專用集成電路設(shè)計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。

實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器

Digital-AnalogConverter，簡稱

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。

實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器

Analog-DigitalConverter，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。

32024/11/8為何要進行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？42024/11/8二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應用舉例數(shù)字信號物理量模擬信號壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開關(guān)數(shù)字控制計算機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)控制對象

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

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

D/A轉(zhuǎn)換器廣泛用于信號處理中，如數(shù)字存儲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

當輸入數(shù)字量最低位變化時，對應的模擬量跳一個臺階，輸出為階梯波信號。92024/11/8

2.D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標

1)代表精度的指標——位數(shù)(bit數(shù))——分辨率

階梯波臺階電壓：2)代表速度的指標——轉(zhuǎn)換時間——時鐘頻率即從數(shù)字信號輸入D/A轉(zhuǎn)換器到輸出電壓達到穩(wěn)態(tài)值所需要時間，該時間決定了D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。實際上，D/A轉(zhuǎn)換要按時鐘節(jié)拍工作。通常用最高時鐘頻率來表達D/A轉(zhuǎn)換器的工作速度。3)靜態(tài)誤差所謂靜態(tài)誤差，是與時間無關(guān)，反映靜態(tài)工作時實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)點是電阻類型少，只有R和2R兩種，易實現(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)點向左看去，各節(jié)點對地的等效電阻均為2R。122024/11/8

由圖可見，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)，當數(shù)字量為“0”時，開關(guān)接地，電流不流入運放;

只有當數(shù)字量為“1”時，開關(guān)接到運算放大器的虛地點，其電流才流入運放而產(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,那么流入運放總電流為：142024/11/8

如下圖，數(shù)字字b1～bN通過兩級非門構(gòu)成的分相電路變成bi和bi，然后分別去控制兩個傳輸門構(gòu)成的開關(guān)。當b1=“1”，b1=“0”時，傳輸門Ⅱ?qū)?，將Si接到虛地點Q。反之，當b1=“0”,b1=“1”時，傳輸門Ⅰ導通，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，并由兩相不重疊時鐘控制。2.權(quán)電容D/A轉(zhuǎn)換器2)工作原理

(1)當φ1=“1”時，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“復位期”。162024/11/8(2)當φ1=“0”時，電路進入工作期，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代表對應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)代表對應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，時傳輸門I導通biΦ2=0，時傳輸門II導通192024/11/8

3.開關(guān)樹D/A轉(zhuǎn)換器

1)電路

用2N個電阻串和開關(guān)樹組成。

該電路電阻數(shù)為2N個，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，實現(xiàn)起來比較容易,但電阻多，開關(guān)也多，所占硅片面積比較大，而且轉(zhuǎn)換器對寄生電容敏感，導致信號延遲。202024/11/8

2)原理

(1)分壓定標。該電路共有2N個電阻，且所有電阻相等，電阻串對參考電壓Uref分壓。對第i個電阻分割點的電壓Ui為到底是哪個電阻分割點的電壓輸出，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DAC0832作簡要介紹。

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單片機或微處理器直接接口，也可單獨使用。集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應用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簡介數(shù)據(jù)鎖存器20k

20k

20k

20k

20kΩ……10k

10k

10k

10k

…VDDVREF151213CSWR45611D7

(MSB)D6D5D0

(LSB)S0S1S2S7OUT112316iΣRFBOUT2GND基準電壓輸入端

VREF

可正可負

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

兩個輸出端，一般將OUT2

接地，OUT1

接運放反向端。

寫信號控制端

282024/11/8解：當

D7D6D5D4D3D2D1D0=

11111111

時，輸出為滿度值。uO=-

UFSR

-9.961V。

[例]右圖為CDA7524的單極性輸出應用電路。圖中電位器R1

用于調(diào)整運放增益，電容

C

用以消除運放的自激。已知ULSB=VREF/256，試求滿度輸出電壓及滿度輸出時所需的輸入信號。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)字化過程的第一步，也是數(shù)字化的必經(jīng)之路。數(shù)字化過程一般包括以下三個步驟：

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

·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，以便進一步存儲與處理。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，當輸入電壓高于該比較器的參考電平Uref時，比較器輸出的數(shù)字量為“1”；低于參考電平Uref時，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

(1)分辨率，即“位數(shù)”(bit數(shù)——A/D數(shù)字化的字長)。這是一個表達精度的指標。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，即最高時鐘頻率，這是一個表達A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度的指標。

(3)其它靜態(tài)特性指標還有失調(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?shù)谝粋€時鐘脈沖到來時，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D/A轉(zhuǎn)換器重新轉(zhuǎn)換為模擬電壓Uo(相當于UFSR/2)，然后將此電壓回送到比較器，與輸入信號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

第二個時鐘脈沖到來時，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”

這個過程一直進行下去直至最后一位完成。402024/11/8

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

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?？梢奤o越來越逼近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對應的數(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：輸入輸出量全是電流，具有面