专用集成电路设计(AD和DA转换器).ppt

专用集成电路设计专用集成电路设计(AD(AD和和DADA转换器转换器)一、数模和模数转换的概念和作用一、数模和模数转换的概念和作用 数模转换数模转换即将数字量转换为模拟电量即将数字量转换为模拟电量(电压或电流电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。实现数模转换的电路称数模转换器实现数模转换的电路称数模转换器 Digital-Analog Converter，简称简称 D/A 转换器或转换器或 DAC。模数转换模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。的数字量与输入的模拟电量成正比。实现模数转换的电路称模数转换器实现模数转换的电路称模数转换器 Analog-Digital Converter，简称简称 A/D 转换器或转换器或 ADC。10/30/20222为何要进行数模和模数转换？为何要进行数模和模数转换？10/30/20223二、数模和模数转换器应用举例二、数模和模数转换器应用举例数字数字数字数字信号信号信号信号物理量物理量物理量物理量模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号压力传感器压力传感器温度传感器温度传感器流量传感器流量传感器四四路路模模拟拟开开关关数数字字控控制制计计算算机机DAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器液位传感器液位传感器DACDAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器生生 产产 控控 制制 对对 象象 DACADC二、数模和模数转换器应用举例二、数模和模数转换器应用举例 10/30/20224 D/A转换器即数转换器即数/模转换器模转换器(Digital to Analog Converter),其任务是将数字量转其任务是将数字量转换为模拟量。换为模拟量。D/A转换器广泛用于信号处理中，转换器广泛用于信号处理中，如数字如数字存储示波器的示波管显示器、存储示波器的示波管显示器、增益控制、增益控制、精密衰减器，精密衰减器，精密数控电源，精密数控电源，直接数字频直接数字频率合成器等等。率合成器等等。6.3 D/A 转转 换换 器器 10/30/20225D/A转换器的类型转换器的类型(分类）：分类）：4 类类10/30/20226 6.3.1 D/A转换器原理转换器原理 D/A转换器的原理框图如下图转换器的原理框图如下图6-15 所示。所示。其中，其中，b1bN为为N位数字量输入，位数字量输入，Uref为参考电压。为参考电压。输出模拟量输出模拟量为：为：Uo=KDUref，K为比例因子，为比例因子，D为：为：故，故，10/30/20227图图 6-16 D/A转换器输入输出理想特性转换器输入输出理想特性 当输入数字量最低位变化时，当输入数字量最低位变化时，对应的模拟量对应的模拟量跳一个台阶，输出为阶梯波信号。跳一个台阶，输出为阶梯波信号。10/30/20228 2.D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 1)代表精度的指标代表精度的指标位数位数(bit数数)分辨率分辨率 阶梯波台阶电压阶梯波台阶电压：2)代表速度的指标代表速度的指标转换时间转换时间时钟频率时钟频率 即从数字信号输入即从数字信号输入D/A转换器到输出电压达到稳态转换器到输出电压达到稳态值所需要时间，值所需要时间，该时间决定了该时间决定了D/A转换器的转换速度。转换器的转换速度。实际上，实际上，D/A转换要按时钟节拍工作。转换要按时钟节拍工作。通常用最高时通常用最高时钟频率来表达钟频率来表达D/A转换器的工作速度。转换器的工作速度。3)静态误差静态误差 所谓静态误差，是与时间无关，反映静态工作所谓静态误差，是与时间无关，反映静态工作时实际模拟输出接近理想模拟输出的程度。通常有时实际模拟输出接近理想模拟输出的程度。通常有失调误差、失调误差、增益误差、增益误差、非线性误差等。非线性误差等。10/30/20229 1.例置例置R-2R梯形梯形D/A转换器转换器 1)电路电路 倒倒置置R-2R梯梯形形D/A转转换换器器电电路路如如图图 6-18 所所示示。该该电路的优点是电阻类型少，只有电路的优点是电阻类型少，只有R和和2R两种，易实现。两种，易实现。6.3.2 D/A转换器电路转换器电路图图 6-18 倒置倒置R-2R梯形梯形D/A转换器转换器10/30/202210II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC从从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。10/30/202211 由图可见，输出电压由图可见，输出电压Uo为：为：Uo=-RF Io 而而Io视视开开关关S1SN的的状状态态而而定定。S表表示示数数字字量量控控制制开开关关，当当数数字字量量为为“0”时时，开开关关接接地地，电电流流不不流流入入运运放放;只只有有当当数数字字量量为为“1”时时，开开关关接接到到运运算算放放大大器器的的虚虚地地点点，其电流才流入运放而产生输出其电流才流入运放而产生输出。各电流关系为：各电流关系为：I1=2I2=22I3=2N-1IN2)工作原理工作原理10/30/202212模拟量输出为模拟量输出为 若若N=3,且数字字且数字字(即数字输入代码即数字输入代码)为为“110”，RF=R,那么那么 流入运放总电流为：流入运放总电流为：10/30/202213 如如下下图图，数数字字字字b1bN通通过过两两级级非非门门构构成成的的分分相相电电路变成路变成bi和和bi，然后分别去控制两个传输门构成的开关。，然后分别去控制两个传输门构成的开关。当当b1=“1”，b1=“0”时时，传传输输门门导导通通，将将Si接接到到虚虚地地点点Q。反反之之，当当b1=“0”,b1=“1”时时，传传输输门门导导通通，截止，截止，将将Si接到地。接到地。图图 6 19 D/A转换器的开关电路转换器的开关电路3)开关电路开关电路2选选1电路电路10/30/202214 1)电路电路 如如下下图图所所示示，该该电电路路由由电电容容网网络络与与一一组组开开关关组组成成，并由两相不重叠时钟控制。并由两相不重叠时钟控制。2.权电容权电容D/A转换器转换器 2)工作原理工作原理 (1)当当1=“1”时时，终端电容被短路，其它电容下，终端电容被短路，其它电容下端均接地，处于全放电状态，所有电容电荷为端均接地，处于全放电状态，所有电容电荷为0。称称此阶段为此阶段为“复位期复位期”。10/30/202215(2)当当1=“0”时时，电路进入工作期，电路进入工作期，有两种情况：有两种情况：2=“0”，所所有有受受2控控制制的的开开关关打打开开，电电容容下下端端悬悬空，空，Uo=0。2=“1”，则，则:若若bi=“1”，bi=“0”,则则受受2bi控控制制的的开开关关闭闭合合，相相应应的电容下端被接到参考电压的电容下端被接到参考电压Uref。若若bi=“0”，bi=“1”,则则受受2bi控控制制的的开开关关闭闭合合，相相应应的电容下端被接地。的电容下端被接地。10/30/202216 (3)等效电路等效电路。电容分压的等效电路如下图。电容分压的等效电路如下图。图图中中Ceq代代表表对对应应bi=“1”被被接接到到参参考考电电压压Uref的的电电容容之之和和，2C代代表表电电路路中中所所有有电电容容之之和和，那那么么(2C-Ceq)代代表表对对应应bi=“0”即即接接地地电电容容之之和和。根根据据串串联联电电容容上上电电荷相等的原理，荷相等的原理，有：有：UA(2C-Ceq)=(Uref-UA)Ceq则则：图图 6-22 电容分压等效电路电容分压等效电路 10/30/202217 3)开关电路开关电路受受2控制的开关电路如图控制的开关电路如图 6-23 所示。所示。图 6-23 权电容D/A转换器中的开关 bi2=1，时传输门时传输门I导导通通bi2=0，时传输门，时传输门II导通导通10/30/202218 3.开关树开关树D/A转换器转换器 1)电路电路 用用2N个电阻串和开关树组成。个电阻串和开关树组成。该电路电阻数为该电路电阻数为2N个，个，其中其中N为位数。为位数。这种电路这种电路中所有的电阻均相同，中所有的电阻均相同，开开关也相同，关也相同，实现起来比较实现起来比较容易容易,但电阻多，但电阻多，开关也开关也多，多，所占硅片面积比较大，所占硅片面积比较大，而且转换器对寄生电容敏而且转换器对寄生电容敏感，感，导致信号延迟。导致信号延迟。10/30/202219 2)原理原理 (1)分压定标。分压定标。该该电电路路共共有有2N个个电电阻阻，且且所所有有电电阻阻相相等等，电电阻阻串串对对参参考考电电压压Uref分分压压。对对第第i个个电电阻阻分分割割点的电压点的电压Ui为为到到底底是是哪哪个个电电阻阻分分割割点点的的电电压压输输出出，则则由由开开关关树树决决定。定。10/30/202220 图 6-26 开关电路 3)开关电路开关电路10/30/202221 常 用 的 集 成 DAC有有 AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等，这里仅对DAC0832作简要介绍。1.D/A转换器DAC0832 DAC0832是CMOS工艺，8位D/A转换器芯片，20脚双列直插封装。逻辑电平输入与TTL兼容。有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式。可与单片机或微处理器直接接口，也可单独使用。集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用10/30/20222210/30/20222310/30/20222410/30/202225DAC0832 D/A转换器输出与输入的关系转换器输出与输入的关系（设设VREF=10V）10/30/2022262.8 位位 CMOS 集成集成 D/A 转换器转换器 CDA7520 简介简介数据锁存器数据锁存器20 k 20 k 20 k 20 k 20 k10 k 10 k 10 k 10 k VDDVREF151213CSWR45611D7(MSB)D6D5D0(LSB)S0S1S2S7OUT112316iRFBOUT2GND基准电压输入端基准电压输入端 VREF 可正可负可正可负 片选控制端片选控制端 电源电压范围电源电压范围+5 V +15 V 8 位数据输入端，位数据输入端，其电平与其电平与 TTL 电平兼电平兼容。容。MSB 表示最高位，表示最高位，LSB 表示最低位。表示最低位。接地端接地端 内部反馈电阻内部反馈电阻 RF 的引出端的引出端 两个输出端，一般将两个输出端，一般将 OUT2 接地，接地，OUT1 接运放反向端。接运放反向端。写信号控制端写信号控制端 10/30/202227解：解：当当 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0=11111111 时，输出为满度值。时，输出为满度值。uO=-UFSR -9.961 V。例例 右图为右图为 CDA7524 的单极性的单极性输出应用电路。图输出应用电路。图中电位器中电位器 R1 用于调用于调整运放增益，电容整运放增益，电容 C 用以消除运放的用以消除运放的自激。已知自激。已知 ULSB=VREF/256，试求满，试求满度输出电压及满度度输出电压及满度输出时所需的输入输出时所需的输入信号。信号。CDA752045789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF=10V+-OUT1OUT2uOC2 k R2R11 k 15 pFWR10/30/2022288位的位的D/A转换器常用的有转换器常用的有DAC0832、DAC0808，都属于，都属于R2RT型电阻网络型电阻网络型。型。刚才所介绍的刚才所介绍的AD7520为为AD公司的产品。公司的产品。10/30/202229 6.4 A/D 转转 换换 器器 1.A/D转换器的原理及特性转换器的原理及特性 A/D转转换换器器的的功功能能是是将将模模拟拟量量转转换换为为数数字字量量，是是数数字字化过程的第一步，也是数字化的必经之路化过程的第一步，也是数字化的必经之路。数字化过程一般包括以下三个步骤：数字化过程一般包括以下三个步骤：取样保持取样保持(S/H)：要是获取模拟信号某一时刻的样品，并：要是获取模拟信号某一时刻的样品，并在一定时间内保持这个样品值不变。在一定时间内保持这个样品值不变。量化：将取得样品值量化为用量化：将取得样品值量化为用“0”、“1”表示的数字量。表示的数字量。编码：编码：将量化后的数字量按一定规则编码成数据流，以将量化后的数字量按一定规则编码成数据流，以便进一步存储与处理。便进一步存储与处理。10/30/202230A/D 转换的一般步骤转换的一般步骤 10/30/202231 图图中中，量量化化器器就就是是一一系系列列加加不不同同参参考考电电平平的的电电压压比比较较器器，当当输输入入电电压压高高于于该该比比较较器器的的参参考考电电平平Uref时时，比比较较器器输输出出的的数数字字量量为为“1”；低低于参考电平于参考电平Uref时，输出为时，输出为“0”。图图 6-36 A/D转换器的原理框图转换器的原理框图 10/30/202232 2.A/D转换器的主要指标转换器的主要指标 (1)分分辨辨率率，即即“位位数数”(bit数数A/D数数字字化化的的字字长长)。这这是是一一个个表表达达精精度度的的指指标标。如如果果A/D转转换换器器的的满满刻刻度度输输入入为为UFSR，位位数数为为N，则则量化电平 量化误差 量化噪声方差 (6-48a)(6-48b)(6-48c)10/30/202233图图 6-37 3位位A/D转换器的转换特性转换器的转换特性10/30/202234 (2)采采样样率率，即即最最高高时时钟钟频频率率，这这是是一个表达一个表达A/D转换器转换速度的指标。转换器转换速度的指标。(3)其其它它静静态态特特性性指指标标还还有有失失调调误误差差、增增益益误误差差、非非线线性性误误差差等等，其其意意义义与与D/A转换器的静态误差相同。转换器的静态误差相同。10/30/202235 6.4.2 A/D转换器的分类及应用转换器的分类及应用 A/D转转换换器器的的类类型型很很多多，如如下下图图所所示示：有有高高速速并并行行Flash A/D，有有速速度度与与精精度度折折中中较较好好的的流流水水线线A/D，有有适适用用于于数数字字电电压压表表的的双双斜斜率率积积分分式式A/D，也也有有适适用用范范围很广的逐次比较式围很广的逐次比较式A/D等。等。图图 6-38 A/D转换器类型转换器类型 10/30/202236 6.4.3 A/D转换器电路举例转换器电路举例 1.逐次比较型逐次比较型A/D转换器（转换器（逼近型逼近型）逐逐次次比比较较型型A/D转转换换器器是是一一种种低低成成本本，分分辨辨率率和和速速度度都都比比较较好好的的A/D转转换换器器，因因此此应应用用十分广泛。十分广泛。该该A/D转换器的原理框图如图转换器的原理框图如图 6-40 所示。所示。10/30/202237 工作过程：工作过程：电路收到转换命令后，首先将逐次逼近寄存器电路收到转换命令后，首先将逐次逼近寄存器置置“0”(清零清零)。当第一个时钟脉冲到来时，当第一个时钟脉冲到来时，逻辑控制电路先逻辑控制电路先将逐次逼近寄存器最高位将逐次逼近寄存器最高位(Dn-1)置置“1”，其它位置，其它位置“0”，经，经过过D/A转换器重新转换为模拟电压转换器重新转换为模拟电压Uo(相当于相当于UFSR/2)，然后，然后将此电压回送到比较器，与输入信号将此电压回送到比较器，与输入信号Ui比较。比较。若若 UoUi 数字输出最高位改为数字输出最高位改为“0”10/30/202238 第第二二个个时时钟钟脉脉冲冲到到来来时时，逻逻辑辑控控制制电电路路将将寄寄存存器器次次高高位位置置“1”，并并与与最最高高位位一一起起送送到到D/A转转换换器器，将将 其其输输出电压出电压Uo 与与Ui再次比较。再次比较。若若 Uo Ui 数字输出次高位改为数字输出次高位改为“0”这个过程一直进行下去直至最后一位完成。这个过程一直进行下去直至最后一位完成。10/30/202239 例如：例如：输入模拟信号输入模拟信号Ui=163mV，转换器的满刻度电压，转换器的满刻度电压 256mV，采用逐次比较量化过程如下：采用逐次比较量化过程如下：最高位置最高位置“1”，Uo=128mV,UiUo，最高位输出为，最高位输出为“1”；次高位置次高位置“1”，Uo=128+64=192mV,UiUo，次次高，次次高位输出为位输出为“1”；如此下去，得到如此下去，得到1010001，Uo=162mV。可见。可见Uo越来越逼越来越逼近近Ui，令最低位置，令最低位置“1”，则，则 Uo=128+0+32+0+0+0+2+1=163mV=Ui 完成转换，完成转换，163mV对应的数据为对应的数据为10100011。10/30/202240 2.算法算法A/D 1)算法原理算法原理 算法算法A/D转换器工作流程如图。转换器工作流程如图。首先将输入信号首先将输入信号Ui放大放大2倍，倍，得得2Ui，然后将，然后将2Ui与参考电压与参考电压Uref比较。比较。若若2UiUref,则最高位数字输则最高位数字输出为出为“1”，并以，并以2Ui与与Uref之差作之差作为次高位的模拟输入电压。为次高位的模拟输入电压。若若2UiIref，则比较器输出为高电平，则比较器输出为高电平，数字输出为数字输出为“1”;若若2IiIref,则比较器输出为低电平，则比较器输出为低电平，数字输出为数字输出为“0”。同同时时，比比较较器器输输出出又又控控制制开开关关管管V9的的栅栅极极，当当输输出出数数字字字字为为“1”时时，V9导导通通，那那么么输输出出到到下下一一位位的的模模拟拟量为量为 Ii=ID6-ID9=ID6-ID8=2Ii-Iref (6-51)反反之之，输输出出数数字字字字为为“0”,则则V9截截止止，输输出出到到下下一一位的模拟量为位的模拟量为 Ii=ID6=2Ii (6-52)设置的开关管设置的开关管V9，完成了输出到下一位模拟量的计算。，完成了输出到下一位模拟量的计算。10/30/202244