数字电路基础知识PPT课件
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缺点：转换速度较慢。完成一次A/D转换至少 需要（T1＋T2）时间，每秒钟一般只能转换几次到 十几次。因此它多用于精度要求高、抗干扰能力强 而转换速度要求不高的场合。
④ 时钟脉冲控制门G1：当uC =1时，门G1打开， CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。
（2）工作原理
先定时（T1）对uI正 向积分，得到Up，Up∝uI；
双积分型ADC的工作波形
再对－UREF积分，积 分器的输出将从Up线性上 升到零。这段积分时间是 T2，T2∝Up∝uI；
在T2期间内计数器对 时钟脉冲CP计得的个数为 N，N∝T2∝Up∝uI 。
8位逐次比较型A/D转换器波形图
2. 双积分型A/D转换器
基本原理：对输入模拟电压uI和基准电压-UREF 分别进行积分，将输入电压平均值变换成与之成正 比的时间间隔T2，然后在这个时间间隔里对固定频 率的时钟脉冲计数，计数结果N就是正比于输入模 拟信号的数字量信号。
（1）电路组成
双积分型ADC电路
uO R1C0tuIdt
与此同时，由于uO＜0，故uC＝1，G1被打开，CP 脉冲通过G1加到FF0上，计数器从0开始计数。直到当 t＝t1时，FF0～FFn-1都翻转为0态，而Qn翻转为1态， 将S1由A点转接到B点，采样阶段到此结束。若CP脉 冲的周期为Tc，则T1＝2nTc。
设UI为输入电压在T1时间间隔内的平均值，则 第一次积分结束时积分器的输出电压为
T1 U REF
UI
可见，T2∝UI。
结论：
第一，如果减小uI（即图7-12中的uI′），则当t＝T1 时，uO＝Up′，显然Up′＜Up，从而有T2′＜T2；
第二，T1的时间长度与uI的大小无关，均为2nTc； 第三，第二次积分的斜率是固定的，与Up的大小无 关。
由于T2＝NTc，所以
N T2 TC
U PR 10 C T 1u Id tR T 1U C I2 R nT CU C I
③ 比较阶段：在t=t1时刻，S1接通B点，-UREF加 到积分器的输入端，积分器开始反向积分，uO开始从 Up点以固定的斜率回升，若以t1算作0时刻，此时有
u O U P R 10 tC ( U RE )dF t 2 R n T C U C I U R RE tC F
2
D n-1 D n-2 1… 00
…
1（D n-3为1）/0（D n-3为0）
…
…
…
…
n-1
D n-1D n-2 D n-3…D11
Fra Baidu bibliotek
…
1（D 0为1）/0（D 0为0）
实例 8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，
uI>uO为1 否则为0
D/A转换器基准电压 UREF=10V。
CP
D7D6D5D4D3D2D1D0
由于这种转换需要两 次积分才能实现，因此称 该电路为双积分型ADC。
工作过程：
① 准备阶段：转换控制信号CR＝0，将计数器 清0，并通过G2接通开关S2，使电容C放电；同时， Qn＝0使S1接通A点。
② 采样阶段：当t＝0时，CR变为高电平，开 关S2断开，积分器从0开始对uI积分，积分器的输出 电压从0V开始下降，即
①②③ ④ 计积检数时分 零器钟：器 比为脉： 较n冲＋器Q1控位nC=异：制0步，当门二对u进GO被制1≥：计0测时当数电器，u。C压u第=Cu1一＝I进时次0计行 ，；数积 门，分 G是1从；打0开开始，直 Q到 TC12时nPn=脉对间1C到，冲P时脉对通Q冲n基过＝计1数准门，，使电G形S1压1成加从固-A到U当定点R计时转uEOF间接数进＜到T1器行0＝ B点时2输积n。T，c入第分（u二T端。Cc次为＝。计C1P数。脉，冲是的将周时期间）间，隔
U2RnEFUI
可见，N∝UI∝uI，实现了A/D转换，N为转换结果。
优点1：抗干扰能力强。积分采样对交流噪声有 很强的抑制能力；如果选择采样时间T1为20ms的整数 倍时，则可有效地抑制工频干扰。
优点2：具有良好的稳定性，可实现高精度。由 于在转换过程中通过两次积分把UI和UREF之比变成 了两次计数值之比，故转换结果和精度与R、C无关。
8.2.2 A/D转换器工作原理
直接A/D转换器：并行比较型A/D转换器 逐次比较型A/D转换器
间接A/D转换器：双积分型A/D转换器 电压转换型A/D转换器
1. 逐次比较型A/D转换器
天平称重过程：砝码（从最重到最轻），依次 比较，保留/移去，相加。
逐次比较思路：不同的基准电压－－砝码。
n位A/D转 换器
基准电压 UREF
电路由启动脉冲启动后: 逐次逼近型ADC电路框图
CP
D n-1D n-2 D n-3…D1D0
u0 (V)
uI>uO？
0
1 0 0… 00
0.5UREF
1（D n-1为1）/0（D n-1为0）
1
D n-1 1 0… 00
0.75/0.25UREF
1（D n-2为1）/0（D n-2为0）
当t＝t2时，uO正好过零，uC翻转为0，G1关闭， 计数器停止计数。在T2期间计数器所累计的CP脉冲 的个数为N，且有T2＝NTC。
若以t1算作0时刻，当t＝T2时，积分器的输出 uO＝0，此时则有
URRECFT2 2RnTCCUI
T2
2n TC U REF
UI
由于T1＝2nTc，所以有
T2
u0 (V)
uI>uO
0 10000000
5
1
1 11000000
7.5
0
2 10100000
6.25
1
3 10110000
6.875
0
4 10101000
6. 5625
1
5 10101100
6.71875
1
6 10101110
6.796875
1
7 10101111
6.8359375
1
相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。
T2变成脉冲个数N保存下来。
（1）电路组成
① 积分器： Qn=0，对被测电压uI进行积分； Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。
② 检零比较器C：当uO≥0时，uC＝0；当uO＜ 0时，uC＝1。
③ 计数器：为n＋1位异步二进制计数器。第一
次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固
定时间T1＝2nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到 时Qn＝1，使S1从A点转接到B点。第二次计数，是 将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。
④ 时钟脉冲控制门G1：当uC =1时，门G1打开， CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。
（2）工作原理
先定时（T1）对uI正 向积分，得到Up，Up∝uI；
双积分型ADC的工作波形
再对－UREF积分，积 分器的输出将从Up线性上 升到零。这段积分时间是 T2，T2∝Up∝uI；
在T2期间内计数器对 时钟脉冲CP计得的个数为 N，N∝T2∝Up∝uI 。
8位逐次比较型A/D转换器波形图
2. 双积分型A/D转换器
基本原理：对输入模拟电压uI和基准电压-UREF 分别进行积分，将输入电压平均值变换成与之成正 比的时间间隔T2，然后在这个时间间隔里对固定频 率的时钟脉冲计数，计数结果N就是正比于输入模 拟信号的数字量信号。
（1）电路组成
双积分型ADC电路
uO R1C0tuIdt
与此同时，由于uO＜0，故uC＝1，G1被打开，CP 脉冲通过G1加到FF0上，计数器从0开始计数。直到当 t＝t1时，FF0～FFn-1都翻转为0态，而Qn翻转为1态， 将S1由A点转接到B点，采样阶段到此结束。若CP脉 冲的周期为Tc，则T1＝2nTc。
设UI为输入电压在T1时间间隔内的平均值，则 第一次积分结束时积分器的输出电压为
T1 U REF
UI
可见，T2∝UI。
结论：
第一，如果减小uI（即图7-12中的uI′），则当t＝T1 时，uO＝Up′，显然Up′＜Up，从而有T2′＜T2；
第二，T1的时间长度与uI的大小无关，均为2nTc； 第三，第二次积分的斜率是固定的，与Up的大小无 关。
由于T2＝NTc，所以
N T2 TC
U PR 10 C T 1u Id tR T 1U C I2 R nT CU C I
③ 比较阶段：在t=t1时刻，S1接通B点，-UREF加 到积分器的输入端，积分器开始反向积分，uO开始从 Up点以固定的斜率回升，若以t1算作0时刻，此时有
u O U P R 10 tC ( U RE )dF t 2 R n T C U C I U R RE tC F
2
D n-1 D n-2 1… 00
…
1（D n-3为1）/0（D n-3为0）
…
…
…
…
n-1
D n-1D n-2 D n-3…D11
Fra Baidu bibliotek
…
1（D 0为1）/0（D 0为0）
实例 8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，
uI>uO为1 否则为0
D/A转换器基准电压 UREF=10V。
CP
D7D6D5D4D3D2D1D0
由于这种转换需要两 次积分才能实现，因此称 该电路为双积分型ADC。
工作过程：
① 准备阶段：转换控制信号CR＝0，将计数器 清0，并通过G2接通开关S2，使电容C放电；同时， Qn＝0使S1接通A点。
② 采样阶段：当t＝0时，CR变为高电平，开 关S2断开，积分器从0开始对uI积分，积分器的输出 电压从0V开始下降，即
①②③ ④ 计积检数时分 零器钟：器 比为脉： 较n冲＋器Q1控位nC=异：制0步，当门二对u进GO被制1≥：计0测时当数电器，u。C压u第=Cu1一＝I进时次0计行 ，；数积 门，分 G是1从；打0开开始，直 Q到 TC12时nPn=脉对间1C到，冲P时脉对通Q冲n基过＝计1数准门，，使电G形S1压1成加从固-A到U当定点R计时转uEOF间接数进＜到T1器行0＝ B点时2输积n。T，c入第分（u二T端。Cc次为＝。计C1P数。脉，冲是的将周时期间）间，隔
U2RnEFUI
可见，N∝UI∝uI，实现了A/D转换，N为转换结果。
优点1：抗干扰能力强。积分采样对交流噪声有 很强的抑制能力；如果选择采样时间T1为20ms的整数 倍时，则可有效地抑制工频干扰。
优点2：具有良好的稳定性，可实现高精度。由 于在转换过程中通过两次积分把UI和UREF之比变成 了两次计数值之比，故转换结果和精度与R、C无关。
8.2.2 A/D转换器工作原理
直接A/D转换器：并行比较型A/D转换器 逐次比较型A/D转换器
间接A/D转换器：双积分型A/D转换器 电压转换型A/D转换器
1. 逐次比较型A/D转换器
天平称重过程：砝码（从最重到最轻），依次 比较，保留/移去，相加。
逐次比较思路：不同的基准电压－－砝码。
n位A/D转 换器
基准电压 UREF
电路由启动脉冲启动后: 逐次逼近型ADC电路框图
CP
D n-1D n-2 D n-3…D1D0
u0 (V)
uI>uO？
0
1 0 0… 00
0.5UREF
1（D n-1为1）/0（D n-1为0）
1
D n-1 1 0… 00
0.75/0.25UREF
1（D n-2为1）/0（D n-2为0）
当t＝t2时，uO正好过零，uC翻转为0，G1关闭， 计数器停止计数。在T2期间计数器所累计的CP脉冲 的个数为N，且有T2＝NTC。
若以t1算作0时刻，当t＝T2时，积分器的输出 uO＝0，此时则有
URRECFT2 2RnTCCUI
T2
2n TC U REF
UI
由于T1＝2nTc，所以有
T2
u0 (V)
uI>uO
0 10000000
5
1
1 11000000
7.5
0
2 10100000
6.25
1
3 10110000
6.875
0
4 10101000
6. 5625
1
5 10101100
6.71875
1
6 10101110
6.796875
1
7 10101111
6.8359375
1
相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。
T2变成脉冲个数N保存下来。
（1）电路组成
① 积分器： Qn=0，对被测电压uI进行积分； Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。
② 检零比较器C：当uO≥0时，uC＝0；当uO＜ 0时，uC＝1。
③ 计数器：为n＋1位异步二进制计数器。第一
次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固
定时间T1＝2nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到 时Qn＝1，使S1从A点转接到B点。第二次计数，是 将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。