第五章 變換器

1、1TM四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教國家級規(guī)劃教材材楊楊 剛剛2009年春季年春季電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐第5章 變 換 器2TM2電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 n模數(shù)轉(zhuǎn)換器（又稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器（又稱A/D轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或ADC）是一種將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換）是一種將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量的一種電路或器件成離散的數(shù)字量的一種電路或器件。模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號一般需。模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號一般需要經(jīng)過采樣保持和量化編碼兩個過要經(jīng)過采樣保持和量化編碼兩個過程。針對不

2、同的采樣對象，有不同程。針對不同的采樣對象，有不同的的ADC可供選擇?？晒┻x擇。 5.1.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器概述5.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器3TM3電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 n直接轉(zhuǎn)換式轉(zhuǎn)換器直接轉(zhuǎn)換式轉(zhuǎn)換器n直接式轉(zhuǎn)換器又稱為閃爍轉(zhuǎn)換器或者全并行直接式轉(zhuǎn)換器又稱為閃爍轉(zhuǎn)換器或者全并行轉(zhuǎn)換器。從原理上講，直接式轉(zhuǎn)換器是最簡轉(zhuǎn)換器。從原理上講，直接式轉(zhuǎn)換器是最簡單、最快速的單、最快速的ADC。這種。這種ADC的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單元是一個單元是一個1位轉(zhuǎn)換器，即比較器。如果加位轉(zhuǎn)換器，即比較器。如果加到正輸入端（假定）的輸入信號比加到負(fù)輸?shù)秸斎攵耍俣ǎ┑妮斎胄?/p>

3、號比加到負(fù)輸入端的基準(zhǔn)信號大，則輸出高電平入端的基準(zhǔn)信號大，則輸出高電平“1”，如，如果輸入信號比基準(zhǔn)信號小，則輸出為低電平果輸入信號比基準(zhǔn)信號小，則輸出為低電平“1”。5.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器4TM4電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器5TM5電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器6TM6電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器7TM7電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器8TM8電

4、子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器9TM9電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器10TM10電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器 絕對精度絕對精度 孔徑（延遲）時間孔徑（延遲）時間 轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 相對精度相對精度 分辨率：分辨率： 采樣頻率采樣頻率 建立時間：建立時間： 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率5.1.2 ADC的主要技術(shù)指標(biāo)11TM11電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器 確定確定A/

5、D轉(zhuǎn)換的位數(shù)。轉(zhuǎn)換的位數(shù)。 確定轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。確定轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。 確定是否要加采樣保持器。確定是否要加采樣保持器。 注意工作電壓和基準(zhǔn)電壓。注意工作電壓和基準(zhǔn)電壓。 考慮成本，而且盡量選擇流行器件考慮成本，而且盡量選擇流行器件5.1.3 ADC選擇原則12TM12電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器n逐次比較型。逐次比較型。nCMOS工藝制造。工藝制造。n單電源供電。不需外部進行零點和滿度調(diào)整。單電源供電。不需外部進行零點和滿度調(diào)整。n可鎖存三態(tài)輸出，輸出與可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容。兼容。n易與各種微控制器接口。易與各種微控

6、制器接口。n具有鎖存控制的具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)。路模擬開關(guān)。n分辨率：分辨率：8位。位。n功耗：功耗：15 mW。n轉(zhuǎn)換時間（轉(zhuǎn)換時間（fCLK=500 kHz）：）：128 s。n轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度：ADC0808，0.2%；ADC0809，0.4%。5.1.4 ADC0808/ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器13TM13電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器14TM14電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 nADC0808/ADC0809與微控制器與微控制器8031查詢方式的接口電路查詢方式的接口電路5.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換

7、器模數(shù)轉(zhuǎn)換器15TM15電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器16TM16電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 n數(shù)模轉(zhuǎn)換器（又稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器（又稱D/A轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或DAC）是一種將輸）是一種將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出的電路或器件入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出的電路或器件?；镜臄?shù)模轉(zhuǎn)換器由電壓基準(zhǔn)或電流基準(zhǔn)、二?；镜臄?shù)模轉(zhuǎn)換器由電壓基準(zhǔn)或電流基準(zhǔn)、二進制精密權(quán)電阻、一組電子開關(guān)及權(quán)電流求和電進制精密權(quán)電阻、一組電子開關(guān)及權(quán)電流求和電路構(gòu)成。下面首先基本路構(gòu)成。下面首先基本D/A的原理。的原理。nD/A用來

8、將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，其基本要求是輸用來將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，其基本要求是輸出電壓出電壓Vo應(yīng)該與輸入數(shù)字量應(yīng)該與輸入數(shù)字量D成正比，即成正比，即Vo=D Vref。其中，。其中，Vref為參考電壓，為參考電壓，D=dn 12n 1+dn 2 2n 2+d2 2 1+d0 20。5.2.1 概述 5.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器17TM17電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 n單片單片DAC有很多類型，按照工作原理的不同有很多類型，按照工作原理的不同，基本，基本DAC可分成兩大類，即直接可分成兩大類，即直接DAC和和間接間接DAC兩種。直接兩種。直接DAC是指直接將輸入是

9、指直接將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為輸出的模擬信號，間接的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為輸出的模擬信號，間接DAC則是先將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為某種中則是先將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為某種中間量，再把這種中間量轉(zhuǎn)換成為輸出的模擬間量，再把這種中間量轉(zhuǎn)換成為輸出的模擬信號。例如，可以把輸入的數(shù)字信號首先轉(zhuǎn)信號。例如，可以把輸入的數(shù)字信號首先轉(zhuǎn)換成為頻率一定、寬度隨數(shù)字信號變化的脈換成為頻率一定、寬度隨數(shù)字信號變化的脈沖信號，再利用低通濾波器提取其平均值，沖信號，再利用低通濾波器提取其平均值，從而得出相應(yīng)的模擬信號。從而得出相應(yīng)的模擬信號。 5.2.2 DAC的分類5.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器18TM18電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川

10、大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器19TM19電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 1集成集成FIFO的的DAC2視頻視頻RAM DAC3壓擴壓擴DAC4 - DAC5.2.2 DAC的分類5.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器20TM20電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 絕對精度絕對精度 雙極性輸出雙極性輸出 最低有效位最低有效位 線性誤差線性誤差 相對精度相對精度 分辨率分辨率 建立時間建立時間 信噪比信噪比 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 穩(wěn)定性穩(wěn)定性5.2.3 DAC的技術(shù)指標(biāo)5.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器21TM21電子系統(tǒng)設(shè)

11、計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 n由于工藝、功能、特性以及封裝、功能特性由于工藝、功能、特性以及封裝、功能特性的差異，的差異，DAC種類很多，如何選擇一個好的種類很多，如何選擇一個好的數(shù)模轉(zhuǎn)換器有三個重要標(biāo)準(zhǔn)：分辨率、準(zhǔn)確數(shù)模轉(zhuǎn)換器有三個重要標(biāo)準(zhǔn)：分辨率、準(zhǔn)確度和轉(zhuǎn)換速度。當(dāng)然，還要考慮其他基本要度和轉(zhuǎn)換速度。當(dāng)然，還要考慮其他基本要求：溫度穩(wěn)定性、輸入編碼、輸出格式、基求：溫度穩(wěn)定性、輸入編碼、輸出格式、基準(zhǔn)和功耗。準(zhǔn)和功耗。5.2.4 DAC的選擇原則5.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器22TM22電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 1輸出調(diào)節(jié)輸出調(diào)節(jié)

12、2基準(zhǔn)輸入基準(zhǔn)輸入3數(shù)字量數(shù)字量4控制控制5靜態(tài)和動態(tài)工作特性靜態(tài)和動態(tài)工作特性6電源電源5.2.4 DAC的選擇原則5.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器23TM23電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 nDAC0832屬于屬于DAC0830系列芯片中的系列芯片中的一種，是一種，是CMOS工藝制造的工藝制造的8位單片，位單片，由于該芯片價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換由于該芯片價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制方便等優(yōu)點，因而在單片機應(yīng)用系控制方便等優(yōu)點，因而在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用。統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用。DAC0832主主要由要由2個個8位寄存器和位寄存器和1個個8位位D/A轉(zhuǎn)換

13、器轉(zhuǎn)換器組成組成 5.2.5 DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器5.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器24TM24電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 nDAC0832主要性能主要性能n分辨率為8位。n只需在滿量程下調(diào)整其線性度。n可與所有的單片機或微處理器直接接口，需要時亦可不與微處理器連用而單獨使用。n電流穩(wěn)定時間1s。n可雙緩沖、單緩沖或直通數(shù)據(jù)輸入。n低功耗，200mW。n邏輯電平輸入與TTL兼容。n單電源供電，+5+15 V。5.2.5 DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器5.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器25TM25電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器

14、數(shù)模轉(zhuǎn)換器26TM26電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 nDAC0832與與8031的接口的接口（1) 直通式工作方式 下頁圖為直通式工作方式的連接方法。5.2.5 DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器5.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器27TM27電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器28TM28電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器29TM29電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器30TM30電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息

15、學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.3 電流電流/電壓變換器電壓變換器31TM31電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 nAD694引腳排列引腳排列n性能特點性能特點n電流輸出有020mA和420mA范圍。n電壓輸入有02V和010V等范圍。n具有2.000V和10.000V精確電壓基準(zhǔn)。n電源電壓范圍寬：4.536V。n輸入電路具有緩沖器，輸出可外加晶體管驅(qū)動。n非線性小于0.002%。5.3 電流電流/電壓變換器電壓變換器32TM32電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 n AD694主要由主要由5部分組成：緩沖放大器部分組成：緩沖放大器、V/I轉(zhuǎn)

16、換器、基準(zhǔn)電壓源、輸出電路轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓源、輸出電路和和4 mA設(shè)置。其中，緩沖器是單增益設(shè)置。其中，緩沖器是單增益、單電源運算放大器，可直接與電流輸、單電源運算放大器，可直接與電流輸出型出型DAC相連。相連。 5.3 電流電流/電壓變換器電壓變換器33TM33電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.3 電流電流/電壓變換器電壓變換器34TM34電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 n典型應(yīng)用典型應(yīng)用圖圖5.3.4是由是由AD694與與DAC構(gòu)成的數(shù)控構(gòu)成的數(shù)控V/I變換電路。變換電路。 5.3 電流電流/電壓變換器電壓變換器35TM35電子

17、系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 n壓頻轉(zhuǎn)換器又稱壓頻轉(zhuǎn)換器又稱V/F轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或VFC，可把模，可把模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成與邏輯電平（通常為擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成與邏輯電平（通常為TTL）兼容的脈沖串或方波，其輸出頻率與）兼容的脈沖串或方波，其輸出頻率與輸入模擬量成精確比例關(guān)系。輸出頻率連續(xù)輸入模擬量成精確比例關(guān)系。輸出頻率連續(xù)地跟蹤輸入信號，直接響應(yīng)輸入信號的變化地跟蹤輸入信號，直接響應(yīng)輸入信號的變化而不需要外部同步時鐘。而不需要外部同步時鐘。 5.4.1 概述5.4 壓頻轉(zhuǎn)換器與頻壓轉(zhuǎn)換器壓頻轉(zhuǎn)換器與頻壓轉(zhuǎn)換器36TM36電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)

18、信息工程系 楊剛 n這類器件是一種性能價格比較高的集成這類器件是一種性能價格比較高的集成芯片，很適合用作芯片，很適合用作ADC、精密頻率電、精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、長時間積分器、線性頻率調(diào)壓轉(zhuǎn)換器、長時間積分器、線性頻率調(diào)制或解調(diào)及其他功能電路。制或解調(diào)及其他功能電路。LM131A/231A/331A可得到只有昂貴可得到只有昂貴的的V/F轉(zhuǎn)換才會具有的高水平精度轉(zhuǎn)換才會具有的高水平精度-溫度溫度特性。特性。 5.4.2 LMx31系列V/F、F/V轉(zhuǎn)換器5.4 壓頻轉(zhuǎn)換器與頻壓轉(zhuǎn)換器壓頻轉(zhuǎn)換器與頻壓轉(zhuǎn)換器3.4.3 單電源交流電壓放大器37TM37電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.4.2 LMx31系列V/F、F/V轉(zhuǎn)換器5.4 壓頻轉(zhuǎn)換器與頻壓轉(zhuǎn)換器壓頻轉(zhuǎn)換器與頻壓轉(zhuǎn)換器1. 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）1性能特點：最大線性度：0.01%。雙電源或單電源工作（單電源可以在5V以下工作）。脈沖輸出與所有邏輯形式兼容。最佳溫度穩(wěn)定性：最大值為50106/。小功耗：5V以下典型值為15 mW。寬的動態(tài)范圍：10 kHz滿量程頻率下最小值為100 dB滿量程頻率范圍：1 Hz100 kHz。38TM38電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程系 楊剛 5.4.2 LMx31系列V/F、F/V轉(zhuǎn)換器5.4