数电讲义--8章

它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时 器、计数器（FF0～FFn）等几部分组成。
输入电压
+ vI A
VREF B 基准电压
S1 VS1
S2
R
C
A
vO
1(VO≤0)
CO= 0 (VO＞0)
vC
C
n 级计数器
FFn
1
FFn-1 1
Qn
Qn-1
1J
1J
C1
C1
1K
1K
R
R
FF1 Q1
1
一． 逐次比较型A/D转换器 1． 转换原理：
有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：
G≈d3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0
di
转换数码为 d3~d0=1111
1 有效 0 无效
2、逐次比较 ADC转换框图：
四位逐次比较 ADC 原理图如下。 工作原理：
首先，比较寄存器施加最
高有效位 B4为“1”输入到 DAC转换为模拟输出，在比
i0
电路的特点：突出速度较快。
因为，各支路电流直接运放输入端，不存在传输时间，从而减少了动态 误差，提高了转换速度。
8. 2. 2 主要指标及集成 DAC
分辨率——D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。
输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用数字量的位数表示 D/A转换器的分辨率。
8 . 3 模数转换器( ADC)
1 采样保持
保持
理想开关
vI
T VC A
...Dn-1
vo (t) ADC的
量化编码
D1
电路
S(t)
与T导通电
C 阻构成保持
电路VC=VI
D0 数字量输出（n位）
2次取样间隔，Ssc 保持不变，供量
化 和编码
采样
图8.3.1 取样保持过程示意图
取样定理：取样脉冲的频率fS大于输入电压Vsr最高频率fmax的2倍，取样后的信号Vsc 可以精确的重复原来输入的连续信号。
本章小结
1．A/D和D/A转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。
2．倒T型电阻网络D/A转换器中电阻网络阻值仅有R和2R两种，各2R支 路电流Ii与Di数码状态无关，是一定值。由于支路电流流向运放反相端
时不存在传输时间，因而具有较高的转换速度。
3．在权电流型D/A转换器中，由于恒流源电路和高速模拟开关的运用使 其具有精度高、转换快的优点，双极型单片集成D/A转换器多采用此 种类型电路。
3、分类
• 直接比较型：输入模拟信号直接与作为标准的参 考电压进行比较得到按数字编码的数字量或直接 得到数字量。这种类型有反馈式、逐次比较式、 电压比较式。
• 间接比较型：输入模拟信号不是直接与参考电压 进行比较，而是将两者都变为某种物理量再进行 比较，然后将比较所得的时间（T）或频率（f） 进行数字编码。这种类型有双积分式，电压频率 变换式。
1 RC
t2
t1
(VREF
)dt
VREF
RC
T2
V T REF 2 RC
VP
T1 RC
VI
于是
N2
V1
VREF
NI
T2
T1
VREF
VI
上式看出， 由于N1、VREF都是定值，所以数字量N2正比 于输入电压VI。模拟量也就转换成了数字量。
注意：RC被消去了，这意味着元件参数 及电路延迟等造 成的误差，由于2次积分而抵消了。
A
vo
+
S0
S1
S2
S3
2RR 2R
I 16R 2R
R
I 8R
2R
R
I 4
2R
R
I 2
+VREF
I
II
II
I
I
16
8 16
42
2
分析计算： 基准电流: I=VREF/R，
流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。
总电流：i
D3
I 2
D2
I 4
D1
I 8
D0
I 16
VREF 22 R
当Di=0时，Si将电阻2R接地。
所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）。
(LSB)
D0
D1
(MSB)
Rf
D2
D3
iΣ
A
vo
+
S0
S1
S2
S3
2R 2R
I
16
2R
R
I 8
2R
R
I 4
2R
R
I 2
+VREF
I
I
16
8
I
I
I
4
2
(LSB)
D0
D1
(MSB)
Rf
D2
D3
iΣ
作业
复习D/A、A/D转换器电路的组成，工作原理。
4．不同的A/D转换方式具有各自的特点，并行A/D转换器速度高；双积 分A/D转换器精度高；逐次比较型A/D转换器在一定程度上兼有以上 两种转换器的优点，因此得到普遍应用。
5．A/D转换器和D/A转换器的主要技术参数是转换精度和转换速度，在 与系统连接后，转换器的这两项指标决定了系统的精度与速度。目前， A/D与D/A转换器的发展趋势是高速度、高分辨率及易于与微型计算 机接口，用以满足各个应用领域对信号处理的要求。
100
将量化的数值用二进制
011
数码表示。
010
凡0~（1/8）V间的模拟电压都
0 ×量化单位看待，用000表示； 001
凡1/8~（2/8）V间的模拟电压都 000
1 ×量化单位看待，用001表示等。 0 1 2
1 LSB(最低8位） 8
2
ADC
数字输出
理想线
量化阶梯
3 4 5 6 7 1V 8 8 8 8 8 模拟输入
分辨率也称转换器分辨模拟信号的灵敏度。 它同转换器的位数和满刻度值（FSR-Full
Scale Range）有关 。
分辨率一般表示为:
满刻度值
S
1
FSR
位数
2n
例一个8位 DAC，若输出变化范围为 0 ~ 10 V，其分辨率为 :
10 S 28 0.039V
此外，也可用D/A转换器的最小输出电压(数字量：00000001)与最大输 出电压(数字量：全1）之比来表示分辨率，N位D/A转换器的分辨率可表示 为 1/（2n-1）×VOmax/ VOmax =1/（2n-1） 。
t=T1=N1 TCP=2nTCP
N1—n位计数器的容量。TCP—CP的脉冲的周期。
第一次积分结束时，因Vi保持不变，积分器的输出电压VP（VO）为：
VO
VP
vi
RC
t1
vi
RC
T1
2 T n CP RC
VI
（3）第二次积分阶段
当t=t1时，S1转接到B点，基准电压－VREF加到积分器的输入端；积分器
开始反向积分。
vO (t 2 )
VP
1 RC
t2
t1
(VREF )dt
同时，N级计数器又从0开始计数。
当t=t2时，积分器输出电压vO>0V，比较器输出vC=0，控制门G被关 闭，计数停止。
在此阶段结束时vO的表达式可写为：
vO (t2)
VP
1 RC
t2
t1
(VREF )dt
0
设T2=t2－t1，于是有：VP
•精度：实际转换特性与理想转换特性的偏差。
• 转换时间：转换器完成一次转换所需的时间。
集成 DAC 7541
+VREF 10k
10k
10k
20k
20k 20k 20k
20k
VO
S11
S10
S9
S0
211
210
29
MSB
Iout1 Iout2
20 LSB
图8.2.10 AD7541电路原理图
1）分辨率 12位 2）外接参考电压和运算放大器 • R1--T 电阻网络的补偿电阻，可调节电阻网络的输出电流。 • R2--反馈补偿电阻，用于补偿 Rf 偏差。
数字信号
(b) 3位二进制输入时DAC转换特性
对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相
应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总
模拟量，从而实现数字/模拟转换。
8.2.2 DAC电路
2． R-2R倒T形电阻网络D/A转换器（4位）
图中S0～S3为模拟开关，由输入数码Di控制， 当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路；
较器进行第一次比较。如果
待转换模拟电压
DAC输出小于模拟输入，则
B4 =1 在寄存器中保存，相 反则清“0”。
比较器 LSB
然后，寄存器继续令次高
位B3 =1，连同第一次结果 ， 经DAC转换再同输入进行比较，
根据比较结果决定B3的取舍。 如此，逐位进行比较，直
到最低位比较完必，转换结束。MSB五．双积分型A/D转换器
8 . 2 数模转换器 (DAC)
8. 2 . 1 DAC 的原理 输入D0、D1~Dn-1为 n 位二进制数字信号；输出VO为与
二进制输入成正比的模拟电压信号。
D0 D1
.. .
Dn-1 输入
D/A转换器
vo
输出
(a) D/A输入、输出关系框图