集成电路原理.ppt

4.1 阻抗变换器阻抗变换器4.2 U/I变换器和变换器和I/U变换器变换器4.3 U/F变换器和变换器和F/U变换器变换器4.4 精密精密T/I和和T/U变换器变换器4.5 D/A转换器转换器4.6 A/D转换器转换器第第4章章 集成变换器及其应用集成变换器及其应用4.1.1 负阻抗变换器负阻抗变换器4.1.2 阻抗模拟变换器阻抗模拟变换器4.1.3 模拟电感器模拟电感器4.1.4 电容倍增器电容倍增器4.1 阻抗变换器阻抗变换器变换器或变换电路是指从一种电量或参数变换为变换器或变换电路是指从一种电量或参数变换为另一种电量或参数的电路另一种电量或参数的电路。本章主要介绍集成变。本章主要介绍集成变换器及其应用，包括：阻抗变换器、换器及其应用，包括：阻抗变换器、U/I、I/U、U/F、F/U、T/I、T/U、A/D、D/A变换器等。变换器等。本节主要介绍负阻抗变换器、阻抗模拟变换器、本节主要介绍负阻抗变换器、阻抗模拟变换器、模拟电感器、电容倍增器等阻抗变换器。模拟电感器、电容倍增器等阻抗变换器。阻抗的模拟和变换是集成运放的一个重要应用方阻抗的模拟和变换是集成运放的一个重要应用方面，例如电容的损耗补偿、电阻时间常数补偿、面，例如电容的损耗补偿、电阻时间常数补偿、电流互感器的误差补偿等。电流互感器的误差补偿等。4.1 阻抗变换器阻抗变换器图图4-1-1中，若去掉电阻中，若去掉电阻R1，实，实际是一个同相放大器，其输入际是一个同相放大器，其输入阻抗很高，输出电压为阻抗很高，输出电压为（4-1-1）图图4-1-1 负阻抗变换器负阻抗变换器4.1.1 负阻抗变换器负阻抗变换器当当电电阻阻R1接入后，其等效接入后，其等效输输入入阻抗将阻抗将发发生很大生很大变变化。化。这时这时由由输输入入电压电压引起的输入电流为引起的输入电流为（4-1-2）将式将式(4-1-1)代入式代入式(4-1-2)，可得等效可得等效输入阻抗为输入阻抗为图图4-1-1 负阻抗变换器负阻抗变换器由上式可知，从阻抗由上式可知，从阻抗Z变换到等效输入阻抗变换到等效输入阻抗 Zie，它不仅按比值它不仅按比值R1/R2变化，而且其特性也由正变为变化，而且其特性也由正变为负，因此称之为负，因此称之为负阻抗变换器负阻抗变换器。若将若将Z取取为电为电阻阻R,则则等效等效输输入阻抗入阻抗为负电为负电阻阻,称之称之为负电阻变换器为负电阻变换器。若将若将Z取为电容取为电容C，则等效输入阻抗为电感，则等效输入阻抗为电感为等效模为等效模拟电感。拟电感。图图4-1-2 阻抗阻抗模拟变换器模拟变换器图中运放图中运放A1是同相放是同相放大器，起隔离作用和大器，起隔离作用和放大作用；运放放大作用；运放A2是是阻抗变换电路。阻抗变换电路。4.1.2 阻抗模拟变换器阻抗模拟变换器工作原理工作原理:A1的输出电压的输出电压A2的输出电压的输出电压解得解得图图4-1-2 输入电流为输入电流为代入得等效输入阻抗代入得等效输入阻抗当当选择不同性质的元件选择不同性质的元件时，时，可构成不同性质的可构成不同性质的阻抗模拟电路阻抗模拟电路。图图4-1-2 阻抗阻抗模拟变换器模拟变换器如可构成模拟对地电如可构成模拟对地电感、模拟对地电容、感、模拟对地电容、模拟对地负阻抗等。模拟对地负阻抗等。1.模拟对地电感模拟对地电感若取若取Z1、Z2、Z3、Z5分别为分别为电阻电阻R1、R2、R3、R5，而，而Z4为电阻为电阻R4和电容和电容C4并联并联阻抗，则构成等效模拟电阻抗，则构成等效模拟电感电路。感电路。其等效阻抗为其等效阻抗为等效电感和内阻分别为等效电感和内阻分别为由上式可知，调节由上式可知，调节R1、R3、R5中任一个电阻，中任一个电阻，即可线性调节等效电即可线性调节等效电感的大小。感的大小。若增大电阻若增大电阻R4，可，可获得低内阻的等效模获得低内阻的等效模拟电感。拟电感。2.模拟对地电容模拟对地电容若若Z1、Z2、Z4、Z5分别取为电阻分别取为电阻R1、R2、R4、R5，而取而取Z3为电容为电容C3，则可构成对地电容模拟电路。，则可构成对地电容模拟电路。其等效电容为其等效电容为调节调节R2、R4中任一个电阻，即中任一个电阻，即可线性调节电容量的大小。可线性调节电容量的大小。其等效阻抗为其等效阻抗为3.模拟对地负阻抗模拟对地负阻抗若取若取Z1和和Z3分别为电容分别为电容C1、C3，而，而Z2、Z4分分别取为电阻别取为电阻R2、R4，Z5为任一阻抗，为任一阻抗，则等效则等效对地阻抗为对地阻抗为由上式可知，这是一个由上式可知，这是一个Z5的负阻抗的负阻抗变换器，其阻抗随频率变化。变换器，其阻抗随频率变化。如图如图4-1-3所示，所示，是密勒积分式模是密勒积分式模拟电感器。拟电感器。图图4-1-3 密勒积分式模拟电感器密勒积分式模拟电感器A1构成同相放大器，构成同相放大器，A2构成积分器。构成积分器。4.1.3 模拟电感器模拟电感器假定集成运放满足理假定集成运放满足理想化条件，由图可知想化条件，由图可知可得可得所以，等效输所以，等效输入阻抗为入阻抗为当当 Af 1 时时，输输入阻抗可近似入阻抗可近似为为其中等效电感值为其中等效电感值为图图4-1-3 密勒积分式模拟电感器密勒积分式模拟电感器1.由反相放大器组成由反相放大器组成 的电容倍增器的电容倍增器4.1.4 电容倍增器电容倍增器图图4-1-4 反相放大器反相放大器构成的电容倍增器构成的电容倍增器输入电流为输入电流为等效输入阻抗为等效输入阻抗为由上式可知，此电路的输入阻抗是由上式可知，此电路的输入阻抗是电阻电阻R1和等效电容和等效电容Cie的并联。的并联。其中等效电容为其中等效电容为2.可变电容倍增器可变电容倍增器图图4-1-5 可变电容倍增器可变电容倍增器图中电位器图中电位器RP的作用是调节的作用是调节电容的倍增系电容的倍增系数，由数，由A1组成组成的跟随器，起的跟随器，起缓冲作用，以缓冲作用，以消除调整时对消除调整时对Cie的影响。的影响。其输入阻抗为其输入阻抗为其输入电流为其输入电流为可见，该电可见，该电路输入端等路输入端等效为一电容，效为一电容，其等效电容其等效电容的容值为的容值为调节电位器调节电位器RP即可改变电容即可改变电容Cie的值。的值。该电路突出的优点是，该电路突出的优点是，通过改变电阻就可以得到通过改变电阻就可以得到任意大的电容值。任意大的电容值。图图4-1-5 可变电容倍增器可变电容倍增器4.2.2 精密精密U/I变换器变换器4.2.1 接地负载的接地负载的U/I变换器变换器4.2.3 精密精密I/U变换器变换器4.2 U/I变换器和变换器和I/U变换器变换器4.2 U/I变换器和变换器和I/U变换器变换器A1为同相加法器，为同相加法器，A2为跟随器。为跟随器。由图可知由图可知 Uo2=RL IL,I1=I2 图图4-2-1 由两个运放由两个运放构成的构成的U/I变换器变换器1.由两个运放构成的由两个运放构成的U/I变换器变换器4.2.1 接地负载的接地负载的U/I变换器变换器图图4-2-1 由两个运由两个运放构成的放构成的U/I变换器变换器代入代入U+得得要使要使IL与与RL无关，必须使无关，必须使 或或 为此运放电路的匹配条件。为此运放电路的匹配条件。所以所以 注意，因此电路为正反馈，所以必须注意，因此电路为正反馈，所以必须分析其稳定性，为保证至少有分析其稳定性，为保证至少有10dB的的稳定储备，应选择稳定储备，应选择 R52RL解得解得图图4-2-1 由两个运由两个运放构成的放构成的U/I变换器变换器为简化分析，选取为简化分析，选取 R3=R1,R4=R2,得得图图4-2-2 由运放构由运放构成的成的U/I变换器变换器由图可知由图可知 I1=I2 由该式得由该式得2.由一个运放构成的由一个运放构成的U/I变换器变换器代入上式得代入上式得整理得整理得要使要使IL与与RL无关，必须使无关，必须使将将由由若若选取选取 则得则得整理得整理得解得解得 XTR110可将可将05V或或110V电电压信号变换成压信号变换成420mA、020mA、525mA和其它电流范围。和其它电流范围。XTR110采用标准采用标准16脚脚DIP封装。封装。1.XTR110的性能特点的性能特点通过对管脚的不同连接实现不同的通过对管脚的不同连接实现不同的输入输入/输出范围。输出范围。最大非线性：不大于最大非线性：不大于0.005(具有具有14 bit 精度精度)。4.2.2 精密精密U/I变换器变换器提供提供+10V基准。基准。电源电压范围：电源电压范围：13.540V，为单电源工作。，为单电源工作。2.XTR110的内部结构的内部结构图图4-2-3 XTR110的内部结构图的内部结构图 图图4-2-4 XTR110的基本接法的基本接法3.XTR110的基本接法的基本接法输输入范入范围围/V输输出范出范围围/mA3脚脚4脚脚5脚脚9脚脚10脚脚0100202输输入入2222104202输输入入22201042015、12输输入入22开路开路01052515、12输输入入2220502022输输入入221542022输输入入220542015、122输输入入2开路开路0552515、122输输入入22表表4-2-1 输入输入/输出与引脚关系输出与引脚关系图图4-2-5 010V输入，输入，200mA大电流输出变换电路大电流输出变换电路4.XTR110的应用的应用 RCV420是精密是精密I/U变换器。它能将变换器。它能将420mA的环路电流变成的环路电流变成05V的输出电压。的输出电压。1.RCV420的性能特点的性能特点420mA的电流输入，的电流输入，05V的电压输出。的电压输出。具有精密具有精密10V电压基准，温漂小于电压基准，温漂小于510-6/C。具有具有40V共模电压输入范围。共模电压输入范围。总的变换误差小于总的变换误差小于0.1。具有具有86dB的噪声抗干扰能力。的噪声抗干扰能力。4.2.3 精密精密I/U变换器变换器2.RCV420的内部结构的内部结构图图4-2-7 RCV420的内部结构图的内部结构图3.RCV420的基本接法的基本接法图图4-2-8 RVC420的基本接法的基本接法4.RCV420的应用的应用 图示电路是由图示电路是由XTR101变送器部分和变送器部分和RCV420变换器部分组成。其中，变换器部分组成。其中，XTR101将温度信号将温度信号(如如热电偶信号热电偶信号)变送成变送成420mA的电流输出。的电流输出。图图4-2-9 远距离高精度测温系统远距离高精度测温系统4.3.1 VFC100同步型同步型U/F、F/U变换器变换器4.3.2 LMx31系列系列U/F、F/U变换器变换器4.3 U/F变换器和变换器和F/U变换器变换器4.3 U/F变换器和变换器和F/U变换器变换器 电压电压/频率变换电路简称为频率变换电路简称为U/F变换电路或变换电路或U/F变变换器（换器（UFC）。频率）。频率/电压变换电路简称为电压变换电路简称为F/U变换变换电路或电路或F/U变换器（变换器（FUC）。）。VFC100同步型同步型U/F、F/U变换器是通过外时钟频变换器是通过外时钟频率获得精密积分周期，实现率获得精密积分周期，实现U/F变换。变换。4.3.1 VFC100同步型同步型U/F、F/U变换器变换器图图4-3-1 VFC100引脚排列图引脚排列图1.引脚及其功能引脚及其功能1脚：脚：V+，为正电源端。，为正电源端。2脚、脚、3脚：脚：NC，为空脚。，为空脚。4脚：脚：IOUT，为内部积分输出端，为内部积分输出端，一般与一般与5脚之间接入积分电容。脚之间接入积分电容。5脚：脚：CINT,为积分负输入端，接积为积分负输入端，接积分电容。分电容。6脚、脚、7脚：脚：IN+、Ui，为积分同相，为积分同相输入与模拟电压输入端。输入与模拟电压输入端。8脚：脚：V，为负电源端。，为负电源端。9脚：脚：Cos，输出单稳电容端。，输出单稳电容端。10脚：脚：CLK，同步时钟输入端。，同步时钟输入端。11脚：脚：f0，U/F变换频率输出端。变换频率输出端。图图4-3-1 VFC100引脚排列图引脚排列图12脚：脚：DGND，为数字地。，为数字地。13脚：脚：AGND，为模拟地。，为模拟地。14脚、脚、15脚：脚：CIN、+CIN，内部，内部比较器输入端。比较器输入端。16脚：脚：VREF，为内部，为内部5V参考电参考电压输出端。压输出端。2.性能特点性能特点满量程频率输出可通过外时钟设置。满量程频率输出可通过外时钟设置。在精密满在精密满10V电压输入时电压输入时,增益误差不超过增益误差不超过0.5。内设精密内设精密5V参考电源。参考电源。极好的线性，在极好的线性，在100kHz时，最大误差不超过时，最大误差不超过 0.02，在，在1MHz时，不超过时，不超过0.1。具有低的增益漂移：不超过具有低的增益漂移：不超过50 10-6/C。图图4-3-2 VFC100的内部结构图及的内部结构图及U/F变换模式的基本接法变换模式的基本接法3.内部结构与基本接法内部结构与基本接法图图4-3-3 U/F变换模式时的变换波形图变换模式时的变换波形图4.双极性输入与调整双极性输入与调整VFC100有单极性输入和双极性输入两种接法。有单极性输入和双极性输入两种接法。图图4-3-4 双极性双极性U/F变换接法变换接法双极性接法：时钟频率为双极性接法：时钟频率为1MHz，R1为为20k，积，积分电容为分电容为0.01 F，输入模拟电压为，输入模拟电压为-5+5V，输出频率为输出频率为0500kHz。图图4-3-5 失调与增益调整电路失调与增益调整电路失调与增益调整电路，失调与增益调整电路，RP2 的作用是对失调电压进的作用是对失调电压进行细调，行细调，RP1的作用是对增益进行细调。的作用是对增益进行细调。5.F/U变换模式变换模式图图4-3-6 VFC100的的F/U变换模式变换模式频率从频率从14脚输入，脚输入，要求输入要求输入频率的最频率的最小脉宽为小脉宽为200ns。7脚与脚与4脚相脚相连作为电压连作为电压输出端。输出端。图图4-3-7 VFC100的的F/U变换模式的变换波形变换模式的变换波形式中，式中，fi是输入频率，是输入频率，fCLK是同步输入时钟频率。是同步输入时钟频率。输出电压的公式为输出电压的公式为变换波形为变换波形为4.3.2 LMX31系列系列U/F、F/U变换器变换器 LMX31系列包括：系列包括：LM131A/LM131、LM231A/LM231、LM331A/LM331等。等。这类集成芯这类集成芯片的性能价格比较高。片的性能价格比较高。LM131/231/331因内部具有新因内部具有新的温度补偿能隙基准电路，所以在整个工作温度范的温度补偿能隙基准电路，所以在整个工作温度范围内和电源电压低到围内和电源电压低到4.0V时，也具有极高的精度，时，也具有极高的精度，能满足能满足100kHz的的U/F转换所需要的高速响应，精密转换所需要的高速响应，精密定时电路具有低的偏置电流，高压输出可达定时电路具有低的偏置电流，高压输出可达40V，可，可防止防止V+的短路，输出可驱动的短路，输出可驱动3个个TTL负载。负载。这类器件常应用于这类器件常应用于A/D转换、精密转换、精密F/U转换、转换、长时间积分、线性频率调制和解调、数字系统、长时间积分、线性频率调制和解调、数字系统、计算机应用系统等方面。计算机应用系统等方面。1.性能特点性能特点最大线性度：最大线性度：0.01。双电源或单电源工作双电源或单电源工作(单电源可以在单电源可以在5V以下工作以下工作)。脉冲输出与所有逻辑形式兼容。脉冲输出与所有逻辑形式兼容。最佳温度稳定性：最大值为最佳温度稳定性：最大值为5010-6/C。小功耗：小功耗：5V以下典型值为以下典型值为15mW。宽动态范围：宽动态范围：10kHz满量程频率下最小值满量程频率下最小值100dB。满量程频率范围：满量程频率范围：1Hz100kHz。图图4-3-8 LM131/231/331内部结构和基本接法内部结构和基本接法2.内部结构与基本接法内部结构与基本接法图图4-3-9 LM131/231/331内部结构和基本接法的简化图内部结构和基本接法的简化图 在图在图4-3-8和图和图4-3-9中，每当单稳态定时器触中，每当单稳态定时器触发产生一宽度为发产生一宽度为t0的等宽度脉冲时，的等宽度脉冲时，S接通，电容接通，电容CL充电。充电。t0结束后，结束后，S断开，断开，CL经经RL放电，到放电放电，到放电电压等于电压等于Ui时，再次触发单稳态触发器，这样反复时，再次触发单稳态触发器，这样反复循环，构成了自激振荡器。在图中，循环，构成了自激振荡器。在图中，IR是恒定的，是恒定的，CL的充电电流是随着的充电电流是随着Ui的增加而减小。的增加而减小。则则 若在某一段时间内，计算其充电电荷平均值若在某一段时间内，计算其充电电荷平均值 Q 放电电荷平均值放电电荷平均值 因充电和放电是平衡的，所以由因充电和放电是平衡的，所以由 得得 在实际应用时，在实际应用时，Ux大约在大约在10mV的范围内波动，的范围内波动，其平均值其平均值 UxUi，用，用Ui代替上式中的代替上式中的Ux得得式中，式中，t0=1.1RtCt,Rt,Ct为单稳态定为单稳态定时器的外接电阻和电容。时器的外接电阻和电容。典型工作状态为典型工作状态为Rt=6.8k,Ct=0.01 F,t0=7.5 s。IR由内部基准电压源供给的由内部基准电压源供给的1.90V参考电压和外接参考电压和外接电阻电阻RS决定，决定，通常调节通常调节Rs的值，可调节转换增益。的值，可调节转换增益。3.U/F变换模式变换模式Ui010VR1100kC10.11CL20kRL+15V20k1M 5V22k47k8+15V7614235Rt6.8k Ct0.0110k10Hz10kHzfo+5V12kRs1Rs25kRsLMx31图图4-3-10 LMx31组成的组成的U/F转换基本电路转换基本电路电阻电阻Rs 由由Rs1=12k 和和Rs2=5k 电电位器组成。位器组成。作用是调节作用是调节增益偏差和增益偏差和由由RL、Rt、Ct 引起的偏引起的偏差，以及校差，以及校正输出频率。正输出频率。7脚上增加的脚上增加的R1、C1，其作用是提高，其作用是提高精度。当元件取图示中的参数值时，精度。当元件取图示中的参数值时，可将可将010V输入电压信号变成输入电压信号变成10Hz10kHz的输出频率信号。的输出频率信号。fiLM331470P10k6.8k10k875Rt6.8k1%Ct0.01 1IUo43RL100kCL1 625k12k1%+15VRs图图4-3-12 LMx31组成的组成的F/U变换变换模式的基本电路模式的基本电路4.F/U变换模式变换模式输出电压的公式为输出电压的公式为LM331fi470P10k6.8k10k875Rt6.8k1%Ct0.011IUo43CL0.02625k12K1%+15VRsRL100k+100kA图图4-3-13 LMx31组成的组成的F/U变换模变换模式的精密电路式的精密电路求输出电压的公式为求输出电压的公式为4.4.1 AD590 T/I变换器变换器4.4.2 LM135/235/335 T/U变换器变换器 4.4 精密精密T/I和和T/U变换器变换器4.4 精密精密T/I和和T/U变换器变换器下面以下面以AD590为例，介绍为例，介绍T/I变换器。变换器。1.性能特点性能特点宽的测温范围：宽的测温范围：-55150C。宽的工作电压范围：宽的工作电压范围：430V。线性电流输出：线性电流输出：1 A/K。极好的线性：在整个测温范围内非线性误差极好的线性：在整个测温范围内非线性误差 小于小于0.3C（AD590M）。）。4.4.1 AD590 T/I变换器变换器激光微调使定标精度达到：激光微调使定标精度达到：0.5C(AD590M)。2.内部结构内部结构图图4-4-1 AD590的的金属圆壳封装结构金属圆壳封装结构 AD590外形采用外形采用TO52金属圆壳封装结构。其引金属圆壳封装结构。其引脚排列如图脚排列如图4-4-1所示。图所示。图4-4-2是是AD590的内部电路的内部电路结构。结构。图图4-4-2 AD590的的内部电路结构内部电路结构图图4-4-3 AD590的基本接法的基本接法3.基本接法基本接法图图4-4-4 摄氏温度检测典型接法摄氏温度检测典型接法4.应用电路应用电路 利用利用AD590测温时，可由绝对温度的单位测温时，可由绝对温度的单位K，计算出摄氏温度的单位计算出摄氏温度的单位C，其计算公式为其计算公式为K=C+273.15 （或（或 C=K 273.15）图图4-4-5 利用利用AD590和差分电路实现摄氏温度测量和差分电路实现摄氏温度测量摄氏温度检测电路。摄氏温度检测电路。LM135/235/335广泛应用于温度测量、温度广泛应用于温度测量、温度控制和热电偶冷端补偿等方面。控制和热电偶冷端补偿等方面。1.性能特点性能特点输出电压与绝对温度成正比。输出电压与绝对温度成正比。输出动态电阻：小于输出动态电阻：小于1。温度范围：温度范围：55+150 C（LM135）。）。输出灵敏度：输出灵敏度：10mV/K。在整个温度范围内，误差小于在整个温度范围内，误差小于1 C （LM135A/235A）。）。4.4.2 LM135/235/335 T/U变换器变换器图图4-4-7 LM135系列内部电路结构系列内部电路结构2.内部结构内部结构图图4-4-6 LM135/235/335的金属圆帽封装的金属圆帽封装3.基本接法基本接法图图4-4-8LM135/235/335的基本连接电路的基本连接电路图图4-4-9 LM135/235/335的的基本温度检测电路基本温度检测电路图图4-4-10 LM135/235/335接地热电偶冷端补偿电路接地热电偶冷端补偿电路+15VR44.7kLM329BLM135R512k-15VR110KRP10k200kR6R21MR771.5k+-电压表电压表+-R3*4.应用应用下图是双电源工作时的热电偶冷端补偿电路。下图是双电源工作时的热电偶冷端补偿电路。4.5.1 D/A转换器的基础知识转换器的基础知识 4.5.2 12位串行位串行D/A转换器转换器DAC75124.5.3 16位位D/A转换器转换器PCM544.5 D/A转换器转换器4.5 D/A转换器转换器 D/A 转换器按工作方式可分为并行转换器按工作方式可分为并行 D/A 转换转换器、串行器、串行D/A转换器和间接转换器和间接D/A转换器等。在并行转换器等。在并行D/A转换器中，又分为权电阻转换器中，又分为权电阻D/A转换器和转换器和R-2RT型型D/A转换器。转换器。4.5.1 D/A转换器的基础知识转换器的基础知识 图示电路是一个三位二进制数的图示电路是一个三位二进制数的D/A转换电路，转换电路，每位二进制数控制一个开关每位二进制数控制一个开关 S。当第。当第 i 位的数码为位的数码为“0”时，开关时，开关 Si 打在左边；当第打在左边；当第 i 位的数码为位的数码为“1”时，时，开关开关Si打在右边。打在右边。图图4-5-1 D/A转换原理电路转换原理电路1.D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 对于对于B点对地电阻相当于两个点对地电阻相当于两个2R并联，即等于并联，即等于R。同理同理则可推出则可推出图图4-5-1 D/A转换原理电路转换原理电路 S0接通时接通时所以所以将上式推广到将上式推广到n位二进制数的转换得一般表达式位二进制数的转换得一般表达式图图4-5-1 D/A转换原理电路转换原理电路其输出电压为其输出电压为输出电压会因器件误差、集成运放的非理想特性而输出电压会因器件误差、集成运放的非理想特性而产生转换误差。产生转换误差。2.双极性工作双极性工作 双极性工作是指双极性工作是指D/A转换器可以转换有正有负转换器可以转换有正有负的数据。计算机中的数字量表示为双极性的方法很的数据。计算机中的数字量表示为双极性的方法很多，如用原码、补码、反码和二进制码等。其中补多，如用原码、补码、反码和二进制码等。其中补码和偏移二进制码用于码和偏移二进制码用于D/A转换器。转换器。3.D/A转换器的特性与技术指标转换器的特性与技术指标 DAC的性能指标很多，主要有以下几个：的性能指标很多，主要有以下几个：分辨率：是指分辨率：是指DAC能分辨的最小输出模拟增量，能分辨的最小输出模拟增量，取决于输入数字量的二进制位数。取决于输入数字量的二进制位数。转换精度：转换精度和分辨率是两个不同的概转换精度：转换精度和分辨率是两个不同的概 念。转换精度是指满量程时念。转换精度是指满量程时DAC的实际模拟输的实际模拟输 出值和理论值的接近程度。出值和理论值的接近程度。偏移量误差：偏移量误差是指输入数字量为零偏移量误差：偏移量误差是指输入数字量为零 时，输出模拟量对零的偏移值。时，输出模拟量对零的偏移值。线性度：线性度是指线性度：线性度是指DAC的实际转换特性曲线的实际转换特性曲线 和理想直线之间的最大偏差。和理想直线之间的最大偏差。输入编码形式：输入编码形式是指输入编码形式：输入编码形式是指DAC输入输入 数字量的编码形式，如二进制码、数字量的编码形式，如二进制码、BCD码等。码等。输出电压：输出电压是指输出电压：输出电压是指DAC的输出电压信号。的输出电压信号。转换时间：转换时间是指输入的数字信号转换转换时间：转换时间是指输入的数字信号转换 为输出的模拟信号所需要的时间。为输出的模拟信号所需要的时间。4.5.2 12位串行位串行D/A转换器转换器DAC7512 微功耗：微功耗：5V供电时的工作电流消耗为供电时的工作电流消耗为135 A；在掉；在掉电模式时，电模式时，5V电源供电下的电流消耗为电源供电下的电流消耗为135nA，若，若采用采用3V供电时，其电流消耗仅为供电时，其电流消耗仅为50nA。宽的供电电压范围：宽的供电电压范围：2.7V5.5V。上电复位后输出电压为上电复位后输出电压为0。具有三种关断工作模式可供选择，具有三种关断工作模式可供选择，5V电压下的功耗电压下的功耗仅为仅为0.7mW。具有低功耗施密特输入串行接口。具有低功耗施密特输入串行接口。内置满幅输出的缓冲放大器。内置满幅输出的缓冲放大器。1.主要特性主要特性具有具有SYNC中断保护机制。中断保护机制。1脚脚VOUT：模拟输出电压。：模拟输出电压。2脚脚GND：地。：地。3脚脚VDD：供电电源，直流：供电电源，直流 2.7V5.5V。4脚脚DIN：串行数据输入。：串行数据输入。5脚脚SCLK：串行时钟输入。：串行时钟输入。图图 4-5-4 DAC7512的引脚排列图的引脚排列图6脚脚 SYNC:输入控制信号输入控制信号(低电平有效低电平有效)。2.引脚功能引脚功能DAC7512采用采用SOT23-6封装如图所示。封装如图所示。其引脚定义如下：其引脚定义如下：图图4-5-5 DAC7512内部结构框图内部结构框图3.内部结构内部结构输入控制逻输入控制逻辑用于控制辑用于控制DAC寄存寄存器的写操作器的写操作;掉电控制逻辑与电阻网络一起用来设置器件的工作掉电控制逻辑与电阻网络一起用来设置器件的工作模式，即选择正常输出还是将输出端与缓冲放大器模式，即选择正常输出还是将输出端与缓冲放大器断开，而接入固定电阻断开，而接入固定电阻;芯片内的缓冲放大器具有芯片内的缓冲放大器具有满幅输出特性，可驱动满幅输出特性，可驱动2k 及及1000pF的并联负载。的并联负载。4.时序及工作模式时序及工作模式DAC7512采用三线制串行接口，串行写操作时序。采用三线制串行接口，串行写操作时序。图图 4-5-6 DAC7512的写操作时序的写操作时序片内输入寄存器宽片内输入寄存器宽度为度为16位，格式如位，格式如下：下：DB15、DB14是空闲位，是空闲位，B13、DB12是工作模式选是工作模式选择位，择位，DB11DB0是数据位。是数据位。D1D0111098765 43210DB15DB15DB0DB0器件内部带有上电复位电路，上电后寄存器内容为器件内部带有上电复位电路，上电后寄存器内容为0，所，所以在正常工作模式时，上电复位后模拟输出电压为以在正常工作模式时，上电复位后模拟输出电压为0。DAC7512的四种工作模式可由寄存器内的的四种工作模式可由寄存器内的DB13、DB12来控制。来控制。其控制关系见下表。其控制关系见下表。DB13DB13DB12DB12工作模式工作模式0 00 0正常模式正常模式0 01 1掉电掉电模式模式输出端输出端1k到地到地 1 10 0输出端输出端100k100k到地到地 1 11 1高阻高阻 表表4-5-1 DAC7512的工作模式选择的工作模式选择 掉电模式下，不仅器件功耗要减小，而且缓冲放掉电模式下，不仅器件功耗要减小，而且缓冲放大器的输出级通过内部电阻网络接到大器的输出级通过内部电阻网络接到1k、100k 或或开路。而处于掉电模式时，所有的线性电路都断开，开路。而处于掉电模式时，所有的线性电路都断开，但寄存器内的数据不受影响。但寄存器内的数据不受影响。5.与与MCS-51单片机的接口应用单片机的接口应用 DAC7512与与MCS-51微控制器的接口如图微控制器的接口如图4-5-7。图图 4-5-7 DAC7512与与单片机的连接单片机的连接 而而P1.2则驱动则驱动 DAC7512的串行数据的串行数据线线DIN。在。在 16位数据位数据传输期间，传输期间，P1.0 要一要一直保持低电平。直保持低电平。图中，图中，8051的的P1.0接接DAC7512的的SYNC，P1.1驱动驱动DAC7512的的SCLK。根据图根据图4-5-7接口电路，接口电路，D/A转换程序编制如下：转换程序编制如下：设设12位数字量存放在单片机片内位数字量存放在单片机片内RAM的两个单元的两个单元50H和和51H中，中，12位数的高位数的高4位存放在位存放在50H单元，低单元，低8位位存放在存放在51H单元的低单元的低4位。现将位。现将12位数据送到位数据送到DAC7512中进行中进行D/A转换，接口电路的转换程序如下：转换，接口电路的转换程序如下：SCLK BI T P1.1 ；DAC7512的的SCLK与与8051的的P1.1相连相连 DIN BI T P1.2 ；DAC75121的的DIN与与8051的的P1.2相连相连 DAH DATA 50H ；12位数据高字节位数据高字节 SYNC BIT P1.0 ；DAC7512的的SYNC与与8051的的P1.0相连相连 DAL DATA 51H ；12位数据低字节位数据低字节 DAOUT：MOV R7，#08H ；置循环次数；置循环次数 MOV A，DAH ；取高；取高4位数位数 ANLA，#0FH ；正常工作模式；正常工作模式 CLRSYNC ；启动写时序；启动写时序 DA1：RLC A ；从最高位开始串行移位；从最高位开始串行移位 MOV DIN，C ；输出数据；输出数据 SETB SCLK ；产生；产生SCLK上升沿上升沿 CLRSCLK ；产生；产生SCLK下降沿下降沿 DJNZ R7，DA1 ；8位数据传送完毕？位数据传送完毕？MOV R7，#08H MOV A，DAL ；取低；取低8位数据位数据 DA2：RLC A MOV DIN，C SETB SCLK CLRSCLK DJNZ R7，DA2 ；低；低8位数据传送完毕？位数据传送完毕？NOP SETB SYNC SETB DIN RET 4.5.3 16位位D/A转换器转换器PCM54 图图4-5-8 16位位D/A转换器转换器PCM54的应用电路的应用电路 4.6.1 A/D转换器的基础知识转换器的基础知识4.6.2 并行并行A/D转换器转换器AD5744.6.3 16位串行位串行A/D转换器转换器MAX1954.6 A/D转换器转换器4.6 A/D转换器转换器4.6.1 A/D转换器的基础知识转换器的基础知识 集成集成A/D转换转换器通常采用器通常采用逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器和转换器和双积分式双积分式A/D转换器。转换器。图图 4-6-1 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换原理框图转换原理框图 1.逐次逼近式逐次逼近式 A/D转换电路转换电路 2.双积分式双积分式A/D转换电路转换电路 先将先将S置于置于Ui端，积分器对输入信号进行积分，积分端，积分器对输入信号进行积分，积分时间固定为时间固定为T，积分器的输出为：，积分器的输出为：当当t=T时，时，S转为接转为接Uref，开始对参考电压，开始对参考电压Uref积分，积分，积分器输出从负值开始上升，积分器输出从负值开始上升，图图 4-6-2 双积双积分型分型A/D转换转换原理框图原理框图 当积分器输出上升到当积分器输出上升到ui=0V时，第二次积分结束。时，第二次积分结束。设这段时间为设这段时间为 T，则有，则有 图图 4-6-2 双积双积分型分型A/D转换转换原理框图原理框图 由上式和式由上式和式 得得 由上式可知，由上式可知，T正比于输入电压正比于输入电压Ui，在，在 T内进行时内进行时钟脉冲计数，所计得的数字量正比于输入电压钟脉冲计数，所计得的数字量正比于输入电压Ui。右图是右图是A/D转换电路转换电路的工作过程。双积分的工作过程。双积分式式A/D转换电路的转转换电路的转换精度很高，但转换换精度很高，但转换速度较低。速度较低。图图4-6-3 双积分双积分A/D转换过程波形图转换过程波形图 3.A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率：对应于最小数字量的模拟电压值称为分辨分辨率：对应于最小数字量的模拟电压值称为分辨率，它表示对模拟信号进行数字化能够达到多细的率，它表示对模拟信号进行数字化能够达到多细的程度。程度。量程：即所转换的电压范围。量程：即所转换的电压范围。精度：有绝对精度和相对精度两种表示法。对应一精度：有绝对精度和相对精度两种表示法。对应一个给定的数字量的理论模拟量输入与实际模拟量输个给定的数字量的理论模拟量输入与实际模拟量输入之差称为绝对精度或绝对误差。绝对精度通常用入之差称为绝对精度或绝对误差。绝对精度通常用最小有效位最小有效位LSB的分数表示，如精度为的分数表示，如精度为:通常用百分比表示满量程时的相对通常用百分比表示满量程时的相对误差表示，如误差表示，如0.05。输出逻辑电平：多数与输出逻辑电平：多数与TTL电平配合。电平配合。转换时间和转换率：完成一次转换时间和转换率：完成一次A/D转换所需要的转换所需要的时间称为转换时间。时间称为转换时间。对参考电压的要求：要考虑器件是否需要内部参考对参考电压的要求：要考虑器件是否需要内部参考电压，或是否需要外部参考电压。电压，或是否需要外部参考电压。4.6.2 并行并行A/D转换器转换器AD574 AD574A是一种带有三态缓冲器的快速是一种带有三态缓冲器的快速12位逐次位逐次比较式比较式A/D转换芯片，可以直接与转换芯片，可以直接与8位或位或16位微处理位微处理器相连，而无需附加逻辑接口电路。片内有高精度器相连，而无需附加逻辑接口电路。片内有高精度的参考电源和时钟电路，不需要外接时钟和参考电的参考电源和时钟电路，不需要外接时钟和参考电压等电路就可以正常工作。压等电路就可以正常工作。AD574A的转换时间为的转换时间为25 S。芯片内含有逐次逼近式寄存器。芯片内含有逐次逼近式寄存器SAR、比较器、比较器、控制逻辑、控制逻辑、DAC转换电路及三态缓冲器等。转换电路及三态缓冲器等。图图4-6-4 AD574A的引脚排列图的引脚排列图 AD574A的引脚定义如下：的引脚定义如下：8脚脚REF OUT：内部参考电源：内部参考电源输出输出(+10V)。10脚脚REF IN：参考电压输入。：参考电压输入。12脚脚BIP：偏置电压输入。接：