1、1第第1111章章 數模和模數轉換器數模和模數轉換器2021-12-512 22021-12-5賴祖亮賴祖亮 小木蟲小木蟲了解數模轉換器和模數轉換器的基本了解數模轉換器和模數轉換器的基本工作原理及其分類工作原理及其分類掌握數模轉換器和模數轉換器的參數掌握數模轉換器和模數轉換器的參數指標指標進行應用設計時，能夠根據參數指標進行應用設計時，能夠根據參數指標進行器件選型進行器件選型能夠使用典型數模及模數轉換器件進能夠使用典型數模及模數轉換器件進行常規模數與數模接口電路設計行常規模數與數模接口電路設計本章目標本章目標 3 32021-12-5隨著數字技術，特別是信息技術的飛速發展與普及，在現代控制、隨

2、著數字技術，特別是信息技術的飛速發展與普及，在現代控制、通信及檢測等領域，為了提高系統的性能指標，對信號的處理廣泛通信及檢測等領域，為了提高系統的性能指標，對信號的處理廣泛采用了數字計算機技術。采用了數字計算機技術。由于系統的實際對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、由于系統的實際對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），要使計算機或數字儀表能識別、處理這些信號，必須首圖像等），要使計算機或數字儀表能識別、處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉換成數字信號；先將這些模擬信號轉換成數字信號；而經計算機分析、處理后輸出的數字量也往往需要將其轉換為相應而經計算機分析、處理后輸出的數

3、字量也往往需要將其轉換為相應模擬信號才能為執行機構所接受模擬信號才能為執行機構所接受。模數和數模轉換器模數和數模轉換器是一種是一種在模擬信號與數字信號之間起橋梁在模擬信號與數字信號之間起橋梁作用的電路作用的電路引言引言集成集成ADC及其應用及其應用模數轉換器（模數轉換器（ADC）集成集成DAC及其應用及其應用數模轉換器（數模轉換器（DAC） 概述概述 內容提要內容提要 5 52021-12-5在數字系統內部，只能對數字信號進行處理，而自然界的電壓、電在數字系統內部，只能對數字信號進行處理，而自然界的電壓、電流、聲音、圖像、溫度、壓力等實際信號大多是連續變化的模擬信流、聲音、圖像、溫度、壓力等實

4、際信號大多是連續變化的模擬信號，因此，必須把這些模擬量轉換成數字量才能由數字系統進行處號，因此，必須把這些模擬量轉換成數字量才能由數字系統進行處理，這種將模擬信號轉換成數字信號的過程稱為理，這種將模擬信號轉換成數字信號的過程稱為“模數轉換模數轉換”。經數字系統處理后的數字量，如用于控制調節電機轉速、合成函數經數字系統處理后的數字量，如用于控制調節電機轉速、合成函數信號、數字音頻功放等場合，又常常要求將其轉換為模擬量信號、數字音頻功放等場合，又常常要求將其轉換為模擬量 ，這，這種將數字信號轉換成模擬信號的過程稱為種將數字信號轉換成模擬信號的過程稱為“數模轉換數模轉換”。完成模數轉換的電路稱為模數

5、轉換器，簡稱完成模數轉換的電路稱為模數轉換器，簡稱ADC（Analog to Digital Converter）；）；完成數模轉換的電路稱為數模轉換器，簡稱完成數模轉換的電路稱為數模轉換器，簡稱DAC（Digital to Analog Converter）；ADC和和DAC是數字系統與模擬系統及自然界的關鍵接口部件是數字系統與模擬系統及自然界的關鍵接口部件。11.1 概述概述 6 62021-12-5數字系統結構框圖數字系統結構框圖7 72021-12-5關鍵術語關鍵術語分辨率：分辨率：指指DAC能夠轉換的二進制數的位數，位數多分辨率也能夠轉換的二進制數的位數，位數多分辨率也就越高就越高轉

6、換誤差：轉換誤差：轉換誤差是指轉換誤差是指DAC輸出模擬電壓與理論輸出模擬電輸出模擬電壓與理論輸出模擬電壓的最大差值。壓的最大差值。11.2 數模轉換器（數模轉換器（DAC） 轉換時間：轉換時間：轉換時間是指轉換時間是指DAC在輸入數字信號開始轉換到輸出在輸入數字信號開始轉換到輸出模擬電壓達到穩定值時所需的時間。模擬電壓達到穩定值時所需的時間。 根據位權網絡不同，根據位權網絡不同，DAC可分為權電阻網絡可分為權電阻網絡DAC、R-2R倒倒T形形電阻網絡電阻網絡DAC和權電流型網絡和權電流型網絡DAC8 82021-12-511.2.1數模轉換的表示數模轉換的表示數字量通常是用有權代碼按數位組合

7、起來表示的，每一位代碼都數字量通常是用有權代碼按數位組合起來表示的，每一位代碼都有固定的有固定的“權權”，大多采用二進制碼，大多采用二進制碼，DAC實際上就是將輸入的實際上就是將輸入的二進制碼（數字量）轉換為相應的模擬電壓輸出，二者的大小成二進制碼（數字量）轉換為相應的模擬電壓輸出，二者的大小成正比，數模轉換器的輸出電壓正比，數模轉換器的輸出電壓Vo與數字量的一般關系式為與數字量的一般關系式為：常數常數k為比例系數，為比例系數， 為二進制數按位權展開所為二進制數按位權展開所對應的十進制數值對應的十進制數值。100)2(niiiDkv10)2(niiiD9兩個相鄰二進制數碼轉換出的模擬電壓值實際

8、上兩個相鄰二進制數碼轉換出的模擬電壓值實際上并并不連續不連續，其，其電壓差電壓差值由最低碼位所代表的位權值決定值由最低碼位所代表的位權值決定。FSR（Full Scale Range）：是是最大輸入數字量時的最大電壓輸出值最大輸入數字量時的最大電壓輸出值，即即1111所對應的十進制值乘以系數所對應的十進制值乘以系數k的結果的結果。LSB(Least Significant Bit)：是信息所能分辨的最小量是信息所能分辨的最小量，即即0001所對應的十進制值乘以系數所對應的十進制值乘以系數k的結果的結果。數字量代表的模擬電壓實際上是離散的數字量代表的模擬電壓實際上是離散的 104位位DAC的轉換

9、關系對照表的轉換關系對照表112021-12-54位位DAC的轉換關系的轉換關系曲線曲線12122021-12-512.2.2 DAC的一般構成的一般構成DAC主要由數字寄存器、模擬電子開關、位權網絡、主要由數字寄存器、模擬電子開關、位權網絡、求和運算放大器和基準電壓源（或恒流源）組成求和運算放大器和基準電壓源（或恒流源）組成數字寄存器用數字寄存器用于存放待轉換的于存放待轉換的數字量，分別控制對應位的數字量，分別控制對應位的模模擬電子開關擬電子開關，使數碼為，使數碼為1的位的位在位權網絡在位權網絡上產生與其位權成上產生與其位權成正比的電流值，再由正比的電流值，再由求和運算求和運算放大器放大器對

10、各電流值求和，并轉對各電流值求和，并轉換成換成模擬模擬電壓值電壓值。13電路結構電路結構111.2.3 權電阻網絡權電阻網絡DAC 20R、21R、22R、 ，構成的，構成的電阻網絡稱為權電阻電阻網絡稱為權電阻某位權電阻的阻值大小某位權電阻的阻值大小和該位的權值成反比，和該位的權值成反比，相鄰低位權電阻值是其相鄰低位權電阻值是其高位電阻值的高位電阻值的2倍。電流倍。電流差差1/2，由由運算放大器求運算放大器求和，轉換成對應的和，轉換成對應的模擬模擬電壓值電壓值14工作原理工作原理 2運算放大器的運算放大器的點是虛地，該點電位總是近似為零。點是虛地，該點電位總是近似為零。假設輸入是假設輸入是n位

11、二進制數，因此當任一位的位二進制數，因此當任一位的Di =0，經，經電子開關電子開關Si使該位的權電阻使該位的權電阻 接地時，因接地時，因 兩端電位相等，兩端電位相等，故流過該電阻的電流故流過該電阻的電流Ii =0，而當，而當 Di =1，Si使該電阻接使該電阻接 VREF時，時， 對于受對于受 Di位控制的權電阻流過的電流位控制的權電阻流過的電流為為iDRVIinREFi221當當 Di =0， 則則Ii =0，根據疊加定理，通過各權電阻的電，根據疊加定理，通過各權電阻的電流之和為：流之和為：1010101)2(12)22(niiiREFniniiinREFiDnVDRVIi15因運算放大器

12、的因運算放大器的Fii FoFFRvRvi/ )0(0故得到輸出電壓故得到輸出電壓：1010)2(2niinFREFFFFiDRRVRiRivFR若取若取=R/2 ，則則100)2(2niiinREFDVv16在權電阻網絡在權電阻網絡DAC中，中，n=4，設，設VREF=-10V，RF=R/2，試求：，試求： （1）當輸入數字量）當輸入數字量D3D2D1D0=0001時，輸出電壓的值；時，輸出電壓的值；（2）當輸人數字量）當輸人數字量D3D2D1D0=1001時，輸出電壓的值；時，輸出電壓的值；（3）當輸入數字量）當輸入數字量D3D2D1D0=1111時，輸出電壓的值。時，輸出電壓的值。LSB

13、VVv1625. 0)21202020(210012340FSRVVv375. 9)21212121 (210012340VVv625. 5)21202021 (210012340（1）（2）（3）顯然，輸出電壓的范圍是顯然，輸出電壓的范圍是09.375V，且相鄰兩個二進，且相鄰兩個二進制數碼所對應的模擬電壓差值制數碼所對應的模擬電壓差值為為1LSB，即，即0.675V例例317其他類型的其他類型的DAC4權電阻權電阻DAC的優點是電路簡單，轉換速度也比較快；其轉換的優點是電路簡單，轉換速度也比較快；其轉換精度取決于精度取決于VREF、權電阻精度及模擬電子開關、權電阻精度及模擬電子開關若各個電

14、阻的阻值相差較大，而且隨著輸入二進制代碼位數若各個電阻的阻值相差較大，而且隨著輸入二進制代碼位數的增多，電阻的差值也隨之增加，難以保證對電阻精度的要的增多，電阻的差值也隨之增加，難以保證對電阻精度的要求，這給電路的轉換精度帶來很大影響，也不利于集成化求，這給電路的轉換精度帶來很大影響，也不利于集成化因此權電阻因此權電阻DAC并不單獨使用，而是將其權電阻網絡由相應并不單獨使用，而是將其權電阻網絡由相應的權電流網絡替換，以保證轉換精度，即權電流型網絡的權電流網絡替換，以保證轉換精度，即權電流型網絡DACR-2R倒倒T型電阻網絡型電阻網絡DAC克服了權電阻網絡帶來的較大克服了權電阻網絡帶來的較大誤差

15、，結構簡單、工作速度塊，得到廣泛應用誤差，結構簡單、工作速度塊，得到廣泛應用18 R-2R倒倒T型電阻網絡型電阻網絡DAC電路原理圖電路原理圖因運算放大器的因運算放大器的點為虛地，故不論輸入數字量點為虛地，故不論輸入數字量D取值為取值為0還是還是1，對于對于R-2R電阻網絡來說，各電阻網絡來說，各2R電阻的均上端相當于接地，所以電阻的均上端相當于接地，所以依次從網絡的各節點向做看的對地電阻都是依次從網絡的各節點向做看的對地電阻都是2R1912100121010(2222)222nnREFFnnnniREFFiniVRvDDDDRVRDR 因此在網絡中的電流分配如圖中標注，由基準電源因此在網絡中

16、的電流分配如圖中標注，由基準電源VREF流出的流出的總電流總電流I，每經過一個，每經過一個2R電阻就被分流一半，這樣流過電阻就被分流一半，這樣流過n個個2R電電阻的電流分別是阻的電流分別是I/2、I/4、I/（n-1）n個電流是流入地，還是流向運算放大器，由輸入數字量個電流是流入地，還是流向運算放大器，由輸入數字量D控制控制的電子開關的電子開關S決定，因此運算放大器的總決定，因此運算放大器的總輸出電壓：輸出電壓：相鄰兩個二進制數碼所對應的模擬電壓差值相鄰兩個二進制數碼所對應的模擬電壓差值實際上取決于實際上取決于VREF及及DAC的位數，的位數，VREF越小，越小，就越小；同時，就越小；同時，D

17、AC的位的位數越多，數越多，也越小。也越小。越小，越逼近真實的模擬電壓值越小，越逼近真實的模擬電壓值20衡量一個衡量一個D/A轉換器的性能的主要參數有分辨率、轉換誤差轉換器的性能的主要參數有分辨率、轉換誤差和轉換時間和轉換時間是指是指DAC能夠轉換的二進制數的位數，位數多分辨率也就越高能夠轉換的二進制數的位數，位數多分辨率也就越高一般用一般用DAC的位數來衡量分辨率的高低，因為位數越多，其輸的位數來衡量分辨率的高低，因為位數越多，其輸出電壓出電壓V0的取值個數就越多的取值個數就越多(2n個個)，也就越能反映出輸出電壓，也就越能反映出輸出電壓的細微變化，分辨能力就越高的細微變化，分辨能力就越高分

18、辨率分辨率 111.2.4 DAC的主要參數的主要參數 分辨率為分辨率為DAC最低位有效數字量最低位有效數字量(0001)對應輸出的模擬電壓與最對應輸出的模擬電壓與最大數字量大數字量(1111)對應的輸出模擬電壓對應的輸出模擬電壓V0的比值的比值。121UUnFSRLSB分辨率21轉換誤差是指轉換誤差是指DAC輸出模擬電壓與理論輸出模擬電壓的最大輸出模擬電壓與理論輸出模擬電壓的最大差值，反映了當數字量變化時，差值，反映了當數字量變化時，DAC輸出的模擬量按比例關輸出的模擬量按比例關系變化的程度系變化的程度模擬電子開關的導通電阻和導通壓降以及模擬電子開關的導通電阻和導通壓降以及R、2R電阻值的偏

19、電阻值的偏差會導致差會導致非線性誤差非線性誤差基準電壓基準電壓VREF和運算放大器的增益不穩定會導致和運算放大器的增益不穩定會導致增益誤差增益誤差（比例系數誤差）（比例系數誤差）轉換誤差轉換誤差2求和運算放大器的零點漂移會導致漂移誤差（求和運算放大器的零點漂移會導致漂移誤差（平均誤差平均誤差）為了實現高精度的為了實現高精度的D/A轉換，應選用低漂移高精度的運算放大器，轉換，應選用低漂移高精度的運算放大器，采用高穩定度的采用高穩定度的VREF，選用高分辨率，選用高分辨率DAC22轉換時間是指轉換時間是指DAC在輸入數字信號開始轉換到輸出模擬電壓在輸入數字信號開始轉換到輸出模擬電壓達到穩定值時所需

20、的時間。這個時間越短，器件的工作速度達到穩定值時所需的時間。這個時間越短，器件的工作速度越高越高。轉換速度一般由建立時間決定。從輸入由全轉換速度一般由建立時間決定。從輸入由全0突變為全突變為全1時開時開始，到輸出電壓穩定在始，到輸出電壓穩定在FSR土土(12)LSB范圍內為止，這段范圍內為止，這段時間稱為時間稱為建立時間建立時間，它是，它是DAC的最大響應時間，所以用它衡的最大響應時間，所以用它衡量轉換速度的快慢量轉換速度的快慢。轉換時間轉換時間3電流型電流型D/A轉換較快，一般在幾轉換較快，一般在幾ns到幾百到幾百ns之間之間。電壓型電壓型D/A轉換較慢，取決于運算放大器的響應時間轉換較慢，

21、取決于運算放大器的響應時間。例如例如10位位D/A轉換器轉換器AD7520的建立時間不大于的建立時間不大于500ns23232021-12-511.3 集成集成DAC及其應用及其應用DAC廣泛用于各種數模接口的系統中，如用于構成數控電壓或電廣泛用于各種數模接口的系統中，如用于構成數控電壓或電流源、數字衰減器、數控增益放大器、頻率合成器、可編程有源流源、數字衰減器、數控增益放大器、頻率合成器、可編程有源濾波器、數控頻率波形發生器等濾波器、數控頻率波形發生器等。下面給出了下面給出了DAC應用的兩個常見領域應用的兩個常見領域11.3.1 集成集成DAC在數字系統中的應用在數字系統中的應用數字系統的輸

22、出通道數字系統的輸出通道1如：電機轉速控制，采用低速如：電機轉速控制，采用低速DAC，如，如DAC0832； 數字音頻回放，采用音頻數字音頻回放，采用音頻DAC，如，如AD1861； 24波形發生器波形發生器 2DAC以直接模擬量的方式所合成的周期性波形的實現過程以直接模擬量的方式所合成的周期性波形的實現過程就稱為就稱為DDS（直接數字式頻率合成器直接數字式頻率合成器）。）。DDS可以靈活地產生鋸齒波、正弦波、特殊形狀波形等任可以靈活地產生鋸齒波、正弦波、特殊形狀波形等任意波形，這種技術已獲得廣泛應用。意波形，這種技術已獲得廣泛應用。 25幾種典型的幾種典型的DAC指標參數指標參數11.3.2

23、 集成集成DAC的選型原則的選型原則【例【例1】AD7524實現數模轉換實現數模轉換11.3.3 集成集成DAC應用實例應用實例電位器電位器RP1、RP2、RP3用于電路校準用于電路校準片選片選和寫和寫有效有效控制控制數數字字量量輸輸入入當輸入最小數字量當輸入最小數字量“00000000”時，輸出的電壓模擬量應為時，輸出的電壓模擬量應為0，若不為若不為0，可調節調零電位器，可調節調零電位器RP3，使輸出為，使輸出為0V，這一過程稱為零點校準，這一過程稱為零點校準。272021-12-5當輸入最大數字量當輸入最大數字量“11111111”時，輸出電壓應為時，輸出電壓應為)(96. 9) 12(2

24、10) 12(288maxFSRVVVVnnREFo若實測值小于若實測值小于9.96V，可調節，可調節RP2，使其阻值逐步增大，以增大反，使其阻值逐步增大，以增大反饋電阻，提高運算放大器的放大倍數饋電阻，提高運算放大器的放大倍數 ，使，使Vomax上升到上升到9.96V。若實測輸出值大于若實測輸出值大于9.96V，可增大，可增大RP1的阻值，以降低的阻值，以降低VREF，使，使Vomax下降，這一過程稱為增益校準下降，這一過程稱為增益校準。【例【例2】DAC0832的三種典型應用方式的三種典型應用方式 DAC0832是是8位位DA轉換器，內有轉換器，內有8位輸入寄存器、位輸入寄存器、8位位DA

25、C寄存器，因此可進行二次緩沖操作，可直接與寄存器，因此可進行二次緩沖操作，可直接與微機總線相連而無需附加邏輯部件微機總線相連而無需附加邏輯部件。 所以，所以，DAC0832有三種典型應用方式：兩級緩沖有三種典型應用方式：兩級緩沖型、一級緩沖型和無緩沖型型、一級緩沖型和無緩沖型(直通式直通式)。（a）兩級緩存）兩級緩存 （b）一級緩存）一級緩存 （c）直通方式）直通方式29292021-12-511.4 模數轉換器（模數轉換器（ADC）模數轉換器的用途很多。例如，在應用數字計算機處理數據時，常模數轉換器的用途很多。例如，在應用數字計算機處理數據時，常常需要把模擬量轉換成數字量，再送入計算機進行運

26、算；常需要把模擬量轉換成數字量，再送入計算機進行運算；數字電壓表是電壓數字電壓表是電壓-數字轉換器；數字頻率計是頻率數字轉換器；數字頻率計是頻率-數字轉換器數字轉換器在信息處理和數字通信中常常需要把信號電壓進行幅度量化（幅度在信息處理和數字通信中常常需要把信號電壓進行幅度量化（幅度量化就是把信號接其幅度分層，或者說把信號電壓的幅度數字化）量化就是把信號接其幅度分層，或者說把信號電壓的幅度數字化）通常所說的模數轉換器實際上是電壓的模數轉換器通常所說的模數轉換器實際上是電壓的模數轉換器30302021-12-5AD轉換過程包括取樣、保持、量化和編碼四個步驟。一般，前轉換過程包括取樣、保持、量化和編

27、碼四個步驟。一般，前兩個步驟在取樣兩個步驟在取樣-保持電路中一次性完成，后兩個步驟在保持電路中一次性完成，后兩個步驟在AD轉換轉換電路中一次性完成電路中一次性完成。將連續變化的模擬信號用多個時間點上的信號值來表示稱為將連續變化的模擬信號用多個時間點上的信號值來表示稱為取樣，取樣點上的信號值稱為樣點值，樣點值的全體稱為原取樣，取樣點上的信號值稱為樣點值，樣點值的全體稱為原信號的取樣信號。信號的取樣信號。取樣脈沖的頻率取樣脈沖的頻率sf越高越高, ,取樣越密，取取樣越密，取樣值就越多，其取樣值就越多，其取樣輸出信號的包絡樣輸出信號的包絡線也就越接近于輸線也就越接近于輸入信號的波形入信號的波形取樣及

28、取樣定理取樣及取樣定理111.4.1 AD轉換的步驟轉換的步驟要使取樣后的樣點值能夠被轉換為數字量，應通過取樣要使取樣后的樣點值能夠被轉換為數字量，應通過取樣-保持電路保持電路將樣點值保存下來，并在取樣脈沖結束之后到下一個取樣脈沖到來將樣點值保存下來，并在取樣脈沖結束之后到下一個取樣脈沖到來之前保持不變之前保持不變。取樣取樣-保持保持2采樣保持器采樣保持器LF198可以實現取樣可以實現取樣-保持功能，它依靠電容器保持功能，它依靠電容器C上的電上的電壓不會突變而使樣值電壓得以保持壓不會突變而使樣值電壓得以保持將樣值電壓變為量化單位整數倍的過程稱為量化將樣值電壓變為量化單位整數倍的過程稱為量化量化

29、與編碼量化與編碼3樣值電壓的大小仍屬于模擬量，要將取樣樣值電壓的大小仍屬于模擬量，要將取樣-保持電路輸出的樣值電保持電路輸出的樣值電壓變換成與其成正比的數字量，還必須對樣值電壓進行量化壓變換成與其成正比的數字量，還必須對樣值電壓進行量化通常將數字信號最低位（通常將數字信號最低位（LSB）為）為1時（即時（即0001）對應的模擬）對應的模擬電壓作為量化單位，用表示電壓作為量化單位，用表示。在量化時，樣值電壓一般不能被整除，非整數部分的余數被舍去，在量化時，樣值電壓一般不能被整除，非整數部分的余數被舍去，這就必然會產生誤差，這個誤差稱為量化誤差這就必然會產生誤差，這個誤差稱為量化誤差。下面。下面給

30、出了四舍五給出了四舍五入及去整取余的兩種量化方法入及去整取余的兩種量化方法33采用四舍五入法量化時，凡落在某一量化級范圍內的模擬電壓都取采用四舍五入法量化時，凡落在某一量化級范圍內的模擬電壓都取整歸并到該量化值上，例如，整歸并到該量化值上，例如，1.5V的輸入電壓，應量化到量化值的輸入電壓，應量化到量化值2V以上，而以上，而1.49V則應量化到量化值則應量化到量化值1V上。上。按上述按上述四舍五四舍五入入的的量化方法，其量化方法，其最大量化誤差為最大量化誤差為2。實際上可。實際上可通過提高編碼位數，從而將量化單位再進一步分割，即可減小量化通過提高編碼位數，從而將量化單位再進一步分割，即可減小量

31、化誤差電壓誤差電壓。由于量化過程中四舍五入的結果，必然造成實際輸入電壓值與量化由于量化過程中四舍五入的結果，必然造成實際輸入電壓值與量化值之間的偏差，如輸入值之間的偏差，如輸入1.5 V與其量化值與其量化值2 V之間偏差之間偏差0.5 V；而輸；而輸入入1.49 V與其量化值與其量化值1 V之間差之間差049 V。這種偏差稱為量化誤差。這種偏差稱為量化誤差。余取整法量化余取整法量化方法的方法的最大量化誤差為最大量化誤差為，量化誤差比四舍五入法大。，量化誤差比四舍五入法大。A/D轉換器位數越多，量化單位越小，則量化誤差也越小轉換器位數越多，量化單位越小，則量化誤差也越小量化誤差分析：量化誤差分析

32、：將量化的結果用二進制代碼表示的過程稱為編碼，量化與編將量化的結果用二進制代碼表示的過程稱為編碼，量化與編碼過程由碼過程由A/D轉換器完成轉換器完成34三位并行比較型三位并行比較型ADC由電阻分壓網絡、電壓比較器、鎖存器由電阻分壓網絡、電壓比較器、鎖存器及編碼器組成及編碼器組成，如下圖所示。，如下圖所示。11.4.2 并聯比較型并聯比較型ADC8個電阻將參考電壓個電阻將參考電壓VREF分成分成8個個等級，其中等級，其中7個等級的電壓分別個等級的電壓分別作為作為7個比較器個比較器C1C7的參考電的參考電壓，其數值分別為壓，其數值分別為VREF15，3VREF15，13VREF15。輸入電壓為輸入

33、電壓為 ，它的大小決定各比，它的大小決定各比較器的輸出狀態，較器的輸出狀態，D觸發器構成觸發器構成鎖存器，通過鎖存脈沖鎖存器，通過鎖存脈沖CP，再由，再由高電平輸出有效的優先編碼器產高電平輸出有效的優先編碼器產生相應的二進制代碼，從而完成生相應的二進制代碼，從而完成AD轉換的過程轉換的過程。35A/D種類很多，按工作原理的不同，可分成間接種類很多，按工作原理的不同，可分成間接ADC和直接和直接ADC間接間接ADC是先將輸入模擬電壓轉換成時間或頻率，然后再把是先將輸入模擬電壓轉換成時間或頻率，然后再把這些中間量轉換成數字量，常用的有中間量是時間的雙積分這些中間量轉換成數字量，常用的有中間量是時間

34、的雙積分型型ADC。ADC的種類的種類直接直接ADC則直接將輸入模擬電壓轉換成數字量，常用的有并則直接將輸入模擬電壓轉換成數字量，常用的有并聯比較型聯比較型ADC、逐次逼近型、逐次逼近型ADC362021-12-53位并聯比較型位并聯比較型ADC量化編碼表量化編碼表37在并行在并行AD轉換器中，輸入電壓轉換器中，輸入電壓 同時加到所有比較器的同時加到所有比較器的輸入端，從輸入端，從 加入到穩定輸出所經歷的時間為比較器、加入到穩定輸出所經歷的時間為比較器、D觸觸發器和編碼器延遲時間之和發器和編碼器延遲時間之和。svsv如不考慮上述器件的延遲，可認為三位數字量是與如不考慮上述器件的延遲，可認為三位

35、數字量是與 輸入時刻同時獲輸入時刻同時獲得的。所以并聯比較型得的。所以并聯比較型ADC轉換速度最快，但所用的元器件較多。轉換速度最快，但所用的元器件較多。如一個如一個n位轉換器，所用的比較器的個數為位轉換器，所用的比較器的個數為2n-1個個并聯比較型并聯比較型ADC的速度的速度 38逐次逼近型逐次逼近型ADC的工作原理很像人們量體重的過程；假如你的工作原理很像人們量體重的過程；假如你的體重不超過的體重不超過200公斤，你會先加一個公斤，你會先加一個100公斤的秤砣試試看，公斤的秤砣試試看，如果發現如果發現100公斤的秤砣太大公斤的秤砣太大(比如實際體重是比如實際體重是70公斤公斤)，就將，就將

36、此砣去掉；換一個此砣去掉；換一個50公斤的秤砣再試，發現公斤的秤砣再試，發現50公斤的秤砣又公斤的秤砣又偏小，故將其保留；然后再加一個偏小，故將其保留；然后再加一個25公斤的秤砣，發現體重公斤的秤砣，發現體重不足不足75公斤，再將此公斤，再將此25公斤的秤砣去掉，換一個更小一點的公斤的秤砣去掉，換一個更小一點的秤砣秤砣，如此進行，逐次逼近，直到滿足要求為止，如此進行，逐次逼近，直到滿足要求為止逐次比較型逐次比較型ADC逐個產生比較電壓，逐次與輸入電壓分別比較，逐個產生比較電壓，逐次與輸入電壓分別比較，以逐漸逼近的方式進行模數轉換，每次轉換時需要以逐漸逼近的方式進行模數轉換，每次轉換時需要n+1

37、個節拍個節拍脈沖，因此轉換速度比并聯比較型慢，屬于中速脈沖，因此轉換速度比并聯比較型慢，屬于中速ADC器件。位器件。位數多時，所用的元器件比并聯比較型少得多，所以在集成數多時，所用的元器件比并聯比較型少得多，所以在集成ADC中應用最廣泛中應用最廣泛。11.4.3 逐次逼近型逐次逼近型ADC39雙積分型雙積分型ADC屬于間接型屬于間接型ADC，由積分器、比較器、計數器和，由積分器、比較器、計數器和部分控制電路組成部分控制電路組成。雙積分型雙積分型AD轉換器的轉換精度主要取決于位數、運算放大器轉換器的轉換精度主要取決于位數、運算放大器和比較器的靈敏度和零點漂移等因素的影響和比較器的靈敏度和零點漂移

38、等因素的影響11.4.4 雙積分型雙積分型ADC先對輸入取樣電壓和基準電壓進行兩次積分，獲得與取樣電壓先對輸入取樣電壓和基準電壓進行兩次積分，獲得與取樣電壓平均值成正比的時間間隔，同時在這個時間間隔內，用計數器平均值成正比的時間間隔，同時在這個時間間隔內，用計數器對標準時鐘脈對標準時鐘脈CP計數，計數器輸出的結果就是對應的數字量計數，計數器輸出的結果就是對應的數字量。雙積分型雙積分型ADC的轉換精度高，由于輸入端使用了積分器進行取的轉換精度高，由于輸入端使用了積分器進行取樣，抗干擾能力強，選取合適的取樣時間，可以有效地濾除工樣，抗干擾能力強，選取合適的取樣時間，可以有效地濾除工頻干擾。不足之處

39、是轉換速度慢，主要用于數字萬用表等低速頻干擾。不足之處是轉換速度慢，主要用于數字萬用表等低速測試系統測試系統中。中。40輸出的二進制位數越多，量化單位越小，能分辨出的最小模擬輸出的二進制位數越多，量化單位越小，能分辨出的最小模擬電壓越小，分辨率也越高電壓越小，分辨率也越高。11.4.5 ADC的主要參數的主要參數分辨率為分辨率為A/D轉換器輸出最低位（轉換器輸出最低位（LSB）變化一個數碼對應輸）變化一個數碼對應輸入模擬量的變化量，反映了入模擬量的變化量，反映了AD轉換器能夠分辨最小信號的轉換器能夠分辨最小信號的能力，一般用輸出的二進制位數來表示能力，一般用輸出的二進制位數來表示。如如ADC0

40、809的分辨率為的分辨率為8位，輸入滿量程模擬電壓為位，輸入滿量程模擬電壓為5V，則其，則其分辨率為分辨率為：分辨率分辨率 1mVV53.19258分辨率對于輸入同樣為對于輸入同樣為5V滿量程模擬電壓的滿量程模擬電壓的10位位A/D轉換器，其分辨率為轉換器，其分辨率為：mVV88. 42510分辨率41如如AD5711的轉換誤差的轉換誤差 LSB，說明其實際輸出的數字量和理論，說明其實際輸出的數字量和理論上得到的數字量之間的誤差不大于最低位為上得到的數字量之間的誤差不大于最低位為1的一半的一半。轉換誤差，也稱相對精度，是轉換誤差，也稱相對精度，是A/D轉換器實際輸出數字量與理轉換器實際輸出數字

41、量與理論輸出數字量之間的差值。常用論輸出數字量之間的差值。常用LSB的倍數表示的倍數表示。轉換誤差轉換誤差 22142ADC的轉換速度主要取決于轉換電路的類型，并聯比較型的轉換速度主要取決于轉換電路的類型，并聯比較型ADC的轉換速度最高（轉換時間可小于的轉換速度最高（轉換時間可小于50ns），逐次逼近型），逐次逼近型次之（轉換時間在次之（轉換時間在10100s之間），雙積分型之間），雙積分型ADC轉換速度轉換速度最低（轉換時間在幾十最低（轉換時間在幾十ms數百數百ms之間）之間）轉換速度是完成一次轉換速度是完成一次AD轉換所需的時間，故又稱為轉換時轉換所需的時間，故又稱為轉換時間。它是間。它是

42、AD轉換啟動時刻起到輸出端輸出穩定的數字信號轉換啟動時刻起到輸出端輸出穩定的數字信號所經歷的時間所經歷的時間。轉換速度轉換速度 343432021-12-511.5 集成集成ADC及其應用及其應用集成集成ADC的應用比集成的應用比集成DAC更為廣泛，由于轉換的原理和電更為廣泛，由于轉換的原理和電路結構及工藝技術有所不同，不同型號的集成路結構及工藝技術有所不同，不同型號的集成ADC在轉換速在轉換速度、轉換精度、分辨率以及價格上都各具優勢度、轉換精度、分辨率以及價格上都各具優勢。集成集成ADC廣泛用于各種模數接口的系統中，用以將自然界的廣泛用于各種模數接口的系統中，用以將自然界的溫度、電壓、聲音、

43、圖像等物理量轉化為數字量，再由計算溫度、電壓、聲音、圖像等物理量轉化為數字量，再由計算機進行處理機進行處理。如在數字溫度計、數字電壓表、手機的受話器、數字視頻監如在數字溫度計、數字電壓表、手機的受話器、數字視頻監控系統、有線電視機頂盒等數字設備中，控系統、有線電視機頂盒等數字設備中，ADC是必不可少的是必不可少的關鍵環節關鍵環節。11.5.1 集成集成ADC在數字系統中的應用在數字系統中的應用44442021-12-5目前，目前， ADC已形成齊全的集成產品門類，應用于不同的需已形成齊全的集成產品門類，應用于不同的需求場合，有效位數有求場合，有效位數有8、10、12、14、16、24位以及位以

44、及BCD碼碼輸出的輸出的3位半、位半、4位半和位半和5位半等多種位半等多種。11.5.2 集成集成ADC的選型原則的選型原則轉換速度有低速轉換速度有低速(1s)、中速、中速(1ms)、高速、高速(1s)和超高速和超高速(1ns)等等。有些芯片不但包括有些芯片不但包括ADC基本電路，還包括多路轉換開關、時基本電路，還包括多路轉換開關、時鐘電路、基準電壓源等，功能更加齊全鐘電路、基準電壓源等，功能更加齊全。選用選用ADC芯片主要根據系統對于轉換精度、轉換誤差、分辨率的芯片主要根據系統對于轉換精度、轉換誤差、分辨率的實際需求進行，此外還要考慮其他一些特性，如輸入通道數（即實際需求進行，此外還要考慮其

45、他一些特性，如輸入通道數（即AD轉換路數）、輸出方式，其中包括輸出編碼方式（如二進制碼、轉換路數）、輸出方式，其中包括輸出編碼方式（如二進制碼、BCD碼、碼、7段顯示譯碼）、輸出邏輯電平（段顯示譯碼）、輸出邏輯電平（CMOS、LSTTL）與）與微機接口能力等。其他方面可參考微機接口能力等。其他方面可參考DAC的選型原則綜合進行的選型原則綜合進行。45452021-12-5如在數字溫度計的設計中，一般溫度只需精確到小數點后一位有效數字如在數字溫度計的設計中，一般溫度只需精確到小數點后一位有效數字即可，測量范圍也不寬，且變化緩慢，因此即可，測量范圍也不寬，且變化緩慢，因此8位的位的AD0804足以勝任足以勝任。 經典經典ADC型號及參數型號及參數而在數字電壓表的設計中，往往要求測量電壓的精度達到而在數字電壓表的設計中，往往要求測量電壓的精度達到mV級以下，級以下，因此至少要選擇因此至少要選擇10位或位或10位以上的位以上的ADC，由于對速度要求不高，考慮，由于對速度要求不高，考慮到成本，中速、低速的逐次逼近型、雙積分型集成到成本，中速、低速的逐次逼近型、雙積分型集成ADC是不錯的選擇是不錯的選擇。，如如TLC1549、ICL7135、ICL7106等等462021-12-5如在數字溫度計的設計中，一般溫度只需精確到小數點后一位有效數字如在數字溫度計的設計中，一般