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第9章 数/模、模/数转换电路 本章系统地讲述了数/模转换(把数字量转换成对应的模拟量,D/A转换)和模/数转换器

(把模拟量转换成相应的数字量,A/D转换)的基本原理与几种常用的典型电路。在数/模转

换器中,主要讲解T型电阻网络数/模转换电路。在模数转换器中,先说明模数转换的一般步骤、采样定理和采样-保持电路,再介绍逐次渐进型、双积分型、并联比较型等几种各具特色的模数转换电路。

9.1 D/A转换器

9.1.1 T形电阻D/A转换器

D/A转换器有多种,目前用的较多的有T形电阻网络数/模转换器,4位转换器的电路

如图9.1所示。图中由R和2R两种阻值的电阻形成T形电阻网络(或称梯形电阻网络),它的输出端接到运算放大器的反相输入端。

o—

图9.1 T形电阻网络数/模转换器

运算放大器接成反相比例运算放大电路,其输出为模拟电压u o;

U R是参考电压或称基准电压;

S3,S2,S1,S0为各位的电子模拟开关;

d3d2d1d0是输入的数字量,是数码积存器存放的4位二进制数,各位数码分别控制相应位的模拟开关,当二进制数码为1时,开关接到U R参考电源上,为0时接“地”。

T形电阻网络开路(未接运算放大器)时的输出电压可以用戴维宁定理和叠加原理计算,即分别计算仅当d0=1,d1=1,d2=1,d3=1(其余为0)时的电压分量,后叠加得到u A。

仅当d0=1时,即d3d2d1d0=0001,其等效电路如图9.2(a)所示。应用戴维宁定理可将00'

第9章 数/模、模/数转换电路

·275· ·275· 左边部分等效电路是电压为R 2

U 的电源与电阻R 串联的电路。而后再分别对11',22',33'处计算它们左侧部分电路的等效电路,其等效电源的电压依次为R 4U 、R 8U 、R 16

U ,而等效电源的内阻均为2R ∥2R =R 。由此可得到33' 左侧部分电路的最后等效电路,如图9.2(b)所

示。可见,仅当d 0=1时的网络开路电压,即等效电源电压为R 04d 2

U 。

2R u A (a) (b)

图9.2 计算T 形电阻网络的输出电压(d 3d 2d 1d 0=0001)

同理,分别对其余为0时重复上述计算过程,得到的开路电压分别为R 14d 2U i ,R 22d 2U i , R 3d 2

U i 。 应用叠加定理将以上获得的四个电压分量叠加,得到T 形电阻网络开路时的输出电压u A ,由以上分析可得

R R R R A E 32101234d d d d 2222

U U U U u u ==+++i i i i 3210R 32104 (d

2d 2d 2d 2)2

U =+++i i i i

(9.1) 根据叠加定理可知T 形电阻网络开路时的等效电源电压u E 即为u A ,等效电源的内阻仍为R ,其等效电路如图9.3所示。

在图9.1中,T 形电阻网络的输出端经过电阻2R 连接到运算放大器的反相输入端,其等效电路如图9.4所示。

E

u

E u 图9.3 T 形电阻网络的等效电路 图9.4 T 形电阻网络与运算放大器连接的等效电路

数字电子技术

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运算放大器输出的模拟电压u o 为

3210F F R o E 32104(d 2d 2d 2d 2)332

R R U u U R R ==+++i i i i i (9.2) 同理可推知,如果输入的数字量是n 位二进制数,则

120F R o 120(d 2d 2d 2)32

n n n n n R U u R ????=?

+++i i i i (9.3) 当U R 取为负值时,则式(9.3)为 120R o 120(d 2d 2d 2)2

n n n n n U u ????=?

+++i i i R D 2

n n U =? (9.4) 括号中的式子是n 位二进制数按“权”的展开式。式(9.4)表明,输出的模拟电压正比于输入的数字量D n ,从而实现了数字量到模拟量的转换。

当D n =0时u o =0,当D n =11…11时o R 212

n n u ?=?,故u o 的最大变化范围是 0~R 212

n n U ??。另外从式(9.4)可以看到,在参考电压U R 为正电压时输出电压u o 始终为负值,若想得到正的输出电压,可以将U R 取为负值。

T 形电阻网络数/模转换器的优点是它只需要R 和2R 两种阻值的电阻,结构比较简单,对选用高精度电阻以提高转换器的精度是有利的。其缺点是:在动态过程中T 形电阻网络相当于一根传输线,从U R 加到各级电阻上开始到运算放大器的输入电压稳定地建立起来为止,需要一定的传输时间,因而在位数较多时将影响D/A 转换器的速度。而且,由于各级电压信号到达运算放大器的输入端的时间有先有后,还可能在输出端产生大的尖峰脉冲,如果各个模拟开关的动作时间再有差异,输出端的尖峰脉冲就可能会持续较长的时间。

提高转换速度和的输出端尖峰脉冲的有效方法是将图9.2电路改成倒T 形电阻网络D/A 转换电路,其原理电路如图9.5所示。图中的电子模拟开关由输入的数字量控制,常用的电子模拟开关有双极型模拟开关和场效应晶体管模拟开关,其电路不在本章中介绍。

图9.5 倒T 形电阻网络数/模转换器

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由图9.5可见,当输入数字信号的任何一位为1时,对应的模拟开关便将电阻接到运算放大器的(反相)输入端,此时输入端为虚地点,而当输入数字信号为0时,将电阻接地。因此,不管输入的信号是0还是1,流过每个支路电阻上的电流始终不变。当然,从参考电压U R 输入端流进的总电流也是固定不变的,其大小为

R U I R

=? 而后根据分流公式得出各支路电流为

R 31122U I I R

==?i R 22142U I I R

==?i R 13182U I I R

==?i R 041162U I I R

==?i 由此可得出电阻网络的输出电流为

3210R i 32104(d 2d 2d 2d 2)2

U i R =+++i i i i i (9.5) 运算放大器输出的模拟电压为

3210R o i 32104(d 2d 2d 2d 2)2

U u i R =?=?+++i i i i i (9.6) 如果输入的是n 位二进制,则

120R o 120(d 2d 2d 2)2

n n n n n U u ????=?+++i i i (9.7) 式(9.7)和式(9.4)相同。

由于倒T 形电阻网络D/A 转换器中各支路的电流直接流入了运算放大器的输入端,它们之间不存在传输时间差,因而提高了转换速度并减小了动态过程中输出端可能出现的尖峰脉冲。同时,由于模拟开关通和断时各支路电阻上的电流保持不变,因而不需要电流的建立时间,这有助于提高电路的工作速度。因此,倒T 形电阻网络D/A 转换器是目前使用的D/A 转换器中速度较快的一种,也是用的较多的一种。

9.1.2 D/A 转换器的主要技术指标

1. 转换精度

转换器的精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差,即最大静态转换误差。在D/A 转换器中,一般用分辨率和转换误差描述转换精度。

1) 分辨率

分辨率可以用输入二进制的有效位数给出,在分辨率为n 位的D/A 转换器中,输出电

压能够区分2n 个不同的输入二进制代码状态,

能给出2n 个不同等级的输出模拟电压。因此,

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分辨率表示D/A 转换器在理论上可以达到的精度。

分辨率也可以用D/A 转换器能分辨出来的最小输出电压(对应的输入数字量只有最低有效位为1,其余各位为0)与最大输出电压(对应的输入数字量所有有效位全为1)之比给出。例如12位数/模转换器的分辨率可以表示为

12110.000244214095

=?≈ 2) 转换误差

D/A 转换器实际能达到的转换精度还与转换误差有关,因为D/A 转换器的各个环节的性能和参数,都不可避免地存在误差,例如参考电压U R 的波动、运算放大器的零点漂移、模拟开关的导通压降、电阻网络中电阻阻值的偏差等,都会导致输出模拟电压产生转换误差。

转换误差通常用输出电压的满刻度(FSR)的百分数表示,也可以用最低有效位的倍数表示。例如给出转换误差为12

LSB (最低有效位),即表示输出模拟电压的绝对误差等于输入为00…01时输出模拟电压的一半。

转换误差主要指静态误差,它包括:

(1) 非线性误差。它是由电子开关的导通压降和电阻网络电阻阻值的偏差引起的,常用满刻度的百分数表示。

(2) 比例系数误差。

它是由参考电压U R 偏离规定值引起的,也用满刻度的百分数表示。 (3) 漂移误差。它是由运算放大器的零点漂移产生的。

2. 转换速度

描述D/A 转换器转换速度的参数是建立时间t S 和转换速率S R 。

1) 建立时间t S

建立时间t S 的定义:从输入的数字量发生突变开始,直到输出电压进入到与稳态值相差±12

LSB 范围以内的这段时间,称为建立时间t S ,如图9.6所示。由于输入的数字量变化越大建立时间越长,它通常取为当输入由全0变为全1(或由全1变为全0)时的建立时间。

图9.6 D/A 转换器的建立时间

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目前在不包含运算放大器的集成D/A 转换器中,建立时间最短可控制在0.1μs 以内,而在包含参考电压源和运算放大器的集成D/A 转换器中,建立时间最短也可控制在1.5μs 以内。在外接运算放大器构成完整的D/A 转换器时,若采用普通的运算放大器,则运算放大器的建立时间将成为D/A 转换器建立时间t S 的主要成分。

2) 转换速率S R

D/A 转换器的转换速率S R ,用大信号工作状态下输出模拟电压的变化率表示。一般在不包含参考电压源和运算放大器时,D/A 转换器的转换速度可以做得比较高。如果要求整个D/A 转换器有较高的转换速率,则应选配转换速率较高的运算放大器。

D/A 转换器完成一次转换所需要的时间,

包括建立时间和上升(下降)时间两部分,其最大值为

TR(MAX)S O(MAX)R T t U S =+ (9.8) 式中,O(MAX)U 为输出模拟电压的最大值。O(MAX)R U S 是u o 由0上升到O(MAX)U 的时间,或者u o 由最大值下降到0的时间。

3. 电源抑制比

在高质量的D/A 转换器中,要求模拟开关电路和运算放大器的电源电压发生变化时,对输出电压的影响非常小。输出电压的变化与对应的电源电压变化之比,称为电源抑制比。

此外,还有功率消耗、温度系数以及输入高、低逻辑电平的数值等技术参数,在此不再一一介绍。

9.1.3 集成D/A 转换器

随着集成电路技术的发展,数/模转换器集成电路芯片种类非常多。按工作原理分有权电阻网络型、T 形电阻网络型、权电流型、权电容网络型和开关树形等;按输入的二进制的位数分类有8位、10位、12位、16位等;按输入的二进制的方式分有并行输入和串行输入。例如AD7520,它是10位CMOS 数/模转换器,其内部电路结构和图9.7相似,采用倒T 形电阻网络,采用CMOS 电路构成模拟开关,但是其运算放大器需要外接。AD7520的外引线排列和连接电路如图9.7所示。

AD7520共有16个引脚,各引脚功能如下:

4~13脚为10位数字量的输入端;

1脚为模拟电流I O1输出端,接运算放大器的反相输入端;

2脚为模拟电流I O1输出端,一般接“地”;

3脚为接“地”端;

14脚为CMOS 模拟开关的+U DD 电源接线端;

15脚为参考电压电源接线端,V R 可为正值或负值;

16脚为芯片内部一个电阻R 的引出端,

该电阻作为运算放大器的反馈电阻R F ,它的另一端在芯片内部接I O1端。

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图9.7 AD7520的外引线排列及连接电路

由式(9.7)得出的AD7520输入数字量与输出模拟量的关系如表9-1所示,其中2n=210=1024。①

表9-1 AD7520输入数字量与输出模拟量的关系①

9.2 A/D转换器

9.2.1 A/D转换的一般步骤及采样定理

在模/数转换器中,由于输入的模拟信号在时间上是连续的量,而输出的数字信号是离散量。所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间(即在时间坐标轴的一些规定点上)对输入的模拟信号采样,然后再把这些采样值转换为输出的数字量。所以,A/D转换的过程一①本表指单极性输出,例如输出电压范围为0~+5V。如果输出电压为-5~+5V,则为双极性输出。输入数字量和输出模拟电压量的关系略有不同,此处从略。

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般是通过采样、保持、量化和编码这四个步骤完成的,如图9.8所示。同时,这些步骤通常是合并进行的。如采样和保持就是用同一个电路连续进行,量化和编码也是在转换过程中同时实现的,并且所占用的时间又是保持时间的一部分。

图9.8 模拟量到数字量的转换过程

1. 采样定理

可以证明,为了能够正确无误地用如图9.9所示的采样信号u S 表示模拟信号u i ,取样信号需要有足够高的频率,必须满足:

f S ≥2f imax (9.9)

式中,f S 为采样频率,f imax 为信号u i 的最高频率分量的频率,式(9.9)即所谓的采样定理。

在满足式(9.9)的条件下,可以用一个低通滤波器将信号u S 还原为u i ,这个低通滤波器的频率特性在低于f imax 的范围内滤波器的电压传输系数()A f 应保持不变,而在S f ~imax f 以前应该迅速下降为0,如图9.10所示。

u i

u S

O

O

图9.9 对输入模拟信号的采样

图9.10 还原采样信号所用滤波器的频率特性 采样定理规定了A/D 转换的频率下限,A/D 转换器工作时的采样频率必须高于式(9.9)所规定的频率,采样频率提高后留给每次转换的时间则相应地缩短了,这就要求转换电路必须具备更高的工作速度。所以,不能无限制地提高采样频率,一般取S (3f =~imax 5)f

因为每次采样后的电压转换为相应的数字量都需要一定的时间,所以每次采样以后,

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必须把取样电压保持一段时间。可见,进行A/D 转换时所用的输入电压,实际上是每次取样结束是的u i 值。

2. 量化和编码

数字信号不仅在时间上是离散的,而且在数值上的变化也是不连续的。也就是说,任何一个数字量的大小,都是某个规定的最小数量单位的整数倍。因此,在用数字量来表示取样电压时,也必须将其转化成这个最小整数单位的整数倍,这个过程就叫量化。所规定的最小整数单位叫做量化单位,用Δ表示。显然,数字信号最低有效位(LSB)的1所代表的数量大小就等于Δ。

把量化的结果用代码(可以是二进制或其他进制)表示出来,叫编码。这些代码就是A/D 转换的结果。

既然模拟电压是连续的,那么它不一定能被Δ整除,因而不可避免地会引入误差,这种误差就称为量化误差。在把模拟信号划分为不同的量化等级时,不同的划分方法可以得到不同的量化误差。

假设需要将0~1V 的模拟电压信号转换成3位二进制代码,这时可以取Δ=(1/8)V ,并规定所有数值在0~(1/8)V 之间的模拟电压都当作0×Δ看待,并用二进制的000表示;所有数值在(1/8)V ~(2/8)V 之间的模拟电压都当作1×Δ看待,用二进制的001表示……,如图9.11(a)所示。可见最大误差可达Δ,即(1/8)V 。

为了减小最大量化误差,可以采用如图9.11(b)所示的划分方法,取量化单位Δ=(2/15)V 。并将000代码所对应的模拟电压规定为0~(1/15)V ,即0~Δ/2。由于把每个二进制代码所代表的模拟电压值规定为其所对应的模拟电压的中点,所以最大的量化误差将减小为Δ/2,即(1/15)V 。

(a) (b)

图9.11 划分量化电平的两种方法

第9章 数/模、模/数转换电路 ·283·当输入电压在正、负之间范围内变化时,一般要求采用二进制补码的形式进行编码,用二进制编码的最高位表示符号,其编码形式这里从略。

9.2.2 采样-保持电路

1. 电路组成及其工作原理

采样-保持电路的基本形式如图9.12所示。图中的模拟开关T为N沟道增强型MOS 管。当采样控制信号u L为高电平时场效应晶体管T导通,输入信号u i经过电阻R i和T向电容C h充电。若R i=R f,忽略运算放大的输入电流,则充电结束时u o=-u i=V C。这里V C为电容C h上的电压。

图9.12 采样-保持电路的基本形式

在取样信号返回为低电平后,场效应晶体管VT截止。由于电容C h上的电压在一段时间内基本保持不变,所以输出电压u o也保持不变,取样结果得以保存下来。C h的漏电越小,运算放大器的输入阻抗越高,u o保持的时间越长。

然而,图9.12的电路是很不完善的,因为在采样过程中需要通过电阻R i和VT向电容C h充电,所以使采样速度受到了限制。同时,R i的阻值又不允许取得太小,否则会降低电路得输入阻抗。

2. 集成采样-保持电路

如图9.13所示为单片集成采样-保持电路LF198的内部电路原理图及其典型接法,它是一个经过改进得采样-保持电路。图中A1、A2是两个集成运算放大器,S是电子开关,L 是控制开关S的驱动电路,当逻辑输入u L为1,即u L为高电平时,S闭合;u L为0,即u L 为低电平时,S断开。

(a)内部电路结构(b)典型接法

图9.13 集成采样-保持电路LF198

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当S 闭合时,由于A 1和A 2均工作在单位增益的电压跟随器状态,所以o o

i u u u ′==。如果将电容C h 接到R 2的引出端和地之间,则电容C h 上的电压也等于u i 。当u L 返回低电平后,虽然S 断开了,但由于电容C h 上的电压不变,所以输出电压u o 的数值得以保持下来。

在S 再次闭合以前,如果输入电压u i 发生变化,o

u ′可能变化非常大,甚至会超过开关电路所能承受的电压,因此增加由VD 1和VD 2构成的保护电路。当o

u ′比u o 所保持的电压高(或低)一个二极管的压降时,VD 1(或VD 2)导通,而在开关S 闭合情况下,o

u ′和u o 相等,故VD 1、VD 2均不导通,保护电路不起作用。

9.2.3 逐次渐进型A/D 转换器

1. 基本工作原理

逐次渐进型A/D 转换器的工作原理可以用图9.14所示框图表示。转换器由比较器、D/A 转换器、参考电源、逐次渐进寄存器、控制逻辑电路和时钟信号等几部分组成。

u i

图9.14 逐次渐进型A/D 转换器工作原理框图

转换开始前先将寄存器清零。开始转换后时钟信号首先将寄存器的最高有效位置为1,使输出数字为100…0。这个数字被A/D 转换器转换成相应的模拟电压u o ,后送到比较器中和u i 进行比较。若u o >u i ,说明数字过大,故将最高位的1清除;若u o <u i ,说明数字还不够大,应将这一位保留。然后按同样的方法将次高位置1,并经过比较以后确定本位的1是否应该保留。如此逐位比较下去,一直到最低位为止。比较完毕后,寄存器中的状态即为所要求的数字输出。

2. 转换过程举例

如图9.15所示为3位二进制逐次渐进型A/D 转换器的原理图。图中C 为电压比较器,FF A 、FF B 、FF C 组成3位逐次渐进寄存器,FF 1~FF 5和门1~8组成控制逻辑电路。FF 1~FF 5构成环行移位寄存器。

转换开始前先将五个D 触发器FF 1~FF 5置成Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5=00001状态。转换开始后,当第一个脉冲信号CP 到来时使Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5=10000,于是FF A 、FF B 、FF C 的输出Q A Q B Q C 被置成100。这时加在D/A 转换器输入端的代码为100,并在D/A 转换器的输出端得到相应的模拟电压u o 。u o 和u i 在比较器中比较,当u i >u o 时比较器输出u C =0;当u i <u o 时u C =1。

第9章 数/模、模/数转换电路

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u i 2)1)

0)

MSB LSB

图9.15 3位逐次渐进型A/D 转换器

第二个脉冲信号CP 到来时,环行计数器右移一位,使Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5=01000。此时门1打开,若原来u C =1,则Q A 置0;若原来u C =0,则Q A 的1状态保留。同时Q 2的高电平将Q B 置成1。

第三个脉冲信号CP 到来时,环行计数器又右移一位,将Q C 置成1,同时门2打开,并根据比较器的输出决定Q B 的1状态是否保留。

第四个脉冲信号CP 到来时,环行计数器再右移一位,使Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5=00010。此时门3打开,根据比较器的输出决定Q C 的1状态是否保留。

第五个脉冲信号CP 到来时,环行计数器右移一位,使Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5=00001。Q A Q B Q C 的状态作为转换结果,通过门6、7、8被送出。

为了减小量化误差,使D/A 转换器的输出电压产生负Δ/2的偏移。这里的Δ表示输入的最低有效位的1在D/A 转换器的输出端所产生的电压。这时,用来与u i 进行比较的量化电平由D/A 转换器给出,为了使量化误差不大于Δ/2,应该使第一个比较电平为Δ/2,而不是Δ,并且以后每一个比较电平之差必须都为Δ。为了实现这一点,必须使D/A 转换器输出的所有比较电平同时向负方向偏移Δ/2。

由以上分析可见,完成一次转换最少需要五个CP 信号的周期,并且如果位数增加时,转换时间也相应地加长。

A/D 转换器的类型有并联比较型A/D 转换器、反馈比较型A/D 转换器、逐次渐进型A/D 转换器、积分型A/D 转换器、V -F 变换型A/D 转换器等。逐次渐进型A/D 转换器,因其分辨率较高、误差较低、转换速度较快,是目前应用比较广泛的一种A/D 转换器。

9.2.4 A/D 转换器的主要技术指标

1. A/D 转换器的转换精度

和D/A 转换器一样,在A/D 转换器中,一般也用分辨率和转换误差描述转换精度。

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1) 分辨率

分辨率以输出二进制或十进制的位数表示,它说明A/D 转换器对输入模拟电压的分辨能力。输出为n 位二进制的A/D 转换器,应该能够区分输入模拟电压的2n 个不同等级,能区分输入电压的最小差异为满量程输入的1/2 n (1

FSR 2

n )。如当n =8时,能区分输入电压的最小差异是U imax /28(其中U imax 为最大输入模拟电压);若输出为4位半十进制数(8421BCD 码),则应该能够区分的输入模拟电压的差异是U imax /2×104。所谓4位半,是指输出的十进制数可以是0到19999,最高位只能是0或1,其他可以为0~9中的任何数。

2) 转换误差

在A/D 转换器中,转换误差通常以相对误差形式给出,它表示A/D 转换器实际输出的数字量和理想输出数字量的差别,并用最低有效位的倍数表示。例如,当给出的相对误差为≤LSB/2时,其含义是A/D 转换器的实际输出数字量和理论上应该得到的输出数字量,两者之间的误差不大于最低有效位的1/2。有时也用满量程输出(FSR)的百分数给出转换误差。例如A/D 转换器的输出为十进制的3位半,转换误差为±0.005%FSR ,则满量程输出为1999,最大输出误差小于最低位的1。

通常单片集成A/D 转换器的转换误差已经综合反映了电路内部各个元器件及单元电路偏差对转换精度的影响,所以无须在分别讨论各因素转对转换精度的影响了。

2. 转换速度

A/D 转换器的转换速度主要取决于电路的类型,不同类型的A/D 转换器,转换速度差别很大。

并联比较型A/D 转换器的转换速度最快,8位输出单片集成A/D 转换器的转换时间可以不超过50ns ;逐次渐进型A/D 转换器的转换速度次之,8位输出单片集成A/D 转换器的转换时间只需要400ns ,多数在10~50μs 之间。双积分型A/D 转换器的转换速度最慢,转换时间大都在几十毫秒到数百毫秒之间。

另外,在组成高速A/D 转换器时还应将采样-保持电路的获取时间计入转换时间之内。一般单片集成采样-保持电路的获取时间在几微秒的数量级,其获取时间和选定的保持电容的容量大小有很大的关系。

9.2.5 集成单元A/D 转换器

集成A/D 转换器的类型比较多,有并联比较型A/D 转换器、反馈比较型A/D 转换器、逐次渐进型A/D 转换器、积分型A/D 转换器,V-F 变换型A/D 转换器等,由于逐次渐进型A/D 转换器的分辨率较高、误差较低、转换速度较快,所以目前应用比较广泛。

AD574是12位快速逐次渐进型A/D 转换器,其最快转换时间为25μs ,转换误差为±1LSB 。片内含有电压基准和时钟电路,因而外围电路较少;数字输出具有三态缓冲,可以直接和微处理器接口;模拟输入有单极性和双极性两种方式,接成单极性时,输入电压范围是0~10V 或0~20V ,接成双极性时,输入电压范围为-5~5V 或-10~+10V 。AD574原理与引脚图如图9.16所示,主要引脚信号定义如下。

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图9.16 AD574原理与引脚图

CS:片选信号,低电平有效。

CE:片使能信号,高电平有效。

R/C:读/启动转换信号,高时读A/D转换结果,低时启动A/D转换。

12/8:输出数据长度控制信号,高为12位,低为8位。

A0信号具有两种含义:当R/C为低时,A0为高,启动8位A/D转换;A0为低,启动12位A/D转换。当R/C为高时,A0为高,输出低4位数据;A0为低,输出高8位数据。

上述五个信号组合所对应的A/D转换器的状态如表9-2所示。

表9-2 AD574的状态及其操作

STS:工作状态信号,高表示正在转换,低表示转换完成。

REF IN:基准输入线。

REF OUT:基准输出线。

BIP OFF:单极性补偿。

DB11~DB0:12位数据线。

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数字电子技术

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10V IN ,20V IN :模拟量输入端。

如图9.17(a)所示,当AD574按单极性模拟输入方式接线时,10V IN 端的输入电压范围为0~+10V ,1LSB 对应的模拟电压为2.44mV ;20V IN 端的输入电压范围为0~+20V ,1LSB 对应的模拟电压为4.88mV 。图中R 1用于零点调整,R 2用于满刻度校准。方法是:如果输入电压信号接10V IN 端,调整R 1,使得输入模拟电压为1.22mV(即1/2LSB)时,输出数字量从0000 0000 0000变到0000 0000 0001;调整R 2,使得输入模拟电压为9.9963V ,数字量从1111 1111 1110变到1111 1111 1111。这时即认为零点及满刻度校准好了。

(a) AD574单极性模拟输入接线方式 (b) AD574双极性模拟输入接线方式

图9.17 AD574接口电路

对于双极性模拟输入方式,只需把REF IN 、REF OUT 和BIP OFF 三个引脚的接线按图9.17(b)所示重新安排即可。双极性输入方式的零点调整及满刻度校准的方法与单极性方式所采用的方法相似,其输入模拟量与输出数字量之间的对应关系为

10V IN 输入端时:-5~0~+5V 对应000H ~800H ~FFFH

20V IN 输入端时:-10~0~+10V 对应000H ~800H ~FFFH

本 章 小 结

随着微处理器和计算机的广泛应用,大大地促进了A/D 、D/A 转换技术的发展。实际上在许多计算机控制、快速检测和数据处理等系统中,其所能达到的精度和速度最终还是取决于A/D 、D/A 转换器的转换精度和转换速度。因此,转换精度和转换速度是A/D 、D/A 转换器的两个最重要的两个指标,也是本章讨论的重点。

随着应用领域的拓展和技术的发展,致使A/D 、D/A 转换器的种类十分繁杂。因此,在本章中不可能逐一列举,只着重介绍A/D 、D/A 转换的基本思想、共性问题及对它们进行归纳和分类的原则。

在D/A 转换器中,重点介绍T 形电阻网络和倒T 形电阻网络D/A 转换器。目前CMOS 单片集成D/A 转换器中主要采用倒T 形电阻网络的方案。

第9章 数/模、模/数转换电路 ·289·

A/D转换器的类型可归纳为直接A/D转换器和间接A/D转换器两大类。直接A/D转换器又可分为并联比较型和反馈比较型两种。由于逐次渐进型A/D转换器的转换速度比较快,而且它所用的器件也比较少,易于实现,所以本章主要介绍了反馈比较型电路中的逐次渐进型A/D转换器。

间接A/D转换器的类型也很多,由于篇幅所限,本章不再介绍。有兴趣的读者,可以查阅相关资料。

为了得到较高的转换精度,除了选用分辨率较高的A/D、D/A转换器以外,还必须保证参考电源和供电电源有足够的稳定度,并减小环境温度的变化。否则芯片分辨率再高,也难于得到应有的转换精度。

本章学习的重点是几种转换电路的基本工作原理,输出量和输入量之间的定量关系、主要特点,以及转换精度和转换速度的概念及表示方法。

习 题

9.1 D/A转换器,其最小分辨电压U LSB=4mV,最大满刻度输出模拟电压U Om=10V,求该转换器输入二进制数字量的位数n。

9.2 在10位二进制D/A转换器中,已知最大满刻度输出模拟电压U Om=5V,求最小分辨电压U LSB和分辨率。

9.3 如图9.17所示为逐次渐进型集成10位D/A转换器AD7520的接线,若+U R=-10V,试计算:

(1) 输出模拟电压u o的范围。

(2) d9d8…d0=0110100101时u o的值。

9.4 如图9.8所示的集成10位D/A转换器AD7520的连接电路为单极性输出,若想将其改接成双极性输出,其电路应如何连接(可以添加元器件)?为了得到±5V的最大输出模拟电压,其参考电压U R=?对应的元器件及电压取值为多少?

9.5 试说明A/D转换过程中产生量化误差的原因以及减小量化误差的方法。

9.6 在选择采样-保持电路的外接电容器时应考虑那些因素?

9.7 在A/D转换过程中,采样-保持电路的作用是什么?量化有哪两种方法。它们各自产生的量化误差是多少?如何理解编码的含义,试举例说明。

9.8 若将4位逐次渐进型A/D转换器扩展到10位,时钟信号CP的频率为f C=1MHz,试分析完成一次转换所需要的时间为多少?

9.9 逐次渐进型A/D转换器中,若基准电压为-5V,计算当u i=4V时的输出二进制数,最。若输入模拟电压由+4V改成-5V,试问基准电压U R的大小和极性应做何变化?

9.10 在8位逐次渐进型A/D转换器中,若U R=-5V,u i=4.22V,试问其输出d7d6…d0=?若A/D转换器扩展成10位,则d9d8…d0=?并写出两种情况下的量化误差。

9.11 试说明D/A转换器和A/D转换器的转换精度和转换速度与哪些因素有关。

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