第十一章 数-模和模-数转换1

1、第十一章第十一章 数模和模数转换数模和模数转换内容提要内容提要: 本章主要介绍数模转换（本章主要介绍数模转换（D/A)和模数转换（和模数转换（A/D)的基的基本原理和常见的典型电路。本原理和常见的典型电路。 在数模转换电路中，主要介绍权电阻网络型在数模转换电路中，主要介绍权电阻网络型D/A转换器、转换器、 T形电阻网络型形电阻网络型D/A转换器、倒转换器、倒T形电阻网络型形电阻网络型D/A转换器。转换器。 在在A/D转换电路中，首先介绍模数转换器一般框图原理转换电路中，首先介绍模数转换器一般框图原理和步骤，然后介绍采样保持电路和模数转换器的主要类型。和步骤，然后介绍采样保持电路和模数转换器的主

2、要类型。 在介绍在介绍D/A转换器和转换器和A/D转换器电路的基础上，也讲述它转换器电路的基础上，也讲述它们的转换精度和速度等主要参数。们的转换精度和速度等主要参数。11.1 概述概述 在计算机控制系统中，被控量一般为非电量，如温度、压在计算机控制系统中，被控量一般为非电量，如温度、压力、位移等力、位移等.首先首先由传感器将它们转化成连续变化的模拟量，由传感器将它们转化成连续变化的模拟量，再再由模由模/数转换数转换器转换成数字量，器转换成数字量，再再送到计算机中进行处理和计算。处理后要送到计算机中进行处理和计算。处理后要经过数经过数/模转换器将计算机输出的数字量转换成模拟量，加到执模转换器将计

3、算机输出的数字量转换成模拟量，加到执行机构，以调节被控对象的大小。行机构，以调节被控对象的大小。一个计算机控制系统的框图如图一个计算机控制系统的框图如图11.1.1所示。所示。1.用途：用途：11.1 概述概述图图11.1.2为一个温度控制系统：为一个温度控制系统：传感器传感器放大器放大器A/DA/D转换转换微型计算机微型计算机控制控制对象对象D/A转换转换电加热炉电加热炉执行机构执行机构图图11.1.2温度温度时间时间热电偶热电偶温度转换温度转换成电量成电量2、主要性能指标、主要性能指标 为了保证数据处理结果的准确性，为了保证数据处理结果的准确性，A/D转换器和转换器和D/A转换器必须转换器

4、必须有足够的转换精度，另外对于过程控制和检测需求，有足够的转换精度，另外对于过程控制和检测需求， A/D转换器和转换器和D/A转换器必须有足够的转换速度。转换器必须有足够的转换速度。故故转换精度和转换速度转换精度和转换速度是是A/D转换器和转换器和D/A转换器的主要性能指标。转换器的主要性能指标。11.1 概述概述3、概念及分类、概念及分类（1） D/A转换器：转换器： 目前常用的目前常用的D/A转换器有权电阻网络转换器有权电阻网络D/A转换器、倒转换器、倒T形电阻形电阻网络网络D/A转换器等类型。转换器等类型。 将数字信号转换成模拟信号的过程称为数将数字信号转换成模拟信号的过程称为数/模转换

5、（模转换（Digital to Analog），实现的电路称为），实现的电路称为D/A转换器，简写成转换器，简写成DAC（DigitalAnalog Converter）。）。2.A/D转换器：转换器： A/D转换器的类型可分成转换器的类型可分成直接直接A/D转换器转换器和和间接间接A/D转换器。转换器。在在直接直接A/D转换器转换器中，输入的模拟电压信号直接被转换成相应的中，输入的模拟电压信号直接被转换成相应的数字信号；数字信号；而在而在间接间接A/D转换器转换器中，输入的模拟信号首先被转换成某种中间中，输入的模拟信号首先被转换成某种中间变量（如时间、频率等），然后再将这个中间量转换成输出的

6、数变量（如时间、频率等），然后再将这个中间量转换成输出的数字量。字量。11.1 概述概述 将模拟信号转换成数字信号的过程称为模将模拟信号转换成数字信号的过程称为模/数转换数转换（Analog to Digital），实现的电路称为），实现的电路称为A/D转换器，简写为转换器，简写为ADC（AnalogDigital Converter）。）。11.2 D/A转换器转换器 数字量是用代码按位数组合起来表示的，对于有权码，每数字量是用代码按位数组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的权。位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每一位的代码按其权的大为了将数字量转换成模拟量，必须将

7、每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得与数字量成小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得与数字量成正比正比的的总模拟量，从而实现数字模拟的转换。总模拟量，从而实现数字模拟的转换。D111101D/AA(电压 或 电流) ？D/A转换器的目的为：转换器的目的为：11.2 D/A转换器转换器D/A转换器框图转换器框图D/A转换器转换器V VREFREFUoUod(dn-1d(dn-1d0)d0) d(dn-1d(dn-1d0) :d0) :输入的数字量为输入的数字量为N N位二进制数位二进制数V VREF :REF :外加基准电压外加基准电压UoUo：输出的模拟量：输出的模拟量

8、 11.2 D/A转换器转换器 D/A转换器是由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码电转换器是由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码电路、求和电路及基准电压及部分组成。路、求和电路及基准电压及部分组成。 数字量数字量是以串行或并行方式输入并存储在是以串行或并行方式输入并存储在数码寄存器数码寄存器中，中，寄存器输出的寄存器输出的每位数码来每位数码来驱动驱动对应数位上的对应数位上的电子开关电子开关将电阻解将电阻解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路中，求和电路将各码网络中获得的相应数位权值送入求和电路中，求和电路将各位权值相加就得到与数字量相应的模拟量。位权值相加就得到与数字量相应的模拟量。*按解码

9、网络结构不同把按解码网络结构不同把D/A分为：分为：如权电阻网络型、倒梯形电阻网络型等如权电阻网络型、倒梯形电阻网络型等图图11.2.1为为n 位位D/A转换器的原理框图转换器的原理框图11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器一个多位二进制数可表示为一个多位二进制数可表示为0011221101212222ddddddddDnnnnnnn其中：其中：2n-1、2n221、20称为最高位（称为最高位（Most Significant Bit，简称简称MSB）到最低位（）到最低位（Least Significant Bit，简称，简称LSB）的）的权权。图图11.2.2 图图11.2.2

10、是是4位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器的原理图转换器的原理图，它是由权，它是由权电阻网络、电阻网络、4个电子模拟开关和个电子模拟开关和1个求和放大器组成。个求和放大器组成。权电阻网络模拟开关求和放大器11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器1.组成：组成：（1）求和放大器求和放大器A：为一个接成负反馈的理为一个接成负反馈的理想运算放大器。即：想运算放大器。即：AV，iI0，Ro0。由于负反馈，存在虚短由于负反馈，存在虚短和虚断，即和虚断，即VV0， iI0。（2）VREF：基准电压：基准电压11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器11.2.1 权电阻网络权电阻网络D

11、/A转换器转换器（3）S3S0:为电子开关，其状为电子开关，其状态受输入数码态受输入数码d3d0的取值控制。的取值控制。当当di1时时开关接到参考电压开关接到参考电压VREF上，有支路电流上，有支路电流Ii流向求和流向求和放大器；放大器；当当di0时时开关接地，支路电流开关接地，支路电流Ii为零。为零。RVIRVIRVIRVIRVIREFREFREFREFiREFi031221302222权电流：2.输出电压的计算：输出电压的计算：)(01230IIIIRIRvFF由于由于V V0，故各，故各电流为电流为001122338,42,dRVIdRVIdRVIdRVIREFREFREFREF，输出电

12、压为输出电压为11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器取取RFR / 2，则输出，则输出电压电压vo为为)2222(2)222()(0011223340312230123ddddVdRVdRVdRVdRVRIIIIRiRvREFREFREFREFREFFFFo11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器2RRF上式标明，输出的模拟电压与输入的数字量上式标明，输出的模拟电压与输入的数字量Dn成正比。成正比。的最大变化范围是故输出电压时，当时，当REFnnREFnnVVvv2120,2121111D; 00000D0n0n 注：注：1.若若VREF取正值，则输出电压为负值。若想

13、输出电压为正取正值，则输出电压为负值。若想输出电压为正值，可以将值，可以将VREF取负值。取负值。11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器)2222(2001122334ddddVvREFo2. 此电路的优点是电路结构简单，所用的电阻元件少。缺点是此电路的优点是电路结构简单，所用的电阻元件少。缺点是各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数越多，差别就越各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数越多，差别就越大，故很难保证电阻的精确度。大，故很难保证电阻的精确度。为了克服这个缺点，在输入数字量较多时可采用图为了克服这个缺点，在输入数字量较多时可采用图11.2.3所示的所示的电路电路。1

14、1.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器其输出电压为其输出电压为nREFREFDVddddddddVv80011223344556677802)22222222(211.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 为了克服为了克服权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器电阻阻值相差太大的缺点，电阻阻值相差太大的缺点，位数多的时候，电阻难以选择。改进电路为倒位数多的时候，电阻难以选择。改进电路为倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器，如图转换器，如图11.2.4所示。所示。图图11.2.4在在权电阻网络权电阻网络D/A转转换器换器中，由于电子中，由于电子开关状态转换时流开关状态转

15、换时流过它们的电流变化过它们的电流变化很大，所以，使输很大，所以，使输出产生过渡干扰脉出产生过渡干扰脉冲，给系统带来危冲，给系统带来危害，故提出害，故提出倒倒T形电形电阻网络阻网络D/A转换器转换器11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器根据根据“虚短虚短”“”“虚虚地地”，有，有VV =0 ，无论开关打在哪一面，无论开关打在哪一面，流过每个支路的电流流过每个支路的电流始终不变。始终不变。故可等效成图故可等效成图11.2.5所所示电路。示电路。RRRR图图11.2.5总的电流为总的电流为RRRR图图11.2.511.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器)()(

16、)()(16842010123IdIdIdIdiIdiIdiiii流入地端时，流入时，RVIREF由于由于故输出电压为故输出电压为DVddddRVRRiVREFREFO40011223342)2222(21)16()8()4()2(0123IdIdIdIdi11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器RVIREF 对于对于n位输入的倒位输入的倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器，在求转换器，在求和放大器的反馈电阻为和放大器的反馈电阻为R时，其输出的模拟电压为时，其输出的模拟电压为nnREFnnnnnREFoDVddddVv2)2222(200112211 上式说明输出的模拟电压与

17、输入的数字量成正比，其其输出公上式说明输出的模拟电压与输入的数字量成正比，其其输出公式与权电阻网络式与权电阻网络D/A转换器相同。转换器相同。11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器REFnnOnnVVD2120120,范围为为“正”取“负”则得OREFVV图图11.2.6为采用倒为采用倒T型电阻网络的单片集成型电阻网络的单片集成D/A转换器转换器CB7520(AD7520)的电路。的电路。11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器图图11.2.6其输入为其输入为10位二进制数，采用位二进制数，采用CMOS电路构成的模拟开关。电路构成的模拟开关。输出电压为输出

18、电压为11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器图图11.2.61000118899102)2222(2DVddddVvnREFREFo 注：在使用注：在使用CB7520时需要外接运算放大器，反馈电阻时需要外接运算放大器，反馈电阻可以采用内部的电阻可以采用内部的电阻R，也可以外接反馈电阻接到，也可以外接反馈电阻接到Iout1和和vo之间。外接参考电压之间。外接参考电压VREF必须有足够的精度，才能必须有足够的精度，才能确保应有的转换精度。确保应有的转换精度。图图11.2.611.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器对应的输出输入的关系如表对应的输出输入的关系如表

19、11-1所示（反相）所示（反相）11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器REFnnOnnVVD2120120,范围为 在前面介绍的权电阻网络在前面介绍的权电阻网络D/A转换器和倒转换器和倒T形电阻网络形电阻网络D/A转转换器中，都换器中，都没有考虑开关的导通电阻和导通压降没有考虑开关的导通电阻和导通压降，而是当成，而是当成理理想开关想开关处理，这无疑会引起转换误差，影响转换精度。处理，这无疑会引起转换误差，影响转换精度。 解决这个问题采用的一种方法是利用一组恒流源构成解决这个问题采用的一种方法是利用一组恒流源构成“权权”由于采用恒流源，每个支路电流的大小由于采用恒流源，每个支

20、路电流的大小不再受开关内阻和压降的影响，故而降不再受开关内阻和压降的影响，故而降低了对开关电路的要求。低了对开关电路的要求。11.2.7 D/A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一一 、D/A转换器的转换精度转换器的转换精度 在在D/A转换器中，通常用转换器中，通常用分辨率和转换误差分辨率和转换误差来描述转换精度。来描述转换精度。 分辨率用于表示分辨率用于表示D/A转换器对输入微小量变化敏感程度的，转换器对输入微小量变化敏感程度的，定义为定义为D/A转换器模拟输出电压可能分成的等级数，从转换器模拟输出电压可能分成的等级数，从0000到到1111全部全部2n个不同的状态，给出个

21、不同的状态，给出2n个不同的输出电压，位个不同的输出电压，位数越多，等级越多，意味着分辨率越高。数越多，等级越多，意味着分辨率越高。所以在实际应用中，往往所以在实际应用中，往往用输入数字量的用输入数字量的位数位数表示表示D/A转换器转换器的分辨率的分辨率。121A/Dn转换器的分辨率1. 分辨率：（理论精度）分辨率：（理论精度）另外另外也用也用D/A转换器能够分辨出的转换器能够分辨出的最小电压与最大电压之比最小电压与最大电压之比表表示分辨率示分辨率，即，即如如10位位D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为001. 0102311211011.2.7 D/A转换器的转换精度与转换速度转换器的转换

22、精度与转换速度2.转换误差转换误差（实际精度）（实际精度） 由于由于D/A转换器的各个环节在参数及性能上和理论值存在着差异，如基转换器的各个环节在参数及性能上和理论值存在着差异，如基准电压不够稳定、运算放大器的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、准电压不够稳定、运算放大器的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、电阻网络中电阻阻值的偏差以及三极管特性不一致等等因素，都会使得实际电阻网络中电阻阻值的偏差以及三极管特性不一致等等因素，都会使得实际精度与转换误差有关系。精度与转换误差有关系。转换误差转换误差是表示由各种因素引起是表示由各种因素引起误差的一个综合性的指标，它表误差的一个综合性的指标

23、，它表示实际的示实际的D/A转换器特性和理论转换器特性和理论转换特性之间的最大偏差，如图转换特性之间的最大偏差，如图11.2.16所示所示图图11.2.16*转换误差一般用最低有效位的倍数表示转换误差一般用最低有效位的倍数表示，如，如1LSB，即为输出的模拟电压和理论值之间的即为输出的模拟电压和理论值之间的绝对误差绝对误差小于等小于等于输入为于输入为0001时的输出电压。时的输出电压。有时也用绝对误差与有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示输出电压满刻度的百分数来表示11.2.7 D/A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3、转换误差分析、转换误差分析 转换误差包括转换

24、误差包括比例系数误差、失调误差和非线性误差比例系数误差、失调误差和非线性误差等。等。由不同因素引起的转换误差各有不同的特点。下面以由不同因素引起的转换误差各有不同的特点。下面以4位倒位倒T形形电阻网络电阻网络D/A转换器来介绍各种因素引起误差的情况。转换器来介绍各种因素引起误差的情况。a. 比例系数误差：比例系数误差： 当基准电压当基准电压VREF偏离标准值偏离标准值VREF时，会在输出端产生误时，会在输出端产生误差电压差电压v01 。 由由VREF引起的转换误差，叫做引起的转换误差，叫做比例系数误差比例系数误差。)2222(20011223340ddddVvREF11.2.7 D/A转换器的

25、转换精度与转换速度转换器的转换精度与转换速度由于由于4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器的输出电压为转换器的输出电压为则由则由VREF产生的误差为产生的误差为REFVddddv)2222(2100112233401上式标明，由上式标明，由VREF引起的误差和引起的误差和输入数字量的大小成正比的，输入数字量的大小成正比的，故称为故称为比例系数误差比例系数误差。图图11.2.17中的虚线为在一定的中的虚线为在一定的VREF时，时， vo偏离理论值的情况。偏离理论值的情况。图图11.2.17b. 失调误差（漂移误差或平移误差）失调误差（漂移误差或平移误差）11.2.7 D/A转换器的转换精度

26、与转换速度转换器的转换精度与转换速度 由于运算放大器的由于运算放大器的零零点漂移点漂移所造成的误差，其所造成的误差，其误差电压误差电压vo 2的大小与输的大小与输入的数字量无关，输出电入的数字量无关，输出电压特性曲线将发生平移。压特性曲线将发生平移。如图如图11.2.18所示。所示。图图11.2.18 由于模拟开关的由于模拟开关的导通电阻和导通电阻和导通压降导通压降都不能为零，故而它们都不能为零，故而它们的存在肯定会引起输出产生误差的存在肯定会引起输出产生误差电压电压 vo3 。由于每个开关的导通电阻不一定由于每个开关的导通电阻不一定相等，接地时和接相等，接地时和接VREF的压降也的压降也不一

27、定相同，故不一定相同，故 vo3即不是常数，即不是常数，也不和输入数字量成正比也不和输入数字量成正比,这种误这种误差就差就是非线性误差是非线性误差，它没有一定，它没有一定的规律。还有电阻网络的电阻阻的规律。还有电阻网络的电阻阻值得偏差，也会产生非线性误差值得偏差，也会产生非线性误差vo4 。如图。如图11.2.19所示所示c. 非线性误差非线性误差11.2.7 D/A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图图11.2.19绝对值相加总误差：几种误差的* 故为了获得故为了获得高精度高精度的的D/A转换器，不仅要有高的分辨转换器，不仅要有高的分辨率，还要选用高稳定度的参考电压率，还要

28、选用高稳定度的参考电压VREF和低漂移地运算和低漂移地运算放大器与之配合，才可能获得较高的转换精度。放大器与之配合，才可能获得较高的转换精度。11.2.7 D/A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二二 、D/A转换器的转换速度转换器的转换速度 当当D/A转换器输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并转换器输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即达到所对应的输出电压，它需要一段建立时间。不能立即达到所对应的输出电压，它需要一段建立时间。通常通常用建立时间用建立时间tset来定量描述来定量描述D/A转换器的转换速度。转换器的转换速度。注意：注意：建立时间建立时间 tset：从

29、输入的数字量发生突变开始，直到输出电压进：从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值相差入与稳态值相差1LSB/2范围以内所用的时间。范围以内所用的时间。如图如图11.2.20所示。所示。11.2.7 D/A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由于数字量的变化越大，建立的时由于数字量的变化越大，建立的时间就越长，故一般产品给出的是输间就越长，故一般产品给出的是输入从全入从全0跳变到全跳变到全1(或反之）时的或反之）时的建立时间。建立时间。目前在不包含运算放大器的目前在不包含运算放大器的D/A转转换器中，换器中， tset最小为最小为0.1s以内；以内；在包含运算放大器

30、的集成在包含运算放大器的集成D/A转换转换器中，器中， tset最小为最小为1.5 s以内。以内。*在外加运算放大器的在外加运算放大器的D/A转转换器中，由于运算放大器的换器中，由于运算放大器的转换速度会影响转换速度会影响D/A转换器转换器的转换速率，故应选用转换的转换速率，故应选用转换速率高的运算放大器，以缩速率高的运算放大器，以缩短运算放大器的建立时间。短运算放大器的建立时间。11.2.7 D/A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建立时间建立时间 tset：从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压进：从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值相差入与稳态值相差1

31、LSB/2范围以内所用的时间。范围以内所用的时间。LSB为为最低有效位最低有效位，如，如1LSB，即为输出的模拟电压和理论值，即为输出的模拟电压和理论值之间的之间的绝对误差绝对误差小于等于输入为小于等于输入为0001时的输出电压。时的输出电压。例例 11.2.2 某一测量仪器中有一个某一测量仪器中有一个D/A转换器，若要求该转换器，若要求该D/A转换器的精度（转换误差）小于转换器的精度（转换误差）小于0.05%，试问应选，试问应选多少位的多少位的D/A转换器？转换器？解：若要求解：若要求D/A转换器的精度小于转换器的精度小于0.05%，也是要求，也是要求D/A转换器转换器的实际输出值和理论值之

32、间的误差（绝对误差），一般应低于的实际输出值和理论值之间的误差（绝对误差），一般应低于 1LSB /2，即，即12oLSBvU两边同除输入为全为两边同除输入为全为1时的最大电压得：时的最大电压得：12oLSBmmvUUU11.2.7 D/A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转换器的分辨率转换器精度ADAD/21/即即由于由于n位位D/A转换器的分辨率也可表示为转换器的分辨率也可表示为故故由于由于10位位D/A转换器分辨率为转换器分辨率为%1 . 0%05. 02/121n转换器的分辨率AD%097. 0%1001211011.2.7 D/A转换器的转换精度与转换速度转换器的转

33、换精度与转换速度121A/Dn转换器的分辨率转换器的分辨率转换器精度ADAD/21/故应取十位或十位以上的故应取十位或十位以上的D/A转换器。转换器。作业作业P548 T11.2思考题思考题o 权电阻网络权电阻网络D/A转换器有什么缺点转换器有什么缺点？o 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器有什么优点？有什么优点？预习题预习题o A/D转换的过程？转换的过程？o 取样定理的内容是什么？取样定理的内容是什么？A/DA/D转换目标：将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。四个步骤：采样、保持、量化、编码。 1. 采样与保持 （1）将一个时间上连续变化的模拟量

34、转换成时间上离散的模拟量称为采样。 11.3 A/D转换器转换器D111101A/DA(电压电压 或或 电流电流)？A/D转换器是将模拟量转换成数字量转换器是将模拟量转换成数字量一一 、取样定理、取样定理 取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。 为了使得取样信号能逼近为了使得取样信号能逼近输入模拟信号，则取样信号应输入模拟信号，则取样信号应该有足够高的频率。该有足够高的频率。为了保证取样信号将被取样信为了保证取样信号将被取样信号恢复，其频率关系必须满足号恢复，其频率关系必须满足取样定理。取样定理。图图11.3.1为对某个输入

35、信号进行采样的波形。其中为对某个输入信号进行采样的波形。其中vs为取样信号，为取样信号，vI 表示输入的模拟信号表示输入的模拟信号。图图11.3.1图11-9 采样过程示意图 取样定理：设取样脉冲s(t)s(t)的频率为f fS S，输入模拟信号x(t)x(t)的最高频率分量的频率为f fmaxmax，必须满足 f fs s 2 2f fmaxmaxy(t)y(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。通常取f fs s （3 35 5）f fmaxmax 。 （2）由于A/DA/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。 s(t)s(t)有效期间，

36、开关管VTVT导通，u uI I向C C充电，u uO O (=(=u uc c) )跟随u uI I的变化而变化；s(t)s(t)无效期间，开关管VTVT截止，u uO O (=(=u uc c) )保持不变，直到下次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容C C上所存电荷不易泄放。） 图11-10 采样保持电路及输出波形将采样保持电路的输出电压归化为最小数量单位（最小数量单位（） 的整数倍的过程叫做量化。所取得最小数量单位叫做所取得最小数量单位叫做量化单位量化单位，用表示，它是数字信，用表示，它是数字信号最低位（号最低位（LSB）为）为1,其它位为其它位为0时所对应的模拟

37、量，即时所对应的模拟量，即1LSB。用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。 数字数字量不仅时间上是离散的，而且数值上也是离散的，所以任何量不仅时间上是离散的，而且数值上也是离散的，所以任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。二二 、量化和编码、量化和编码1.量化量化 将量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是其他进将量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是其他进制）表示出来，这个过程称为编码，这些代码也是制）表示出来，这个过程称为编码，这些代码也是A/D转换器转换器的输出数字量。的输出数字量。3. 量化误差：量化

38、误差： 由于模拟电压是连续的，那么由于模拟电压是连续的，那么不可能所有的电压都能被量不可能所有的电压都能被量化单位整除化单位整除，所以量化过程不可避免地会引入误差，这种误，所以量化过程不可避免地会引入误差，这种误差就叫做差就叫做量化误差量化误差。量化误差属于原理性误差，无法消除。量化误差属于原理性误差，无法消除。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值就越小，量化转换器的位数越多，各离散电平之间的差值就越小，量化误差也越小误差也越小。2.编码：编码：4.量化方式：量化方式：a. 只舍不入量化方式只舍不入量化方式以以3位位A/D转换器为例转换器为例 设输入电压设输入电压vI为为01V，取，取

39、量化单位量化单位1/8 V，量化中把，量化中把不足量化单位部分舍弃不足量化单位部分舍弃，如如01/8 V都当成都当成0V处理，用处理，用000表示表示；在在1/82/8V都当成都当成1 处理，即处理，即当成当成1/8V处理，用处理，用001表示表示;依此类推依此类推，如图，如图11.3.2（a）所）所示，其最大量化误差为示，其最大量化误差为 。注：由于后者的量化误差比前者小，所以大多数注：由于后者的量化误差比前者小，所以大多数A/D转换器采用转换器采用四舍五入的量化方式。四舍五入的量化方式。 取量化单位为取量化单位为 2/15 V，量化中将不足半个量化单位部分量化中将不足半个量化单位部分舍去，

40、对于等于或大于半个量化舍去，对于等于或大于半个量化单位的部分按一个量化单位处理单位的部分按一个量化单位处理。如如01/15 V 当当0V处理，用处理，用000表表示；在示；在1/153/15 V当成当成1 处理，处理，即即2/15 V，用，用001表示，依此类推，表示，依此类推，如图如图11.3.2(b）所示，其最大量化）所示，其最大量化误差为误差为1/2 。b. b. 四舍五入量化方式四舍五入量化方式当输入的模拟电压为当输入的模拟电压为正负范围内变化时，正负范围内变化时，一般采用二进制补码的形一般采用二进制补码的形式编码。式编码。11.3.3 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器 并联比较

41、型属于直接并联比较型属于直接A/D转换器，它把输入的模拟电压直接转换器，它把输入的模拟电压直接转换为输出的数字量，而不需要经过中间量。直接转换为输出的数字量，而不需要经过中间量。直接A/D转换器还转换器还有反馈比较型。有反馈比较型。图图11.3.6为并联比较型为并联比较型A/D转换器的电路结构图转换器的电路结构图.1. 组成：组成： 并联比较型并联比较型A/D转换器是由电转换器是由电压比较器、寄存压比较器、寄存器和代码转换电器和代码转换电路三部分组成。路三部分组成。图图11.3.611.3.3 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器输入为输入为0VREF间间的模拟电压，输的模拟电压，输出为出为

42、3位二进制代位二进制代码码d2d1d0。此此A/D转换器不转换器不包括取样保持包括取样保持电路，即假定输电路，即假定输入的模拟电压入的模拟电压vI为为取样保持电取样保持电路的输出电压。路的输出电压。图图11.3.611.3.3 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器2. 量化方式：量化方式： 取量化单取量化单位为位为152REFV其比较器其比较器中量化电中量化电平的划分平的划分如图如图11.3.7所所示。示。3、工作原理：、工作原理：由图由图11.3.7表可写出输出端表可写出输出端的逻辑式为的逻辑式为12345670246142QQQQQQQdQQQdQd11.3.3 并联比较型并联比较型A/

43、D转换器转换器由上述逻辑式画出图由上述逻辑式画出图11.3.8所示所示11.3.3 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器12345670246142QQQQQQQdQQQdQd11.3.3 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器则比较器输出均则比较器输出均为低电平，当为低电平，当CLK上升沿到来上升沿到来后，所有的触发后，所有的触发器状态置成器状态置成0，即，即d2 d1 d0000图图11.3.6若若15REFIVv 11.3.3 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器图图11.3.6则比较器则比较器C1输出为高输出为高电平，其他为低电平。电平，其他为低电平。当当CLK上升沿到来后，上升沿

44、到来后，触发器的状态置成触发器的状态置成0000001，则，则d2 d1 d0001，依此类推。，依此类推。15315REFIREFVvV若若1.并联比较型并联比较型A/D转换器的优点是转换速度快，转换时间可达转换器的优点是转换速度快，转换时间可达50ns以下。以下。11.3.3 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器特点：特点：2.并联比较型并联比较型A/D转换器的缺点是需要较多的电压比较器和触转换器的缺点是需要较多的电压比较器和触发器发器, n 位需要位需要2n-1比较器比较器3.并联比较型并联比较型A/D转换器的转换精度主要取决于量化电平的划转换器的转换精度主要取决于量化电平的划分，划分

45、越细，精度越高，但所用的比较器和触发器的数目越分，划分越细，精度越高，但所用的比较器和触发器的数目越多。另外转换精度与参考电压、电阻及运放也有关。多。另外转换精度与参考电压、电阻及运放也有关。原理：取一个数字量加到原理：取一个数字量加到D/A转换器上，则可得到一个对应的转换器上，则可得到一个对应的输出模拟电压。将这个模拟电压和输入的模拟电压信号相比较。输出模拟电压。将这个模拟电压和输入的模拟电压信号相比较。如果两者不相等，则如果两者不相等，则调整所取得数字量调整所取得数字量，直到两个模拟电压相，直到两个模拟电压相等为止，最后所取得数字量即为所求的转换结果。等为止，最后所取得数字量即为所求的转换

46、结果。 在反馈比较型在反馈比较型A/D转换器中经常采用的有转换器中经常采用的有计数型计数型和和逐次渐逐次渐进型进型两种。两种。1.计数型计数型A/D转换器转换器 图图11.3.8为计数型为计数型A/D转换器的原理框图。它是由比较器转换器的原理框图。它是由比较器C、D/A转换器、计数器、脉冲源、控制门转换器、计数器、脉冲源、控制门G以及输出寄存器以及输出寄存器等几部分构成。等几部分构成。11.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器图图11.3.8工作原理：工作原理：11.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器 取一个取一个“D”加到加到DAC上，得到模拟输出电压，将该值与输上，得

47、到模拟输出电压，将该值与输入电压比较，如两者不等，则调整入电压比较，如两者不等，则调整D的大小，到相等为止，则的大小，到相等为止，则D为所求值为所求值图图11.3.811.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器a. 将计数器清零，且将计数器清零，且vL0。此时门。此时门G被封锁，计数器不工作，被封锁，计数器不工作，计数器输出为计数器输出为0，则，则vo0；如果；如果vI 0，则，则vI vo ，比较器的输，比较器的输出电压出电压vB1；图图11.3.8b.当当vL为高电平时，开始进行转换，脉冲源发出的脉冲经过门为高电平时，开始进行转换，脉冲源发出的脉冲经过门G加到计数器时钟脉冲输入端加

48、到计数器时钟脉冲输入端CLK，计数器开始加法计数。随着计数器开始加法计数。随着计数的进行，计数的进行，D/A转换器的输出电压不断增加。转换器的输出电压不断增加。 图图11.3.811.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器c.当增加到当增加到vIvo时，比较器输出时，比较器输出vB变成低电平，并将变成低电平，并将门门G封锁，计数器停止计数，此时计数器的状态就是所封锁，计数器停止计数，此时计数器的状态就是所求的输出数字信号。求的输出数字信号。图图11.3.811.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器11.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器注：注： a.由于转换过程中

49、计数器的由于转换过程中计数器的数字不断变化，所以不能将计数字不断变化，所以不能将计数器的状态做为输出的数字信号数器的状态做为输出的数字信号，而是在输出端设置可输出寄，而是在输出端设置可输出寄存器，并在存器，并在vL的下降沿的控制下，寄存器的状态为最终的输出的下降沿的控制下，寄存器的状态为最终的输出数字信号。数字信号。图图11.3.8b. 此方案的缺点是转换时间长。当输出为此方案的缺点是转换时间长。当输出为n位二进制数码时，位二进制数码时，最长的转换时间是最长的转换时间是2n1倍的时钟脉冲倍的时钟脉冲信号周期信号周期(若若vI是是n位数码位数码都是都是1，对应的最大电压值）。，对应的最大电压值）

50、。由于此电路结构简单，常用在由于此电路结构简单，常用在对转换速度要求不高的场合。对转换速度要求不高的场合。11.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器图图11.3.82.逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器转换器 为了提高转换速度，在计数型为了提高转换速度，在计数型A/D转换器的基础上，产生逐转换器的基础上，产生逐次渐近型次渐近型A/D转换器。虽然也是反馈比较型转换器。虽然也是反馈比较型A/D转换器，但转换器，但D/A转换器的数字量的给出方式不同。转换器的数字量的给出方式不同。11.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器原理：原理：逐次渐近就如称逐次渐近就如称重物，重物，如如13g

51、的的重重物（称物（称之前之前不知不知道有多重），这道有多重），这里里有有4个砝码分别个砝码分别为为8g、4g、2g、1g。比较过程如。比较过程如表表11.3.1所示所示次就够了只要比较 n11.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器图图11.3.9逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器的工作原理框图如图转换器的工作原理框图如图11.3.9所示。所示。组成组成:比较器比较器C、D/A转换器、寄存器、转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制时钟脉冲源和控制逻辑等。逻辑等。工作原理：工作原理：a.逐次渐近寄存器逐次渐近寄存器清零；清零；b. 先设寄存器状态为最高位为先设寄存器状态为最高位为1,其他位为其他

52、位为0（如（如4位位A/D转换器为转换器为1000），经过），经过D/A转换器后，送到比较器比较。转换器后，送到比较器比较。若若vo vI ，则，则去掉去掉这这个最高位的个最高位的1;若若vo vI ，则则保留保留这这个个最高位的最高位的1.然后然后再再将次高位将次高位设设置成置成1,再进行比较，再进行比较，逐位比较下去，直逐位比较下去，直到最低位为止到最低位为止。这时寄存器这时寄存器所存的所存的数码即为输出的数数码即为输出的数字量。字量。图图11.3.911.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器特点：电路不太复杂，速度较快特点：电路不太复杂，速度较快其组成为：其组成为：*由由FF1

53、FF5构构成顺序成顺序脉冲发脉冲发生器（环形移生器（环形移位寄存器）位寄存器）其波形如图其波形如图11.3.11所示。所示。图图11.3.10为为3位逐次渐近型位逐次渐近型A/D转换器的电路原理图。转换器的电路原理图。11.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器图图11.3.10*由由FFAFFC构成构成3位数码位数码寄存器，其输寄存器，其输出为三位二进出为三位二进制数制数d2d1d0.11.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器图图11.3.10*G1G9组成组成控制逻辑电控制逻辑电路。路。*运算放大器构运算放大器构成比较器，用它成比较器，用它比较输入电压比较输入电压 vI和

54、和vo的大小的大小 。若若vI vo ，则，则vB为低电平，其比为低电平，其比较器输出端接到较器输出端接到三个控制与门的三个控制与门的输入端输入端图图11.3.1011.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器若设若设D/A转换器转换器的的参考电压参考电压VREF8V，输入的，输入的模拟电压为模拟电压为vI5.86V,则转换过则转换过程如下：程如下：图图11.3.1011.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器(1) 开始前将开始前将FFA FFB置零，置零，同时将环形计数同时将环形计数器器FF1FF5置成置成Q1Q5= 10000。(2) 当当vL为高电为高电平时，转换开始。平

55、时，转换开始。当第当第1个脉冲到个脉冲到达后，此时达后，此时QAQBQC100 ，若若D/A转换器为转换器为T形电阻网络型，形电阻网络型，则，输出电压则，输出电压（不包含求和放（不包含求和放大器）为大器）为11.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器图图11.3.10VdddVvREFo4)222(2001122311.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器图图11.3.10由于由于vo vI,则则比较器比较器输出输出vB为为0,同时移位同时移位寄存器右移一寄存器右移一位，使位，使Q1Q5= 01000。(3) 当第当第2个脉个脉冲上升沿来时，冲上升沿来时， QAQBQC110

56、 。此时此时IREFovVdddVv6)222(20011223故比较器故比较器输出输出vB为为1,同时同时移位寄移位寄存器右移一位，存器右移一位，使使Q1Q5= 00100图图11.3.1011.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器(4) 当第当第3个脉个脉冲上升沿来时，冲上升沿来时， QAQBQC101 。此时此时IREFovVdddVv5)222(20011223故比较器故比较器输出输出vB为为0,同时同时移位移位寄存器右移一寄存器右移一位，使位，使Q1Q5= 00010(5) 当第当第4个脉冲个脉冲上升沿来时，上升沿来时， QAQBQC101 (保持）保持）。此时。此时移位寄

57、存器右移移位寄存器右移一位，使一位，使Q1Q5= 00001,若取若取数据则可并行输数据则可并行输出。出。11.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器图图11.3.102004/12/25(6) 第第5个脉个脉冲来后，冲来后， Q1Q5= 10000 ，返回，返回初态，初态，同时同时由于由于Q5=0，门门G6G8被封被封锁，转换输锁，转换输出信号消失。出信号消失。图图11.3.1011.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器注注：a. 转换时间比计数器转换时间比计数器型的要少型的要少(为为n+2个脉个脉冲），转换速度高，冲），转换速度高，当然比并联型的要低，当然比并联型的要低，

58、但电路要简单的多；但电路要简单的多；转换过程示意图如转换过程示意图如11.3.11所示所示.11.3.4 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器图图11.3.10b.位数越高，转化精度位数越高，转化精度越高。此种类型的越高。此种类型的A/D转换器是最常用的一种。转换器是最常用的一种。9.3.5 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一、一、A/D转换器的转换精度转换器的转换精度 在单片集成的在单片集成的A/D转换器中转换精度也采用转换器中转换精度也采用分辨率分辨率（又称（又称为分解度）和为分解度）和转换误差转换误差来描述。来描述。1. 分辨率：分辨率： A/D转换器的分辨率是输出二进制数或十进制数的位数表示转换器的分辨率是输出二进制数或十进制数的位数表示。它表示它表示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。*从理论上讲，从理论上讲，n位二进制位二进制数字输出数字输出的的A/D转换器能转换器能区分区分2n不同等不同等级的级的输入模拟电压输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的，能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2n（FSR/ 2n,FSR输入电压满量程刻度）。输入电