 2i R 2nT TU U (8-11) 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 设第二阶段计数器计满后的二进制位数为n2，且令T2=2n2TC， 代入式(8-10)中有 式(8-12)说明，计数器中所计得的二进制位数n2与输入模拟 电压Ui成正比。只只要uiUR，转换器就能将输入电压ui转换为数 字量从寄存器中输出。 2i R 2n nU U (8-12) 第第8 8章数章数/ /

36、模和模模和模/ /数转换数转换 【例【例8-38-3】V-T双积分ADC的UR=-10V，计数器为12位二进制加 法计数器。已知时钟频率fcp=1MHz。求： (1) 该ADC允许输入的最大模拟电压是多少？ (2) 当Ui=6V时，求输出的数字量。 (3) 已知输出的数字量为 (4FF)16，求对应的输入电压Ui。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 解：解：(1) 因为只要UiUR，转换器就能将输入电压Ui转换为数字 量从寄存器中输出，所以允许输入的最大模拟电压Uimax为 Uimax= = =10V (2) 因为输入模拟电压与数字量成正比，是最小量化单位LSB的 N倍，

37、N所对应的数字量即为转换结果。 R U10 RE LSB 12 10 V 22 n U U 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 当Ui=6V时， (3) 输出的数字量为 (4FF)16时，对应的输入电压Ui为 (4FF)16=(1279)10= (10011111111)2 i 102 LSB 12 6 (2458)(100110011010) 10 2 U N U 1111 0111 iLSB0111 1212 00 1010 2(222)3.12V 22 i i ii UNUDDDD 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 8.2.3 ADC8.2.3

38、ADC转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 ADC转换器的主要技术指标有转换精度、转换速度等。 1. 转换精度 ADC转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。 1) 分辨率 ADC的分辨率(也称分解度)是指对输入信号的分辨能力。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 2) 转换误差 转换误差是指ADC实际输出的数字量与理论输出数字量之 间的差值。例如，相对误差LSB/2，就表明实际输出的数 字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的 一半。 2. 转换速度 转换速度是指ADC完成一次转换所需的时间。转换时间是 指ADC从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳

39、定的数字信 号所经过的时间。转换时间短，转换速度就高。ADC的转换时 间与转换电路的类型有关。 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 【例【例8-48-4】某信号采集系统要求用一片ADC转换集成芯片在1s 内对16个热电偶的输出电压分时进行ADC。已知热电偶输出 电压范围为00.025V(对应于0450温度范围)，需要分 辨的温度为0.1，试问应选择多少位的ADC？其转换时间是 多少? 第第8 8章数章数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 解：解：对于0450温度范围，信号电压为00.025V，分辨温 度为0.1，这相当于 的分辨率。 而12位ADC的分辨率为 ，因 ，所以 必须选用13位的ADC转换器。 取样速率为16次/s，取样时间为 =62.5ms