第九章数-模和模-数变换(13A)

1、电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院9.1 数模转换器数模转换器DAC9.2 模数转换器模数转换器ADC第第 九九 章章 数模和模数转换数模和模数转换电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，使得及，使得数字系统具有数字系统具有了模拟系统无法比拟的了模拟系统无法比拟的高可高可靠性靠性、高抗干扰能力高抗干扰能力和和高度智能化高度智能化等优点。等优点。第第 九九 章章 数模和模数转换数模和模数转换数

2、字系统只能对数字量进行处理，而实际信号大多是连数字系统只能对数字量进行处理，而实际信号大多是连续变化的模拟量。因此，需要把模拟量转化成数字量，续变化的模拟量。因此，需要把模拟量转化成数字量，才能送入数字系统进行处理。而才能送入数字系统进行处理。而经过数字系统处理后的经过数字系统处理后的数字量，在大多数情况下又要再转换成模拟量，才能驱数字量，在大多数情况下又要再转换成模拟量，才能驱动执行机构进行动作。动执行机构进行动作。 电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院第第 九九 章章 数模和模数转换数模和模数转换从数字信号到模拟信号的转换称为从数字

3、信号到模拟信号的转换称为数数模转换模转换，或称为，或称为D/A（Digital to Analog）转换）转换。实现。实现D/A转换的电路称转换的电路称为为D/A转换器，转换器，简称简称DAC （Digital Analog Converter）从模拟信号到数字信号的转换称为从模拟信号到数字信号的转换称为模模数转换数转换，或称为，或称为A/D（Analog to Digital）转换）转换。实现。实现A/D转换的电路称转换的电路称为为A/D转换器，转换器，简称简称ADC（Analog Digital Converter）电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子

4、工程学电子工程学院院第第 九九 章章 数模和模数转换数模和模数转换 为保证数据处理的准确性，为保证数据处理的准确性，ADC和和DAC必须有必须有足够的足够的转换精度转换精度。 为适应快速过程的控制和检测的需要，为适应快速过程的控制和检测的需要，ADC和和DAC还必须有足够快的还必须有足够快的转换速度转换速度。衡量衡量ADC和和DAC性能优劣的主要指标：性能优劣的主要指标：转换精度转换精度和和转换速度转换速度。电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院权电阻解码网络权电阻解码网络DAC9.1 数模转换器数模转换器DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络

5、DAC权电流型权电流型DAC权电容网络权电容网络DAC树形开关网络树形开关网络DACD/A转换器数字量的输入有两种方式：转换器数字量的输入有两种方式：并行并行输入输入和和串行输入串行输入T形电阻网络形电阻网络DAC电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院9.1.1 数模转换的基本原理数模转换的基本原理在数字系统中，数字量广泛采用二进制编码，每一位数码都有在数字系统中，数字量广泛采用二进制编码，每一位数码都有固定的权。若固定的权。若n位二进制数位二进制数Dn=dn1dn-2d1d0，则从，则从最高位最高位(Most Significant B

6、it, MSB)到到最低位最低位(Least Significant Bit, LSB)的权依次是的权依次是2n-1、2n-2、21、20。设设DAC输入为输入为n位二进制数位二进制数Dn=dn1dn-2d1d0 ，输出为模拟电压，输出为模拟电压vo，则，则输出模拟量输出模拟量vo的值与输入数字量的值与输入数字量Dn的大小成正比的大小成正比，假设，假设D/A转换的比例系数为转换的比例系数为k，则，则:10)2(niiiodkvDn的桉权的桉权展开式展开式为了将数字量转换为模拟量为了将数字量转换为模拟量，必须把每一位数码按权转换为相必须把每一位数码按权转换为相应的模拟量应的模拟量，然后再将这些转

7、换后的模拟量相加然后再将这些转换后的模拟量相加，才能，才能得到与得到与数字量成正比的模拟量数字量成正比的模拟量。电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院D/A转换中数字量与模拟量的对应关转换中数字量与模拟量的对应关系系 相邻代码转换出的电相邻代码转换出的电压值是不连续的。压值是不连续的。二进制代码二进制代码0001所对应所对应的输出电压是的输出电压是DAC能分能分辨出来的最小输出电压，辨出来的最小输出电压，用用1LSB表示。表示。 二进制代码二进制代码1111所对应的所对应的输出电压是输出电压是DAC能输出的能输出的最大电压，称为最大电压，

8、称为满度电压满度电压(Full Scale Range, FSB)，用用1FSB表示。表示。 1LSB1V1FSB15V电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院D/A转换中数字量与模拟量的对应关转换中数字量与模拟量的对应关系系 当当最大输出电压确定以最大输出电压确定以后后，输入数字量的位数输入数字量的位数越多越多，输出模拟量的阶输出模拟量的阶梯间隔就愈小梯间隔就愈小，相邻两，相邻两组代码转换出来的模拟组代码转换出来的模拟量的差值也愈小，则量的差值也愈小，则DAC的分辨率愈高的分辨率愈高。 电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhan

9、gyongmei 电子工程学电子工程学院院D/A转换器的原理框图转换器的原理框图 串行或并行输入的数字量首先保存在数码寄存器中，串行或并行输入的数字量首先保存在数码寄存器中，数码寄存器的输出按位驱动模拟开关数码寄存器的输出按位驱动模拟开关，使，使数码为数码为1的位的位在解码网络中在解码网络中产生与其位权成正比的电流值产生与其位权成正比的电流值并流入求并流入求和电路。求和电路将各电流值相加，再由运算放大器和电路。求和电路将各电流值相加，再由运算放大器转换成与数字量对应的模拟量。转换成与数字量对应的模拟量。 电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学

10、院院9. 1.2 权电阻解码网络权电阻解码网络DAC数字量输入端数字量输入端最高位最高位(most significant Bit)最低位最低位(Least Significant Bit)模拟开关模拟开关求和放大器求和放大器（负反馈放大器）（负反馈放大器）权电阻权电阻模拟量模拟量输出端输出端精密基精密基准电压准电压电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院9. 1.2 权电阻解码网络权电阻解码网络DAC模拟开关受输入数字模拟开关受输入数字di的控制，的控制，di=1时，开关时，开关接到基准电压接到基准电压VREF上，上，di=0时，开关接地

11、。时，开关接地。0FoRviiRvFo33dRVIREF222dRVIREF1212dRVIREF0302dRVIREFRF=R/2，则：，则：)2222(2001122333ddddRRVvFREFo)(0123IIIIRF)2222(2001122334ddddVvREFoDn=d3d2d1d0的按权展开式的按权展开式电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院9. 1.2 权电阻解码网络权电阻解码网络DAC)2222(2001122111ddddRRVvnnnnnFREFo 推广：推广：对于对于n位的权电阻网络位的权电阻网络DAC10)2

12、(2niiinREFdV输出的模拟电压正比于输入的数字量输出的模拟电压正比于输入的数字量Dn。Dn=dn-1dn-2d1d0的按权展开式的按权展开式nnREFDV2当反馈电阻取当反馈电阻取RFR/2时时 )2222(200112211ddddVvnnnnnREFo 101)2(2niiinFREFdRRVnnFREFDRRV12Dn=dn-1dn-2d1d0的按权展开式的按权展开式电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院9. 1.2 权电阻解码网络权电阻解码网络DACnnREFoDVv2Dn=0vo=0Dn=1111REFnnoVv212

13、若将若将VREF取为负值，则输出为正电压。取为负值，则输出为正电压。电路优点：所用电阻元件数很少。电路优点：所用电阻元件数很少。电路缺点：电阻阻值相差电路缺点：电阻阻值相差较大，难以在极宽的阻值较大，难以在极宽的阻值范围内保证电阻的精度。范围内保证电阻的精度。转换精度取决于基准电压转换精度取决于基准电压VREF、模拟电子开关、求、模拟电子开关、求和放大器和各权电阻值的精度。和放大器和各权电阻值的精度。 电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院例例9.1.1 4位权电阻网络位权电阻网络DAC如图所示，设基准电压如图所示，设基准电压VREF=8

14、V，RF=R/2，试求当输入二进制数，试求当输入二进制数d3d2d1d0=1101时输出的电压值，以及时输出的电压值，以及LSB和和FSB的值。的值。 )2222(2001122333ddddRRVvFREFo)21202121 (28 01234V5 . 613284V5 . 01)16/8(LSB1V5 . 715)16/8(FSB解：解：电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院9.1.4 倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC电阻阻值只有电阻阻值只有R和和2R两种。两种。求和放大器反相输入端求和放大器反相输入端“虚地虚地”，因此无论开，因此

15、无论开关接通哪边，都相当于关接通哪边，都相当于接到接到“地地”电位上。电位上。RVIREF各支路的电流依次为各支路的电流依次为I/2、I/4、I/8和和I/16。RRRRRDDCCBBAARAARBBRCCRDD电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院9.1.4 倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC012316842dIdIdIdIi电子开关受输入数字电子开关受输入数字di的控制，的控制，di=1时，开关接到放大时，开关接到放大器的反相输入端器的反相输入端V-上，上，di=0时，开关接地。时，开关接地。)2222(2001122334ddddR

16、RViRvFREFFoRVIREF推广：推广：)2222(200112211ddddRRVvnnnnnFREFo 10)2(2niiinFREFdRRV输出的模拟电压正比输出的模拟电压正比于输入的数字量于输入的数字量Dn。nnFREFDRRV2电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院9.1.4 倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC提高转换精度的方法：提高转换精度的方法： (1) 基准电压源的稳定基准电压源的稳定性好；性好；(2)倒倒T形电阻网形电阻网络中络中R和和2R电阻比值的电阻比值的精度要高；精度要高；(3)每个模每个模拟开关的开关电压降要

17、拟开关的开关电压降要相等。相等。 nnFREFoDRRVv2电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院例例9.1.2 在如图所示的倒在如图所示的倒T形电阻网络形电阻网络DAC中，设中，设n=8，VREF=10V，RF=R，试求：，试求：(1) 当输入数字量当输入数字量D801011010时的输出电压。时的输出电压。(2) 若若RF=2R，输出电压又是多少？，输出电压又是多少？解：解：)2(2708iiiFREFodRRVvV52. 39025610)21212121 (21013468RRVvo03. 790256210RF=2R时时:电路中

18、心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院建立时间建立时间tset：从输入的数字：从输入的数字量发生变化开始，直到输出量发生变化开始，直到输出电压电压(或电流或电流)进入与稳态值进入与稳态值相差相差 0.5LSB范围以内的范围以内的这这段时间为建立时间。段时间为建立时间。9.1.6 DAC的主要技术指标的主要技术指标tset1、转换速度、转换速度输入数字变化越大输入数字变化越大，建立时间越长建立时间越长，因此，因此一般产品手一般产品手册中给出的都是输入数字量从全册中给出的都是输入数字量从全0 0跳变为全跳变为全1(1(或从全或从全1 1跳变为全跳变

19、为全0)0)时的建立时间时的建立时间，它是，它是DACDAC的最大响应时间，的最大响应时间，所以用它衡量转换速度的快慢。所以用它衡量转换速度的快慢。 电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院1、转换速度、转换速度在不包含集成运算放大器的单片集成在不包含集成运算放大器的单片集成DAC中，中，建立时间最短可达建立时间最短可达0.1 s；在包含运算放大器的；在包含运算放大器的DAC中，建立时间最短可达中，建立时间最短可达1.5 s。 外加运算放大器构成外加运算放大器构成D/A转换器的，运放的建立转换器的，运放的建立时间将成为时间将成为D/A变换器

20、建立时间的主要成分。因变换器建立时间的主要成分。因此为了获得较快的转换速度，应此为了获得较快的转换速度，应选用转换速率较选用转换速率较快的运放快的运放。 电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院2、转换精度、转换精度分辨率分辨率：D/AD/A转换器能够分辨出来的最小电压转换器能够分辨出来的最小电压V V（此（此时输入数字量只有最低位为时输入数字量只有最低位为1 1，其余各位都是，其余各位都是0 0，即，即1LSB1LSB）与最大输出电压）与最大输出电压V Vmaxmax（此时输入数字量所有的有（此时输入数字量所有的有效位全为效位全为1 1，

21、即，即1FSB1FSB）之比。）之比。maxVV分辨率分辨率 121nnnREFODVv2nREFVV2) 12(2maxnnREFVV描述转换精度的指标：描述转换精度的指标：分辨率分辨率和和转换误差转换误差分辨率值越小，分辨率越高。分辨率值越小，分辨率越高。 n越大，分辨率越高。越大，分辨率越高。 FSBOLSBOVV11电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。而分辨率与输入数字量的位数有关，敏。而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨越大

22、，分辨率越高。率越高。 分辨率分辨率分辨率分辨率：用输入二进制数码的位数表示。：用输入二进制数码的位数表示。分辨率为分辨率为n位的位的D/A转换器中，输出模拟电压的大小应转换器中，输出模拟电压的大小应能够区分出输入代码从全能够区分出输入代码从全0到全到全1的全部的全部2n个状态，给个状态，给出出2n个不同等级的输出电压。个不同等级的输出电压。分辨率表示分辨率表示D/A转换器在理论上可以达到的精度。转换器在理论上可以达到的精度。电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院实际能达到的转换精度由转换误差决定。实际能达到的转换精度由转换误差决定。转换

23、误差是转换误差是指实际输出的模拟电压与理想值之间的最大偏差指实际输出的模拟电压与理想值之间的最大偏差。 转换误差转换误差转换误差转换误差常用常用最大偏差与最大偏差与FSB之比的百分数之比的百分数或或若干个若干个LSB表示表示。 转换误差是转换误差是非线性误差非线性误差、漂移误差漂移误差和和增益误差增益误差等等三种误差的综合指标。三种误差的综合指标。 电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院非线性误差是一种没有一定变化规律的误差，一般用非线性误差是一种没有一定变化规律的误差，一般用在输入数字量满刻度范围内，输出电压偏离理想转移在输入数字量满刻

24、度范围内，输出电压偏离理想转移特性的最大值来表示。特性的最大值来表示。 非线性误差非线性误差(非线性度非线性度)产生非线性误差的原因有很多，如产生非线性误差的原因有很多，如电路中的各模拟开关的导通电阻和电路中的各模拟开关的导通电阻和导通压降的偏差。每个开关处于不导通压降的偏差。每个开关处于不同位置同位置(接地或接接地或接VREF)时的开关压降时的开关压降和电阻也不一定相等。在电阻网络和电阻也不一定相等。在电阻网络中，每个支路上的电阻值也可能存中，每个支路上的电阻值也可能存在偏差。在偏差。电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院漂移误差是由于

25、漂移误差是由于运算放大器运算放大器的零点漂移的零点漂移造成的。这种误造成的。这种误差与数字量的大小无关，差与数字量的大小无关，它它只把理想直线向上或者向下只把理想直线向上或者向下平移平移，使之不经过原点，并，使之不经过原点，并不改变其线性，因此也称它不改变其线性，因此也称它为为平移误差平移误差。 漂移误差漂移误差(平移误差平移误差)电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院增益误差是指增益误差是指实际转换实际转换特性的斜率与理想特性特性的斜率与理想特性曲线斜率的偏差曲线斜率的偏差。 增益误差增益误差为获得高精度的为获得高精度的D/A转换器，单

26、转换器，单纯依靠选用高分辨率的纯依靠选用高分辨率的D/A转换转换器件是不够的，还需要有器件是不够的，还需要有高稳高稳定度的参考电压源定度的参考电压源VREF和和低零漂低零漂的运算放大器的运算放大器等器件与之配合等器件与之配合才能获得较高的转换精度。才能获得较高的转换精度。 基准电压基准电压VREF和和运算放大运算放大器增益不稳定器增益不稳定都可以造成都可以造成增益误差。增益误差。 电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院温度系数温度系数 温度系数是指输入不变的情况下，输出模拟电温度系数是指输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量

27、。一般压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输用满刻度输出条件下温度每升高出条件下温度每升高1 C，输出电压变化的百输出电压变化的百分数作为温度系数分数作为温度系数。 电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院9.2 模数转换器模数转换器9.2.1 模数转换器的基本原理模数转换器的基本原理在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号采样采样，采样结，采样结速后进入速后进入保持保持时间，在保持时间内将采样的电压时间，在保持时间内将采样的电压量化量化为数字量，并按一定的为数字量，并按一定的编码编码形式给出转换结果。然后形式

28、给出转换结果。然后再开始下一次采样。再开始下一次采样。A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程包括包括采样采样、保持保持、量化量化和和编码编码四个步骤。四个步骤。 电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院采样采样（也称（也称取样取样）是按一定的时间间隔抽取模拟量的值，）是按一定的时间间隔抽取模拟量的值，将时间上连续变化的信号将时间上连续变化的信号vi转换为时间上离散的信号转换为时间上离散的信号vs，即，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，将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔

29、的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。脉冲的幅度取决于输入模拟量。采样定理采样定理 采样定理采样定理：一个频率有限的模拟信：一个频率有限的模拟信号，其采样频率号，其采样频率fS必须大于等于输必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率入模拟信号包含的最高频率fmax的的两倍，即采样频率必须满足：两倍，即采样频率必须满足：max2 ffs电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院1、采样与保持、采样与保持采样脉冲信号采样脉冲信号模拟开关模拟开关当采样脉冲信号当采样脉冲信号S(t)为高电为高电平时，平时，V导通，输入模拟信导通，输入模拟信号号vI向电容向

30、电容C充电，充电结充电，充电结束后束后vO = vC = vI 。当。当S(t)返返回低电平时，回低电平时，V迅速截止，迅速截止，电容电容C上的电压能保持一段上的电压能保持一段时间，一直保持到下一个时间，一直保持到下一个采样脉冲到来为止。采样脉冲到来为止。采样保持信号采样保持信号电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院输入的模拟电压经过采样保持后，得到的是阶梯波。由输入的模拟电压经过采样保持后，得到的是阶梯波。由于阶梯的幅度是任意的，将会有无限个数值，因此该阶于阶梯的幅度是任意的，将会有无限个数值，因此该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量梯

31、波仍是一个可以连续取值的模拟量。而数字。而数字量的量的位数位数是有限的，是有限的，只能表示有限个数值只能表示有限个数值(n位数字量只能表示位数字量只能表示2n个数值个数值)。任何一个数字量的值只能是某个规定的最小数。任何一个数字量的值只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。因此，量单位的整数倍。因此，用数字量表示这种取样保持信用数字量表示这种取样保持信号时号时，必须把它转换为规定的最小数量单位的整数倍必须把它转换为规定的最小数量单位的整数倍，这一转换过程称为这一转换过程称为量化量化。把量化的结果再转化为相应的把量化的结果再转化为相应的代码的过程称为编码代码的过程称为编码。2、量化与编码、量化与编

32、码电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院量化过程中所取的最小数量单位称为量化单位，用量化过程中所取的最小数量单位称为量化单位，用 表表示，示，它它是数字量最低有效位为是数字量最低有效位为1时所对应的模拟量，即时所对应的模拟量，即1 =1LSB。由于取样保持后的电压不一定能被由于取样保持后的电压不一定能被 整除，整除，所以量化前后不可避免的存在舍入误差，此误差称为所以量化前后不可避免的存在舍入误差，此误差称为量化误差量化误差。量化误差属于原理误差，它只能减少，不量化误差属于原理误差，它只能减少，不能消除。能消除。ADC的位数越多的位数越多，

33、各离散电平之间的差值越各离散电平之间的差值越小小，量化误差就越小。量化误差就越小。 2、量化与编码、量化与编码电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法max= =（1/8）Vmax= /2=（1/15）V =1/8V =2/15V电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院A/D转换器转换器 (ADC)的分类的分类并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器计数型计数型逐次渐近型逐次渐近型直接直接A/D转换器转换器

34、：通过将一套基准电压与取样保持电压：通过将一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而将输入的模拟信号直接转换成相应的进行比较，从而将输入的模拟信号直接转换成相应的数字信号。数字信号。特点特点是工作速度高，转换精度容易保证。是工作速度高，转换精度容易保证。电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院A/D转换器转换器 (ADC)的分类的分类间接间接A/D转换器转换器：输入的模拟信号先被转换成某种中间：输入的模拟信号先被转换成某种中间变量（如时间、变量（如时间、 频率等），然后再将中间变量转换为最频率等），然后再将中间变量转换为最后的数字量。后的数字

35、量。特点特点是工作速度较低，但转换精度可以做是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强，一般在测试仪表中用的较多。得较高，且抗干扰性强，一般在测试仪表中用的较多。 A/D转换器数字量的两种输出方式：转换器数字量的两种输出方式：并行输出并行输出和和串行输出串行输出。电压电压-时间变换型时间变换型(V-T变换型变换型) ADC电压电压-频率变换型频率变换型(V-F变换型变换型) ADC电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院9.2.2 并行比较型并行比较型ADC比较器比较器参考电压参考电压编码器编码器寄存器寄存器输入电压输入电压（取样

36、保持（取样保持后的电压）后的电压）代代码码输输出出电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院电阻链把参考电压电阻链把参考电压VREF分分压，得到从（压，得到从（1/15）VREF到到（13/15）VREF之间之间七个等七个等级，级，量化单位量化单位=(2/15)VREF。这七这七个的等级的电压分别个的等级的电压分别接到七个电压比较器接到七个电压比较器C1C7的负输入端，作为比较基的负输入端，作为比较基准。同时，将输入准。同时，将输入vI接到七接到七个电压比较器的正输入端，个电压比较器的正输入端，与这七与这七个基准电压进行个基准电压进行比比较。

37、较。并行比较型并行比较型ADC电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院并行比较并行比较型型ADCREFIVv1510000000REFIREFVvV1531510000001REFIREFVvV15515300000111315REFIVv1111111电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院寄存器寄存器：由七个：由七个D触发器触发器构成。在时钟脉冲构成。在时钟脉冲CP的的作用下，将比较结果暂作用下，将比较结果暂时寄存，以供编码用。时寄存，以供编码用。12345670246142QQQQ

38、QQQdQQQdQd并行比较型并行比较型ADC编码器编码器：由八个或非门构：由八个或非门构成。将比较器送来的七位成。将比较器送来的七位二进制码转换成三位二进二进制码转换成三位二进制代码制代码d2、d1、d0。电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院并行比较型并行比较型ADC代码转换表代码转换表输入模拟电压输入模拟电压vI寄存器状态寄存器状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1数字量输出数字量输出 d2 d1 d0(01/15)VREF(1/15 3/15)VREF(3/15 5/15)VREF(5/15 7/15)VREF(7/15 9/15)VR

39、EF (9/15 11/15)VREF (11/15 13/15)VREF(13/15 1)VREF0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 10 0 0 0 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 若若vI=3.8VVREF=7.5VVVREF5 . 3157Q7Q1=0001111d2d1d0=100VVREF5 . 4159电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyong

40、mei 电子工程学电子工程学院院并行比较型并行比较型ADC的的优点优点是是转换速度很快转换速度很快，完成一次完成一次转换所需的时间仅包括转换所需的时间仅包括比较器的比较时间比较器的比较时间、触发器的触发器的翻转时间翻转时间和和三级门电路的传输延迟时间三级门电路的传输延迟时间。缺点缺点是是随着随着分辨率的提高分辨率的提高，电路所需电压比较器和触发器的数目电路所需电压比较器和触发器的数目按几何级数增加按几何级数增加。对于一个对于一个n位二进制输出的并行比位二进制输出的并行比较型较型ADC，需，需2n-1个电压比较器和个电压比较器和2n-1个触发器，编个触发器，编码电路也随码电路也随n的增大变得相当

41、复杂。其的增大变得相当复杂。其转换精度将受转换精度将受分压网络和电压比较器灵敏度的限制分压网络和电压比较器灵敏度的限制。因此，这种转。因此，这种转换器换器适用于高速适用于高速，精度较低的场合精度较低的场合。 并行比较型并行比较型ADC的特点的特点电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院9.2.4 逐次渐近型逐次渐近型ADC比较器比较器这种转换器是将要转换的模拟电压这种转换器是将要转换的模拟电压vi与一系列的基准电压比较。比与一系列的基准电压比较。比较是较是从高位到低位从高位到低位逐位进行的，并依次确定各位数码是逐位进行的，并依次确定各位数码

42、是1还是还是0。电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院逐次渐近型逐次渐近型ADC转换开始前，转换开始前， 先将逐次渐近寄存器清先将逐次渐近寄存器清 0，转换控制信号变，转换控制信号变为高电平时开始转换，控制逻辑将逐次渐近寄存器的最高为高电平时开始转换，控制逻辑将逐次渐近寄存器的最高位置位置 1，使其输出为，使其输出为 100000，这个数码被，这个数码被DAC转换成转换成相应的模拟电压相应的模拟电压vo，送至比较器与输入，送至比较器与输入vi比较。若比较。若vo vi ，说明寄存器输出的数码大了，应将最高位改为说明寄存器输出的数码大了，应

43、将最高位改为0，同时将，同时将次高位设为次高位设为1；若；若vo vi ，说明寄存器输出的数码还不够，说明寄存器输出的数码还不够大，因此，需将最高位的大，因此，需将最高位的 1 保留，同时将次高位设为保留，同时将次高位设为 1。然后，再按同样的方法进行比较，确定次高位的然后，再按同样的方法进行比较，确定次高位的1是去掉是去掉还是保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止，比较还是保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止，比较完毕后，寄存器中的状态就是转化后的数字输出。完毕后，寄存器中的状态就是转化后的数字输出。电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工

44、程学院院逐次渐近型逐次渐近型ADC举例：设待转换的模拟电压举例：设待转换的模拟电压vi=163mV, 逐次渐近寄存器的数字量为八位。逐次渐近寄存器的数字量为八位。电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院逐次渐近型逐次渐近型ADC的特点的特点逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器转换速度比并行比较转换器转换速度比并行比较型型A/D转换器低，在输出位数较多时，逐次转换器低，在输出位数较多时，逐次渐近型渐近型A/D转换器的电路规模比并行比较型转换器的电路规模比并行比较型A/D转换器小得多。因此，逐次渐近型转换器小得多。因此，逐次渐近型A/D转转换器是目

45、前集成换器是目前集成A/D转换器中用得最多的一转换器中用得最多的一种电路。种电路。电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院9.2.5 双积分型双积分型ADC 双积分型双积分型ADCADC是是V-TV-T变换型变换型ADCADC的一种。的一种。 转换原理转换原理：先将输入的模拟电压：先将输入的模拟电压vi转换成转换成与其大小成正比的时间间隔与其大小成正比的时间间隔T，再在该时再在该时间间隔间间隔T内用固定频率的计数器计数，计内用固定频率的计数器计数，计数器所计得的数字量正比于输入模拟量。数器所计得的数字量正比于输入模拟量。 电路中心电路中心

46、Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院双积分型双积分型ADC0工作过程：工作过程：准备阶段准备阶段：vL=0，开关，开关S0闭合，积分电容充分放电；闭合，积分电容充分放电；门门G1被封锁被封锁；n位二进制计数器和触发器位二进制计数器和触发器FFn清零；开清零；开关关S1接通接通vI。110000闭合闭合接接vI电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院双积分型双积分型ADC当计数器计满当计数器计满2n个个CP后（所用时间为后（所用时间为T1= 2n TCP），计数器自动返），计数器自动返回回0，同时给，同

47、时给FFn一个进位信号，使一个进位信号，使Qn置置1，开关，开关S1接通接通-VREF。采样阶段采样阶段：vL=1，开，开关关S0断开，开关断开，开关S1接通接通vI，积分器对，积分器对vI积分，积分，输出负电压，使比较器输出负电压，使比较器输出为输出为1，门门G1被被打开打开vD=CP，计数器对，计数器对CP计数。计数。101TIodtvRCvIvRCT1ICPnvRCT2vo1断开断开接接vI计数计数111接接-VREF000100000 1CP1电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院双积分型双积分型ADC1比较阶段比较阶段：vL=1

48、，开关，开关S1接通接通-VREF ，积分器开始反，积分器开始反向积分，输出逐渐由负上向积分，输出逐渐由负上升为升为0，使比较器输出变为，使比较器输出变为0（所用时间记为（所用时间记为T2 ），）， 门门G1被封锁，计数器停止被封锁，计数器停止计数，转换结束。计数器计数，转换结束。计数器中所存数字中所存数字D（T2=DTCP）就是就是A/D转换结果。转换结果。ICPnREFvRCTVRCT220ICPnREFCPvRCTVRCDT2IREFnvVD2取取VREF=2nIvD vo1ICPnTREFovRCTdtVRCv21200接接-VREF停止计数停止计数反向积分反向积分1从从0开始开始重新

49、计数重新计数电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院双积分型双积分型ADC的工作波形的工作波形当当vI取两个不同的数值取两个不同的数值VI1和和VI2时，反向积分的时间时，反向积分的时间T2和和T2也也不相同，而且时间的长短与不相同，而且时间的长短与vI的大小成正比。由于的大小成正比。由于CP是固定是固定频率的时钟脉冲，所以在频率的时钟脉冲，所以在T2和和T2期间送给计数器的计数脉冲期间送给计数器的计数脉冲数目也必然与数目也必然与vI成正比成正比。T1时间段为定时积分，时间段为定时积分，T2时时间段为定值积分。间段为定值积分。电路中心电路中心 Zhangyongmei Zhangyongmei 电子工程学电子工程学院院双积分型双积分型ADC的特点的特点工作稳定性好工作稳定性好：转换结果与时间常数：转换结果与时间常数R、C和时钟周期均无和时钟周期均无关，只要时钟在一个转换周期（关，只要时钟在一个转换周期（T1+T