专用集成电路设计AD和DA转换器

12024/11/86.3D/A转换器6.4A/D转换器专用集成电路设计22024/11/8一、数模和模数转换的概念和作用数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。

实现数模转换的电路称数模转换器

Digital-AnalogConverter，简称

D/A转换器或DAC。

模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。

实现模数转换的电路称模数转换器

Analog-DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC。

32024/11/8为何要进行数模和模数转换？42024/11/8二、数模和模数转换器应用举例数字信号物理量模拟信号压力传感器温度传感器流量传感器四路模拟开关数字控制计算机DAC模拟控制器模拟控制器液位传感器DACDAC…………模拟控制器模拟控制器生产控制对象

DACADC二、数模和模数转换器应用举例52024/11/8

D/A转换器即数/模转换器(DigitaltoAnalogConverter),其任务是将数字量转换为模拟量。

D/A转换器广泛用于信号处理中，如数字存储示波器的示波管显示器、增益控制、精密衰减器，精密数控电源，直接数字频率合成器等等。6.3D/A转换器

62024/11/8D/A转换器的类型(分类）：4类72024/11/8

6.3.1D/A转换器原理

D/A转换器的原理框图如下图6-15所示。其中，b1～bN为N位数字量输入，Uref为参考电压。输出模拟量为：Uo=KDUref，K为比例因子，D为：

故，

82024/11/8图6-16D/A转换器输入输出理想特性

当输入数字量最低位变化时，对应的模拟量跳一个台阶，输出为阶梯波信号。92024/11/8

2.D/A转换器的主要技术指标

1)代表精度的指标——位数(bit数)——分辨率

阶梯波台阶电压：2)代表速度的指标——转换时间——时钟频率即从数字信号输入D/A转换器到输出电压达到稳态值所需要时间，该时间决定了D/A转换器的转换速度。实际上，D/A转换要按时钟节拍工作。通常用最高时钟频率来表达D/A转换器的工作速度。3)静态误差所谓静态误差，是与时间无关，反映静态工作时实际模拟输出接近理想模拟输出的程度。通常有失调误差、增益误差、非线性误差等。102024/11/8

1.例置R-2R梯形D/A转换器

1)电路倒置R-2R梯形D/A转换器电路如图6-18所示。该电路的优点是电阻类型少，只有R和2R两种，易实现。6.3.2D/A转换器电路图6-18倒置R-2R梯形D/A转换器112024/11/8II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC从A、B、C节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为2R。122024/11/8

由图可见，输出电压Uo为：Uo=-RF×Io

而Io视开关S1～SN的状态而定。S表示数字量控制开关，当数字量为“0”时，开关接地，电流不流入运放;

只有当数字量为“1”时，开关接到运算放大器的虚地点，其电流才流入运放而产生输出。各电流关系为：I1=2I2=22I3=…=2N-1IN2)工作原理132024/11/8模拟量输出为

若N=3,且数字字(即数字输入代码)为“110”，RF=R,那么流入运放总电流为：142024/11/8

如下图，数字字b1～bN通过两级非门构成的分相电路变成bi和bi，然后分别去控制两个传输门构成的开关。当b1=“1”，b1=“0”时，传输门Ⅱ导通，将Si接到虚地点Q。反之，当b1=“0”,b1=“1”时，传输门Ⅰ导通，Ⅱ截止，将Si接到地。图6–19D/A转换器的开关电路3)开关电路2选1电路152024/11/8

1)电路如下图所示，该电路由电容网络与一组开关组成，并由两相不重叠时钟控制。2.权电容D/A转换器2)工作原理

(1)当φ1=“1”时，终端电容被短路，其它电容下端均接地，处于全放电状态，所有电容电荷为0。称此阶段为“复位期”。162024/11/8(2)当φ1=“0”时，电路进入工作期，有两种情况：①φ2=“0”，所有受φ2控制的开关打开，电容下端悬空，Uo=0。②φ2=“1”，则:

·若bi=“1”，bi=“0”,则受φ2bi控制的开关闭合，相应的电容下端被接到参考电压Uref。

·若bi=“0”，bi=“1”,则受φ2bi控制的开关闭合，相应的电容下端被接地。172024/11/8

(3)等效电路。电容分压的等效电路如下图。图中Ceq代表对应bi=“1”被接到参考电压Uref的电容之和，2C代表电路中所有电容之和，那么(2C-Ceq)代表对应bi=“0”即接地电容之和。根据串联电容上电荷相等的原理，有：UA(2C-Ceq)=(Uref-UA)Ceq则：图6-22电容分压等效电路

182024/11/8

3)开关电路受φ2控制的开关电路如图6-23所示。

图6-23权电容D/A转换器中的开关biΦ2=1，时传输门I导通biΦ2=0，时传输门II导通192024/11/8

3.开关树D/A转换器

1)电路

用2N个电阻串和开关树组成。

该电路电阻数为2N个，其中N为位数。这种电路中所有的电阻均相同，开关也相同，实现起来比较容易,但电阻多，开关也多，所占硅片面积比较大，而且转换器对寄生电容敏感，导致信号延迟。202024/11/8

2)原理

(1)分压定标。该电路共有2N个电阻，且所有电阻相等，电阻串对参考电压Uref分压。对第i个电阻分割点的电压Ui为到底是哪个电阻分割点的电压输出，则由开关树决定。212024/11/8

图6-26开关电路3)开关电路222024/11/8

常用的集成DAC有AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等，这里仅对DAC0832作简要介绍。

1.D/A转换器DAC0832

DAC0832是CMOS工艺，8位D/A转换器芯片，20脚双列直插封装。逻辑电平输入与TTL兼容。有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式。可与单片机或微处理器直接接口，也可单独使用。集成D/A转换器及其应用232024/11/8242024/11/8252024/11/8262024/11/8DAC0832D/A转换器输出与输入的关系（设VREF=10V）272024/11/82.8位CMOS集成D/A转换器CDA7520简介数据锁存器20k

20k

20k

20k

20kΩ……10k

10k

10k

10k

…VDDVREF151213CSWR45611D7

(MSB)D6D5D0

(LSB)S0S1S2S7OUT112316iΣRFBOUT2GND基准电压输入端

VREF

可正可负

片选控制端

电源电压范围+5V~+15V

8位数据输入端，其电平与TTL电平兼容。MSB表示最高位，LSB表示最低位。接地端

内部反馈电阻RF

的引出端

两个输出端，一般将OUT2

接地，OUT1

接运放反向端。

写信号控制端

282024/11/8解：当

D7D6D5D4D3D2D1D0=

11111111

时，输出为满度值。uO=-

UFSR

-9.961V。

[例]右图为CDA7524的单极性输出应用电路。图中电位器R1

用于调整运放增益，电容

C

用以消除运放的自激。已知ULSB=VREF/256，试求满度输出电压及满度输出时所需的输入信号。CDA752045789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF=

10V++-△∞OUT1OUT2uOC2k

R2R11k

15pFWR292024/11/88位的D/A转换器常用的有DAC0832、DAC0808，都属于R—2RT型电阻网络型。刚才所介绍的AD7520为AD公司的产品。302024/11/8

6.4A/D转换器

1.A/D转换器的原理及特性

A/D转换器的功能是将模拟量转换为数字量，是数字化过程的第一步，也是数字化的必经之路。数字化过程一般包括以下三个步骤：

·取样保持(S/H)：要是获取模拟信号某一时刻的样品，并在一定时间内保持这个样品值不变。

·量化：将取得样品值量化为用“0”、“1”表示的数字量。

·编码：将量化后的数字量按一定规则编码成数据流，以便进一步存储与处理。312024/11/8A/D转换的一般步骤322024/11/8

图中，量化器就是一系列加不同参考电平的电压比较器，当输入电压高于该比较器的参考电平Uref时，比较器输出的数字量为“1”；低于参考电平Uref时，输出为“0”。图6-36A/D转换器的原理框图332024/11/8

2.A/D转换器的主要指标

(1)分辨率，即“位数”(bit数——A/D数字化的字长)。这是一个表达精度的指标。如果A/D转换器的满刻度输入为UFSR，位数为N，则量化电平量化误差量化噪声方差(6-48a)(6-48b)(6-48c)342024/11/8图6-373位A/D转换器的转换特性352024/11/8

(2)采样率，即最高时钟频率，这是一个表达A/D转换器转换速度的指标。

(3)其它静态特性指标还有失调误差、增益误差、非线性误差等，其意义与D/A转换器的静态误差相同。362024/11/8

6.4.2A/D转换器的分类及应用

A/D转换器的类型很多，如下图所示：有高速并行FlashA/D，有速度与精度折中较好的流水线A/D，有适用于数字电压表的双斜率积分式A/D，也有适用范围很广的逐次比较式A/D等。

图6-38A/D转换器类型372024/11/8

6.4.3A/D转换器电路举例

1.逐次比较型A/D转换器（逼近型）

逐次比较型A/D转换器是一种低成本，分辨率和速度都比较好的A/D转换器，因此应用十分广泛。该A/D转换器的原理框图如图6-40所示。382024/11/8

工作过程：电路收到转换命令后，首先将逐次逼近寄存器置“0”(清零)。当第一个时钟脉冲到来时，逻辑控制电路先将逐次逼近寄存器最高位(Dn-1)置“1”，其它位置“0”，经过D/A转换器重新转换为模拟电压Uo(相当于UFSR/2)，然后将此电压回送到比较器，与输入信号Ui比较。若

Uo<Ui

数字输出最高位保留“1”Uo>Ui

数字输出最高位改为“0”392024/11/8

第二个时钟脉冲到来时，逻辑控制电路将寄存器次高位置“1”，并与最高位一起送到D/A转换器，将其输出电压U′o

与Ui再次比较。若

U′o<Ui数字输出次高位保留“1”

U′o>Ui

数字输出次高位改为“0”

这个过程一直进行下去直至最后一位完成。402024/11/8

例如：输入模拟信号Ui=163mV，转换器的满刻度电压256mV，采用逐次比较量化过程如下：

最高位置“1”，Uo=128mV,Ui>Uo，最高位输出为“1”；

次高位置“1”，Uo=128+64=192mV,Ui<Uo，次高位输出为“0”；

次次高位置“1”，Uo=128+0+32=160mV,Ui>Uo，次次高位输出为“1”；

……

如此下去，得到1010001，Uo=162mV。可见Uo越来越逼近Ui，令最低位置“1”，则

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

完成转换，163mV对应的数据为10100011。412024/11/8

2.算法A/D

1)算法原理

算法A/D转换器工作流程如图。

首先将输入信号Ui放大2倍，得2Ui，然后将2Ui与参考电压Uref比较。

若2Ui>Uref,则最高位数字输出为“1”，并以2Ui与Uref之差作为次高位的模拟输入电压。

若2Ui<Uref,

则最高位数字输出为“0”，并以2Ui作为次高位的模拟输入电压。以此类推，可以产生相应的N位数字字。图6-44算法A/D的工作流程

422024/11/8

2)电流模算法A/D转换器电路及其工作原理电流模算法A/D特点：输入输出量全是电流，具有面