第8章数模和模数转换器

1、EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT概述概述第第 8 章章数模和模数转换器数模和模数转换器 本章小结本章小结A/D 转换器转换器D/A 转换器转换器 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT8.1 概述概述 主要要求：主要要求： 掌握数模和模数转换器的概念和作用。掌握数模和模数转换器的概念和作用。 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT一、数模和模数转换的概念和作用一、数模和模数转换的概念和作用 数模转换数模转换即将数字量转换为模拟电量即将数字量转换为模拟电量( (电压或电电压或电流流) )，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比，使输出的模拟电量与输入的数字

2、量成正比。 实现数模转换的电路称数模转换器实现数模转换的电路称数模转换器 Digital - Analog Converter，简称简称 D/A 转换器或转换器或 DAC。 模数转换模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。的数字量与输入的模拟电量成正比。 实现模数转换的电路称模数转换器实现模数转换的电路称模数转换器 Analog - Digital Converter，简称简称 A/D 转换器或转换器或 ADC。 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT为何要进行数模和模数转换？为何要进行数模和模数转换？ EXIT 数模

3、和模数转换器数模和模数转换器EXIT二、数模和模数转换器应用举例二、数模和模数转换器应用举例压力传感器压力传感器温度传感器温度传感器流量传感器流量传感器四四路路模模拟拟开开关关数数字字处处理理系系统统DAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器液位传感器液位传感器DACDAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器生生 产产 控控 制制 对对 象象DACADC二、数模和模数转换器应用举例二、数模和模数转换器应用举例 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT主要要求：主要要求： 掌握数模转换的基本工作原理。掌握数模转换的基本工作原理。 了解常用了解常用 D/A 转换器的类型和主要参数

4、。转换器的类型和主要参数。 理解权电阻和理解权电阻和 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 D/A 转换器转换器电路及其工作原理。电路及其工作原理。 8.2 D/A 转换器转换器 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT一、数模转换的基本原理一、数模转换的基本原理 输出模拟电压输出模拟电压 uO = D = (Dn- -1 2n- -1 + Dn- -2 2n- -2 + + D1 21 + D0 20 )DACD0D1Dn- -2Dn- -1uO一、数模转换的基本原理一、数模转换的基本原理 LSB Least Significant Bit 输入数字量输入数字量 D = (Dn- -1

5、Dn- -2 D1 D0 ) 2 = Dn- -1 2n- -1 + Dn- -2 2n- -2 + + D1 21 + D0 20 是是 DAC 能输出的最小电压值，称为能输出的最小电压值，称为 DAC 的单的单位量化电压位量化电压，它等于，它等于 D 最低位最低位( (LSB) )为为 1、其余各位均、其余各位均为为 0 时的模拟输出电压时的模拟输出电压( (用用 ULSB 表示表示) )。uO D，uO 大小反映了数字量大小反映了数字量 D 的大小。的大小。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT二、常用二、常用 DAC 的类型的类型常用的有权电阻网络常用的有权电阻网络 DAC

6、、 R - - 2R 倒倒 T 形电阻网形电阻网络络 DAC和权电流网络和权电流网络 DAC。其中，后两者转换速度快，。其中，后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用，权电流网络性能好，因而被广泛采用，权电流网络 DAC 转换精度转换精度高，性能最佳。高，性能最佳。 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT （一）（一） 电路组成电路组成三、三、 权电阻网络权电阻网络 D / A 转换器转换器 模拟开关模拟开关 Si 受各位输入数字量控制，当受各位输入数字量控制，当 Di =1 1 时，开关时，开关 Si 接到接到 1 1 端，电阻端，电阻 Ri 与基准电压与基准电压VREF相连；相

7、连；当当 Di =0 0 时，开时，开关关 Si 则接到则接到 0 0 端，电阻端，电阻 Ri 接地。接地。0 00 0iFS0+- -uOS1S2S3D3D2D1D0iRFVREF22R21RI020RI123RI2I30 01 11 11 11 10 0+- -A(LSB)(MSB)模拟开关模拟开关求和运算求和运算 放大器放大器权电阻网络：权电阻网络：只有两种阻值！只有两种阻值！EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT 当电子开关当电子开关 S0 S3 都接都接 1 1 端时，流入求和运算放大器输入端时，流入求和运算放大器输入端的总电流端的总电流 i为为 对于对于 n 位权电阻位

8、权电阻 D / A 转换器，则有转换器，则有 i= I3+ I2+ I1+ I0=VREF20RD3+VREF21RD2+VREF22RD1+VREF23RD0VREF23R( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 )= 由于由于 i= - i F ，故运算放大器的输出电压，故运算放大器的输出电压 uO为为 uO= iF RF= - -iRF= - -RFVREF23R( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 ) uO= - -iRF= - -RFVREF2n-1R( 2n-1 Dn-1+ 2n-2Dn-2+ 21D1+ 20D0 ) （二）（二） 工作原理工作原理EXIT 数

9、模和模数转换器数模和模数转换器EXIT （三）（三）权电阻网络权电阻网络 D / A 转换器的优缺点转换器的优缺点优点：电路简单，使用电阻较少。优点：电路简单，使用电阻较少。缺点缺点：（：（1）要求相邻电阻之间严格保持电阻值相差一半。）要求相邻电阻之间严格保持电阻值相差一半。 （2）最大与最小阻值之间相差很大，且随着二进制数）最大与最小阻值之间相差很大，且随着二进制数 位数增多，这种差别尤其严重。位数增多，这种差别尤其严重。 由于难以保证电阻精度的要求，所以影响电路的转由于难以保证电阻精度的要求，所以影响电路的转 换精度。换精度。 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITS0+- -

10、uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30 01 11 11 11 10 00 00 0RRR ( (一一) ) 电路组成与转换原理电路组成与转换原理 四、四、R - - 2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 DAC 由倒由倒 T 型电阻网络、模拟开关和一个电流型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路电压转换电路( (简称简称 I/U 转换电路转换电路) )组成。组成。模拟开关模拟开关 Si 打向打向“1”侧侧时，相应时，相应 2R 支路支路接虚接虚地地；打向打向“0”侧侧时，相应时，相应 2R 支路支路接地接地。故无论开。故无论开

11、关打向哪一侧，倒关打向哪一侧，倒 T 型电阻网络均可等效为下图：型电阻网络均可等效为下图：EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC从从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。因此，因此，I =VREFRI3 =I2= 23 ( )，I24I2 =I32= 22 ( )，I24=I4I1 =I22= 21 ( )，I24=I8I0 =I12= 20 ( )I24=I16可见，支路电流值可见，支路电流值 Ii 正好代表了正好代表了二进制数位二进制数位 Di

12、的权值的权值 2i 。即即 I3 = 23 I0， I2 = 22 I0， I1 = 21 I0， I0 = 20 I0 RVI 4REF422EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT模拟开关模拟开关 Si 受相应数字位受相应数字位 Di 控制。当控制。当 Di = 1 时，开时，开关合向关合向“1”侧，相应侧，相应支路电流支路电流 Ii 输出输出；Di = 0 时，开关时，开关合向合向“0”侧，侧， Ii 流入地而不能输出。流入地而不能输出。S0+- -uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30 01 11 11 11 1

13、0 00 00 0RRRu0 = - - i RF = - - D I0 RF = - - D RRV 4FREF2i = D3 I3 + D2 I2 + D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 ) I0 = D I0对对 n 位位 DAC， uO= - - D RRVn 2FREF若取若取 RF = R， 则则uO= - - D nV2REF n 位位 DAC 将参考电压将参考电压 VREF 分成分成 2n 份，份，uO 是是每份的每份的 D 倍。调节倍。调节 VREF 可调节可调节 DAC 的输出电压。的输出电压。uO= - - D

14、RRV 4FREF2 倒倒T形电阻网络中各支路电流恒定不变，故在开形电阻网络中各支路电流恒定不变，故在开关状态变化时不需电流建立时间，因而转换速度高。关状态变化时不需电流建立时间，因而转换速度高。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT五、五、 权电流型权电流型 D/A转换器转换器 在权电阻和倒在权电阻和倒T形电阻网络中，各支路权电流的值形电阻网络中，各支路权电流的值会受电子开关导通电阻影响，因而会有误差。若将各支会受电子开关导通电阻影响，因而会有误差。若将各支路电流采用恒流源代替，则可提高转换精度。路电流采用恒流源代替，则可提高转换精度。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器E

15、XIT （一）（一） 电路组成电路组成i 位电子模拟开关位电子模拟开关 Si 由相应输入数据由相应输入数据 Di 控制。当控制。当Di=1 1时，时，Si接接1 1，恒流源接运算放大器的反向端，并，恒流源接运算放大器的反向端，并提提供恒流供恒流 Ii ；当；当Di = 0 0时，时， Si 接接0 0，恒流源，恒流源接地接地。S0+- -uOS1S2S3D3D2D1D0iRF- -VREFI / 20 01 11 11 11 10 00 00 0I / 4I / 16I / 8- -+(LSB)(MSB)I/U转换转换 权电流权电流恒流源恒流源模拟开关模拟开关EXIT 数模和模数转换器数模和模

16、数转换器EXIT 当电子开关当电子开关 Si 都接都接 1 1 端时，最高位代码对应支路的恒流源端时，最高位代码对应支路的恒流源电流为电流为 I / 2，相邻位支路的恒流源电流依次减半。故运算放大，相邻位支路的恒流源电流依次减半。故运算放大器的输出电压器的输出电压 uO 为为 对于对于 n 位权电流型位权电流型 D / A 转换器，则有转换器，则有 uO = RF I 2n( 2n-1 Dn-1+ 2n-2Dn-2+ 21D1+ 20D0 ) uO = iRF=RFI24( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 )= RF (I2D3+I8D1+ I16D0 )I4D2+ 二、二、 工

17、作原理工作原理EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT六、六、DAC 的主要参数的主要参数 1. 分辨率分辨率 DAC 的输出电压最小变化量，的输出电压最小变化量，也即也即 DAC 的最小输出电压值的最小输出电压值121FSRLSB- - nUU分分辨辨率率 表示满度输出电压值，表示满度输出电压值，FSR 即即 Full Scale Range指指 D/A 转换器输出模拟电压的最小变转换器输出模拟电压的最小变化量与满度输出电压之比。化量与满度输出电压之比。 UFSR = uO|D = 11 1 = ( 2n 1 ) ULSBn 位均为位均为 1例如，一个例如，一个 10 位的位的 D

18、AC，分辨率为，分辨率为 0.000 978。DAC 的位数越多，分辨率值就越小，的位数越多，分辨率值就越小，能分辨的能分辨的最小输出电压值也越小。最小输出电压值也越小。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT要获得较高精度的要获得较高精度的 D/A 转换结果，除了正确选用转换结果，除了正确选用 DAC 的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。大器。 3. 转换时间转换时间指指 DAC 在输入数字信号开始转换，到输在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。出的模拟信号达到稳定值所需的时间。转换时间越小，转换速度就越

19、高。转换时间越小，转换速度就越高。2. 转换精度转换精度 指指 DAC 实际输出模拟电压与理实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。想输出模拟电压间的最大误差。它是一个综合指标，不仅与它是一个综合指标，不仅与 DAC 中元件参数的精中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。移以及转换器的位数有关。 通常要求通常要求 DAC的误差小于的误差小于 ULSB / 2。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT七、集成七、集成 DAC应用举例应用举例四、集成四、集成 DAC 应用举例应用举例1. 集

20、成集成 DAC 简介简介 常用集成常用集成 DAC 有两类：一类内部仅含有电阻有两类：一类内部仅含有电阻网络和电子模拟开关两部分，常用于一般的电子电网络和电子模拟开关两部分，常用于一般的电子电路。另一类内部除含有电阻网络和电子模拟开关外，路。另一类内部除含有电阻网络和电子模拟开关外，还带有数据锁存器，并具有片选控制和数据输入控还带有数据锁存器，并具有片选控制和数据输入控制端，便于和微处理器进行连接，多用于微机控制制端，便于和微处理器进行连接，多用于微机控制系统中。系统中。 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT2. 8 位位 CMOS 集成集成 D/A 转换器转换器 AD7524

21、简介简介数据锁存器数据锁存器20 k 20 k 20 k 20 k 20 k10 k 10 k 10 k 10 k VDDVREF151213CSWR45611D7( (MSB) )D6D5D0( (LSB) )S0S1S2S7OUT112316iRFBOUT2GND基准电压输入端基准电压输入端 VREF 可正可负可正可负 片选控制端片选控制端 电源电压范围电源电压范围 + 5 V + 15 V 8 位数据输入端，位数据输入端，其电平与其电平与 TTL 电平兼电平兼容。容。MSB 表示最高位，表示最高位，LSB 表示最低位。表示最低位。接地端接地端 内部反馈电阻内部反馈电阻 RF 的引出端的引

22、出端 两个输出端，一般将两个输出端，一般将 OUT2 接地，接地，OUT1 接运放反向端。接运放反向端。 写信号控制端写信号控制端 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT CMOS电子模拟开关电子模拟开关 开关管开关管两级反相器两级反相器电平电平偏移偏移电路电路 当当 i 位数据位数据 Di =1 1时，时，V1 截止，截止，V3 导通，输出低电平导通，输出低电平0 0，经，经V4、V5 组成的反相器后输出高电平组成的反相器后输出高电平1 1，使，使 V9 导通；同时，导通；同时，V6、V7组成的反相器输出低电平组成的反相器输出低电平0 0，使，使 V8 截止。这时，截止。这时，2

23、R 支路电阻经支路电阻经 V9 接位置接位置1 1 。当。当 Di =0 0时，则时，则 V8 导通，导通，V9 截止，截止，2R 支路电阻接支路电阻接位置位置0 0。从而实现了单刀双掷开关的功能。从而实现了单刀双掷开关的功能。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT 例例 右图为右图为 CDA7524 的单极性的单极性输出应用电路。图输出应用电路。图中电位器中电位器 R1 用于调用于调整运放增益，电容整运放增益，电容 C 用以消除运放的用以消除运放的自激。已知自激。已知 ULSB = VREF / 256，试求满，试求满度输出电压及满度度输出电压及满度输出时所需的输入输出时所需的输

24、入信号。信号。 CDA752445789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF = 10V+- -OUT1OUT2uOC2 k R2R11 k 15 pFWR 961. 9256550225625512REFLSB8 - - VUU解：解： 当当 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 = 11111111 时，输出为满度值。时，输出为满度值。uO = - - UFSR - - 9.961 V。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT 构成阶梯信号发生器构成阶梯信号发生器 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT主要要

25、求：主要要求：掌握模数转换的基本工作原理。掌握模数转换的基本工作原理。了解了解 转换器的主要参数。转换器的主要参数。 理解常用理解常用 转换器及其工作原理。转换器及其工作原理。8.3 A/D 转换器转换器 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT一、一、A /D 转换转换的基本原理和一般步骤的基本原理和一般步骤 “ ” ”表示取整。表示取整。 基本原理基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI可见，输出数字量可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量正比于输入模拟量 uI 。 称为称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，的单位量化电压或量化单位，它是它是 ADC 的最小分辨电压。的最小分

26、辨电压。 uDEXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT采样：采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持：保持：保持采样信号保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。使有充分时间转换为数字信号。量化：量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。整数倍表示。编码：编码：把量化的结果用二进制代码表示。把量化的结果用二进制代码表示。A /D 转换的一般步骤转换的一般步骤 uI(t)C量化量化编码编码电路电路Dn- -1D1D0uI (t)S采样保持电路采样保持电路EXIT 数模和模数转

27、换器数模和模数转换器EXIT 为了能较好地恢复原来的模拟信号，为了能较好地恢复原来的模拟信号，根据取样定理，要求取样脉冲根据取样定理，要求取样脉冲 uS 的频率的频率 fs 必须大于等于输入模拟信号必须大于等于输入模拟信号 uI 频谱中频谱中最高频率最高频率 fI(max) 的的 2 倍，即倍，即 fs 2 fI(max)（一）取样（一）取样 - - 保持电路保持电路 当取样脉冲当取样脉冲 uS 为高电平时，为高电平时，NMOS管导通，输入电压管导通，输入电压uI 经其对经其对 C 迅速充电，迅速充电，使电容使电容 C 上的电压上的电压 uC 跟随输入电压跟随输入电压 uI 变化，在变化，在

28、tW 期间期间 uC = uI。 当取样脉冲当取样脉冲 uS 为低电平时，为低电平时，NMOS管截止，电容管截止，电容 C 上的电压上的电压 uC 在在 TS - - tW 期间保持不变，直到下一个取样脉冲到期间保持不变，直到下一个取样脉冲到来。输出电压来。输出电压 uO 始终跟随电容始终跟随电容 C 上的上的电压电压 uC 变化。变化。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT 要将取样要将取样- -保持电路输出的样值电压变换成与保持电路输出的样值电压变换成与其成正比的数字量，还必须对样值电压进行量化，其成正比的数字量，还必须对样值电压进行量化，通常通常用数字信号最低位用数字信号最低

29、位（LSBLSB）1 1 对应的模拟电压对应的模拟电压作为量化单位，用作为量化单位，用表示表示。将样值电压变为量化单。将样值电压变为量化单位整数倍的过程称为位整数倍的过程称为量化量化。将这个整数倍数值用二。将这个整数倍数值用二进制码表示的过程，称为二进制进制码表示的过程，称为二进制编码编码。 在量化时，样值电压一般不能被在量化时，样值电压一般不能被 整除，非整除，非整数部分的余数被舍去，这必然会产生误差，称整数部分的余数被舍去，这必然会产生误差，称为为量化误差量化误差。 A / D 转换器的位数越多，量化单位转换器的位数越多，量化单位越小，则越小，则量化误差也越小量化误差也越小。 （二）量化与

30、编码（二）量化与编码EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT划分量化电平的两种方法（以三位二进制码为例）划分量化电平的两种方法（以三位二进制码为例）最大量化误差最大量化误差 = = (1/8)V最大量化误差最大量化误差 = /2 = (1/15)V1 = 1/8V4 = 4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模拟模拟电平电平二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电平模拟电平0 = 0V2 = 2/8V3 = 3/8V5 = 5/8V6 = 6/8V7 = 7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模拟模拟

31、电平电平二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电平模拟电平0 = 0V1 = 2/15V2 = 4/15V3 = 6/15V4 = 8/15V5 = 10/15V6 = 12/15V7 =14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)VEXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT二、二、 并联比较型并联比较型 A / D 转换器转换器 0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0uI电电阻阻构构成成分分压压器器 当当 0 V uI ( 1/15

32、 ) VREF 时，时， D2D1D0 = 000 000。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFEXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT0 00 00 00 00 00 01 10 00 01 1uI当当 ( 1/15 ) VREF uI ( 3/15 ) VREF 时，时， D2D1D0 = 001001。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1

33、D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF二、二、 并联比较型并联比较型 A / D 转换器转换器 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT0 00 00 00 00 01 11 10 01 10 0uI当当 ( 3/15 ) VREF uI ( 5/15 ) VREF 时，时， D2D1D0 = 010 010。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编

34、码器编编码码器器15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF二、二、 并联比较型并联比较型 A / D 转换器转换器 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器0 00 00 00 01 11 11 10 01 11 1uI当当 ( 5/15 ) VREF uI ( 7/15 ) VREF 时，时， D2D1D0 = 011011。15115315515131571591511VRE

35、FVREFVREFVREFVREFVREFVREF二、二、 并联比较型并联比较型 A / D 转换器转换器 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT0 00 00 01 11 11 11 11 10 00 0uI当当 ( 7/15 ) VREF uI ( 9/15 ) VREF 时，时， D2D1D0 = 100100。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF二、二、 并联比较

36、型并联比较型 A / D 转换器转换器 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT0 00 01 11 11 11 11 11 10 01 1uI当当 ( 9/15 ) VREF uI ( 11/15 ) VREF 时，时， D2D1D0 = 101101。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF二、二、 并联比较型并联比较型 A / D 转换器转换器 EXIT 数模和模数转换器

37、数模和模数转换器EXIT0 01 11 11 11 11 11 11 11 10 0uI当当 ( 11/15 ) VREF uI ( 13/15 ) VREF 时，时， D2D1D0 = 110110。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF二、二、 并联比较型并联比较型 A / D 转换器转换器 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT1 11 11 11 11 11 11

38、11 11 11 1uI当当 ( 13/15 ) VREF uI 1 VREF 时，时， D2D1D0 = 111111。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF二、二、 并联比较型并联比较型 A / D 转换器转换器 需比较器和触发器数量多，故贵，用的少。需比较器和触发器数量多，故贵，用的少。但速度极快，故用于高速转换。但速度极快，故用于高速转换。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转

39、换器EXIT其转换思路与天平称重过程相似：其转换思路与天平称重过程相似： 先放一个最重的砝码与被称物体重量进行比较，如物先放一个最重的砝码与被称物体重量进行比较，如物体重，则保留砝码，否则去掉。再加上一个次重砝码，再体重，则保留砝码，否则去掉。再加上一个次重砝码，再比较。按此办法，直加到最轻的一个砝码为止。将所有留比较。按此办法，直加到最轻的一个砝码为止。将所有留下的砝码重量相加，就是最逼近的被称物体重量。下的砝码重量相加，就是最逼近的被称物体重量。三、三、 逐次逼近型逐次逼近型 A / D 转换器转换器EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT逐次逼近型逐次逼近型 A / D 转换器

40、组成与工作原理转换器组成与工作原理 us为转换控制端。为转换控制端。 转换开始前，应置转换开始前，应置us=0，使电路复位，逐次，使电路复位，逐次逼近寄存器的输出数据为全逼近寄存器的输出数据为全0。 置置us=1时，允许转换，时，允许转换，EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT逐次逼近型逐次逼近型 A / D 转换器组成与工作原理转换器组成与工作原理 在第一个在第一个CP 脉冲作用下，控制电路控制逐次逼近寄存器的最脉冲作用下，控制电路控制逐次逼近寄存器的最高位为高位为1，其余位为，其余位为0，即，即DAC输入为输入为10.0，得到第一个模拟比较，得到第一个模拟比较电压电压uO（相当

41、于最重的那个砝码），与输入模拟电压（相当于最重的那个砝码），与输入模拟电压uI 进行比较。进行比较。比较结果决定寄存器的最高位是否在后面的脉冲作用时保持为比较结果决定寄存器的最高位是否在后面的脉冲作用时保持为1。若若uI uO，则保持为，则保持为1（相当于留下砝码），否则为（相当于留下砝码），否则为0。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT逐次逼近型逐次逼近型 A / D 转换器组成与工作原理转换器组成与工作原理 第二个第二个CP 脉冲作用时，控制寄存器的次高位为脉冲作用时，控制寄存器的次高位为1，其余，其余低位为低位为0，即，即DAC输入为输入为110.0或或0100，得到第二个

42、模拟比，得到第二个模拟比较电压较电压uO，再与，再与uI 进行比较。比较结果决定寄存器的次高位进行比较。比较结果决定寄存器的次高位是否保持为是否保持为1。若。若uI uO，则保持为，则保持为1（相当于又留下砝码），（相当于又留下砝码），否则为否则为0。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT逐次逼近型逐次逼近型 A / D 转换器组成与工作原理转换器组成与工作原理 如此依次进行，直到寄存器最低位置如此依次进行，直到寄存器最低位置1，进行比，进行比较后，才完成一次较后，才完成一次AD转换，转换得到的数字量存于转换，转换得到的数字量存于寄存器中。转换结束后，在控制逻辑电路的控制下，寄存器

43、中。转换结束后，在控制逻辑电路的控制下，寄存器中的数据经输出电路送至数据输出端。寄存器中的数据经输出电路送至数据输出端。需需n次比较、系统复位、数据输出等时间，所以次比较、系统复位、数据输出等时间，所以速度慢，为中速速度慢，为中速ADC。但成本低，故应用广。但成本低，故应用广。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT四、四、 双积分型双积分型 A / D 转换器转换器 是一种间接型是一种间接型A/D转换器，其基本原理：转换器，其基本原理： 将输入模拟电压转换成与之成正比的时间间隔，在此时将输入模拟电压转换成与之成正比的时间间隔，在此时间内用计数器对恒定频率的时钟脉冲计数，计数结束时的

44、计间内用计数器对恒定频率的时钟脉冲计数，计数结束时的计数值正比于输入的模拟电压，从而实现模数转换。数值正比于输入的模拟电压，从而实现模数转换。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT检零检零比较器比较器积分器积分器定时定时触发器触发器G2&时钟时钟控制门控制门QuOuCFFnRD基准基准电压电压计数器计数器RS2usCPRC11J1KDn-1(MSB)D1D0 (LSB)n 位二进制计数位二进制计数器器RCPG1&-VREFS1CuI（一）电路组成（一）电路组成四、四、 双积分型双积分型 A / D 转换器转换器 基准电压必须与输入模拟电压极性相基准电压必须与输入模拟

45、电压极性相反，且前者绝对值大于后者绝对值。反，且前者绝对值大于后者绝对值。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT1. 转换准备转换准备 转换控制信号转换控制信号 uS =0 0，使：开关，使：开关 S1 闭合，电容闭合，电容 C 放尽电荷；放尽电荷；计数器清零；定时触发器复位计数器清零；定时触发器复位 Qn = 0 0，使开关，使开关 S2 接输入模拟电接输入模拟电压压 uI 。四、双积分型四、双积分型 A / D 转换器转换器 (二二)工作原理工作原理EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT2. 第一次积分（取样阶段）第一次积分（取样阶段） 在时间在时间 t = 0 0

46、 时，转换控制信号时，转换控制信号 uS 由由 0 0 变为变为 1 1，G2 输出输出 0 0，开关开关 S1 断开，开关断开，开关 S2 接入模拟电压接入模拟电压 uI 。uI 经电阻经电阻 R 对电容对电容 C 进行充电，积分器开始对进行充电，积分器开始对 uI 进行积分；积分器的输出电压进行积分；积分器的输出电压 uO (t) 为为uO (t) = = tuIRC - -tItduRC01uI dt四、双积分型四、双积分型 A / D 转换器转换器 (二二)工作原理工作原理EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT2. 第一次积分（取样阶段）第一次积分（取样阶段） 由于积分器由

47、于积分器 uO 0，过零比较器输出，过零比较器输出 uC = 1，这时时钟，这时时钟控制门控制门 G1 打开，计数器开始对周期为打开，计数器开始对周期为 TC 的时钟脉冲的时钟脉冲 CP 进进行计数，经时间行计数，经时间T1=2nTC 后，计数器计满后，计数器计满 2n 个个 CP 脉冲，各脉冲，各计数触发器自动返回计数触发器自动返回 0 状态，同时给定时触发器状态，同时给定时触发器 FFn 送出一送出一个进位信号，个进位信号，FFn 置置 1 ，使开关，使开关 S2 接接 - -VREF。四、双积分型四、双积分型 A / D 转换器转换器 (二二)工作原理工作原理EXIT 数模和模数转换器数

48、模和模数转换器EXIT2. 第一次积分（取样阶段）第一次积分（取样阶段） 第一次积分结束后，对应时间为第一次积分结束后，对应时间为 t = t1= T1，这时积分器输出电压，这时积分器输出电压 uO(t1) 为为 uO( t1 ) = uI = uI T1RC2nTCRC四、双积分型四、双积分型 A / D 转换器转换器 (二二)工作原理工作原理EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT3. 第二次积分（比较阶段）第二次积分（比较阶段） 在时间在时间 t = t1 ( =T1 ) 时，第一次积分结束，开关时，第一次积分结束，开关 S2 接接 VREF，电容，电容 C 开始放电，积分器对开始放电，积分器对- -VREF 进行反向进行反向积分（第二次积分）。积分（第二次积分）。