1、第第10章章A/D及及D/A轉換器轉換器10.1D/A轉換器工作原理轉換器工作原理10.2D/A轉換器的主要性能指標轉換器的主要性能指標10.3DAC 0832 D/A轉換器轉換器10.4A/D轉換器主要性能指標轉換器主要性能指標10.5A/D轉換器工作原理轉換器工作原理10.6ADC 0809 A/D轉換器轉換器10.7AD 570 A/D轉換器轉換器習題習題A/D(模模/數數)及及D/A(數數/模模)轉換技術廣泛應用于計算機轉換技術廣泛應用于計算機控制系統及數字測量儀表中。控制系統及數字測量儀表中。將模擬量信號轉換成數字量的器件稱為模將模擬量信號轉換成數字量的器件稱為模/數轉換器數轉換器(

2、簡稱簡稱A/D轉換器轉換器)，而將數字量信號轉換成模擬量，而將數字量信號轉換成模擬量信號的器件稱為數信號的器件稱為數/模轉換器模轉換器(簡稱簡稱D/A轉換器轉換器)。10.1 D/A轉換器工作原理轉換器工作原理D/A轉換器從工作原理上可分為并行轉換器從工作原理上可分為并行D/A轉換器轉換器及串行及串行D/A轉換器兩種。并行轉換器兩種。并行D/A轉換器的轉轉換器的轉換速度快，但電路復雜。隨著微電子技術的發換速度快，但電路復雜。隨著微電子技術的發展，并行展，并行D/A轉換器集成電路目前已大量生產，轉換器集成電路目前已大量生產，廣為采用。廣為采用。并行并行D/A轉換器的位數與輸入數碼的位數相同，轉換

3、器的位數與輸入數碼的位數相同，對應輸入數碼的每一位都設有信號輸入端，用對應輸入數碼的每一位都設有信號輸入端，用以控制相應的模擬切換開關，把基準電壓以控制相應的模擬切換開關，把基準電壓Un接接到電阻網絡上。并行到電阻網絡上。并行D/A轉換器的原理如圖轉換器的原理如圖10.1所示。所示。圖圖10.1電阻網絡將基準電壓轉變為相應的電流或電壓，在電阻網絡將基準電壓轉變為相應的電流或電壓，在運算放大器的輸入端進行總加。放大器的輸出則反運算放大器的輸入端進行總加。放大器的輸出則反映了輸入數碼的大小。如輸入數碼映了輸入數碼的大小。如輸入數碼xp=a12-1+a22-2+ai2-i+an2-n，則：，則：Uo

4、=UNxp=UN(a12-1+a22-2+an2-n)=UNai2-i(10-1)其中，其中，ai是是1還是還是0，取決于輸入數碼第，取決于輸入數碼第i位是邏輯位是邏輯1還還是邏輯是邏輯0。如果。如果ai=1，基準電壓，基準電壓UN通過模擬切換開通過模擬切換開關加到電阻網絡上；如果關加到電阻網絡上；如果a1=0，模擬切換開關斷開，模擬切換開關斷開，基準電壓基準電壓UN不能加到電阻網絡上。不能加到電阻網絡上。并行并行D/A轉換器的轉換速度很快，只要輸入端加入數轉換器的轉換速度很快，只要輸入端加入數碼信號，輸出端立即有相應的模擬電壓輸出。碼信號，輸出端立即有相應的模擬電壓輸出。ui=1在并行在并行

5、D/A轉換器中，最常用的電阻網絡是轉換器中，最常用的電阻網絡是“T”形網形網絡。絡。12位位T形網絡形網絡D/A轉換器原理如圖轉換器原理如圖10.2所示。它所示。它由由12個串聯分路開關、個串聯分路開關、27個精密電阻和一個運算放個精密電阻和一個運算放大器組成。電阻網絡只用大器組成。電阻網絡只用R及及2R兩種規格的電阻。兩種規格的電阻。電阻網絡的輸出接至運算放大器，若反饋電阻電阻網絡的輸出接至運算放大器，若反饋電阻Rf的的值為值為3R，則總的輸出電壓，則總的輸出電壓UO為：為：UO=-U0Rf/Ri=-2/3UNxp3R/2R=-Unxp (10-2)式中式中Ri運算放大器的輸入運算電阻，運算

6、放大器的輸入運算電阻，Ri=2R。圖圖10.2因此，當輸入二進制碼因此，當輸入二進制碼xp為全為全1，運算放大器輸出為，運算放大器輸出為-(1-1/212)UN；當輸入二進制碼；當輸入二進制碼xp為全為全0，則運算放大，則運算放大器輸出為器輸出為0。所以，。所以，D/A轉換器的輸出在轉換器的輸出在0(1-1/212)UN之間變動。之間變動。10.2 D/A轉換器的主要性能指標轉換器的主要性能指標D/A轉換器的主要特性指標包括以下幾方面：轉換器的主要特性指標包括以下幾方面：(1) 分辨率：分辨率： 指最小輸出電壓指最小輸出電壓(對應的輸入數字量對應的輸入數字量只有最低有效位為只有最低有效位為“1

7、”)與最大輸出電壓與最大輸出電壓(對應對應的輸入數字量所有有效位全為的輸入數字量所有有效位全為“1”)之比。如之比。如N位位D/A轉換器，其分辨率為轉換器，其分辨率為1/(2N-1)。在實際使。在實際使用中，表示分辨率大小的方法也用輸入數字量用中，表示分辨率大小的方法也用輸入數字量的位數來表示。的位數來表示。(2) 線性度：線性度： 用非線性誤差的大小表示用非線性誤差的大小表示D/A轉換的線性度。并轉換的線性度。并且把理想的輸入輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分且把理想的輸入輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分數定義為非線性誤差。數定義為非線性誤差。(3) 轉換精度：轉換精度： D/A轉換器

8、的轉換精度與轉換器的轉換精度與D/A轉換器的集成芯轉換器的集成芯片的結構和接口電路配置有關。如果不考慮其他片的結構和接口電路配置有關。如果不考慮其他D/A轉換誤轉換誤差時，差時，D/A的轉換精度就是分辨率的大小，因此要獲得高精的轉換精度就是分辨率的大小，因此要獲得高精度的度的D/A轉換結果，首先要保證選擇有足夠分辨率的轉換結果，首先要保證選擇有足夠分辨率的D/A轉轉換器。同時換器。同時D/A轉換精度還與外接電路的配置有關，當外部轉換精度還與外接電路的配置有關，當外部電路器件或電源誤差較大時，會造成較大的電路器件或電源誤差較大時，會造成較大的D/A轉換誤差，轉換誤差，當這些誤差超過一定程度時，當

9、這些誤差超過一定程度時，D/A轉換就產生錯誤。轉換就產生錯誤。在在D/A轉換過程中，影響轉換精度的主要因素有失調誤差、增轉換過程中，影響轉換精度的主要因素有失調誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差。益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差。(4) 建立時間：建立時間： 建立時間是建立時間是D/A轉換速率快慢的一個轉換速率快慢的一個重要參數，也是重要參數，也是D/A轉換器中的輸入代碼有滿度值轉換器中的輸入代碼有滿度值的變化時，其輸出模擬信號電壓的變化時，其輸出模擬信號電壓(或模擬信號電流或模擬信號電流)達到滿刻度值達到滿刻度值/2LSB(或與滿刻度值差百分之多或與滿刻度值差百分之多少少)時所需要

10、的時間。不同型號的時所需要的時間。不同型號的D/A轉換器，其建轉換器，其建立時間也不同，一般從幾個毫微秒到幾個微秒。若立時間也不同，一般從幾個毫微秒到幾個微秒。若輸出形式是電流的，其輸出形式是電流的，其D/A轉換器的建立時間是很轉換器的建立時間是很短的；若輸出形式是電壓的，其短的；若輸出形式是電壓的，其D/A轉換器的主要轉換器的主要建立時間是輸出運算放大器所需要的響應時間。建立時間是輸出運算放大器所需要的響應時間。由于一般線性差分運算放大器的動態響應速度較低，由于一般線性差分運算放大器的動態響應速度較低，D/A轉換器的內部都帶有輸出運算放大器或者外接轉換器的內部都帶有輸出運算放大器或者外接輸出

11、放大器的電路輸出放大器的電路(如圖如圖10.3所示所示)，因此其建立時，因此其建立時間比較長。間比較長。圖圖10.3(5) 溫度系數：溫度系數： 在滿刻度輸出的條件下，溫度每升高在滿刻度輸出的條件下，溫度每升高1，輸出變化的百分數定義為溫度系數。，輸出變化的百分數定義為溫度系數。(6) 電源抑制比：電源抑制比： 對于高質量的對于高質量的D/A轉換器，要求開轉換器，要求開關電路及運算放大器所用的電源電壓發生變化時，關電路及運算放大器所用的電源電壓發生變化時，對輸出電壓影響極小。通常把滿量程電壓變化的百對輸出電壓影響極小。通常把滿量程電壓變化的百分數與電源電壓變化的百分數之比稱為電源抑制比。分數與

12、電源電壓變化的百分數之比稱為電源抑制比。(7) 工作溫度范圍：工作溫度范圍： 一般情況下，影響一般情況下，影響D/A轉換精度轉換精度的主要環境和工作條件因素是溫度和電源電壓變化。的主要環境和工作條件因素是溫度和電源電壓變化。由于工作溫度會對運算放大器加權電阻網絡等產生由于工作溫度會對運算放大器加權電阻網絡等產生影響，所以只有在一定的工作范圍內才能保證額定影響，所以只有在一定的工作范圍內才能保證額定精度指標。較好的精度指標。較好的D/A轉換器的工作溫度范圍在轉換器的工作溫度范圍在-4085之間，較差的之間，較差的D/A轉換器的工作溫度范轉換器的工作溫度范圍在圍在070之間。多數器件其靜、動態指標

13、均之間。多數器件其靜、動態指標均在在25的工作溫度下測得的，工作溫度對各項精度的工作溫度下測得的，工作溫度對各項精度指標的影響用溫度系數來描述，如失調溫度系數、指標的影響用溫度系數來描述，如失調溫度系數、增益溫度系數、微分線性誤差溫度系數等。增益溫度系數、微分線性誤差溫度系數等。(8) 失調誤差失調誤差(或稱零點誤差或稱零點誤差)： 失調誤差定義為數字輸失調誤差定義為數字輸入全為入全為0碼時，其模擬輸出值與理想輸出值之偏差值。碼時，其模擬輸出值與理想輸出值之偏差值。對于單極性對于單極性D/A轉換，模擬輸出的理想值為零伏點。轉換，模擬輸出的理想值為零伏點。對于雙極性對于雙極性D/A轉換，理想值為

14、負域滿量程。偏差轉換，理想值為負域滿量程。偏差值的大小一般用值的大小一般用LSB的份數或用偏差值相對滿量程的份數或用偏差值相對滿量程的百分數來表示。的百分數來表示。(9) 增益誤差增益誤差(或稱標度誤差或稱標度誤差)： D/A轉換器的輸入與輸轉換器的輸入與輸出傳遞特性曲線的斜率稱為出傳遞特性曲線的斜率稱為D/A轉換增益或標度系轉換增益或標度系數，實際轉換的增益與理想增益之間的偏差稱為增數，實際轉換的增益與理想增益之間的偏差稱為增益誤差。增益誤差在消除失調誤差后用滿碼益誤差。增益誤差在消除失調誤差后用滿碼(全全1)輸入時其輸出值與理想輸出值輸入時其輸出值與理想輸出值(滿量程滿量程)之間的偏差之間

15、的偏差表示，一般也用表示，一般也用LSB的份數或用偏差值相對滿量程的份數或用偏差值相對滿量程的百分數來表示。的百分數來表示。(10) 非線性誤差：非線性誤差： D/A轉換器的非線性誤差定義為實轉換器的非線性誤差定義為實際轉換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差，際轉換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差，并以該偏差相對于滿量程的百分數度量。在轉換器并以該偏差相對于滿量程的百分數度量。在轉換器電路設計中，一般要求非線性誤差不大于電路設計中，一般要求非線性誤差不大于1/2LSB。10.3 DAC 0832 D/A轉換器轉換器10.3.1 DAC 0832的結構的結構DAC 0832是美國數據公司的

16、是美國數據公司的8位雙緩沖位雙緩沖D/A轉換器，轉換器，片內帶有數據鎖存器，可與通常的微處理器直接片內帶有數據鎖存器，可與通常的微處理器直接接口。電路有極好的溫度跟隨性。使用接口。電路有極好的溫度跟隨性。使用CMOS電電流開關和控制邏輯來獲得低功耗和低輸出泄漏電流開關和控制邏輯來獲得低功耗和低輸出泄漏電流誤差。其主要技術指標如下：流誤差。其主要技術指標如下：電流建立時間電流建立時間1s單電源單電源+5+15VVREF輸入端電壓輸入端電壓25V分辨率分辨率8位位功率耗能功率耗能200mW最大電源電壓最大電源電壓VDD17VDAC0832的邏輯結構如圖的邏輯結構如圖10.4所示，引腳信號如圖所示，

17、引腳信號如圖10.5所所示。示。圖圖10.4圖圖10.5DAC0832由由8位輸入鎖存器，位輸入鎖存器，8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A轉換電路組成。轉換電路組成。當當ILE為高電平，為高電平，CS為低電平，為低電平，WR1為負脈沖時，為負脈沖時，在在LE1產生正脈沖；產生正脈沖；LE1為高電平時，輸入寄存器為高電平時，輸入寄存器的狀態隨數據輸入線狀態變化，的狀態隨數據輸入線狀態變化，LE1的負跳變將輸的負跳變將輸入數據線上的信息存入輸入寄存器。圖入數據線上的信息存入輸入寄存器。圖10.60832的的電壓輸出電路電壓輸出電路當當XFER為低電平，為低電平，WR2輸入負脈沖時，則在輸入負脈沖

18、時，則在LE2產產生正脈沖；生正脈沖；LE2為高電平時，為高電平時，DAC寄存器的輸入與寄存器的輸入與輸出寄存器的狀態一致，輸出寄存器的狀態一致，LE2的負跳變，輸入寄存的負跳變，輸入寄存器內容存入器內容存入DAC寄存器。寄存器。DAC 0832的輸出是電流型的。在微機系統中，通常的輸出是電流型的。在微機系統中，通常需要電壓信號，電流信號和電壓信號之間的轉換可需要電壓信號，電流信號和電壓信號之間的轉換可由運算放大器實現，原理如圖由運算放大器實現，原理如圖10.6所示。所示。圖圖10.610.3.2 DAC 0832工作方式工作方式根據對根據對DAC 0832的輸入鎖存器和的輸入鎖存器和DAC寄

19、存器的不同的控寄存器的不同的控制方法，制方法，DAC 0832有如下有如下3種工作方式：種工作方式：(1) 單緩沖方式：單緩沖方式： 此方式適用于只有一路模擬量輸出或幾此方式適用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量非同步輸出的情形。方法是控制輸入寄存器路模擬量非同步輸出的情形。方法是控制輸入寄存器和和DAC寄存器同時接收數據，或者只用輸入寄存器而寄存器同時接收數據，或者只用輸入寄存器而把把DAC寄存器接成直通方式。寄存器接成直通方式。(2) 雙緩沖方式：雙緩沖方式： 此方式適用于多個此方式適用于多個DAC 0832同時輸出同時輸出的情形。方法是先分別使這些的情形。方法是先分別使這些DAC 0832

20、的輸入寄存器的輸入寄存器接收數據，再控制這些接收數據，再控制這些DAC 0832同時傳送數據到同時傳送數據到DAC寄存器以實現多個寄存器以實現多個D/A轉換同步輸出。轉換同步輸出。(3) 直通方式：直通方式： 此方式適用于連續反饋控制線路中。此方式適用于連續反饋控制線路中。方法是：數據不通過緩沖存儲器，即方法是：數據不通過緩沖存儲器，即WR1，WR2，XFER，CS均接地，均接地，ILE接高電平。此時必須通過接高電平。此時必須通過I/O接口與接口與CPU連接，以匹配連接，以匹配CPU與與D/A的轉換。的轉換。DAC 0832的外部連接線路如圖的外部連接線路如圖10.7所示，由于所示，由于083

21、2內部已有數據鎖存器，所以在控制信號作用下，可內部已有數據鎖存器，所以在控制信號作用下，可以對總線上的數據直接進行鎖存。在以對總線上的數據直接進行鎖存。在CPU執行輸出執行輸出指令時，指令時，WR1 和和 CS 信號處于有效電平。信號處于有效電平。圖圖10.7要使要使DAC 0832實現一次實現一次D/A轉換，可采用以下程序，轉換，可采用以下程序，程序中假設要轉換的數據放在程序中假設要轉換的數據放在4000H單元中。單元中。MOVBX，4000HMOVAL，BX；數據送；數據送AL中中MOVDX，PORTA；PORTA為為D/A轉換器端口號轉換器端口號OUTDX，AT在實際應用中，經常需要用到

22、一個線性增長的電壓在實際應用中，經常需要用到一個線性增長的電壓去控制某一個檢測過程或者作為掃描電壓去控制一去控制某一個檢測過程或者作為掃描電壓去控制一個電子束的移動。為了說明個電子束的移動。為了說明D/A轉換器的應用，我轉換器的應用，我們來看一下怎樣利用們來看一下怎樣利用D/A轉換器產生一個鋸齒電壓。轉換器產生一個鋸齒電壓。對于圖對于圖10.6的電路，為產生一個鋸齒電壓，可采用以下程序：的電路，為產生一個鋸齒電壓，可采用以下程序：ROTATE：MOVDX，PORTA；PORTA為為D/A轉換器端口號轉換器端口號MOVAL，0FFH；初值為；初值為0FFHINCALOUTDX，AL ；往；往D/

23、A轉換器輸出數據轉換器輸出數據JMPROTATE實際上，上面程序在執行時得到的輸出電壓會有實際上，上面程序在執行時得到的輸出電壓會有256個小臺個小臺階，不過，宏觀看，仍為連續上升的鋸齒波。對于鋸齒波階，不過，宏觀看，仍為連續上升的鋸齒波。對于鋸齒波的周期，可以利用延遲進行調整。延遲的時間如果比較短，的周期，可以利用延遲進行調整。延遲的時間如果比較短，那么，就可以用幾條那么，就可以用幾條NOP指令來實現，如果比較長，則可指令來實現，如果比較長，則可用延遲子程序。用延遲子程序。比如，下面的程序段就是利用延遲子程序來控制鋸齒波周期比如，下面的程序段就是利用延遲子程序來控制鋸齒波周期的。的。ROTA

24、TE：MOVDX，PORTA；PORTA為為D/A轉換器端口轉換器端口號號MOVAL，0FFH；初值為；初值為0FFHROTATE：INCALOUTDX, AL；往；往D/A轉換器輸出數據轉換器輸出數據CALLDELAY ；調用延遲子程序；調用延遲子程序JMPDX，ROTATEPMOV DX,DATA ；往；往CX中送延遲常數中送延遲常數DELAY: LOOP DELAYRET10.4 A/D轉換器主要性能指標轉換器主要性能指標A/D轉換器是將模擬量轉換成數字量的器件，模擬量轉換器是將模擬量轉換成數字量的器件，模擬量可以是電壓、電流等信號，也可以是聲、光、壓可以是電壓、電流等信號，也可以是聲、

25、光、壓力、溫度、濕度等隨時間連續變化的非電的物理力、溫度、濕度等隨時間連續變化的非電的物理量。非電量的模擬量可通過適當的傳感器量。非電量的模擬量可通過適當的傳感器(如光電如光電傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器)轉換成電信號。轉換成電信號。A/D轉換器主要性能指標有以下幾方面。轉換器主要性能指標有以下幾方面。 1. 分辨率分辨率分辨率表示轉換器對微小輸入量變化的敏感程度，分辨率表示轉換器對微小輸入量變化的敏感程度，通常用轉換器輸出數字量的位數來表示。例如，通常用轉換器輸出數字量的位數來表示。例如，對對8位位A/D轉換器，其數字輸出量的變化范圍為轉換器，其數字輸出量的變

26、化范圍為0255，當輸入電壓滿刻度為，當輸入電壓滿刻度為5V時，轉換電路對輸入時，轉換電路對輸入模擬電壓的分辨能力為模擬電壓的分辨能力為5V/25519.6mV。目前常用。目前常用的的A/D轉換集成芯片的轉換位數有轉換集成芯片的轉換位數有8位、位、10位、位、12位和位和14位等。位等。2. 精度精度A/D轉換器的精度是指與數字輸出量所對應的模擬輸轉換器的精度是指與數字輸出量所對應的模擬輸入量的實際值與理論值之間的差值。入量的實際值與理論值之間的差值。A/D轉換電路轉換電路中與每個數字量對應的模擬輸入量并非是單一的數中與每個數字量對應的模擬輸入量并非是單一的數值，而是一個范圍值，而是一個范圍，

27、如圖，如圖10.8(a)所示。所示。圖圖10.8圖中圖中的大小，在理論上取決于電路的分辨率。例如，的大小，在理論上取決于電路的分辨率。例如，對滿刻度輸入電壓為對滿刻度輸入電壓為5V的的12位位A/D轉換器，轉換器，為為1.22mV。定義。定義為數字量的最小有效位為數字量的最小有效位LSB。但在。但在外界環境的影響下，與每一數字輸出量對應的輸入外界環境的影響下，與每一數字輸出量對應的輸入量實際范圍往往偏離理論值量實際范圍往往偏離理論值。精度通常用最小有效位精度通常用最小有效位LSB的分數值來表示。在圖的分數值來表示。在圖10.(a)中，設中，設的中點為的中點為A，如果輸入模擬量在，如果輸入模擬量

28、在A/2的范圍內，產生唯一的數字量的范圍內，產生唯一的數字量D，則這時稱，則這時稱轉換器的精度為轉換器的精度為0LSB。若模擬量變化范圍的上。若模擬量變化范圍的上限值和下限值各增減限值和下限值各增減/4，轉換器輸出仍為同一數，轉換器輸出仍為同一數碼碼D，則稱其精度為，則稱其精度為1/4LSB，如圖，如圖10.8(b)所示。所示。如果模擬量的實際變化范圍如圖如果模擬量的實際變化范圍如圖10.8(c)所示，這時所示，這時稱其精度為稱其精度為1/2LSB。目前常用的目前常用的A/D轉換集成芯片的精度為轉換集成芯片的精度為1/42LSB。3. 轉換時間轉換時間完成一次完成一次A/D轉換所需要的時間，稱

29、為轉換所需要的時間，稱為A/D轉換電路轉換電路的轉換時間。目前，常用的的轉換時間。目前，常用的A/D轉換集成芯片的轉轉換集成芯片的轉換時間約為幾個換時間約為幾個s200s。在選用。在選用A/D轉換集成芯轉換集成芯片時，應綜合考慮分辨率、精度、轉換時間、使用片時，應綜合考慮分辨率、精度、轉換時間、使用環境溫度以及經濟性等諸因素。環境溫度以及經濟性等諸因素。12位位A/D轉換器適轉換器適用于高分辨率系統；陶瓷封裝用于高分辨率系統；陶瓷封裝A/D轉換芯片適用于轉換芯片適用于-25+85或或-55+125，塑料封裝芯片適且于，塑料封裝芯片適且于070。4. 溫度系數和增益系數溫度系數和增益系數這兩項指

30、標都是表示這兩項指標都是表示A/D轉換器受環境溫度影響的程轉換器受環境溫度影響的程度。一般用每攝氏度溫度變化所產生的相對誤差作度。一般用每攝氏度溫度變化所產生的相對誤差作為指標，以為指標，以ppm/為單位表示。為單位表示。5. 對電源電壓變化的抑制比對電源電壓變化的抑制比A/D轉換器對電源電壓變化的抑制比轉換器對電源電壓變化的抑制比(PSRR)用改變用改變電源電壓使數據發生電源電壓使數據發生1LSB變化時所對應的電源變化時所對應的電源電壓變化范圍來表示。電壓變化范圍來表示。10.5 A/D轉換器工作原理轉換器工作原理ADC是把模擬量是把模擬量(通常是模擬電壓通常是模擬電壓)信號轉換為信號轉換為

31、n位二進制數字量信號的電路。這種轉換通常分位二進制數字量信號的電路。這種轉換通常分4步進行：步進行：采樣采樣保持保持量化量化編碼編碼前兩步在采樣保持電路中完成，后兩步在前兩步在采樣保持電路中完成，后兩步在A/D轉轉換過程中同時實現。換過程中同時實現。10.5.1 采樣采樣所謂采樣，是將一個時間上連續變化的模擬量轉所謂采樣，是將一個時間上連續變化的模擬量轉換為時間上斷續變化的換為時間上斷續變化的(離散的離散的)模擬量。或者模擬量。或者說，采樣是把一個時間上連續變化的模擬量轉說，采樣是把一個時間上連續變化的模擬量轉換為一個串脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬換為一個串脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量，

32、時間上通常采用等時間間隔采樣。采樣過量，時間上通常采用等時間間隔采樣。采樣過程的示意圖如圖程的示意圖如圖10.9所示。所示。圖圖10.9采樣器相當于一個受控的理想開關，采樣器相當于一個受控的理想開關，s(t)=1時，開關時，開關閉合，閉合，fs(t)=f(t)；s(t)=0時開關斷開，時開關斷開，fs(t)=0。如用。如用數字邏輯式表示，即為：數字邏輯式表示，即為：fs(t)=f(t)s(t)，s(t)=1或或0，也可用波形圖表示，如圖也可用波形圖表示，如圖10.10(a)，(b)，(c)所示。所示。從波形圖可見，在從波形圖可見，在s(t)=1期間，輸出跟蹤輸入變化，期間，輸出跟蹤輸入變化，相

33、當于輸出把輸入的相當于輸出把輸入的“樣品樣品”采下來了。所以也可采下來了。所以也可把采樣電路叫做跟蹤電路。把采樣電路叫做跟蹤電路。圖圖10.1010.5.2 保持保持所謂保持，就是將采樣得到的模擬量值保持下來，所謂保持，就是將采樣得到的模擬量值保持下來，即是說，即是說，s(t)=0期間，使輸出不是等于期間，使輸出不是等于0，而是等，而是等于采樣控制脈沖存在的最后瞬間的采樣值，如圖于采樣控制脈沖存在的最后瞬間的采樣值，如圖10.10(d)所示。可見，保持發生在所示。可見，保持發生在s(t)=0期間。最期間。最基本的采樣基本的采樣保持電路如圖保持電路如圖10.11所示。它由所示。它由MOS管采樣開

34、關管采樣開關T、保持電容、保持電容Cb和運放做成的跟隨器三和運放做成的跟隨器三部分組成。部分組成。s(t)=1時，時，T導通，導通，vi向向Cb充電，充電，vC和和v0跟蹤跟蹤vi變化，即對變化，即對vi采樣。采樣。 s(t)=0時，時，T截止，截止，v0將將保持前一瞬間采樣的數值不變。只要保持前一瞬間采樣的數值不變。只要Cb的漏電電的漏電電阻、跟隨器的輸入電阻和阻、跟隨器的輸入電阻和MOS管管T的截止電阻都的截止電阻都足夠大，大到可忽略足夠大，大到可忽略Cb的放電電流的程度，的放電電流的程度，v0就就能保持到下次采樣脈沖到來之前而基本不變。實能保持到下次采樣脈沖到來之前而基本不變。實際中進行

35、際中進行A/D轉換時所用的輸入電壓，就是這種保轉換時所用的輸入電壓，就是這種保持下來的采樣電壓，也就是每次采樣結束時的輸持下來的采樣電壓，也就是每次采樣結束時的輸入電壓。入電壓。圖圖10.11所謂量化，就是用基本的量化電平所謂量化，就是用基本的量化電平q的個數來表示采的個數來表示采樣樣保持電路得到的模擬電壓值。這一過程實質上保持電路得到的模擬電壓值。這一過程實質上是把時間上離散而數字上連續的模擬量以一定的準是把時間上離散而數字上連續的模擬量以一定的準確度變為時間上、數字上都離散的、量級化的等效確度變為時間上、數字上都離散的、量級化的等效數字值。量級化的方法通常有兩種：只舍不入法和數字值。量級化

36、的方法通常有兩種：只舍不入法和有舍有入法有舍有入法(四舍五入法四舍五入法)。這兩種量化法的示意圖。這兩種量化法的示意圖如圖如圖10.12(a)和圖和圖10.12(b)所示。圖所示。圖10.12(c)給出了給出了一個用只舍不入法量化的實例。從圖中可看出，量一個用只舍不入法量化的實例。從圖中可看出，量化過程也就是把采樣保持下來的模擬值舍入成整數化過程也就是把采樣保持下來的模擬值舍入成整數的過程。的過程。顯然，對于連續變化的模擬量，只有當數值正好等顯然，對于連續變化的模擬量，只有當數值正好等于量化電平的整數倍時，量化后才是準確值，如圖于量化電平的整數倍時，量化后才是準確值，如圖10.5.3 量化和編

37、碼量化和編碼 10.12(c)中中T1，T2，T4，T6，T8，T11，T12時刻所示。不時刻所示。不然，量化的結果都只能是輸入模擬量的近似值。這種由然，量化的結果都只能是輸入模擬量的近似值。這種由于量化而產生的誤差，稱之為量化誤差，它直接影響了于量化而產生的誤差，稱之為量化誤差，它直接影響了轉換器的轉換精度。量化誤差是由于量化電平的有限性轉換器的轉換精度。量化誤差是由于量化電平的有限性造成的，所以它是原理性誤差，只能減小，而無法消除。造成的，所以它是原理性誤差，只能減小，而無法消除。為減小量化誤差，根本的辦法是取小的量化電平。另外，為減小量化誤差，根本的辦法是取小的量化電平。另外，在量化電平

38、一定的情況下，一般采用四舍五入法帶來的在量化電平一定的情況下，一般采用四舍五入法帶來的量化誤差只是只舍不入法引起的量化誤差的一半。量化誤差只是只舍不入法引起的量化誤差的一半。編碼就是把已經量化的模擬數值編碼就是把已經量化的模擬數值(它一定是量化電平的整數它一定是量化電平的整數倍倍)用二進制數碼、用二進制數碼、BCD碼或其他碼來表示，比如用二進碼或其他碼來表示，比如用二進制來對圖制來對圖10.12(c)的量化結果進行編碼，則可得到圖中所的量化結果進行編碼，則可得到圖中所示的編碼輸出。示的編碼輸出。至此，即完成了至此，即完成了A/D轉換的全過程，將各采樣點的模擬電壓轉換的全過程，將各采樣點的模擬電

39、壓轉換成了與之一一對應的二進制數碼。轉換成了與之一一對應的二進制數碼。圖圖10.12實現實現A/D轉換的方法很多，常用的有逐次逼近法、雙轉換的方法很多，常用的有逐次逼近法、雙積分法及電壓頻率轉換法等。積分法及電壓頻率轉換法等。1. 逐次逼近法逐次逼近法A/D轉換器轉換器逐次逼近法逐次逼近法A/D轉換是一個具有反饋回路的閉路系統。轉換是一個具有反饋回路的閉路系統。A/D轉換器可劃分成轉換器可劃分成3大部分：比較環節、控制環大部分：比較環節、控制環節、比較標準節、比較標準(D/A轉換器轉換器)。圖圖10.13就是逐次逼近法就是逐次逼近法A/D轉換器的原理電路。其轉換器的原理電路。其主要原理為：將一

40、個待轉換的模擬輸入信號主要原理為：將一個待轉換的模擬輸入信號VIN與與一個一個“推測推測”信號信號V1相比較，根據推測信號是大于相比較，根據推測信號是大于還是小于輸入信號來決定減小還是增大該推測信號，還是小于輸入信號來決定減小還是增大該推測信號，以便向模擬輸入信號逼近。推測信號由以便向模擬輸入信號逼近。推測信號由D/A變換器變換器的輸出獲得，當推測信號與模擬輸入信號的輸出獲得，當推測信號與模擬輸入信號“相等相等”時，向時，向D/A轉換器輸入的數字即為對應的模擬輸入轉換器輸入的數字即為對應的模擬輸入的數字。的數字。圖圖10.13其其“推測推測”的算法是這樣的，它使二進制計數器中的二的算法是這樣的

41、，它使二進制計數器中的二進制數的每一位從最高位起依次置進制數的每一位從最高位起依次置1。每接一位時，都。每接一位時，都要進行測試。若模擬輸入信號要進行測試。若模擬輸入信號VIN小于推測信號小于推測信號V1，則，則比較器的輸出為零，并使該位置零；否則比較器的輸比較器的輸出為零，并使該位置零；否則比較器的輸出為出為1，并使該位保持，并使該位保持1。無論哪種情況，均應繼續比。無論哪種情況，均應繼續比較下一位，直到最末位為止。此時在較下一位，直到最末位為止。此時在D/A變換器的數字變換器的數字輸入即為對應于模擬輸入信號的數字量，將此數字輸輸入即為對應于模擬輸入信號的數字量，將此數字輸出，即完成其出，即

42、完成其A/D轉換過程。轉換過程。2. 雙積分法雙積分法A/D轉換器轉換器雙積分法雙積分法A/D轉換器由電子開關、積分器、比較器和控轉換器由電子開關、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。如圖制邏輯等部件組成。如圖10.14(a)所示。雙積分法所示。雙積分法A/D轉換器是將未知電壓轉換器是將未知電壓VX轉換成時間值來間接測量的，轉換成時間值來間接測量的，所以雙積分法所以雙積分法A/D轉換器也叫做轉換器也叫做T-V型型A/D轉換器。轉換器。圖圖10.14在進行一次在進行一次A/D轉換時，開關先把轉換時，開關先把VX采樣輸入到積采樣輸入到積分器，積分器從零開始進行固定時間分器，積分器從零開始進行固定時

43、間T的正向積分，的正向積分，時間時間T到后，開關將與到后，開關將與VX極性相反的基準電壓極性相反的基準電壓VREF輸入到積分器進行反相積分，到輸出為零伏時停止輸入到積分器進行反相積分，到輸出為零伏時停止反相積分。反相積分。圖圖10.14(b)所示的積分器輸出波形可以看出：反相積所示的積分器輸出波形可以看出：反相積分時積分器的斜率是固定的，分時積分器的斜率是固定的，VX越大、積分器的越大、積分器的輸出電壓越大、反相積分時間越長。計數器在反相輸出電壓越大、反相積分時間越長。計數器在反相積分時間內所計的數值就是與輸入電壓積分時間內所計的數值就是與輸入電壓VX在時間在時間T內的平均值對應的數字量。內的

44、平均值對應的數字量。由于這種由于這種A/D要經歷正、反兩次積分，故轉換速度較要經歷正、反兩次積分，故轉換速度較慢。慢。3. 電壓頻率轉換法電壓頻率轉換法A/D轉換器轉換器(1) VFC模模/數轉換器工作原理：數轉換器工作原理： VFC(電壓頻率轉換電壓頻率轉換器器)構成模構成模/數轉換器時，由計數器、控制門及一個數轉換器時，由計數器、控制門及一個具有恒定時間的時鐘門控制信號組成。圖具有恒定時間的時鐘門控制信號組成。圖10.15示示出出VFC型型A/D轉換裝置的流程圖和波形。當電壓轉換裝置的流程圖和波形。當電壓Vi加至加至VFC的輸入端后，便產生頻率的輸入端后，便產生頻率f與與Vi成正比的成正比

45、的脈沖。該脈沖通過由時鐘控制的門，在單位時間脈沖。該脈沖通過由時鐘控制的門，在單位時間T內由計數器計數。計數器在每次計數開始時，原來內由計數器計數。計數器在每次計數開始時，原來的計數值被清零。這樣，每個單位時間內，計數器的計數值被清零。這樣，每個單位時間內，計數器的計數值就正比于輸入電壓的計數值就正比于輸入電壓Vi，從而完成，從而完成A/D變換。變換。圖圖10.15當當VFC的滿度頻率已知時，的滿度頻率已知時，A/D轉換周期為：轉換周期為：T=N/F(10-3)式中式中NA/D轉換器最大輸出計數值；轉換器最大輸出計數值；FVFC的滿度頻率。的滿度頻率。VFC與微型機結合起來，可方便的構成多位高

46、精度與微型機結合起來，可方便的構成多位高精度的的A/D轉換器，且具有如下特點：轉換器，且具有如下特點： VFC價格不高。用它構成的價格不高。用它構成的A/D轉換器，在零點轉換器，在零點漂移及非線性誤差等方面，性能均優于逐次逼近式漂移及非線性誤差等方面，性能均優于逐次逼近式A/D轉換器。轉換器。 VFC輸出頻率為輸出頻率為f的脈沖信號，只需要兩根傳輸線的脈沖信號，只需要兩根傳輸線就可進行傳送。用這種方式對生產現場的信號進行就可進行傳送。用這種方式對生產現場的信號進行采樣和遠距離傳輸都很方便，且傳輸過程中的抗干采樣和遠距離傳輸都很方便，且傳輸過程中的抗干擾能力強。擾能力強。 VFC的輸入量為模似信

47、號的輸入量為模似信號Vi輸出的是脈沖信號，只需輸出的是脈沖信號，只需采用光耦合器傳輸脈沖信號，便可實現模似輸入信號采用光耦合器傳輸脈沖信號，便可實現模似輸入信號Vi和計算機系統之間的隔離。和計算機系統之間的隔離。 由于由于VFC的工作過程具有積分特性，因此在構成的工作過程具有積分特性，因此在構成A/D轉換器時，對噪聲具有良好的濾波作用。所以，采用轉換器時，對噪聲具有良好的濾波作用。所以，采用VFC進行進行A/D轉換時，其輸入信號的濾波環節可簡化。轉換時，其輸入信號的濾波環節可簡化。采用采用VFC構成構成A/D轉換器的缺點是轉換速度較慢。為了轉換器的缺點是轉換速度較慢。為了克服這一缺點，可采用如

48、下措施：克服這一缺點，可采用如下措施：(a) 采用高頻采用高頻VFC。若采用若采用5MHz的的VFC構成構成10位位A/D轉換器，則最大轉換轉換器，則最大轉換 時間只需時間只需200s，這就進入了中速，這就進入了中速A/D轉換的行列。轉換的行列。(b) 在多微機系統中，利用單片機與在多微機系統中，利用單片機與VFC構成構成A/D轉換器。轉換器。由于系統是多機同時工作，即在同一時間內，系統可由于系統是多機同時工作，即在同一時間內，系統可實現多功能的控制運算，這就解決了實時控制中在速實現多功能的控制運算，這就解決了實時控制中在速度上的矛盾。度上的矛盾。(2) 電壓頻率變換器電壓頻率變換器(VFC)

49、的傳輸特性：的傳輸特性： VFC是輸出是輸出信號頻率正比于輸入電壓數值的線性變換器，其傳信號頻率正比于輸入電壓數值的線性變換器，其傳輸特性輸特性(如圖如圖10.16所示）可由下式表示：所示）可由下式表示： f=KVi(10-4)式中式中 f變換器輸出信號頻率；變換器輸出信號頻率；Vi變換器輸入電壓；變換器輸入電壓；K變換器的增益。變換器的增益。VFC具有如下主要指標：具有如下主要指標：圖圖10.16 頻率范圍：是指在額定輸入電壓范圍內的輸出脈沖頻頻率范圍：是指在額定輸入電壓范圍內的輸出脈沖頻率范圍，通常分率范圍，通常分010kHz，0100kHz，01MHz三三種。近年來，國外已生產出輸出頻率

50、為種。近年來，國外已生產出輸出頻率為05MHz的的VFC模塊模塊(如美國如美國TP公司生產的公司生產的4707)。 模擬輸入電壓范圍：變換器額定輸入電壓的范圍，一模擬輸入電壓范圍：變換器額定輸入電壓的范圍，一般為般為010V，該輸入值通常還允許超出量程，該輸入值通常還允許超出量程10%100%。 輸入阻抗：輸入端對地的等效電阻，該值一般在輸入阻抗：輸入端對地的等效電阻，該值一般在10100k之間。之間。 非線性誤差：一般用相對滿量程的百分數表示，通常非線性誤差：一般用相對滿量程的百分數表示，通常在在0.0.001%之間。之間。 滿程穩定性：包括滿程溫度系數、時間漂移、電源電滿程穩定性：包括滿程

51、溫度系數、時間漂移、電源電壓靈敏度部分。其中溫度系數是主要的，一般幾壓靈敏度部分。其中溫度系數是主要的，一般幾十幾百十幾百ppm(即百萬分之幾即百萬分之幾)/的數量級。的數量級。 工作電壓：一般是工作電壓：一般是15V，其可變化范圍為，其可變化范圍為12V。 電源電流：該指標實際上表示了器件的功耗。正電源電流：該指標實際上表示了器件的功耗。正負電源電流一般為幾負電源電流一般為幾mA到到2030mA。 工作溫度：通常要求工作溫度：通常要求VFC模塊在模塊在0+70范圍范圍內能正常工作。內能正常工作。10.6 ADC 0809 A/D轉換器轉換器 10.6.1 ADC 0809的結構的結構ADC

52、0809是是National半導體公司生產半導體公司生產CMOS材料的材料的A/D轉換器。它是具有轉換器。它是具有8個通道的模擬量輸入線，個通道的模擬量輸入線，可在程序控制下對任意通道進行可在程序控制下對任意通道進行A/D轉換，得到轉換，得到8位二進制數字量。其引腳如圖位二進制數字量。其引腳如圖10.17所示。其主要所示。其主要技術指標如下：技術指標如下：電源電壓電源電壓6.5V分辨率分辨率8位位時鐘頻率時鐘頻率640kHz轉換時間轉換時間100s未經調整誤差未經調整誤差1/2LSB和和1LSB模擬量輸入電壓范圍模擬量輸入電壓范圍05V功耗功耗15mW圖圖10.17圖圖10.18為為ADC 0

53、809內部原理框圖，片內有內部原理框圖，片內有8路模擬路模擬開關、模擬開關的地址鎖存與譯碼電路、比較器、開關、模擬開關的地址鎖存與譯碼電路、比較器、256R電阻電阻T型網絡、樹狀電子開關、逐次逼近寄存型網絡、樹狀電子開關、逐次逼近寄存器器SAR、三態輸出鎖存緩沖存儲器、控制與時序電、三態輸出鎖存緩沖存儲器、控制與時序電路等。路等。ADC 0809通過引腳通過引腳IN0，IN1，IN7可輸入可輸入8路單路單邊模擬輸入電壓。邊模擬輸入電壓。ALE將將3位地址線位地址線ADDA，ADDB，ADDC進行鎖存，然后由譯碼器選通進行鎖存，然后由譯碼器選通8路路中的一路進行中的一路進行A/D轉換。轉換。對于

54、片內的對于片內的256R電阻電阻T型網絡和電子開關樹，為了簡型網絡和電子開關樹，為了簡化問題，以化問題，以2位位A/D變換器為例加以說明。此時只變換器為例加以說明。此時只需需224R的電阻網絡。圖的電阻網絡。圖10.19示出了示出了4R電阻網絡電阻網絡及相應的開關樹。及相應的開關樹。圖中圖中VST輸出的大小，除了與輸出的大小，除了與VREF輸入電壓的大小有輸入電壓的大小有關外，還與開關樹內各個開關的合、斷狀態有關。關外，還與開關樹內各個開關的合、斷狀態有關。開關的合斷又取決于一個二進制數字開關的合斷又取決于一個二進制數字D1D0。D1控制控制右邊兩個開關右邊兩個開關S10和和S11：當：當D1

55、=1時，上面的開關時，上面的開關S10閉合而下面的開關閉合而下面的開關S11斷開；當斷開；當D1=0時，則反之。時，則反之。D0控制左邊控制左邊4個開關個開關S00S03；當；當D0=1時，時，S00和和S02閉合而閉合而S01和和S03斷開；當斷開；當D0=0時，則反之。由此可時，則反之。由此可見，這部分電路相當于一個見，這部分電路相當于一個D/A轉換器。轉換器。圖圖10.18圖圖10.19可見，可見，VST電壓的大小取決于輸入的數字量電壓的大小取決于輸入的數字量D1D0。8位的情況與此類似。位的情況與此類似。SAR(逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器)和比較器的工作原理如下：在和比較器的工作原理

56、如下：在變換前，變換前，SAR為全零。變換開始，先使最高位為為全零。變換開始，先使最高位為1，其余位仍為其余位仍為0，此，此“數字數字”控制開關樹中開關的合、控制開關樹中開關的合、斷，開關樹的輸出斷，開關樹的輸出VST和模擬量輸入和模擬量輸入VIN一起輸入比一起輸入比較器進行比較。如果較器進行比較。如果VSTVIN，則比較器輸出為，則比較器輸出為0，SAR的最高位置的最高位置0；如果；如果VSTVIN，則比較器輸出，則比較器輸出為為1，SAR的最高位保持的最高位保持1。此后的。此后的SAR的下一個最的下一個最高位置高位置1，其余較低位仍為，其余較低位仍為0，而上一次比較過的最，而上一次比較過的

57、最高位保持原來值。再將高位保持原來值。再將VST和和VIN比較，重復上述過比較，重復上述過程，直至最低位比較完為止。程，直至最低位比較完為止。比較完畢后，比較完畢后，SAR的數字送入三態輸出鎖存器。三的數字送入三態輸出鎖存器。三態輸出鎖存器輸出的態輸出鎖存器輸出的2-8，2-7，2-1中中2-1對應于對應于數字量最高位的數字量最高位的D7，2-8對應于最低位對應于最低位D0。OE端為端為輸出允許信號，當輸出允許信號，當OE端出現高電平時，將三態輸端出現高電平時，將三態輸出鎖存器中的數字量放在數據總線上，以供出鎖存器中的數字量放在數據總線上，以供CPU讀讀入。入。START和和EOC分別為啟動信

58、號和變換結束信號，分別為啟動信號和變換結束信號，EOC用來申請中斷。用來申請中斷。10.6.2 ADC 0809與系統總線的連接與系統總線的連接由于由于ADC 0809芯片輸出端具有可控的芯片輸出端具有可控的3態輸出門，態輸出門，因此與系統總線連接非常簡單，即直接和系統因此與系統總線連接非常簡單，即直接和系統總線相連，由讀信號控制總線相連，由讀信號控制3態門，在轉換結束態門，在轉換結束后，后，CPU通過執行一條輸入指令，而產生讀信通過執行一條輸入指令，而產生讀信號，將數據從號，將數據從A/D轉換器取出。轉換器取出。ADC 0809與系統總線連接如圖與系統總線連接如圖10.20所示。所示。圖圖1

59、0.20在圖中用微機系統的地址線通過譯碼器輸出端作為在圖中用微機系統的地址線通過譯碼器輸出端作為ADC 0809的片選信號。以的片選信號。以M/IO，WR和地址譯碼輸出信號和地址譯碼輸出信號的組合作為啟動信號的組合作為啟動信號START和地址鎖存信號和地址鎖存信號ALE。以。以M/IO，RD和地址信號的組合信號作為輸出允許信號和地址信號的組合信號作為輸出允許信號OUTPUTENABLE。通道地址線。通道地址線ADDA，ADDB，ADDC分別接到數據總線的低分別接到數據總線的低3位上。當計算機向位上。當計算機向ADC 0809芯片執行一條輸出指令時，芯片執行一條輸出指令時，M/IO WR 和地址

60、信號和地址信號同時有效，地址鎖存信號同時有效，地址鎖存信號ALE將出現在數據總線上的將出現在數據總線上的模擬通道地址鎖入模擬通道地址鎖入ADC 0809的地址鎖存器中，的地址鎖存器中，START信號啟動芯片開始信號啟動芯片開始A/D轉換。當計算機按上述芯片地址轉換。當計算機按上述芯片地址執行一條輸入指令時，執行一條輸入指令時，M/IO，RD和地址信號同時有效，和地址信號同時有效，這時輸出允許這時輸出允許OUTPUT ENABLE有效，有效，ADC 0809的的輸出三態門被打開，已轉換好的數據就出現在數據總輸出三態門被打開，已轉換好的數據就出現在數據總線上。線上。ADC 0809的時鐘頻率為的時