数字电子技术基础演示文稿第8章

1、链接演示文稿主页面第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器第第 8 章数模和模数转换器章数模和模数转换器 概述概述本章小结本章小结A/D 转换器转换器D/A 转换器转换器 第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.1 概述概述 主要要求：主要要求： 理解数模和模数转换器的概念和作用。理解数模和模数转换器的概念和作用。 第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页一、数模和模数转换器的作用一、数模和模数转换器的作用 模拟模拟传感器传感器生产过程控制对象生产过程控制对象 A/D转换器转换器数字控制数字控制计算机计算机D/A转换器转换器 模拟模拟控制器控制器 由

2、此可见，模拟由此可见，模拟- -数字转换器和数字转换器和数字数字- -模拟转换器是数模拟转换器是数字系统和模拟系统相互联系的桥梁，是数字系统中不可缺字系统和模拟系统相互联系的桥梁，是数字系统中不可缺少的组成部分。少的组成部分。第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页数模转换数模转换是把数字量转换为模拟量的过程。是把数字量转换为模拟量的过程。 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。转换器。 模数转换模数转换是把模拟量转换为数字量的过程。是把模拟量转换为数字量的过程。 实

3、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。转换器。 常见常见 D / A 转换器转换器权电阻网络权电阻网络 D / A转换器转换器倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 D / A转换器转换器权电流网络权电流网络 D / A转换器转换器A / D 转换器转换器并联比较型并联比较型双积分型双积分型逐次逼近型逐次逼近型直接直接 A / D转换器转换器间接间接 A / D转换器转换器二、数模和模数转换的概念二、数模和模数转换的概念第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页主要要求：主要要求

4、： 理解数模转换的基本原理。理解数模转换的基本原理。 了解常用了解常用 D/A 转换器的主要参数。转换器的主要参数。 理解常用理解常用 D/A 转换器的电路组成、工作原理、转换器的电路组成、工作原理、特点及应用。特点及应用。 8.2 D/A 转换器转换器 第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页输出模拟电压输出模拟电压 uO 应正比于输入数字量的大小，即：应正比于输入数字量的大小，即： uO = KD = K(Dn- -1 2n- -1 + Dn- -2 2n- -2 + + D1 21 + D0 20 ) 可见，可见，uO D，uO 的大小反映了数字量的大小反映了数字量 D

5、的大小。的大小。D/A转换器转换器D0D1Dn- -2Dn- -1uO数模转换的基本原理数模转换的基本原理 输入数字量输入数字量 D = (Dn- -1 Dn- -2 D1 D0 ) 2 = Dn- -1 2n- -1 + Dn- -2 2n- -2 + + D1 21 + D0 20 比例系数比例系数 K 是与电路结构有关的常数。也是输入数是与电路结构有关的常数。也是输入数字量最低位字量最低位 D0 = = 1 1、其余各位均为、其余各位均为 0 0 时的模拟输出电压。时的模拟输出电压。第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页 一、一、 电路组成电路组成8.2.1 权电阻网络

6、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)模拟开关模拟开关权电阻网络权电阻网络求和运算求和运算 放大器放大器第第 8 章章

7、数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页 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+

8、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 输出电压正输出电压正比于输入二进制比于输入二进制数，从而实现数数，从而实现数模转换。模转换。第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页如图所示权电阻网络如图所示权电阻网络D/A转换器中，设转换器中，设 n=4，VREF=-10v，RF=R/2，试求：，试求：(1)当输入数字量当输入数字量 D3D2D1D0=0001 时，输出电压的值；时，输出电压的值；(2)当输入数字量当输入数字量 D3D2D

9、1D0=1001 时，输出电压的值；时，输出电压的值；(3)当输入数字量当输入数字量 D3D2D1D0=1111 时，输出电压的值。时，输出电压的值。解：解： V375. 9)21212121(210V625. 5)21202021(210V625. 0)21202020(21001234O01234O01234O - - - - - - - - - uuu第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页 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 权电阻权电阻 D/A 转换器的优点是电路简单，转换速转换器的优点是电路简单，转换速度也比较快；它的缺点是各个电

10、阻的阻值相差很大，度也比较快；它的缺点是各个电阻的阻值相差很大，而且随着输入二进制代码位数的增多，电阻的差值也而且随着输入二进制代码位数的增多，电阻的差值也随之增加，难以保证电阻精度的要求，这给电路的转随之增加，难以保证电阻精度的要求，这给电路的转换精度带来很大影响，也不利于集成化。换精度带来很大影响，也不利于集成化。 第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页S0+- -uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30 01 11 11 11 10 00 00 0RRR 一、一、 电路组成电路组成 8.2.2 R- -2R

11、倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 D/A转换器转换器 电流电压电流电压转换电路转换电路( (简称简称 I/U 转换电路转换电路) )模拟开关模拟开关 Si 打向打向1 1侧侧时，相应时，相应 2R 支路支路接虚地接虚地；打向打向0 0侧侧时，相应时，相应 2R 支路支路接地接地。故无论开关打向哪。故无论开关打向哪一侧，倒一侧，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。 倒倒 T 型型电阻网络电阻网络模拟开关模拟开关第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页 从从 A、B、C 、D节点向左看去，节点向左看去，各节点对地的等效各节点对地的等效电阻均为电阻均为 R。VR

12、EFR 因此，由因此，由 VREF 流出的总电流流出的总电流 I 是固定不变的，其值为是固定不变的，其值为 I = ，并且每经过一个节点，电流被分流一半，从数字量高，并且每经过一个节点，电流被分流一半，从数字量高位到低位的电流分别为：位到低位的电流分别为： 、 、 、 。I3 =I2I2 =I4I1 =I8I0 =I16 二、二、 工作原理工作原理II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRBCDA 故流入求和运算放大器输入端的总电流故流入求和运算放大器输入端的总电流 i为为 i =I2D3+ I24VREF24R( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 )=I

13、8D1+ I16D0I4D2+( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 )第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页 对于对于 n 位倒位倒 T 形电阻网络形电阻网络 D/A 转换器，则有转换器，则有 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= - -RFVREF24R( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 ) uO = - -RFVREF2nR( 2n-1 Dn-1+ 2n-2Dn-2+ 21D1+ 20D0 ) 由于倒由于倒 T 形电阻网络形电阻网络 D / A 转换器中各支路的电转换器中各支路的电流恒定

14、不变，直接流入运算放大器的反相输入端，它流恒定不变，直接流入运算放大器的反相输入端，它们之间不存在传输时间差，因而提高了转换速度，所们之间不存在传输时间差，因而提高了转换速度，所以，倒以，倒 T 形电阻网络形电阻网络 D / A 转换器的应用非常广泛。转换器的应用非常广泛。第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.2.3 权电流型权电流型 D/A转换器转换器 在讨论倒在讨论倒 T 形电阻网络形电阻网络 D / A 转换时，电子模拟转换时，电子模拟 开关看成是理想的。然而在实际上，这些开关都存在开关看成是理想的。然而在实际上，这些开关都存在一定的、大小不等的电阻，其上会产生大小

15、不一的电一定的、大小不等的电阻，其上会产生大小不一的电压，这就不可避免地会引起转换误差。为了提高转换压，这就不可避免地会引起转换误差。为了提高转换精度，可采用权电流型精度，可采用权电流型 D / A 转换器。转换器。第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页 一、一、 电路组成电路组成8.2.3 权电流型权电流型 D/A转换器转换器 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， S

16、i 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)运算放运算放大器大器 权电流权电流恒流源恒流源模拟开关模拟开关第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页 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

17、 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、 工作原理工作原理第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.2.4 D / A 转换器主要参数转换器主要参数 一、转换精度一、转换精度 D / A 转换器的最低位有效数字量转换器的最低位有效数字量（00000101）对应对应输出的模拟电压输出的模拟电压 ULSB

18、 与最大数字量与最大数字量（11111111）输出满刻度电输出满刻度电压压 UFSR 的比值。的比值。121FSRLSB- - nUU分分辨辨率率 由此可见，由此可见，D / A 转换器转换器的位数的位数 n 越多，分辨率越多，分辨率值就越小，能分辨的值就越小，能分辨的最小输出电压值也越小，分辨能最小输出电压值也越小，分辨能力就越强。对于一个力就越强。对于一个 10 位的位的 D/ A 转换器，分辨率为转换器，分辨率为 0.000 978。1. 分辨率分辨率第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页 2. 转换误差转换误差要获得较高精度的要获得较高精度的 D / A 转换器，应选

19、用低漂移高转换器，应选用低漂移高精度的运算放大器，采用高稳定度的精度的运算放大器，采用高稳定度的 VREF 和选用高分和选用高分辨率的辨率的 D / A 转换器。转换器。指指 D / A 转换器从输入数字信号开始转换转换器从输入数字信号开始转换到输出模拟电压达到稳定值时所需的时间。到输出模拟电压达到稳定值时所需的时间。转换时间越短，转换速度就越高。转换时间越短，转换速度就越高。指指 D / A 转换器输出模拟电压与理转换器输出模拟电压与理论输出模拟电压的最大差值。论输出模拟电压的最大差值。在在 D / A 转换过程中，产生误差的原因很多，常见转换过程中，产生误差的原因很多，常见的原因有运放的零

20、点漂移、电子模拟开关接通时的导的原因有运放的零点漂移、电子模拟开关接通时的导通压降、基准电压通压降、基准电压 VREF 的波动、的波动、R - - 2R 倒倒 T 形电阻形电阻网络中电阻阻值的误差等。网络中电阻阻值的误差等。 二、二、转换时间转换时间转换误差一般不大于转换误差一般不大于ULSB/2。 第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页常用集成常用集成 D / A 转换器有两类：一类内部仅含转换器有两类：一类内部仅含有电阻网络和电子模拟开关两部分，常用于一般的有电阻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电子电路。另一类内部除含有电

21、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开关外，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，多用于据输入控制端，便于和微处理器进行连接，多用于微机控制系统中。微机控制系统中。 8.2.5 集成集成 D / A 转换器转换器 AD7520 介绍介绍第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页一、电路组成一、电路组成基准电压输入端基准电压输入端 VREF 可正可负可正可负 内部反馈内部反馈电阻电阻RF 倒倒 T 形电形电阻网络阻网络CMOS电子模拟开关电子模拟开关输出模拟电压输出模拟电压uO为为 uO= - - RFVREF210R(

22、29 D9 + 28D8 + + 21D1 + 20D0 )第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页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，2R 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，

23、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。二、电子模拟开关二、电子模拟开关第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页主要要求：主要要求：了解了解模数转换的一般过程。模数转换的一般过程。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 转换器转换器的电路组成、工作原的电路组成、工作原理、特点及应用。理、特点及应用。8.3 A / D 转换器转换器 第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.3.1 A / D 转换的一般过程转换的一般过程 取样：取样：将模拟信号转换为

24、在时间断续变化、在幅度上等于取样期将模拟信号转换为在时间断续变化、在幅度上等于取样期 间模拟信号大小的一串脉冲。间模拟信号大小的一串脉冲。保持：保持：保持取样信号保持取样信号，使其有充分时间转换为数字信号。使其有充分时间转换为数字信号。量化：量化：把取样保持电路输出的样值电压变为量化单位整数倍的把取样保持电路输出的样值电压变为量化单位整数倍的 过程。过程。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。uI(t)C量化量化编码编码电路电路Dn- -1D1D0uI (t)S取样保持电路取样保持电路第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页 为了能较好地恢复原

25、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 tW 期间期间 uC = uI。 当取样脉冲当取样脉

26、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。第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页 要将取样要将取样- -保持电路输出的样值电压变换成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与其成正比的数字量，还必须对样值电压进行量化，通常用数字信号最低位化，通常用数字信号最低位（LSBLSB）1 1 对应的模对应的模拟电

27、压作为量化单位，用拟电压作为量化单位，用表示。将样值电压变表示。将样值电压变为量化单位整数倍的过程称为为量化单位整数倍的过程称为量化量化。 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、量化与编码二、量化与编码第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法最大量化误差最大量化误差 = = (1

28、/8)VREF最大量化误差最大量化误差 = /2 = (1/15)VREF6 =(6/8)VREF1 =(1/8)VREF4 =(4/8)VREF0 V(6/8)V(7/8)V000000001001010010011011100100101101110110111111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 = 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

29、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 = 0VREF2 = 4/15VREF3 = 6/15VREF4 = 8/15VREF7 =14/15VREF(13/15)V0 V000000001001010010011011100100101101110110111111(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 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.3.2 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

30、器器 当当 0 V uI ( 1/15 ) 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15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页0 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/2

31、RRRRRRD2(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8.3.2 并联比较型并联比较型 A / D 转换器转换器 15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.3.2 并联比较型并联比较型 A / D 转换器转换器 0 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/

32、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第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页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8.3.2 并联比较型并联比较型 A / D 转换器转换器 0 00 00 00 01 11 11 10 01 11 1uI当当 ( 5/15 ) VREF uI (

33、 7/15 ) VREF 时，时， D2D1D0 = 011011。15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.3.2 并联比较型并联比较型 A / D 转换器转换器 0 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

34、码码器器15115315515131571591511VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.3.2 并联比较型并联比较型 A / D 转换器转换器 0 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15115315515131571591511VR

35、EFVREFVREFVREFVREFVREFVREF第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.3.2 并联比较型并联比较型 A / D 转换器转换器 0 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第第

36、 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.3.2 并联比较型并联比较型 A / D 转换器转换器 1 11 11 11 11 11 11 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第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页逐次渐近型逐次渐近型

37、 A / D 转换器的转换原理与天平称物体重转换器的转换原理与天平称物体重量的过程相似：先放一个最重的砝码与被称物体重量进行量的过程相似：先放一个最重的砝码与被称物体重量进行比较，如砝码比物体轻，则砝码保留；如砝码比物体重，比较，如砝码比物体轻，则砝码保留；如砝码比物体重，则去掉，换上一个次重量的砝码，再与被称物的重量进行则去掉，换上一个次重量的砝码，再与被称物的重量进行比较。按照此办法，直加到最轻的一个砝码为止。将所有比较。按照此办法，直加到最轻的一个砝码为止。将所有留下的砝码重量相加，就是最渐近被称物体的重量。根据留下的砝码重量相加，就是最渐近被称物体的重量。根据这一思路可构成逐次渐近这一

38、思路可构成逐次渐近 A / D 转换器。转换器。8.3.3 逐次渐近型逐次渐近型 A / D 转换器转换器第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页一、电路组成一、电路组成VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位位 D / A 转换器转换器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC1 电压电压 比较器比较器 3 位位 D / A 转换器转换器 数码数码寄存器寄存器 环形移环形移位寄存器位寄存器控制控制逻辑逻辑电路电路第第 8

39、章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页二、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转换开转换开始前先始前先进行预进行预置置VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位位 D / A 转换器转换器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC1第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位位 D / A 转换器转换器1SF

40、F6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC10 1 0 0 00 1 0 0 01 0 01 0 0uO uI，uC=1 1uO uI，uC=0 0 1转换控制转换控制信号信号uS为为高电平时，高电平时，转换开始。转换开始。 Q5 = 0 0，G7G9 被封被封锁，无数锁，无数码输出。码输出。二、工作原理二、工作原理第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页0 0 1 0 00 0 1 0 01 1( (0 0) ) 1 0 1 0如原来的如原来

41、的 uC =1 1，则则 FF6 被置被置 0 0；反之，反之，FF6 保留保留 1 1状态。状态。 2VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位位 D / A 转换器转换器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC1Q5 = 0 0，无数码无数码输出。输出。二、工作原理二、工作原理第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页0 0 0 0 0 0 1 1 0 01 1(0 0) 1 1(0 0) 1 1如原来的如原来的 uC =

42、1 1，则则FF7 被置被置 0 0；反之，反之，FF7 保留保留 1 1状态。状态。 3VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位位 D / A 转换器转换器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC1Q5 = 0 0，无数码无数码输出。输出。二、工作原理二、工作原理第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位位 D / A 转换器转换器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51

43、G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC1二、工作原理二、工作原理 这时，这时，FF6FF8的状态就是所要求的状态就是所要求转换的结果。由于转换的结果。由于Q5 = 1 1，故，故FF6FF8 的状态通过的状态通过 G7 G9 输出。输出。0 0 0 0 0 0 0 0 1 11 1(0 0) 1 1(0 0) 1 1(0 0)如原来的如原来的 uC = 1 1，则则 FF8 被置被置 0 0 ；反之，反之，FF8 保留保留 1 1状态。状态。 4Q6Q7Q8第第 8 章章 数模和模数转换

44、器数模和模数转换器返回首页1 1 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 5VREFuOD2 (MSB)D1D0 (LSB)3 位位 D / A 转换器转换器1SFF6Q1RC1G2G3G4G51G61G9G8G71SFF7Q1RC11SFF8Q1RC1CPG1uSFF1C11DFF2C11DFF3C11DFF4C11DFF51DuIuCC1 Q5 = 0 0，G7 G9重新重新被封锁，输被封锁，输出的数字信出的数字信号消失。号消失。二、工作原理二、工作原理第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页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

45、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&-VREFS1CuI8.3.4 双积分型双积分型 A / D 转换器转换器 一、电路组成一、电路组成 积分器是积分器是 A / D 转换器的核心转换器的核心部分。通过开关部分。通过开关 S2 对被测模拟电对被测模拟电压压 uI 和与其极性相反的基准电压和与其极性相反的基准电压 - -VREF进行两次方向相反的积分，进行两次方向相反的积分，时间常数时间常数= RC 。 第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换

46、器返回首页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&-VREFS1CuI8.3.4 双积分型双积分型 A / D 转换器转换器 检零比较器在积分器之后，用检零比较器在积分器之后，用以检查积分器输出电压以检查积分器输出电压 uO 的过零时的过零时刻。当刻。当 uO 0 时，输出时，输出 uC = 0；当；当 uO 0 时，输出时，输出 uC = 1。一、电路组成一、电路组成第第 8 章章

47、数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页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8.3.4 双积分型双积分型 A / D 转换器转换器 时钟控制门有三个时钟控制门有三个输入端，第一个接检零输入端，第一个接检零比较器的输出比较器的输出 uC，第二，第二个接转换控制信号个接转换控制信号 uS，第三个接标准时钟脉冲第三个接标准时钟脉冲源源 CP。当

48、。当 uC = 1， uS =1时，时，G1 打开，计数器对打开，计数器对时钟脉冲时钟脉冲CP 计数；当计数；当 uC = 0 时，时，G1关闭，计关闭，计数器停止计数。数器停止计数。第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页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8.3.4 双积分型双积分型 A / D 转换器转换器 当当 n

49、 位二进制计数器计到位二进制计数器计到 2n 个时钟脉冲时，个时钟脉冲时，计数器由计数器由 11111 1 回到回到 00000 0 状态，并送出进位信状态，并送出进位信号使定时触发器号使定时触发器 FFn 置置1 1，即，即 Qn = 1 1，开关，开关 S2 接基接基准电压准电压 - -VREF ，计数器由，计数器由 0 0 开始计数，将与输入模开始计数，将与输入模拟电压拟电压 uI 成正比的时间间隔转换成数字量。成正比的时间间隔转换成数字量。第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页1. 转换准备转换准备8.3.4 双积分型双积分型 A / D 转换器转换器 转换控制信号转

50、换控制信号 uS =0 0，G2 输出输出 1 1，一是使开关，一是使开关 S1 闭合，电闭合，电容容 C 充分放电；二是使计数器清零，充分放电；二是使计数器清零，FFn 输出输出 Qn = 0 0，使开关，使开关 S2 接输入模拟电压接输入模拟电压 uI 。二二 、工工作作原原理理第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.3.4 双积分型双积分型 A / D 转换器转换器 2. 第一次积分（取样阶段）第一次积分（取样阶段）二二 、工工作作原原理理 在时间在时间 t = 0 0 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

51、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第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.3.4 双积分型双积分型 A / D 转换器转换器 2. 第一次积分（取样阶段）第一次积分（取样阶段） 由于积分器由于积分器 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

52、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。二二 、工工作作原原理理第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页2. 第一次积分（取样阶段）第一次积分（取样阶段）8.3.4 双积分型双积分型 A / D 转换器转换器 第一次积分结束后，对应时间为第一

53、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二二 、工工作作原原理理第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.3.4 双积分型双积分型 A / D 转换器转换器 3. 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）。二二

54、、工工作作原原理理第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.3.4 双积分型双积分型 A / D 转换器转换器 3. 第二次积分（比较阶段）第二次积分（比较阶段） 由于积分器由于积分器 uO 0，检零比较器输出，检零比较器输出 uC = 1，计数器从，计数器从 0 开始第开始第二次计数。当积分器输出电压二次计数。当积分器输出电压 uO( t ) 上升到上升到 uO ( t ) = 0 时，由时，由 uC = 0，G1关闭，计数器停止计数。关闭，计数器停止计数。二二 、工工作作原原理理第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页二二 、工工作作原原理理8.3.4 双

55、积分型双积分型 A / D 转换器转换器 3. 第二次积分（比较阶段）第二次积分（比较阶段） 第二次积分的时间第二次积分的时间 T2 = t2 t1。这。这时输出电压时输出电压 uO ( t2 ) 为为 uO(t2) = uO(t1) + (- -VREF )dt = 0 - -1RCt1t2 得得 由此可知，第二次积分的时间间隔由此可知，第二次积分的时间间隔 T2 与输入模拟电压与输入模拟电压 uI 是成正比的。是成正比的。 T2 = uI 2nTCVREF第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页二、二、工工作作原原理理8.3.4 双积分型双积分型 A / D 转换器转换器

56、3. 第二次积分（比较阶段）第二次积分（比较阶段） 如在如在 T2 时间内，计数器计的脉冲时间内，计数器计的脉冲个数为个数为N，由于，由于 T2 =NTC，则，则 因此，计数器计了因此，计数器计了N 个个 CP 脉冲脉冲后所处的状态表示了输入后所处的状态表示了输入 uI 的数字量，的数字量，从而实现了模拟量到数字量的转换。从而实现了模拟量到数字量的转换。计数器的位数就是计数器的位数就是 A / D 转换器输出转换器输出数字量的位数。数字量的位数。 2nVREFN = uI第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.3.5 A / D 转换器的主要参数转换器的主要参数 1 . 分

57、辨率分辨率 指指 A / D 转换器输出数字量的最低位变转换器输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。 例如例如 最大输出电压为最大输出电压为 5V 的的 8 位位 A / D 转换器的分辨转换器的分辨 率为率为 5V / 28 = 19.53 mA 分辨率也可用分辨率也可用 A / D 转换器的位数表示。位数越转换器的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。多，能分辨的最小模拟电压值就越小。 第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页指指 A / D 转换器转换器实际输出的数字量与理论输出数字量实际输出的数字量与

58、理论输出数字量之间的差值。通常用最低有效位之间的差值。通常用最低有效位 LSB 的倍数来表示。的倍数来表示。 2. 相对精度相对精度3. 转换速度转换速度例如例如 相对误差相对误差 1 LSB /2 ，即说明实际输出数字量，即说明实际输出数字量 和理想上得到的输出数字量之间的误差不大于最低和理想上得到的输出数字量之间的误差不大于最低 位位 1 的一半。的一半。 转换时间是指转换时间是指 A / D 转换器完成一次转换所需的时间，转换器完成一次转换所需的时间，即从接到转换控制信号开始到输出端得到稳定数字量所需即从接到转换控制信号开始到输出端得到稳定数字量所需的时间。转换时间越小，转换速度越高。的

59、时间。转换时间越小，转换速度越高。第第 8 章章 数模和模数转换器数模和模数转换器返回首页8.3.6 集成集成 A / D 转换器转换器 CC7106 介绍介绍 一、一、CC7106 的引脚功能的引脚功能VREF+、VREF-:基准电压正负端基准电压正负端CREF : 基准电容端基准电容端COM : 模拟信号公共端模拟信号公共端TEST : 数字地和测试端数字地和测试端IN+、IN-: 模拟电压输入端模拟电压输入端AZ : 外接校零电容端外接校零电容端BUF : 外接积分电阻端外接积分电阻端INT : 外接积分电容端外接积分电容端OSC1 OSC3:时钟振荡器外接元件端时钟振荡器外接元件端VDD、VEE : 电源正、负端电源正、负端a1g1 : 个位笔段驱动端个位笔段驱动端a2g2 : 十位笔段驱动端十位笔段驱动端a3g3 : 百位笔段驱动端百位笔段驱动端bc4 : 千位千位b、c 笔段驱动端笔段驱动端