專用集成電路設(shè)計(jì)AD和DA轉(zhuǎn)換器

12024/11/86.3D/A轉(zhuǎn)換器6.4A/D轉(zhuǎn)換器專用集成電路設(shè)計(jì)22024/11/8一、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念和作用數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。

實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器

Digital-AnalogConverter，簡(jiǎn)稱

D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。

模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。

實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器

Analog-DigitalConverter，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。

32024/11/8為何要進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？42024/11/8二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例數(shù)字信號(hào)物理量模擬信號(hào)壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開關(guān)數(shù)字控制計(jì)算機(jī)DAC模擬控制器模擬控制器液位傳感器DACDAC…………模擬控制器模擬控制器生產(chǎn)控制對(duì)象

DACADC二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例52024/11/8

D/A轉(zhuǎn)換器即數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DigitaltoAnalogConverter),其任務(wù)是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。

D/A轉(zhuǎn)換器廣泛用于信號(hào)處理中，如數(shù)字存儲(chǔ)示波器的示波管顯示器、增益控制、精密衰減器，精密數(shù)控電源，直接數(shù)字頻率合成器等等。6.3D/A轉(zhuǎn)換器

62024/11/8D/A轉(zhuǎn)換器的類型(分類）：4類72024/11/8

6.3.1D/A轉(zhuǎn)換器原理

D/A轉(zhuǎn)換器的原理框圖如下圖6-15所示。其中，b1～bN為N位數(shù)字量輸入，Uref為參考電壓。輸出模擬量為：Uo=KDUref，K為比例因子，D為：

故，

82024/11/8圖6-16D/A轉(zhuǎn)換器輸入輸出理想特性

當(dāng)輸入數(shù)字量最低位變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的模擬量跳一個(gè)臺(tái)階，輸出為階梯波信號(hào)。92024/11/8

2.D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

1)代表精度的指標(biāo)——位數(shù)(bit數(shù))——分辨率

階梯波臺(tái)階電壓：2)代表速度的指標(biāo)——轉(zhuǎn)換時(shí)間——時(shí)鐘頻率即從數(shù)字信號(hào)輸入D/A轉(zhuǎn)換器到輸出電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需要時(shí)間，該時(shí)間決定了D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。實(shí)際上，D/A轉(zhuǎn)換要按時(shí)鐘節(jié)拍工作。通常用最高時(shí)鐘頻率來(lái)表達(dá)D/A轉(zhuǎn)換器的工作速度。3)靜態(tài)誤差所謂靜態(tài)誤差，是與時(shí)間無(wú)關(guān)，反映靜態(tài)工作時(shí)實(shí)際模擬輸出接近理想模擬輸出的程度。通常有失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差等。102024/11/8

1.例置R-2R梯形D/A轉(zhuǎn)換器

1)電路倒置R-2R梯形D/A轉(zhuǎn)換器電路如圖6-18所示。該電路的優(yōu)點(diǎn)是電阻類型少，只有R和2R兩種，易實(shí)現(xiàn)。6.3.2D/A轉(zhuǎn)換器電路圖6-18倒置R-2R梯形D/A轉(zhuǎn)換器112024/11/8II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC從A、B、C節(jié)點(diǎn)向左看去，各節(jié)點(diǎn)對(duì)地的等效電阻均為2R。122024/11/8

由圖可見(jiàn)，輸出電壓Uo為：Uo=-RF×Io

而Io視開關(guān)S1～SN的狀態(tài)而定。S表示數(shù)字量控制開關(guān)，當(dāng)數(shù)字量為“0”時(shí)，開關(guān)接地，電流不流入運(yùn)放;

只有當(dāng)數(shù)字量為“1”時(shí)，開關(guān)接到運(yùn)算放大器的虛地點(diǎn)，其電流才流入運(yùn)放而產(chǎn)生輸出。各電流關(guān)系為：I1=2I2=22I3=…=2N-1IN2)工作原理132024/11/8模擬量輸出為

若N=3,且數(shù)字字(即數(shù)字輸入代碼)為“110”，RF=R,那么流入運(yùn)放總電流為：142024/11/8

如下圖，數(shù)字字b1～bN通過(guò)兩級(jí)非門構(gòu)成的分相電路變成bi和bi，然后分別去控制兩個(gè)傳輸門構(gòu)成的開關(guān)。當(dāng)b1=“1”，b1=“0”時(shí)，傳輸門Ⅱ?qū)ǎ瑢i接到虛地點(diǎn)Q。反之，當(dāng)b1=“0”,b1=“1”時(shí)，傳輸門Ⅰ導(dǎo)通，Ⅱ截止，將Si接到地。圖6–19D/A轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電路3)開關(guān)電路2選1電路152024/11/8

1)電路如下圖所示，該電路由電容網(wǎng)絡(luò)與一組開關(guān)組成，并由兩相不重疊時(shí)鐘控制。2.權(quán)電容D/A轉(zhuǎn)換器2)工作原理

(1)當(dāng)φ1=“1”時(shí)，終端電容被短路，其它電容下端均接地，處于全放電狀態(tài)，所有電容電荷為0。稱此階段為“復(fù)位期”。162024/11/8(2)當(dāng)φ1=“0”時(shí)，電路進(jìn)入工作期，有兩種情況：①φ2=“0”，所有受φ2控制的開關(guān)打開，電容下端懸空，Uo=0。②φ2=“1”，則:

·若bi=“1”，bi=“0”,則受φ2bi控制的開關(guān)閉合，相應(yīng)的電容下端被接到參考電壓Uref。

·若bi=“0”，bi=“1”,則受φ2bi控制的開關(guān)閉合，相應(yīng)的電容下端被接地。172024/11/8

(3)等效電路。電容分壓的等效電路如下圖。圖中Ceq代表對(duì)應(yīng)bi=“1”被接到參考電壓Uref的電容之和，2C代表電路中所有電容之和，那么(2C-Ceq)代表對(duì)應(yīng)bi=“0”即接地電容之和。根據(jù)串聯(lián)電容上電荷相等的原理，有：UA(2C-Ceq)=(Uref-UA)Ceq則：圖6-22電容分壓等效電路

182024/11/8

3)開關(guān)電路受φ2控制的開關(guān)電路如圖6-23所示。

圖6-23權(quán)電容D/A轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)biΦ2=1，時(shí)傳輸門I導(dǎo)通biΦ2=0，時(shí)傳輸門II導(dǎo)通192024/11/8

3.開關(guān)樹D/A轉(zhuǎn)換器

1)電路

用2N個(gè)電阻串和開關(guān)樹組成。

該電路電阻數(shù)為2N個(gè)，其中N為位數(shù)。這種電路中所有的電阻均相同，開關(guān)也相同，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易,但電阻多，開關(guān)也多，所占硅片面積比較大，而且轉(zhuǎn)換器對(duì)寄生電容敏感，導(dǎo)致信號(hào)延遲。202024/11/8

2)原理

(1)分壓定標(biāo)。該電路共有2N個(gè)電阻，且所有電阻相等，電阻串對(duì)參考電壓Uref分壓。對(duì)第i個(gè)電阻分割點(diǎn)的電壓Ui為到底是哪個(gè)電阻分割點(diǎn)的電壓輸出，則由開關(guān)樹決定。212024/11/8

圖6-26開關(guān)電路3)開關(guān)電路222024/11/8

常用的集成DAC有AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等，這里僅對(duì)DAC0832作簡(jiǎn)要介紹。

1.D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832

DAC0832是CMOS工藝，8位D/A轉(zhuǎn)換器芯片，20腳雙列直插封裝。邏輯電平輸入與TTL兼容。有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式、雙緩沖方式?？膳c單片機(jī)或微處理器直接接口，也可單獨(dú)使用。集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用232024/11/8242024/11/8252024/11/8262024/11/8DAC0832D/A轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的關(guān)系（設(shè)VREF=10V）272024/11/82.8位CMOS集成D/A轉(zhuǎn)換器CDA7520簡(jiǎn)介數(shù)據(jù)鎖存器20k

20k

20k

20k

20kΩ……10k

10k

10k

10k

…VDDVREF151213CSWR45611D7

(MSB)D6D5D0

(LSB)S0S1S2S7OUT112316iΣRFBOUT2GND基準(zhǔn)電壓輸入端

VREF

可正可負(fù)

片選控制端

電源電壓范圍+5V~+15V

8位數(shù)據(jù)輸入端，其電平與TTL電平兼容。MSB表示最高位，LSB表示最低位。接地端

內(nèi)部反饋電阻RF

的引出端

兩個(gè)輸出端，一般將OUT2

接地，OUT1

接運(yùn)放反向端。

寫信號(hào)控制端

282024/11/8解：當(dāng)

D7D6D5D4D3D2D1D0=

11111111

時(shí)，輸出為滿度值。uO=-

UFSR

-9.961V。

[例]右圖為CDA7524的單極性輸出應(yīng)用電路。圖中電位器R1

用于調(diào)整運(yùn)放增益，電容

C

用以消除運(yùn)放的自激。已知ULSB=VREF/256，試求滿度輸出電壓及滿度輸出時(shí)所需的輸入信號(hào)。CDA752045789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF=

10V++-△∞OUT1OUT2uOC2k

R2R11k

15pFWR292024/11/88位的D/A轉(zhuǎn)換器常用的有DAC0832、DAC0808，都屬于R—2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)型。剛才所介紹的AD7520為AD公司的產(chǎn)品。302024/11/8

6.4A/D轉(zhuǎn)換器

1.A/D轉(zhuǎn)換器的原理及特性

A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，是數(shù)字化過(guò)程的第一步，也是數(shù)字化的必經(jīng)之路。數(shù)字化過(guò)程一般包括以下三個(gè)步驟：

·取樣保持(S/H)：要是獲取模擬信號(hào)某一時(shí)刻的樣品，并在一定時(shí)間內(nèi)保持這個(gè)樣品值不變。

·量化：將取得樣品值量化為用“0”、“1”表示的數(shù)字量。

·編碼：將量化后的數(shù)字量按一定規(guī)則編碼成數(shù)據(jù)流，以便進(jìn)一步存儲(chǔ)與處理。312024/11/8A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟322024/11/8

圖中，量化器就是一系列加不同參考電平的電壓比較器，當(dāng)輸入電壓高于該比較器的參考電平Uref時(shí)，比較器輸出的數(shù)字量為“1”；低于參考電平Uref時(shí)，輸出為“0”。圖6-36A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖332024/11/8

2.A/D轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)

(1)分辨率，即“位數(shù)”(bit數(shù)——A/D數(shù)字化的字長(zhǎng))。這是一個(gè)表達(dá)精度的指標(biāo)。如果A/D轉(zhuǎn)換器的滿刻度輸入為UFSR，位數(shù)為N，則量化電平量化誤差量化噪聲方差(6-48a)(6-48b)(6-48c)342024/11/8圖6-373位A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性352024/11/8

(2)采樣率，即最高時(shí)鐘頻率，這是一個(gè)表達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度的指標(biāo)。

(3)其它靜態(tài)特性指標(biāo)還有失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差等，其意義與D/A轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)誤差相同。362024/11/8

6.4.2A/D轉(zhuǎn)換器的分類及應(yīng)用

A/D轉(zhuǎn)換器的類型很多，如下圖所示：有高速并行FlashA/D，有速度與精度折中較好的流水線A/D，有適用于數(shù)字電壓表的雙斜率積分式A/D，也有適用范圍很廣的逐次比較式A/D等。

圖6-38A/D轉(zhuǎn)換器類型372024/11/8

6.4.3A/D轉(zhuǎn)換器電路舉例

1.逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器（逼近型）

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器是一種低成本，分辨率和速度都比較好的A/D轉(zhuǎn)換器，因此應(yīng)用十分廣泛。該A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖6-40所示。382024/11/8

工作過(guò)程：電路收到轉(zhuǎn)換命令后，首先將逐次逼近寄存器置“0”(清零)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，邏輯控制電路先將逐次逼近寄存器最高位(Dn-1)置“1”，其它位置“0”，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器重新轉(zhuǎn)換為模擬電壓Uo(相當(dāng)于UFSR/2)，然后將此電壓回送到比較器，與輸入信號(hào)Ui比較。若

Uo<Ui

數(shù)字輸出最高位保留“1”Uo>Ui

數(shù)字輸出最高位改為“0”392024/11/8

第二個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，邏輯控制電路將寄存器次高位置“1”，并與最高位一起送到D/A轉(zhuǎn)換器，將其輸出電壓U′o

與Ui再次比較。若

U′o<Ui數(shù)字輸出次高位保留“1”

U′o>Ui

數(shù)字輸出次高位改為“0”

這個(gè)過(guò)程一直進(jìn)行下去直至最后一位完成。402024/11/8

例如：輸入模擬信號(hào)Ui=163mV，轉(zhuǎn)換器的滿刻度電壓256mV，采用逐次比較量化過(guò)程如下：

最高位置“1”，Uo=128mV,Ui>Uo，最高位輸出為“1”；

次高位置“1”，Uo=128+64=192mV,Ui<Uo，次高位輸出為“0”；

次次高位置“1”，Uo=128+0+32=160mV,Ui>Uo，次次高位輸出為“1”；

……

如此下去，得到1010001，Uo=162mV。可見(jiàn)Uo越來(lái)越逼近Ui，令最低位置“1”，則

Uo=128+0+32+0+0+0+2+1=163mV=Ui

完成轉(zhuǎn)換，163mV對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為10100011。412024/11/8

2.算法A/D

1)算法原理

算法A/D轉(zhuǎn)換器工作流程如圖。

首先將輸入信號(hào)Ui放大2倍，得2Ui，然后將2Ui與參考電壓Uref比較。

若2Ui>Uref,則最高位數(shù)字輸出為“1”，并以2Ui與Uref之差作為次高位的模擬輸入電壓。

若2Ui<Uref,

則最高位數(shù)字輸出為“0”，并以2Ui作為次高位的模擬輸入電壓。以此類推，可以產(chǎn)生相應(yīng)的N位數(shù)字字。圖6-44算法A/D的工作流程

422024/11/8

2)電流模算法A/D轉(zhuǎn)換器電路及其工作原理電流模算法A/D特點(diǎn)：輸入輸出量全是電流，具有面