1、第第11章章 數模與模數轉換器數模與模數轉換器 將數字信號轉換為模擬信號的電路稱為將數字信號轉換為模擬信號的電路稱為數模轉換器數模轉換器（DACDigital to Analog Converter），而將模擬），而將模擬信號轉換為數字信號的電路則稱為信號轉換為數字信號的電路則稱為模數轉換器模數轉換器(ADC-Analog to Digital Converter)。 DAC和和ADC是數字電路和模擬電路之間的接口電是數字電路和模擬電路之間的接口電路。路。11.1 數模和模數轉換的作用11.2 數模轉換器(DAC)11.3 模數轉換器(ADC) 工業控制系統框圖示例工業控制系統框圖示例變變換換

2、器器傳傳感感器器防防混混低低通通濾濾波波器器模模數數轉轉換換器器數數字字處處理理子子系系統統數數模模轉轉換換器器模模擬擬執執行行機機構構數字執數字執行機構行機構電電量量非非電電量量模擬子系統模擬子系統模擬子系統模擬子系統重重構構低低通通濾濾波波器器 數模轉換器、模數轉換器是模擬系統與數字系統的橋梁，稱為數模轉換器、模數轉換器是模擬系統與數字系統的橋梁，稱為接口電路。它們是用數字系統處理模擬信號所必須的電子電路。接口電路。它們是用數字系統處理模擬信號所必須的電子電路。 生產過程中的物理量執行機構11.1 數模和模數轉換的作用數模和模數轉換的作用工業控制計算（IPC）、單片機、數字信號處理器和可編

3、邏輯控制器，甚至可以擴展到計算機網絡。各種物理量的測量和顯示、手動控制和報警等功能各種物理量的測量和顯示、手動控制和報警等功能 數字量或數字量或開關量開關量11.2 數模轉換器數模轉換器(DAC) 數模轉換器：數模轉換器：將數字信號轉換為模擬信號的電路。將數字信號轉換為模擬信號的電路。轉換原理框圖：寄存器、開關網絡、解碼網絡、基準電源轉換原理框圖：寄存器、開關網絡、解碼網絡、基準電源n位數字量分別控制位數字量分別控制n個個模擬電子開關的通斷模擬電子開關的通斷對每一次確定的數字量輸入，解碼網對每一次確定的數字量輸入，解碼網絡和開關網絡組成相應的絡和開關網絡組成相應的線性電路線性電路在穩定的基準電

4、在穩定的基準電壓激勵下產生與壓激勵下產生與數字量和基準電數字量和基準電壓成正比的電壓壓成正比的電壓或電流或電流 根據變換網絡的結構，DAC分為分為倒T形電阻網絡DAC、權電流型DAC、T形電阻網絡DAC、權電阻網絡DAC、權電容網絡DAC和開關樹型DAC。要求要求VREF很穩定很穩定本節介紹倒T形電阻網絡DAC和權電流型DAC。存儲輸入數字量電阻、電容等電路11.2數模轉換器數模轉換器(DAC) 11.2.1 倒T形電阻網絡DAC11.2.2 權電流型DAC*11.2.3 DAC的雙極性輸出11.2.4 DAC的主要技術指標11.2.1 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡DAC1工作原理工作原理來自輸

5、入或寄存器開關網絡R-2R電阻網絡電流電壓變換每個節點i對地的等效電阻為R1684201231IDIDIDIDIORVIREF140400112233422)2222(2iiiDIDDDDI1404122iiiREFfOfODVRRIRv虛地！并聯電阻上為權電流!11.2.1 倒倒T形電阻網絡形電阻網絡DAC1工作原理工作原理來自輸入或寄存器開關網絡R-2R電阻網絡電流電壓變換每個節點i的等效電阻為RRVIREF虛地！并聯電阻上為權電流!140422iiiREFfODVRRvK是1個單位數字量對應的電壓的絕對值，稱為單位電壓，常記為LSB。 BZ是n位自然二進制數（0）輸出電壓是單極性的。nR

6、EFfniiiZZniiinREFfOVRRKDBBKDVRRv22221010單刀雙置開關可以用雙極型三極管或單刀雙置開關可以用雙極型三極管或MOS管實現。管實現。 如果如果Di=1，TN1導通，導通，TN2截止，固定端截止，固定端A與與N(與運放的反與運放的反相端相端)相連；相連； 如果如果Di=0，TN1截止，截止，TN2導通，固定端導通，固定端A與與P(與運放的同與運放的同相端相端)相連。相連。 由于由于MOS管的導通電阻不相等，導致電阻網絡不是準確的管的導通電阻不相等，導致電阻網絡不是準確的R-2R網絡，出現誤差。網絡，出現誤差。PNA2單片集成單片集成DAC140=422-=iii

7、REFfODVRRv AD7520 AD7520集成反饋電阻集成反饋電阻R Rf f，與倒與倒T T形電阻網絡的形電阻網絡的R R相等。相等。 輸出電壓為輸出電壓為: :901100102102422iiiREFiiiREFODVDVv 輸出電壓與輸入輸出電壓與輸入10位自然位自然二進制數成正比。二進制數成正比。 基準電壓基準電壓VREF可正可負。可正可負。 如果用另一個如果用另一個DAC的輸出的輸出替換替換VREF，則可實現，則可實現2個數字量個數字量之積的數模轉換。之積的數模轉換。 單片集成倒T形電阻網絡DAC芯片有AD7520(10位DAC) 、DAC1210H(12位DAC) 和AK7

8、546(16位DAC)等。 單片集成單片集成ADCADC：AD7520AD7520集成集成1010位倒位倒T T電阻網絡電阻網絡3. DAC的應用的應用:斜坡發生器斜坡發生器 Ov D9 + D0 D1 圖圖11.2.5 斜坡電壓發生器斜坡電壓發生器 (a) 原理框圖原理框圖 (b) 波形波形 10位位二進二進制計制計數器數器 DAC AD 7520 Rf IO1 IO2 GND CP t / TCP O 1023 2047 LSB Ov (a) (b) A VREF=5V 10位二進制計數器對周期脈沖位二進制計數器對周期脈沖CP計數，輸出自然計數，輸出自然二進制碼，二進制碼，DAC將其轉換為

9、階梯電壓，將其轉換為階梯電壓，近似線性電壓近似線性電壓輸出輸出，如圖，如圖(b)所示。階梯高度為單位電壓所示。階梯高度為單位電壓LSB: mVVLSBKREF88. 4252101011.2.2 權電流型權電流型DAC 在倒在倒T形電阻網絡形電阻網絡DAC中，模擬電子開關中，模擬電子開關使得電阻網絡不能使得電阻網絡不能準確地按準確地按R-2R構成構成，導致并聯電阻的電流偏離權電流值（，導致并聯電阻的電流偏離權電流值（I/2、I/4、I/8、I/16、），使輸出產生誤差。），使輸出產生誤差。用多路電流源產生準用多路電流源產生準確的權電流，形成權確的權電流，形成權電流型電流型DAC。 用多發射結晶

10、體管使每用多發射結晶體管使每個發射結的電流相等。個發射結的電流相等。 11.2.2 權電流型權電流型DAC 三極管TR、T3、T2、T1、T0和TC的射極電位相等（VE），它們的射極到負電源（-VEE）間的等效電阻依次為R、2R、4R、8R、 16R （按2n遞增的電阻稱為權電阻）。 以T2的發射極等效電阻為例說明。忽略IB0EEEEEI)V(VR-=2同理,可計算其他晶體管射極到-VEE的等效電阻。R2R4R8R 16R16R權電流T2的發射極等效電阻RVIREF基準電流EiEEEEiRVVI)(IE2IE2-VEERIIRRIEEE4=2+2=R2R4R8R 16R16R權電流RVIREF

11、)16842(01231IDIDIDIDIO1404122iiiREFfOfODVRRIRv140400112233422)2222(2iiiREFDRVDDDDI 輸出電壓與輸入自然二進制數成正比，實現數模轉換。輸出電壓與輸入自然二進制數成正比，實現數模轉換。 注意，由于多路注意，由于多路電流源輸出電流是單向的電流源輸出電流是單向的，所以，權電流，所以，權電流型型DACDAC的基準電壓的基準電壓V VREFREF只能為正。只能為正。推廣到一般情況，推廣到一般情況，n位位權電流型權電流型DAC的輸出電壓為的輸出電壓為nREFfniiiZZniiinREFfOVRRKDBBKDVRRv22221

12、010 BZ是是n位自然二進制數（位自然二進制數（0），），vO是單極性的。是單極性的。 K是是1個單位數字量對應的電壓，稱為單位電壓，個單位數字量對應的電壓，稱為單位電壓，常記為常記為LSB。 單片集成權電流型DAC的芯片有AD1408、DAC0806和DAC0808等。11.2.3 DAC的雙極性輸出的雙極性輸出 如果單極性輸出電壓減去如果單極性輸出電壓減去BZ的中值的中值BZZ對應的輸出電壓對應的輸出電壓值，則變為雙極性輸出電壓：值，則變為雙極性輸出電壓：偏移二進制碼112)2(22nZPPnZnZZZZOBBKBBKKKBKBKBv BP是雙極型的，值域為是雙極型的，值域為-2n-1，

13、2n-1-1，故輸出變為雙極性，故輸出變為雙極性電壓。電壓。 下面介紹下面介紹4位權電流型雙極性位權電流型雙極性DAC， BP -24-1，24-1-1。二進制碼(無符號數 )BZ（有符號數）BP值域0，2n-1-2n-1,2n-1-1最高位是符號位最高位是符號位:1-正，正，0-負。負。PREFfOfOBVRRIRv412雙極性偏移電阻和偏移電流22IRVIREFPPREFZREFiiiiiiOBRVBRVDIIDII43431404140412)2(2)22(2222I01-IP=I01-I/211.2.4 DAC的主要技術指標的主要技術指標1.轉換精度：轉換精度：通常用分辨率和轉換誤差描

14、述通常用分辨率和轉換誤差描述DAC的轉換精度。的轉換精度。 輸出電壓的范圍輸出電壓的范圍可能被等分的數目可能被等分的數目定義為定義為DAC的的分辨率分辨率。 分辨率還可定義為分辨率還可定義為最小輸出電壓變化量最小輸出電壓變化量與與輸出電壓變化幅輸出電壓變化幅度度之比的絕對值。之比的絕對值。) 12(1) 12(nnKK輸出電壓變化幅度最小輸出電壓變化量分辨率.12,12 , 0,等份具有nOnZZOvBKBv分辨率為分辨率為2n-1，簡述為，簡述為n位分辨率位分辨率。分辨率表示DAC在理論上可能達到的精度。 實際的精度與實際的精度與DACDAC的元件參數值等有關。它們是的元件參數值等有關。它們

15、是基準電壓基準電壓、電阻網絡電阻網絡、模擬開關模擬開關、運放的特性和工作溫度運放的特性和工作溫度等參數。這些元件等參數。這些元件的非理想性使輸出電壓偏離理論值，產生的非理想性使輸出電壓偏離理論值，產生轉換誤差轉換誤差。 比例系數誤差比例系數誤差反映基準電壓反映基準電壓VREF偏離理論值，使偏離理論值，使DAC 的比例的比例系數系數K產生誤差。產生誤差。 K VREF 。 非線性誤差非線性誤差則主要是電阻網絡、電流源和模擬開關等引起的，則主要是電阻網絡、電流源和模擬開關等引起的，他們通過不同的途徑影響他們通過不同的途徑影響K K的電阻值。的電阻值。由于元件參數偏離理論值，由于元件參數偏離理論值，

16、并且元件的電路位置不同，對輸出電壓的影響并且元件的電路位置不同，對輸出電壓的影響是非線性的是非線性的。通常通常用輸出電壓范圍內的用輸出電壓范圍內的最大非線性誤差最大非線性誤差描述對描述對DACDAC的影響。的影響。 失調誤差失調誤差是是由運放的零點漂移引起的由運放的零點漂移引起的，其大小與輸入數字量，其大小與輸入數字量無關，它使輸出電壓偏移一個微小量。無關，它使輸出電壓偏移一個微小量。 （總）轉換誤差轉換誤差e是比例系數誤差、非線性誤差和失調誤差比例系數誤差、非線性誤差和失調誤差的絕對值之和的絕對值之和。通常 KLSBe2121nREFfVRRK2=2.轉換速度轉換速度 完成一次數模轉換所需的

17、時間。常用建立時間和轉換速完成一次數模轉換所需的時間。常用建立時間和轉換速率描述。率描述。 建立時間建立時間ts 定義為從輸入數字量突變開始到輸出達到穩定值規定的定義為從輸入數字量突變開始到輸出達到穩定值規定的誤差帶之內所需的最大時間。誤差帶之內所需的最大時間。 規定規定的誤差帶一般為的誤差帶一般為1/2LSB，輸入數字量突變通常是，輸入數字量突變通常是由全由全0變全變全1。 目前，在不包含運放的單片集成目前，在不包含運放的單片集成DAC中，建立時間最短中，建立時間最短可達可達0.1S以內；在包含運放的集成以內；在包含運放的集成DAC中，建立時間最短可中，建立時間最短可達達1.5S以內。以內。

18、轉換速率轉換速率SRSR 是是指輸出電壓的最大變化率指輸出電壓的最大變化率。在外接運放的。在外接運放的DACDAC中，完成中，完成一次數模轉換的最大時間為一次數模轉換的最大時間為T TTRTR（maxmax）=t=ts s+V+VO(max)O(max)/SR/SRV VO(max)O(max)是輸出電壓的最大變化幅度。是輸出電壓的最大變化幅度。dtdSRV(max)O=11.3 模數轉換器模數轉換器(ADC) 模數轉換必須完成模數轉換必須完成對模擬量的時間和幅對模擬量的時間和幅值值進行雙重進行雙重離散化離散化的任務。的任務。 通過取樣和保持完成對時間的離散化通過取樣和保持完成對時間的離散化

19、通過通過量化量化和編碼完成對幅值的離散化和編碼完成對幅值的離散化 11.3.1 模數轉換基礎模數轉換基礎1. 取樣和保持取樣和保持當當S(t)=0S(t)=0時時，NMOSNMOS管截止，電容保管截止，電容保持取樣的終值電壓。持取樣的終值電壓。保持！保持！當當S(t)=1S(t)=1時，時， NMOSNMOS開關管導通，電開關管導通，電容充電。設充電時間常數為容充電。設充電時間常數為0 0，則輸，則輸出電壓跟隨輸入電壓變化。出電壓跟隨輸入電壓變化。取樣！取樣！開關頻率既是取樣頻率保持時保持時，量化和編碼電路將取樣電壓，量化和編碼電路將取樣電壓v vo o(nT(nTs s)=v)=vi i(n

20、T(nTs s) )轉換為數字量。轉換為數字量。 因為量化和編碼僅將取樣電壓轉因為量化和編碼僅將取樣電壓轉換為數字量，其他數值不予考慮。換為數字量，其他數值不予考慮。 所以，理論上將采樣保持電路的所以，理論上將采樣保持電路的輸出等效為離散的取樣序列輸出等效為離散的取樣序列2. 取樣定理取樣定理 模擬信號包含的信息是頻譜信息。模擬信號包含的信息是頻譜信息。同樣，數字信號包含的信息也是頻譜同樣，數字信號包含的信息也是頻譜信息。信息。 如果取樣序列包含原始模擬信號如果取樣序列包含原始模擬信號的頻譜信息，則取樣序列可真正代表的頻譜信息，則取樣序列可真正代表原始的模擬信號。原始的模擬信號。 取樣定理闡述

21、了取樣序列包含取樣序列包含原始模擬信號的頻譜信息的條件。原始模擬信號的頻譜信息的條件。取樣定理：取樣定理： 設原始模擬信號具有頻帶有限的頻譜，即頻譜集中設原始模擬信號具有頻帶有限的頻譜，即頻譜集中在在-fimax，fimax之內，在之內，在-fimax，fimax之外頻譜為之外頻譜為0。 如果如果取樣頻率取樣頻率大于或等于原始模擬信號最高頻率大于或等于原始模擬信號最高頻率的的2倍，則可用取樣序列完全恢復原始的模擬信號。倍，則可用取樣序列完全恢復原始的模擬信號。 即當即當max2isff 時，取樣序列的頻譜包含原始模擬信號的頻譜。時，取樣序列的頻譜包含原始模擬信號的頻譜。 3.防混濾波防混濾波

22、有效信號的頻譜通常是頻帶有限的，而噪有效信號的頻譜通常是頻帶有限的，而噪聲信號的頻譜則是無限的。聲信號的頻譜則是無限的。 根據取樣定理，為了從取樣序列中恢復有根據取樣定理，為了從取樣序列中恢復有效信號，應對原始輸入信號進行低通濾波，使效信號，應對原始輸入信號進行低通濾波，使信號滿足取樣定理。信號滿足取樣定理。 如果理想低通濾波的截止頻率是有效信號如果理想低通濾波的截止頻率是有效信號的最高頻率的最高頻率fimax，從而可濾除干擾和噪聲的頻，從而可濾除干擾和噪聲的頻譜，避免它們混疊在取樣序列的頻譜中，保證譜，避免它們混疊在取樣序列的頻譜中，保證取樣序列的頻譜主要包含有效信號的頻譜。取樣序列的頻譜主

23、要包含有效信號的頻譜。 消除頻譜混疊的低通濾波稱為防混濾波。消除頻譜混疊的低通濾波稱為防混濾波。 4量化和編碼量化和編碼 首先首先選定選定適當的單位電壓適當的單位電壓LSBLSB，在取樣電壓的，在取樣電壓的值域值域內形成間內形成間隔為隔為LSBLSB的離散電壓，每個離散電壓是的離散電壓，每個離散電壓是LSBLSB的整倍數。的整倍數。 編碼：編碼：對整數對整數n進行二進制編碼（可以是自然二進制碼、偏進行二進制編碼（可以是自然二進制碼、偏移二進制碼和補碼等），獲得移二進制碼和補碼等），獲得二進制數字量二進制數字量。 量化和編碼在取樣電壓的保持期內進行，實現對模擬信號幅量化和編碼在取樣電壓的保持期內

24、進行，實現對模擬信號幅值的離散化，獲得數字量。值的離散化，獲得數字量。 量化：量化：將將取樣電壓取樣電壓與與nLSB比較，得到與取樣電壓最接近的比較，得到與取樣電壓最接近的整數整數n。nLSBvI即求得單位電壓的整數倍的過程稱為量化。即求得單位電壓的整數倍的過程稱為量化。 為了將模擬信號轉換為數字量，為了將模擬信號轉換為數字量，將取樣電壓按某種近似方式將取樣電壓按某種近似方式歸化到與之相應的電平上歸化到與之相應的電平上，這一過程稱量化。，這一過程稱量化。 例例11.1 設取樣電壓的值域是設取樣電壓的值域是0V，1V，試對其離散，試對其離散為為3位自然二進制數。位自然二進制數。 解：選擇單位電壓

25、為電壓為: 在0V,1V中插入2n-1=7個離散電平：2/15，4/15，6/15， ，14/15。按與離散電平誤差最小按與離散電平誤差最小的原則對取樣量離散化，按的原則對取樣量離散化，按3位自然二進制數編碼位自然二進制數編碼: VLSBn1521221122131 綜上所述，按取樣、保持、量化和編碼綜上所述，按取樣、保持、量化和編碼4個步驟實個步驟實現模數轉換。現模數轉換。在取樣保持電路中完成取樣和保持，實現在取樣保持電路中完成取樣和保持，實現模擬量的時間離散化。模擬量的時間離散化。在保持期內完成量化和編碼，實在保持期內完成量化和編碼，實現對模擬量的幅值離散化。現對模擬量的幅值離散化。 量化

26、和編碼是模數轉換的關鍵過程，習慣上，稱實量化和編碼是模數轉換的關鍵過程，習慣上，稱實現現量化和編碼的電路為模數轉換器（量化和編碼的電路為模數轉換器（ADC）（）（狹義）。狹義）。 注意，廣義的模數轉換器包含取樣保持電路和狹義注意，廣義的模數轉換器包含取樣保持電路和狹義的模數轉換器。的模數轉換器。5. 模數轉換器（模數轉換器（ADC）的分類）的分類 量化和編碼電路（下述為量化和編碼電路（下述為ADC），按工作原理分），按工作原理分為為直接型直接型ADC和和間接型間接型ADC。 直接型直接型ADC將模擬信號（通常是電壓）直接轉換將模擬信號（通常是電壓）直接轉換為數字信號，為數字信號，模數轉換速度較

27、快模數轉換速度較快。典型電路有。典型電路有并并行比較行比較ADC、逐次比較逐次比較ADC等。等。 而而間接型間接型ADC則是先將模擬信號轉變為中間電量則是先將模擬信號轉變為中間電量（例如，時間或頻率），然后再將中間電量轉換（例如，時間或頻率），然后再將中間電量轉換為數字信號，轉換速度比直接型為數字信號，轉換速度比直接型ADC慢。典型電慢。典型電路有雙積分路有雙積分ADC、電壓頻率轉換、電壓頻率轉換ADC。 11.3.2 并行比較并行比較ADC R REFV1513 1D Q C1 R REFV1511 1D Q C1 + C1 R REFV151 1D Q C1 R REFV159 1D Q

28、C1 R REFV157 1D Q C1 R REFV155 1D Q C1 R REFV153 1D Q C1 )(SInTv REFV CP R/2 74148 I7 I6 YF I5 I4 Y2 I3 Y1 I2 Y0 I1 I0 YEX EN + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 優先編碼器優先編碼器 寄存器寄存器 電壓比較器電壓比較器 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q2 Q1 組成：精密電阻分壓器、組成：精密電阻分壓器、電壓比較器、寄存器和優電壓比較器、寄存器和優先編碼器。先編碼器。 設輸入電壓的值域是設輸入電壓的值域是0 V，VFSR V，其中，其中VFSR稱

29、為滿量程電壓。稱為滿量程電壓。 基準電壓基準電壓VREF = VFSR精密電阻分壓器輸入電壓精密電阻分壓器輸入電壓值域分成值域分成8，形成，形成8個量化個量化電平。電平。 電壓比較器和精密電電壓比較器和精密電阻分壓器實現了對輸入電阻分壓器實現了對輸入電壓的量化。壓的量化。 R REFV1513 1D Q C1 R REFV1511 1D Q C1 + C1 R REFV151 1D Q C1 R REFV159 1D Q C1 R REFV157 1D Q C1 R REFV155 1D Q C1 R REFV153 1D Q C1 )(SInTv REFV CP R/2 74148 I7 I

30、6 YF I5 I4 Y2 I3 Y1 I2 Y0 I1 I0 YEX EN + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 優先編碼器優先編碼器 寄存器寄存器 電壓比較器電壓比較器 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q2 Q1 例如，當C7=C6=C5= C4=C3=C2=C1=0時，表示輸入電壓在（13VREF/15，VREF內； 當C7=1、 C6=C5=C4= C3=C2=C1=0時， 表示輸入電壓在（11VREF/15，13VREF/15內；。 寄存器在時鐘的上升寄存器在時鐘的上升沿鎖存沿鎖存7個電壓比較器的結個電壓比較器的結果（即量化結果）。果（即量化結果）。 優先編碼器優

31、先編碼器74148對對量化結果進行編碼，其輸量化結果進行編碼，其輸出是自然二進制碼的按位出是自然二進制碼的按位取反（稱為反碼）。取反（稱為反碼）。REFSIREFSIFVLSBLSBnTvVnTvDDDB152,5 . 0)(5 . 0152)(222001122LSBeeBLSBeDLSBnTvFniiiSI212)(max10反碼輸出：輸入電壓越大，輸出二進制碼越小。10=2=niiiZDB表示對計算結果表示對計算結果取整數取整數11.3.3 逐次比較逐次比較ADC逐次比較模數轉換原理與天平稱量重物的方法類似。 設重物是5.6kg,置于天平的一個盤內； 砝碼由重到輕依次試放入另一個盤內，重

32、則取出，輕則保留，直到最小的砝碼試放完畢； 0表示取出，1表示保留，得到一組二進制數，該數乘以單位重量即是物重。 在此過程中，砝碼試放順序是關鍵，即依權重順序試放。天平重物寄存器+DAC砝碼操作順序11.3.3 逐次比較逐次比較ADC逐次比較控制邏輯是典型的順序控制邏輯。逐次比較控制邏輯是典型的順序控制邏輯。第一步：設置寄存器的最高有效位第一步：設置寄存器的最高有效位1；第二步：根據比較結果取舍比較位，并設置相鄰低位為第二步：根據比較結果取舍比較位，并設置相鄰低位為1；重復第二步，直到最低有效位。重復第二步，直到最低有效位。 因此，逐次比較控制邏輯可以因此，逐次比較控制邏輯可以采用順序脈沖發生

33、器采用順序脈沖發生器和和取取舍組合邏輯電路舍組合邏輯電路實現。實現。 4個下降沿觸發的JK觸發器作為寄存器、4位DAC、電壓比較器和逐次比較控制邏輯。 逐次比較控制邏輯：順序脈沖發生器和取舍組合邏輯組成。逐次比較逐次比較ADC電路電路VP電壓偏移量是為了減小轉換誤差而引入的。 設取樣電壓的滿刻度電壓VFSR =7.75V， 。V.VLSBFSRn50=31515=1-22=1+取DAC的單位電壓LSB為VnTvSI2 .6)(在進行模數轉換時，取樣電壓保持不變。VP25. 025 . 025. 0)248(5 . 0210123iiDPDDDDDLSBvv6.2VCPY0Y1Y2Y3Y4S=1

34、啟動逐次比較啟動逐次比較ADC工作。工作。順序脈沖發生器的輸出信號： CP的啟動順序脈沖輸出。123456第第1 1個個CPCP使使Y Y0 0=1=1、Y Y1 1=Y=Y2 2=Y=Y3 3=Y=Y4 4=0=0，6.2VCP123456CPCP的的使使Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0=1000=1000。Y Y0 0、Y Y1 1、Y Y2 2、Y Y3 3設置設置JKJK觸發器的觸發器的J J端輸入。端輸入。Y Y0 0、Y Y1 1、Y Y2 2、Y Y3 3 、Y4和和C C設置設置JKJK觸發器的觸發器的K K端輸入。端輸入。3.75V25. 025 . 0iiP

35、Dv010000111100006.2VCP123456第第2 2個個CPCP使使Y Y0 0=0=0、Y Y1 1=1=1、Y Y2 2=Y=Y3 3=Y=Y4 4=0=0，CPCP的的使使Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0=1000=1000。CPCP的的使使Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0=1100=1100。第第1 1個個CPCP使使Y Y0 0=1=1、Y Y1 1=Y=Y2 2=Y=Y3 3=Y=Y4 4=0=0，5.75V00100000025. 025 . 0iiPDv0CP123456第第2 2個個CPCP使使Y Y0 0=0=0、Y Y1 1=

36、1=1、Y Y2 2=Y=Y3 3=Y=Y4 4=0=0，CPCP的的使使Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0=1000=1000。CPCP的的使使Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0=1100=1100。第第1 1個個CPCP使使Y Y0 0=1=1、Y Y1 1=Y=Y2 2=Y=Y3 3=Y=Y4 4=0=0，第第3 3個個CPCP使使Y Y0 0=Y=Y1 1=0=0、Y Y2 2=1=1、Y Y3 3=Y=Y4 4=0=0， CPCP的的使使Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0=1110=1110。25. 025 . 0iiPDv001000006

37、.75V6.2V0 1CP123456第第2 2個個CPCP使使Y Y0 0=0=0、Y Y1 1=1=1、Y Y2 2=Y=Y3 3=Y=Y4 4=0=0，CPCP的的使使Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0=1000=1000。CPCP的的使使Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0=1100=1100。第第1 1個個CPCP使使Y Y0 0=1=1、Y Y1 1=Y=Y2 2=Y=Y3 3=Y=Y4 4=0=0，第第3 3個個CPCP使使Y Y0 0=Y=Y1 1=0=0、Y Y2 2=1=1、Y Y3 3=Y=Y4 4=0=0， CPCP的的使使Q Q3 3Q Q2

38、 2Q Q1 1Q Q0 0=1110=1110。第第4 4個個CPCP使使Y Y0 0=Y=Y1 1=Y=Y2 2=0=0、Y Y3 3=1=1、Y Y4 4=0=0， CPCP的的使使Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0=1101=1101。第第5 5個個CPCP使使Y Y0 0=Y=Y1 1=Y=Y2 2=Y=Y3 3=0=0、Y Y4 4=1=1，CPCP的的使使Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0=1100=1100。25. 025 . 0iiPDv6.2V6.25V10001 00010011120.5=6.0V誤差小于0.25V轉換時間=（n+1）TCP1

39、10011.3.4 雙積分雙積分ADC 雙積分雙積分ADC是間接型是間接型ADC。它將取樣電壓轉換為與之成正比的它將取樣電壓轉換為與之成正比的時間寬度，時間寬度，在此時間內計數器對周期脈沖進行計數。計數器的在此時間內計數器對周期脈沖進行計數。計數器的二進制數就是取樣電壓對應的數字量。二進制數就是取樣電壓對應的數字量。 當當QS=0時，積分器對取樣電壓時，積分器對取樣電壓做定時積分；做定時積分； 當當QS=1時，積分器對基準電壓時，積分器對基準電壓-VREF做定壓積分。做定壓積分。取樣電壓取樣電壓與與-VREF電壓極性相反，這里電壓極性相反，這里設取樣電壓為正，則設取樣電壓為正，則-VREF為為

40、負。負。 電路主要由積分器、比較器、計數器、JK觸發器和控制開關組成。 轉換過程：定時積分和定壓積分。1定時積分定時積分:在確定的時間內對取樣電壓進行積分。在確定的時間內對取樣電壓進行積分。 啟動信號啟動信號S輸入負窄脈沖（輸入負窄脈沖（S=0），使計數器、），使計數器、JK觸發器觸發器QS清零，開關清零，開關S1選擇取樣電壓作積分器輸入。同時開關選擇取樣電壓作積分器輸入。同時開關S2閉合，閉合，使積分電容放電，使積分電容放電，vo=0。 S=1后，開關后，開關S2斷開，積分器對取樣電壓做積分，積分器斷開，積分器對取樣電壓做積分，積分器輸出電壓下降，比較器輸出邏輯輸出電壓下降，比較器輸出邏輯1

41、，計數器計數從，計數器計數從0開始計數。開始計數。1定時積分定時積分:在確定的時間內對取樣電壓進行積分。在確定的時間內對取樣電壓進行積分。 當進位當進位C=1時，下一個時，下一個CP脈沖使計數器復零、脈沖使計數器復零、JK觸發器觸發器QS=1，定時積分結束，定壓積分開始。，定時積分結束，定壓積分開始。積分時間：T1=2nTCPOtSIOSIOvtRCnTvvdnTvRCtv0)()0()(1)( :積分器輸出電壓)(2)( :1SICPnOnTvRCTTv定時積分終止電壓正比于取樣電壓2定壓積分定壓積分:對基準電壓對基準電壓-VREF做定壓積分做定壓積分 。 定時積分結束時，計數器復零，JK觸

42、發器QS=1，比較器輸出邏輯1，計數器從0繼續計數。 開關S1選擇基準電壓-VREF，積分器開始對基準電壓-VREF做定壓積分。 OSICPntTREFOREFOvnTvRCTTtRCVTvdVRCtv)(2)()()(1)(1112定壓積分定壓積分:,0)(時當tvOOSICPnREFOvnTvRCTTtRCVtv)(2)()(1 比較器輸出邏輯0，計數器停止計數，并保持計數結果BZ（通常為自然二進制數）。 CPZTBT 2 :定壓積分時間0)(2)(221SICPnREFOnTvRCTTRCVTTv)(22SIREFCPnnTvVTT LSBnTvnTvVTTBSISIREFnCPZ)()(22輸出數字量正比于取樣電壓nREFVLSB23. 雙積分雙積分ADC的優缺點的優缺點 雙積分雙積分ADC的轉換