集成电子技术基础教程：第4篇 第二章 信号转换电路

1、在计算机控制系统中，经常需要进行数字量模拟量，模拟量数字量的转换，（前者称D/A转换，后者为A/D转换）。如图是一个生产过程自动化的流程图第二章第二章 信号转换电路信号转换电路4.2.1 数/模转换电路(Digital to Analog Converter) 一、一、DACDAC的基本原理的基本原理: 将输入数字量变换成模拟量输出基本思路： 将输入的二进制数按其位权的大小先转换成与之成正比的电流量，然后将该电流再转换成模拟量电压输出。实现数字量模拟量转换的电路框图D/A10001122112)2222(niiiInnnnInIdKddddKDKi102niiiInfIfodKDRKiRvD/

2、A转换特性图三位二进制数字量输入和模拟量输出的关系图中输出模拟量的最小增最小增量量V VLSBLSB表示输入数字量中最低位为“1”时的模拟电压。二、四位倒二、四位倒T T电阻网络电阻网络D/AD/A转换器转换器其特点是只有二种电阻，精度可以做得高；由于运放的反相输入端为虚地所以开关切换时流过支路电流不变，只是流向反相端还是流向地，所以没有过渡过程。由图可知；网络部分的总电阻为R，而流过参考电源VREF的总电流为：而流过每一个节点的电流依次降低一半，即流过每一个支路的电流依次为：RVIREF4322,2,2,2IIII当输入二进制数的某一位高电平时，对应支路的电流流向反相端，反之流向地。因此流向

3、反相端的电流有：)2222(211684200112233401231ddddRVdIdIdIdIiREFofoii1所以输出电压有：)2222(2)16842(00112233401231ddddRRVRdIdIdIdIRivfREFffoo输入为n位数字量时：)22222(20011222211dddddRRVvnnnnnfREFo当R=Rf时：nnREFniiinREFnnnnnREFoDVdVdddddVv222)22222(2100011222211这种D/A转换器的典型产品是AD7520（10位的一片D/A转换器）三、三、D/AD/A转换器的双极性输出转换器的双极性输出当正负的数字

4、量输入时，要求有正负的模拟量输出。由于一个正负数可以用补码表示，因此，一个用补码输入的正、负数，如何转换成正、负输出的模拟量呢？以一个三位二进制补码为例，3位二进制补码可以表示从+3到-4之间的任何一个十进制整数。三位补码输入时与之对应的偏移码和D/A输出间的关系表十进制数补码输入d2d1d0偏移码（补码符号位取反）接入偏移电路（偏移-4V）后的输出电压（V）+3011111+3+2010110+2+1001101+100001000-1111011-1-2110010-2-3101001-3-4100000-4能得到双极性输出的电路如图，它是将补码输入后，最高位求反，并设置了偏移电路来实现双

5、极型输出的。电路说明：当输入补码d2d1d0=000，偏移码=100时，使 =0。因此，应调节RB的值，使IB=IMSB=VB/RB，输出模拟电压为0。 oi而在其它输入情况下，输出模拟量有：fMSBfBoRIiRIiv)()(max111222IIIInnLSBnMSBB式中的Imax为偏移码全为1时的 总电流。i对n位的双极型D/A转换电路，则有：输出模拟电压为： max1122IiIiinnBofnnfBfooRIiRIiRiv)122()(max1四、D/A转换器的主要指标 1、分辨率DAC电路所能分辨的最小输出电压增量为VLSB，它与最大输出电压Vm之比称为分辨率。121nmLSBV

6、V例如n=10, 分辨率为千分之一。由于分辨率的大小仅决定与输入数字量的位数。手册中常以DAC的位数n来表示。位数越多，分辨率越高2 2、转换精度、转换精度如果不考虑D/A转换的误差，DAC转换精度就是分辨率的大小。因此，要获得高精度的D/A转换结果，首先要选择有足够高分辨率的DAC。绝对转换精度绝对转换精度 是指满刻度数字量输入时，模拟量输出接近理论值的程度。它和标准电源的精度、权电阻的精度有关。相对转换精度相对转换精度 指在满刻度已经校准的前提下，整个刻度范围内，对应任一模拟量的输出与它的理论值之差。它反映了DAC的线性度。3 3、非线性误差、非线性误差D/A转换器的非线性误差定义为实际转

7、换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。转换器电路设计一般要求非线性误差不大于1/2LSB。4 4、转换速率、转换速率/ /建立时间建立时间转换速率转换速率实际是由建立时间建立时间来反映的。建立时间是指数字量为刻度值（各位全为1）时，DAC的模拟输出电压达到某个规定值（比如，90%满量程或1/2LSB满量程）时所需要的时间。五、集成五、集成D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832应用举例应用举例特点：8位分辨率，与8位微机兼容，价格低，接口简单，转换控制容易，电路为R-2R T型电阻网络结构等。 D7D0是数字量输入端，VREF外接参考电压，可正

8、、可负。IOUT1和IOUT2是电流输出端，接运算放大器。IOUT1和IOUT2是电流输出端，接运算放大器。内部 和 分别是两个寄存器的锁存控制端，当 由0变1时， D7D0输入数据送入8位输入寄存器，当 由0变1时，8位输入寄存器的数据锁存至8位DAC寄存器，并使8位DAC转换器的输出发生相应的变化。1LE2LE1LE2LE 低电平有效，当低电平时，输入锁存器和低电平有效，当低电平时，输入锁存器和DAC寄存器工寄存器工作在直通状态作在直通状态1LE2LEDAC0832与8031单片机连接电路其中，DAC0832的输入数字量以及转换所需的各控制信号都来自单片机8031。电路进行两路D/A转换，

9、实现双缓冲器的同步方式连接。其工作原理如下：CPU的P0口P0P7分时分时向DAC0832（I）和DAC0832（II）送出要转换的数字量，锁存在各自的输入锁存器中，然后CPU同时向两片DAC0832发出转换控制信号，使两个D/A转换器输入寄存器中的数据打入DAC寄存器，实现同步转换输出模拟量。由于该DAC是电流型输出，所以，用运放实现I/V转换，输出为模拟电压信号。电路采用二级运放放大。二级运放放大。 如果参考电压VREF为正电压时，第一级运放输出0-5V模拟电压，而第二级输出-5V+5V的模拟电压。模/数转换器（A/D） Analog to Digital Converter连续变化的模拟

10、量（信号）变换成数字量（数连续变化的模拟量（信号）变换成数字量（数字信号）输出字信号）输出一、A/D转换的基本原理A/D转换的基本思路：对连续变化的模拟量在一系列取定的时间瞬间进瞬间进行取样，行取样，然后把该取样值用二进制数表示出来。由于将采样值再用二进制表示出来需要一定的时间，因此，采样后的模拟量还须要保持、量化和编码等过程。所以，A/D转换过程一般要四步：采样、保持、量化和编码。1 . 1 . 采样定理和采样采样定理和采样保持电保持电路路右边的电路就是在一系列选定的时间瞬间对输入模拟信号进行采样的电路。电路中S是理想的模拟开关，CH是保持电容，S开关由采样脉冲信号 控制。当 高电平时，开关

11、闭合 对电容CH充电（采样）；SvSv)(tvI当 低电平时，电容器上采样的电压 保持。进而可画出采样后的波形。Sv)(tvI采样保持波形图 为了能使采样后的信号不失真地再现原采样前的输入信号，由此，对采样的信号频率 就有一定的要求。由采样定理得：Sfmax2iSff 式中 为输入模拟信号 频谱中的最高频率 成分。在实际的A/D转换中，允许存在一定的误差下，采样脉冲频率 常按下式选取： maxif)(tvISfmax) 35 . 2(iSff 图示电路是一个具体的采样保持电路，由两级运算放大器和电子开关组成，两只运放都接成电压跟随器形式。电路可以做到快速取样，A1运放输入为高阻，输出为低阻，对

12、输入 起隔离作用。)(tvI对保持电容CH实现快速充电，时间常数远小于TC（采样时间）。A2跟随器输入电阻很高，使得当S断开后，保持电容CH的保持性能好。保持电容，要求选用高质量的电容器，漏电很小。（如聚苯乙希电容）2. 2. 量化和编码量化和编码将取样后的值用一个最小单位的整数倍来表示，由于一个值不一定正好能分割成最小单位的整最小单位的整数倍数倍，因此，必须对取样值进行取整归并，这种取整归并的方法和过程称量化（数值量化或量化（数值量化或数值分层）数值分层）。取整归并（即量化）的方法有两种(1)、舍尾取整法：、舍尾取整法：KSvSKI ) 1(SKvI) 1(*取量化值 舍去不足一个量化单位的

13、尾部，取其整数。当S表示为量化单位时，即有：如当S=1V时，;38 . 3*Vv，VvII量化值时.55*Vv，VvII量化值时舍尾取整量化特性可见，这种量化方法时的最大量化误差为：StvtvII1)()(*max量化单位的计算：nimVS2n是ADC的位数采保后的最大值电压舍尾取整量化误差imV(2)、四舍五入量化法、四舍五入量化法：大于S/2量化单位的尾部归整，舍去小于S/2量化单位的尾部。如当S=1V时，;46 . 3*Vv，VvII量化值时.54 . 5*Vv，VvII量化值时四舍五入量化转移特性可见，这种量化方法时的最大量化误差为：StvtvII21)()(*max量化单位的计算：1

14、222121nimnimVVS四舍五入量化误差转换种类DA/双积分式双积分式ADCADC速度较慢，精度高，抗干扰性好；V/F式ADC调制式ADC，用在航天；并行比较型并行比较型ADCADC速度最快速度最快；反馈计数式ADC速度慢；逐次逼近型逐次逼近型ADCADC速度快；直接A/D转换器二、逐次逼近型二、逐次逼近型A/DA/D转换转换器器三位的逐次逼近型A/D转换器D触发器接成右移形式。触发器接成右移形式。电路由以下电路由以下部分组成：部分组成：模拟比较器C，三位D/A转换器，三位逐次逼近寄存器，五位节拍脉冲发生器，输出与门电路等。S/H是采样保持器电路中设置偏移S/2量化单位是为减小量化误差之

15、用。转换原理：开始转换前，Q2Q1Q0=000（清零）节拍脉冲发生器置成QAQBQCQDQE=00001，则输出为d2d1d0=000，D/A输出为0，加入输入模拟电压4.65V4.65V后，因为 FIvv 所以，1Cv（高电平）第一个第一个CP QAQBQCQDQE=10000 Q2Q1Q0=100 d2d1d0=000 Q2Q1Q0=100经D/A后，得： VSSvF5 . 3214设S=1V所以，1CvQ2Q1Q0=100不够大，高位Q2=1保留；第二个第二个CP QAQBQCQDQE=01000 Q2Q1Q0=110 d2d1d0=000 Q2Q1Q0=110经D/A后，得：VSSSv

16、F5 . 52124所以，0Cv说明数据110太大，Q1=1应舍去；第三个第三个CP QAQBQCQDQE=00100 Q2Q1Q0=101 d2d1d0=000 Q2Q1Q0=101经D/A后，得：VSSvF5 . 4215所以，1Cv第四个第四个CPQAQBQCQDQE=00010Q2Q1Q0=101d2d1d0=000Q2Q1Q0=101，即Q0=1仍保留。第五个第五个CP QAQBQCQDQE=00001 Q2Q1Q0=101状态保持不变，由于QE=1，输出与门被选通，所以输出数字量为： d2d1d0=101用表说明的整个工作过程用表说明的整个工作过程CP脉冲顺序寄存器状态Q2Q1Q0

17、Q端状态留舍11001Q2=1留21100Q1=1舍31011Q0=1留41011Q2Q1Q0=10151011 读出d2d1d0=1012/SvvoFS=1V关系与FIvvCvSSS5 . 32/4SSS5 . 52/6SSS5 . 42/5S5 . 4S5 . 4FIvv ;FIvv ;FIvv ;FIvv ;FIvv ;三位逐次逼近型A/D转换器的电压逼近波形图逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器的特点：转换器的特点：转换速度较快，对n位A/D转换器，转换一次的时间为：T=T=（ n+2n+2）T TCPCP；容易与8位微机连接;转换精度，主要决定于其中的D/A转换器的位数、线性度、电

18、子开关压降、参考电压稳定度，以及模拟电压比较器的灵敏度等。由于集成电路制造工艺的完善，A/D转换器的精度已可达0.005%。三、计数式三、计数式A/D转换器转换器脉冲源CDAC计数器输出寄存器&IvovCP)(LSB)(MSB)(MSB)(LSBCS四、三位并行比较型四、三位并行比较型A/DA/D转换器转换器111111112d1d0dD1D1D1D1D1D1D11C1C1C1C1C1C1CRRRRRRR2/RIvREFV15REFV153REFV1513REFV7C6C5C4C3C2C1CCP7FF6FF5FF4FF3FF2FF1FF转换原理可用表说明输入模拟电压寄存器状态Q7Q6Q

19、5Q4Q3Q2Q1输出数字量0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 10 0 0 0 0 1 1 0 1 00 0 0 0 1 1 1 0 1 10 0 0 1 1 1 1 1 0 00 0 1 1 1 1 1 1 0 10 1 1 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 1 1 1Iv2d1d0dREFV)1510(REFV)153151(REFV)155153(REFV)157155(REFV)159157(REFV)1511159(REFV)15131511(REFV)15151513(三位输出函数式42Qd 2461QQQd123456

20、70QQQQQQQd五、双积分式五、双积分式A/DA/D转换器转换器这是一种间接A/D转换器。它首先把输入的模拟信号转换成中间变量时间T，然后再将时间T转换成数字量输出。由于双积分分两次积分，产生两条积分斜率，所以，也有叫双斜率A/D转换器。双积分式A/D转换器原理框图如图所示加法器起始清零，异步形式电路由积分器A、过零比较器C和n位二进制加法计数器等电路组成。转换原理如下：转换开始前，进行初始化处理：计数器和触发器清零，S1接通A，S2闭合，积分电容C充分放电，v01=0, C0为0，与门G封锁。 S2打开：在计数器尚未计满 dn-1dn-2d1d0=1111之前，过程继读。当计满1111并

21、返回000 0后，附加触发器由附加触发器由0 0变变1 1，S1开关接通负参考电压-VREF。积分器向正方向进行第二次积分， V01的积分电压为：tRCvdtvRCtvItI0011)(V01电压向正方向上升。只要V01电压尚未达到0V，C0=1，则计数器就进行第二次加法计数，当积分器正方向积分至当积分器正方向积分至0V时时，C0=0， CP脉冲被封锁，计数器停止计数，则此时计数器所累计的数据就为输入模拟量所对应的数字量了。积分器二次积分的波形图。定量分析定量分析：第一次积分（t0t1)第二次积分（t1t2)nCPIItITRCvTRCvdtvRCtv21)(10101121)(1)()(10

22、1201ttREFdtVRCtvtv当t=t2时，积分器输出电压为0，则：0)(1)()(2110120121TRCVTRCvdtVRCtvtvREFIttREF因此有：21TRCVTRCvREFICPnREFIREFITVvTVvT212输出数字量：nREFICPVvTTD22双积分式A/D转换器的特点：由于采用了积分器，抗干扰能力强；两次积分用同一个积分器，使输出结果与积分参数无关（见表达式），精度高；当选取积分时间为工频周期的整数倍时，理论上可完全消除工频干扰，因为这时对工频干扰的平均积分为0;主要应用在精度高，而速度相对慢的数字测试设备和仪表中六、六、V/FV/F变换型变换型A/DA/

23、D转换器转换器基本思路：先将输入的模拟电压信号变换成与之成正比的脉冲，然后，在定时控制下，对该脉冲进行计数得到相应的数字量输出。电路组成分析：A1是模拟反相器，A2是模拟积分器，C1、C2组成比较器，其它都是熟悉的数字电路。1A2A2C1C&n位二进制计数器控制逻辑1R1RRavavav1S2SC1RV2RV0v1Cv2CvQQSTCSGCP1nd1d0d转换控制电路工作原理：开始转换前，CS低电平，S2闭合，S1接通- 基本触发器置 =0， =1。开始转换 ，CS=1，开关S2断开。积分器A2开始正方向积分， 电位逐渐上升，当上升av1A2A2C1C&n位二进制计数器控制逻辑

24、1R1RRavavav1S2SC1RV2RV0v1Cv2CvQQSTCSGCP1nd1d0d转换控制QQ至 时， 变成低电平0， 变成高0v10RVv 1Cv2cv电平11A2A2C1C&n位二进制计数器控制逻辑1R1RRavavav1S2SC1RV2RV0v1Cv2CvQQSTCSGCP1nd1d0d转换控制触发器置1)0, 1(QQ控制逻辑电路将开关S1接通 ；接着积分器A2负方向积分 开始下降，当 av0v下降至 时，两个比较器输出 =1， =0，20RVv1Cv2cv触发器重新置0) 1, 0(QQ，电子开关又接通到 av1A2A2C1C&n位二进制计数器控制逻辑1R1

25、RRavavav1S2SC1RV2RV0v1Cv2CvQQSTCSGCP1nd1d0d转换控制，积分器又正向积分，如此周而复始，不断地进行，在触发器的 和 端将得到随 而变化QQav的波形，而且 将正比于 。avQft0t0t0t0t0t01RV2RV1cv2cvQCSCPST1t2t1A2A2C1C&n位二进制计数器控制逻辑1R1RRavavav1S2SC1RV2RV0v1Cv2CvQQSTCSGCP1nd1d0d转换控制1A2A2C1C&n位二进制计数器控制逻辑1R1RRavavav1S2SC1RV2RV0v1Cv2CvQQSTCSGCP1nd1d0d转换控制由波形图可得，

26、在定时时间在定时时间TS内内，计数器对CP（ ）进行计数，则n位二进制计数器累计的结果就代表Qf了输入模拟量的大小了。1A2A2C1C&n位二进制计数器控制逻辑1R1RRavavav1S2SC1RV2RV0v1Cv2CvQQSTCSGCP1nd1d0d转换控制由波形图可知，积分器正向积分时的变化幅度为 ： 21RRVV21RRVV时间为T1，积分时间常数为RC，所以有：t0t0t0t0t0t01RV2RV1cv2cvQCSCPST1t2t1T2T102111TRCvdtvRCVVataRRRCvVVTaRR211t0t0t0t0t0t01RV2RV1cv2cvQCSCPST1t2t1T

27、2T而反向积分和正向积分时幅值相同，故有：T1=T2，RCvVVTTaRR21212)(221RRaQVVRCvf在定时TS内，对上述频率计数，则其结果正比于 。av)(221RRaSSQVVRCvTTfD由于电路采用了积分器，同时，转换后得到的是调制后的脉冲波形，因此，具有抑制交流噪声和抗干扰能力强的特点。这种A/D转换器特别适用于遥控和遥测系统。A/DA/D转换器的主要技术指标与应用要点转换器的主要技术指标与应用要点 1. A/D1. A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 分辨率分辨率能区分相邻两个数字量的最小输入模拟电压增量，所以，对一个n位的A/D转换器，其分辨率为输入满度电

28、压与2 n-1的比值。如一个12位的满刻度输入满刻度输入10V的A/D转换器，其分辩率=10/212-12.44mV。 精度误差精度误差输出数字量对应的实际模拟电压与理想电压值之差，其最大值定义为精度误差。可见，精度误差越小，A/D转换的精度越高。有时，也有把精度误差当作精度的。精度误差包括： 量化误差 偏移误差 增益误差 非线性误差 转换时间转换时间完成一次A/D转换所需的时间2. A/D转换器应用要点转换器应用要点 A/DA/D转换器的位数选择转换器的位数选择A/D转换器的位数与设计系统的测控范围以及精度要求有关。它涉及传感器精度，放大器精度，A/D本身精度，输出电路和伺服机构的精度，软件算法的精度等，应根据综合精度在各个环节上进行分配。一般来说，A/D转换器的位数至少要比总精度要求的最低分辩率高一位。 A/DA/D转换器的转换速度选择（转换时间）转换器的转换速度选择（转换时间）根据采集对象的变化率及转换精