第4章集成变换器及其应用

4.1阻抗变换器4.2U/I变换器和I/U变换器4.3U/F变换器和F/U变换器4.4精密T/I和T/U变换器4.5D/A转换器4.6A/D转换器第4章集成变换器及其应用2/6/20231集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.1.1负阻抗变换器4.1.2阻抗模拟变换器4.1.3模拟电感器4.1.4电容倍增器4.1阻抗变换器2/6/20232集成电路原理及应用中国计量学院光电学院第4章集成变换器及其应用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。本章主要介绍集成变换器及其应用，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。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。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、电流互感器的误差补偿等。4.1阻抗变换器2/6/20233集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-1-1中，若去掉电阻R1，实际是一个同相放大器，其输入阻抗很高，输出电压为（4-1-1）

图4-1-1负阻抗变换器4.1.1负阻抗变换器当电阻R1接入后，其等效输入阻抗将发生很大变化。这时由输入电压引起的输入电流为（4-1-2）将式(4-1-1)代入式(4-1-2)，可得等效输入阻抗为2/6/20234集成电路原理及应用中国计量学院光电学院由上式可知，从阻抗Z变换到等效输入阻抗Zie，它不仅按比值R1/R2变化，而且其特性也由正变为负，因此称之为负阻抗变换器。若将Z取为电阻R,则等效输入阻抗为负电阻,称之为负电阻变换器。若将Z取为电容C，则等效输入阻抗为电感为等效模拟电感。

2/6/20235集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-1-2阻抗模拟变换器图中运放A1是同相放大器，起隔离作用和放大作用；运放A2是阻抗变换电路。4.1.2阻抗模拟变换器工作原理:A1的输出电压A2的输出电压解得2/6/20236集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-1-2输入电流为代入得等效输入阻抗当选择不同性质的元件时，可构成不同性质的阻抗模拟电路。图4-1-2阻抗模拟变换器如可构成模拟对地电感、模拟对地电容、模拟对地负阻抗等。2/6/20237集成电路原理及应用中国计量学院光电学院1.模拟对地电感若取Z1、Z2、Z3、Z5分别为电阻R1、R2、R3、R5

，而Z4为电阻R4和电容C4并联阻抗，则构成等效模拟电感电路。其等效阻抗为等效电感和内阻分别为由上式可知，调节R1、R3、R5中任一个电阻，即可线性调节等效电感的大小。若增大电阻R4

，可获得低内阻的等效模拟电感。2/6/20238集成电路原理及应用中国计量学院光电学院2.模拟对地电感若Z1、Z2、Z4、Z5分别取为电阻R1、R2、R4、R5，而取Z3为电容C3，则可构成对地电容模拟电路。其等效电容为调节R2、R4中任一个电阻，即可线性调节电容量的大小。其等效阻抗为2/6/20239集成电路原理及应用中国计量学院光电学院3.模拟对地负阻抗若取Z1和Z3分别为电容C1、C3

，而Z2、Z4分别取为电阻R2、R4

，Z5为任一阻抗，则等效对地阻抗为由上式可知，这是一个Z5的负阻抗变换器，其阻抗随频率变化。2/6/202310集成电路原理及应用中国计量学院光电学院如图4-1-3所示，是密勒积分式模拟电感器。图4-1-3密勒积分式模拟电感器A1构成同相放大器，A2构成积分器。4.1.3模拟电感器假定集成运放满足理想化条件，由图可知可得2/6/202311集成电路原理及应用中国计量学院光电学院所以，等效输入阻抗为当Af>>1时，输入阻抗可近似为其中等效电感值为图4-1-3密勒积分式模拟电感器2/6/202312集成电路原理及应用中国计量学院光电学院1.由反相放大器组成的电容倍增器4.1.4电容倍增器图4-1-4反相放大器构成的电容倍增器输入电流为等效输入阻抗为2/6/202313集成电路原理及应用中国计量学院光电学院由上式可知，此电路的输入阻抗是电阻R1和等效电容Cie的并联。其中等效电容为2/6/202314集成电路原理及应用中国计量学院光电学院2.可变电容倍增器图4-1-5可变电容倍增器图中电位器RP的作用是调节电容的倍增系数，由A1组成的跟随器，起缓冲作用，以消除调整时对Cie的影响。其输入阻抗为其输入电流为2/6/202315集成电路原理及应用中国计量学院光电学院可见，该电路输入端等效为一电容，其等效电容的容值为调节电位器RP即可改变电容Cie的值。该电路突出的优点是，通过改变电阻就可以得到任意大的电容值。图4-1-5可变电容倍增器2/6/202316集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.2.2精密U/I变换器4.2.1接地负载的U/I变换器4.2.3精密I/U变换器4.2U/I变换器和I/U变换器2/6/202317集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.2U/I变换器和I/U变换器A1为同相加法器，A2为跟随器。由图可知Uo2=RLIL,I1=

I2

图4-2-1由两个运放构成的U/I变换器由两个运放构成的U/I变换器4.2.1接地负载的U/I变换器2/6/202318集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-2-1由两个运放构成的U/I变换器代入U+得要使IL与RL无关，必须使或为此运放电路的匹配条件。2/6/202319集成电路原理及应用中国计量学院光电学院所以注意，因此电路为正反馈，所以必须分析其稳定性，为保证至少有10dB的稳定储备，应选择R5>2RL解得图4-2-1由两个运放构成的U/I变换器为简化分析，选取R3=R1,R4=R2,得2/6/202320集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-2-2由运放构成的U/I变换器由图可知I1=

I2

由该式得2.由一个运放构成的U/I变换器2/6/202321集成电路原理及应用中国计量学院光电学院代入上式得整理得要使IL与RL无关，必须使将2/6/202322集成电路原理及应用中国计量学院光电学院由若选取

则得整理得解得2/6/202323集成电路原理及应用中国计量学院光电学院

XTR110可将0～5V或1～10V电压信号变换成4～20mA、0～20mA、5～25mA和其它电流范围。XTR110采用标准16脚DIP封装。1.XTR110的性能特点①通过对管脚的不同连接实现不同的输入/输出范围。②最大非线性：不大于0.005％(具有14bit精度)。4.2.2精密U/I变换器③提供+10V基准。④电源电压范围：13.5～40V，为单电源工作。2/6/202324集成电路原理及应用中国计量学院光电学院2.XTR110的内部结构图4-2-3XTR110的内部结构图2/6/202325集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-2-4XTR110的基本接法3.XTR110的基本接法2/6/202326集成电路原理及应用中国计量学院光电学院输入范围/V输出范围/mA3脚4脚5脚9脚10脚0～100～202输入2222～104～202输入2220～104～2015、12输入22开路0～105～2515、12输入2220～50～2022输入221～54～2022输入220～54～2015、122输入2开路0～55～2515、122输入22表4-2-1输入/输出与引脚关系2/6/202327集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-2-50~10V输入，±200mA大电流输出变换电路4.XTR110的应用2/6/202328集成电路原理及应用中国计量学院光电学院

RCV420是精密I/U变换器。它能将4～20mA的环路电流变成0～5V的输出电压。1.RCV420的性能特点①4～20mA的电流输入，0～5V的电压输出。②具有精密10V电压基准，温漂小于5×10-6/ºC。③具有±40V共模电压输入范围。④总的变换误差小于0.1％。⑤具有86dB的噪声抗干扰能力。4.2.3精密I/U变换器2/6/202329集成电路原理及应用中国计量学院光电学院2.RCV420的内部结构图4-2-7RCV420的内部结构图2/6/202330集成电路原理及应用中国计量学院光电学院3.RCV420的基本接法图4-2-8RVC420的基本接法2/6/202331集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.RCV420的应用图示电路是由XTR101变送器部分和RCV420变换器部分组成。其中，XTR101将温度信号(如热电偶信号)变送成4～20mA的电流输出。图4-2-9远距离高精度测温系统2/6/202332集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.3.1VFC100同步型U/F、F/U变换器4.3.2LMx31系列U/F、F/U变换器4.3U/F变换器和F/U变换器2/6/202333集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.3U/F变换器和F/U变换器电压/频率变换电路简称为U/F变换电路或U/F变换器（UFC）。频率/电压变换电路简称为F/U变换电路或F/U变换器（FUC）。

VFC100同步型U/F、F/U变换器是通过外时钟频率获得精密积分周期，实现U/F变换。4.3.1VFC100同步型U/F、F/U变换器2/6/202334集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-3-1VFC100引脚排列图1.引脚及其功能1脚：V+，为正电源端。2脚、3脚：NC，为空脚。4脚：IOUT，为内部积分输出端，一般与5脚之间接入积分电容。5脚：CINT,为积分负输入端，接积分电容。6脚、7脚：IN+、Ui

，为积分同相输入与模拟电压输入端。8脚：V，为负电源端。9脚：Cos

，输出单稳电容端。10脚：CLK，同步时钟输入端。2/6/202335集成电路原理及应用中国计量学院光电学院11脚：f0

，U/F变换频率输出端。图4-3-1VFC100引脚排列图12脚：DGND，为数字地。13脚：AGND，为模拟地。14脚、15脚：-CIN、+CIN，内部比较器输入端。16脚：VREF，为内部5V参考电压输出端。2/6/202336集成电路原理及应用中国计量学院光电学院2.性能特点①满量程频率输出可通过外时钟设置。②在精密满10V电压输入时,增益误差不超过0.5％。③内设精密5V参考电源。④极好的线性，在100kHz时，最大误差不超过

0.02％，在1MHz时，不超过0.1％。⑤具有低的增益漂移：不超过5010-6/ºC。2/6/202337集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-3-2VFC100的内部结构图及U/F变换模式的基本接法3.内部结构与基本接法2/6/202338集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-3-3U/F变换模式时的变换波形图4.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。2/6/202339集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-3-4双极性U/F变换接法双极性接法：时钟频率为1MHz，R1为20k，积分电容为0.01F，输入模拟电压为-5～+5V，输出频率为0～500kHz。2/6/202340集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-3-5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行细调，RP1的作用是对增益进行细调。2/6/202341集成电路原理及应用中国计量学院光电学院5.F/U变换模式图4-3-6VFC100的F/U变换模式频率从14脚输入，要求输入频率的最小脉宽为200ns。7脚与4脚相连作为电压输出端。2/6/202342集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-3-7VFC100的F/U变换模式的变换波形式中，fi是输入频率，fCLK是同步输入时钟频率。输出电压的公式为变换波形为2/6/202343集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.3.2LMX31系列U/F、F/U变换器

LMX31系列包括：LM131A/LM131、LM231A/LM231、LM331A/LM331等。这类集成芯片的性能价格比较高。LM131/231/331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围内和电源电压低到4.0V时，也具有极高的精度，能满足100kHz的U/F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40V，可防止V+的短路，输出可驱动3个TTL负载。2/6/202344集成电路原理及应用中国计量学院光电学院这类器件常应用于A/D转换、精密F/U转换、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。1.性能特点①最大线性度：0.01％。②双电源或单电源工作(单电源可以在5V以下工作)。③脉冲输出与所有逻辑形式兼容。④最佳温度稳定性：最大值为±50×10-6/ºC。⑤小功耗：5V以下典型值为15mW。⑥宽动态范围：10kHz满量程频率下最小值100dB。⑦满量程频率范围：1Hz～100kHz。2/6/202345集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-3-8LM131/231/331内部结构和基本接法2.内部结构与基本接法2/6/202346集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-3-9LM131/231/331内部结构和基本接法的简化图2/6/202347集成电路原理及应用中国计量学院光电学院在图4-3-8和图4-3-9中，每当单稳态定时器触发产生一宽度为t0的等宽度脉冲时，S接通，电容CL充电。t0结束后，S断开，CL经RL放电，到放电电压等于Ui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，IR是恒定的，CL的充电电流是随着Ui的增加而减小。则若在某一段时间内，计算其充电电荷平均值Q

放电电荷平均值因充电和放电是平衡的，所以由得2/6/202348集成电路原理及应用中国计量学院光电学院在实际应用时，Ux大约在10mV的范围内波动，其平均值Ux≈Ui，用Ui代替上式中的Ux得式中，t0=1.1RtCt,Rt,Ct为单稳态定时器的外接电阻和电容。典型工作状态为Rt=6.8k,Ct=0.01F,t0=7.5s。IR由内部基准电压源供给的1.90V参考电压和外接电阻RS决定，通常调节Rs的值，可调节转换增益。2/6/202349集成电路原理及应用中国计量学院光电学院3.U/F变换模式Ui0~10VR1100kC10.1μ1μCL20kRL+15V20k~1M5V22k47k8+15V7614235Rt6.8kCt0.01μ10k10Hz~10kHzfo+5V12kRs1Rs25kRsLMx31图4-3-10LMx31组成的U/F转换基本电路电阻Rs

由Rs1=12k

和Rs2=5k

电位器组成。作用是调节增益偏差和由RL、Rt、Ct引起的偏差，以及校正输出频率。7脚上增加的R1、C1，其作用是提高精度。当元件取图示中的参数值时，可将0～10V输入电压信号变成10Hz～10kHz的输出频率信号。2/6/202350集成电路原理及应用中国计量学院光电学院fiLM331470P10k6.8k10k875Rt6.8k±1%Ct0.01µ1IUo43RL100kCL1µ625k12k±1%+15VRs图4-3-12LMx31组成的F/U变换模式的基本电路4.F/U变换模式输出电压的公式为2/6/202351集成电路原理及应用中国计量学院光电学院LM331fi470P10k6.8k10k875Rt6.8k±1%Ct0.01µ1IUo43CL0.02µ625k12K±1%+15VRsRL100k-+100kA图4-3-13LMx31组成的F/U变换模式的精密电路求输出电压的公式为2/6/202352集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.4.1AD590T/I变换器4.4.2LM135/235/335T/U变换器

4.4精密T/I和T/U变换器2/6/202353集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.4精密T/I和T/U变换器下面以AD590为例，介绍T/I变换器。1.性能特点①宽的测温范围：-55～150ºC。②宽的工作电压范围：4～30V。③线性电流输出：1A/K。④极好的线性：在整个测温范围内非线性误差小于±0.3ºC（AD590M）。4.4.1AD590T/I变换器⑤激光微调使定标精度达到：±0.5ºC(AD590M)。2/6/202354集成电路原理及应用中国计量学院光电学院2.内部结构图4-4-1AD590的金属圆壳封装结构

AD590外形采用TO－52金属圆壳封装结构。其引脚排列如图4-4-1所示。图4-4-2是AD590的内部电路结构。图4-4-2AD590的内部电路结构2/6/202355集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-4-3AD590的基本接法3.基本接法2/6/202356集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-4-4摄氏温度检测典型接法4.应用电路利用AD590测温时，可由绝对温度的单位K，计算出摄氏温度的单位ºC，其计算公式为K=ºC+273.15（或ºC=K-273.15）2/6/202357集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-4-5利用AD590和差分电路实现摄氏温度测量摄氏温度检测电路。2/6/202358集成电路原理及应用中国计量学院光电学院

LM135/235/335广泛应用于温度测量、温度控制和热电偶冷端补偿等方面。1.性能特点①输出电压与绝对温度成正比。②输出动态电阻：小于1。③温度范围：-55～+150C（LM135）。④输出灵敏度：10mV/K。⑤在整个温度范围内，误差小于1C

（LM135A/235A）。4.4.2LM135/235/335T/U变换器2/6/202359集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-4-7LM135系列内部电路结构2.内部结构图4-4-6LM135/235/335的金属圆帽封装2/6/202360集成电路原理及应用中国计量学院光电学院3.基本接法图4-4-8LM135/235/335的基本连接电路图4-4-9LM135/235/335的基本温度检测电路2/6/202361集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-4-10LM135/235/335接地热电偶冷端补偿电路+15VR44.7kLM329BLM135R512k-15VR110KRP10k200kR6R21MR771.5k+-电压表+-R3*4.应用下图是双电源工作时的热电偶冷端补偿电路。2/6/202362集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.5.1D/A转换器的基础知识

4.5.212位串行D/A转换器DAC75124.5.316位D/A转换器PCM544.5D/A转换器2/6/202363集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.5D/A转换器

D/A转换器按工作方式可分为并行D/A转换器、串行D/A转换器和间接D/A转换器等。在并行D/A转换器中，又分为权电阻D/A转换器和R-2RT型D/A转换器。4.5.1D/A转换器的基础知识2/6/202364集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图示电路是一个三位二进制数的D/A转换电路，每位二进制数控制一个开关S。当第i位的数码为“0”时，开关Si

打在左边；当第i位的数码为“1”时，开关Si打在右边。图4-5-1D/A转换原理电路1.D/A转换器的基本原理

2/6/202365集成电路原理及应用中国计量学院光电学院对于B点对地电阻相当于两个2R并联，即等于R。同理则可推出图4-5-1D/A转换原理电路

S0接通时所以2/6/202366集成电路原理及应用中国计量学院光电学院将上式推广到n位二进制数的转换得一般表达式图4-5-1D/A转换原理电路2/6/202367集成电路原理及应用中国计量学院光电学院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产生转换误差。2.双极性工作双极性工作是指D/A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D/A转换器。2/6/202368集成电路原理及应用中国计量学院光电学院3.D/A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：①分辨率：是指DAC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。②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DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。③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。④线性度：线性度是指DAC的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏差。2/6/202369集成电路原理及应用中国计量学院光电学院⑤输入编码形式：输入编码形式是指DAC输入数字量的编码形式，如二进制码、BCD码等。⑥输出电压：输出电压是指DAC的输出电压信号。⑦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。2/6/202370集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.5.212位串行D/A转换器DAC7512①微功耗：5V供电时的工作电流消耗为135A；在掉电模式时，5V电源供电下的电流消耗为135nA，若采用3V供电时，其电流消耗仅为50nA。②宽的供电电压范围：＋2.7V～＋5.5V。③上电复位后输出电压为0Ｖ。④具有三种关断工作模式可供选择，5V电压下的功耗仅为0.7mW。⑤具有低功耗施密特输入串行接口。⑥内置满幅输出的缓冲放大器。1.主要特性⑦具有SYNC中断保护机制。2/6/202371集成电路原理及应用中国计量学院光电学院

1脚VOUT：模拟输出电压。

2脚GND：地。

3脚VDD：供电电源，直流＋2.7V～＋5.5V。

4脚DIN：串行数据输入。

5脚SCLK：串行时钟输入。图4-5-4DAC7512的引脚排列图6脚SYNC:输入控制信号(低电平有效)。2.引脚功能DAC7512采用SOT23-6封装如图所示。其引脚定义如下：2/6/202372集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-5-5DAC7512内部结构框图3.内部结构输入控制逻辑用于控制DAC寄存器的写操作;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;芯片内的缓冲放大器具有满幅输出特性，可驱动2k及1000pF的并联负载。2/6/202373集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.时序及工作模式DAC7512采用三线制串行接口，串行写操作时序。图4-5-6DAC7512的写操作时序片内输入寄存器宽度为16位，格式如下：DB15、DB14是空闲位，B13、DB12是工作模式选择位，DB11～DB0是数据位。D1D0111098765

43210DB15DB0器件内部带有上电复位电路，上电后寄存器内容为0，所以在正常工作模式时，上电复位后模拟输出电压为0Ｖ。2/6/202374集成电路原理及应用中国计量学院光电学院

DAC7512的四种工作模式可由寄存器内的DB13、DB12来控制。其控制关系见下表。DB13DB12工作模式00正常模式01掉电模式输出端1kΩ到地10输出端100kΩ到地11高阻表4-5-1DAC7512的工作模式选择掉电模式下，不仅器件功耗要减小，而且缓冲放大器的输出级通过内部电阻网络接到1k、100k或开路。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。2/6/202375集成电路原理及应用中国计量学院光电学院5.与MCS-51单片机的接口应用

DAC7512与MCS-51微控制器的接口如图4-5-7。图4-5-7DAC7512与单片机的连接而P1.2则驱动DAC7512的串行数据线DIN。在16位数据传输期间，P1.0要一直保持低电平。图中，8051的P1.0接DAC7512的SYNC，P1.1驱动DAC7512的SCLK。

根据图4-5-7接口电路，D/A转换程序编制如下：2/6/202376集成电路原理及应用中国计量学院光电学院设12位数字量存放在单片机片内RAM的两个单元50H和51H中，12位数的高4位存放在50H单元，低8位存放在51H单元的低4位。现将12位数据送到DAC7512中进行D/A转换，接口电路的转换程序如下：SCLK BITP1.1；DAC7512的SCLK与8051的P1.1相连DINBITP1.2；DAC75121的DIN与8051的P1.2相连DAHDATA50H；12位数据高字节SYNC BITP1.0；DAC7512的SYNC与8051的P1.0相连DALDATA 51H ；12位数据低字节DAOUT：MOVR7，#08H；置循环次数MOV A，DAH；取高4位数ANL A，#0FH；正常工作模式CLR SYNC ；启动写时序2/6/202377集成电路原理及应用中国计量学院光电学院DA1：RLC A ；从最高位开始串行移位MOV DIN，C；输出数据SETB SCLK；产生SCLK上升沿CLR SCLK；产生SCLK下降沿DJNZ R7，DA1；8位数据传送完毕？MOVR7，#08HMOV A，DAL；取低8位数据DA2：RLC AMOV DIN，CSETB SCLKCLR SCLKDJNZR7，DA2；低8位数据传送完毕？NOPSETB SYNCSETB DINRET2/6/202378集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.5.316位D/A转换器PCM54

图4-5-816位D/A转换器PCM54的应用电路2/6/202379集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.6.1A/D转换器的基础知识4.6.2并行A/D转换器AD5744.6.316位串行A/D转换器MAX1954.6A/D转换器2/6/202380集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.6A/D转换器4.6.1A/D转换器的基础知识集成A/D转换器通常采用逐次逼近式A/D转换器和双积分式A/D转换器。图4-6-1逐次逼近型A/D转换原理框图1.逐次逼近式

A/D转换电路

2/6/202381集成电路原理及应用中国计量学院光电学院2.双积分式A/D转换电路

先将S置于Ui端，积分器对输入信号进行积分，积分时间固定为T，积分器的输出为：当t=T时，S转为接－Uref，开始对参考电压Uref积分，积分器输出从负值开始上升，图4-6-2双积分型A/D转换原理框图2/6/202382集成电路原理及应用中国计量学院光电学院当积分器输出上升到ui=0V时，第二次积分结束。设这段时间为T，则有图4-6-2双积分型A/D转换原理框图由上式和式得2/6/202383集成电路原理及应用中国计量学院光电学院由上式可知，T正比于输入电压Ui，在T内进行时钟脉冲计数，所计得的数字量正比于输入电压Ui。右图是A/D转换电路的工作过程。双积分式A/D转换电路的转换精度很高，但转换速度较低。图4-6-3双积分A/D转换过程波形图2/6/202384集成电路原理及应用中国计量学院光电学院3.A/D转换器的主要技术指标①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程度。②量程：即所转换的电压范围。③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LSB的分数表示，如精度为:通常用百分比表示满量程时的相对误差表示，如±0.05％。2/6/202385集成电路原理及应用中国计量学院光电学院⑤输出逻辑电平：多数与TTL电平配合。④转换时间和转换率：完成一次A/D转换所需要的时间称为转换时间。⑥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。2/6/202386集成电路原理及应用中国计量学院光电学院4.6.2并行A/D转换器AD574

AD574A是一种带有三态缓冲器的快速12位逐次比较式A/D转换芯片，可以直接与8位或16位微处理器相连，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压等电路就可以正常工作。AD574A的转换时间为25S。芯片内含有逐次逼近式寄存器SAR、比较器、控制逻辑、DAC转换电路及三态缓冲器等。2/6/202387集成电路原理及应用中国计量学院光电学院图4-6-4AD574A的引脚排列图AD574A的引脚定义如下：8脚REFOUT：内部参考电源输出(+10V)。10脚REFIN：参考电压输入。12脚BIP：偏置电压输入。接至正负可调的分压网络，以调整ADC输出的零点。13脚10VIN：±5V或0～10V模拟输入。14脚20VIN：±10V或0～20V模拟输入。7、11脚Vcc、VEE：模拟部分供电的正电源和负电源，为±12V或±15V。2/6/202388集成电路原理及应用中国计量学院光电学院

1脚VL：数字逻辑部分的电源+5V。15脚DGND：数字地。9脚AGND：模拟地。9脚AGND：模拟地。16～27脚DB0～DB11：数字量输出,高半字节为DB8～DB11;低半字节为DB0～DB7。

2脚12/8：数据输出格式选择端。当12/8=1(+5V)时，双字节输出，即12条数据线同时有效输出，当12/8＝0(0V)时，为单字节输出，即只有高8位或低4位有效。2/6/202389集成电路原理及应用中国计量学院光电学院同时满足时，AD574A才能处于工作状态。

3脚、6脚CS、CE：片选信号，当CS=0、CE=1

5脚R/C：读数据/转换制信号,当R/C=1，ADC转换结果的数据允许被读取；R/C=0，则允许启动A/D转换。4脚A0：字节选择控制线。在启动AD574A转换时，用来控制转换长度。A0＝0时，按完整的12位A/D转换方式工作，A0＝1时，则按8位A/D转换方式工作。2/6/202390集成电路原理及应用中国计量学院光电学院上述有关引脚的控制功能的状态关系如表所示

CEA0功能说明100×012位转换100×18位转换101＋5V×12位输出101地0高8位输出101地1低4位输出表4-6-1AD574A控制信号状态表2/6/202391集成电路原理及应用中国计量学院光电学院1.AD574A单极性和双极性输入特性

图4-6-5AD574A的模拟输入电路2/6/202392集成电路原理及应用中国计量学院光电学院2.AD574A与单片机的接口

图4-6-6AD574A与单片机的接口电路2/6/202393集成电路原理及应用中国计量学院光电学院3.转换程序设计举例

设要求AD574A进行12位转换，单片机对转换结果读入，高8位和