1、第第4 4章集成变换器及其应用章集成变换器及其应用4.1阻抗变换器阻抗变换器4.2U/I变换器和变换器和I/U变换器变换器4.3U/F变换器和变换器和F/U变换器变换器4.4精密精密T/I和和T/U变换器变换器4.5D/A变换器变换器4.6A/D变换器变换器4.1阻抗变换器阻抗变换器负阻抗变换器负阻抗变换器阻抗模拟变换器阻抗模拟变换器模拟电感器模拟电感器4.1.1 负阻抗变换器负阻抗变换器（1）若去掉电阻）若去掉电阻R1 )1 (2ZRUUiOR1+-ZuiAR2IiI1I2IZ（2）若接入电阻）若接入电阻R1 11RUUIIoii则：则：21RZRIUZiiie负电阻变换器负电阻变换器R1+
2、-ZuiAR2IiI1I2IZ右图只适用于信号源内阻小于的情况右图只适用于信号源内阻小于的情况ZZS即：即：ZZS若：若：应将右图同相端和反相端位置互换应将右图同相端和反相端位置互换（）若（）若21RRRZie（）若（）若LjCRRjZie221负电阻变换器负电阻变换器等效模拟电感，其中等效模拟电感，其中CRRL221对于右图：对于右图：4.1. 阻抗模拟变换器阻抗模拟变换器+-ZuiA2Ii+-A电路如下所示：电路如下所示：4.1. 阻抗模拟变换器阻抗模拟变换器的输出：的输出：的输出：的输出：)1 (121ZZUUiO：同相放大器：同相放大器为阻抗变换器为阻抗变换器341342)1 (ZZU
3、ZZUUOiO则：则：)1 (31422ZZZZUUiO+-ZuiA2Ii+-AI输入电流为：输入电流为：525ZUUIIOii等效输入阻抗：等效输入阻抗：42531ZZZZZIUZiiie可构成不同可构成不同性质的阻抗性质的阻抗模拟电路模拟电路、模拟对地电感、模拟对地电感42531ZZZZZZie在中在中取：取：1、2、3、5为电阻，为电阻，4为为4和和C4并联，并联，则等效阻抗为：则等效阻抗为：2531442531RRRRCjRRRRRZie其等效内阻和等效电感为：其等效内阻和等效电感为：42531RRRRRRe25314RRRRCLe、模拟对地电容、模拟对地电容42531ZZZZZZie
4、在中在中取：取：1、2、5为电阻，为电容为电阻，为电容C，则等效阻抗为：则等效阻抗为：151423)(RRRRCjZie其等效电容为：其等效电容为：51423RRRRCZie、模拟对地负阻抗、模拟对地负阻抗42531ZZZZZZie在中在中取：取：1、3为电容为电容C1、C3，2、Z4为电阻为电阻R2、R4，Z5为任一阻抗为任一阻抗则等效阻抗为：则等效阻抗为：42125RRCZZie为一负阻抗变换器为一负阻抗变换器4.1. 模拟电感器模拟电感器电路如下所示：电路如下所示：CO-uiA1R2Ii-+A2RO+R1RSiC4.1. 模拟电感器模拟电感器1RUUIoiiiOOOOOOUCRjUCRj
5、U)11 (11ifiOUAURRU)1 (121CO-uiA1R2Ii-+A2RO+R1RSiC等效输入阻抗为：等效输入阻抗为：1fARCRjIUZSOOiiie当远大于时：当远大于时：fARCRjZSOOie其中等效电感值为：其中等效电感值为：fARCRLSOOie4.1. 电容倍增器电容倍增器、由反相放大器组成的、由反相放大器组成的 电容倍增器电容倍增器CO-uiA1R2Ii+R1iCUoR3、由反相放大器组成的、由反相放大器组成的 电容倍增器电容倍增器CO-uiA1R2Ii+R1iCUoR3iOiOiURRRCjURRRRRCjI12121221)(111等效输入阻抗为：等效输入阻抗为
6、：1111CjRIUZiiie电阻和电容的并联电阻和电容的并联、可变电容倍增器、可变电容倍增器电位器调节电容的倍增系数电位器调节电容的倍增系数1组成的时跟随器，起缓冲作用组成的时跟随器，起缓冲作用-uiA1RbIi-+A2RP+RSRaZie、可变电容倍增器、可变电容倍增器iabOoiOiURRCjUUCjI)1 ()(其输入阻抗：其输入阻抗：)1 (1oabiiieRRCjIUZ其等效电容为：其等效电容为：)1 (oabieRRCC调整电位器可改变电容容量调整电位器可改变电容容量-uiA1RbIi-+A2RP+RSRaZie4.2U/I变换器和变换器和I/U变换器变换器4.2.1 接地负载的
7、接地负载的U/I变换器变换器1、由两个运放构成的、由两个运放构成的U/I变换器变换器R+-RuiAR2IiARR+-RLI2ILuouo1uo2A1为同相加法器为同相加法器A2为跟随器为跟随器 R+-RuiAR2IiARR+-RLI2ILuouo1uo2LLoIRu2由电路可知由电路可知 21II 4023RUURUUi则则: LLiRIRRRURRRU433434同时同时: URRRUo1211则则LL5L4313LL4211)()(RIRIRRRRRIRURRUioLL5L4313LL4211)()(RIRIRRRRRIRURRUio为了让为了让IL 和和RL无关无关 , 必须使必须使 既
8、既 :LL5LLL431321431421)()()()(RIRIRIRRRRRRURRRRRRi1)()(431321RRRRRR或或)()(213431RRRRRR为简化分析取为简化分析取 R3=R1,R4=R2 则则:i512LURRRI 1、由一个运放构成的、由一个运放构成的U/I变换器变换器由电路可知由电路可知 21II 201RUURUUi则则: R3R4R5I1I2ILuLuOui2112RRURURUoi而而LURRRU434OLURRRRRRRRIUL43L435LL/)(/)(R3R4R5I1I2ILuLuOui则则:LLL43L435/)(/)(IRRRRRRRRUO由由
9、 得得UULL433L2152LL43435212212)(RIRRRIRRRRRIRRRRRRRRURRRi为了让为了让IL 和和RL无关无关 , 必须使必须使 43343435212)(RRRRRRRRRRR则则: iURRRI512L若取若取RRRRR54322/1RR 则则: iURI2L说明说明IL与与Ui成正比成正比 , 实现了线性变换实现了线性变换4.2.2 精密精密U/I变换器变换器以以XTR110为例为例XTR110可完成电压到电流的变换可完成电压到电流的变换1、XTR110 的性能特点的性能特点2、XTR110 的内部结构的内部结构反馈端反馈端反馈电阻反馈电阻公共端公共端调
10、零调零量程调解量程调解量程控制量程控制基准电压输入基准电压输入4、5脚脚完成信号输入完成信号输入输出端输出端基准调解基准调解12、15基基准电路反准电路反馈、耦合馈、耦合（接一起）（接一起）2.XTR110的内部结构的内部结构图图4-2-3 XTR110的内部结构图的内部结构图 图图4-2-4 XTR110的基本接法的基本接法3.XTR110的基本接法的基本接法 Figure 1 shows the basic connections required for 0 to 10V input and 4 to 20mA output. Other input voltage and output
11、 current ranges require changes in connections of pins 3, 4, 5,9 and 10 as shown in the table of Figure 1(P113表4-2-1). The complete transfer function of the XTR110 is:.APPLICATIONS INFORMATION The internal op amp A1 can be damaged if its non-invertinginput (an internal node) is pulled more than 0.5V
12、 below common (0V). This could occur if input pins 3, 4 or 5 were driven with an op amp whose output could swing negative under abnormal conditions内部第二级负载接地的负载接地的U-I转换器转换器o9osIRIRUCC8500IIRUOO89O8sC101IIRRIRRI内部第一级运放为同相加法器同相加法器2164211ieiiUUUUceee1IRIRU因为虚短因为虚短:ce212164IRUUUieiiOe101IRe21O216410RUUUI
13、ieii所以所以:输入范输入范围围/V输出范围输出范围/mA3脚脚4脚脚5脚脚9脚脚10脚脚0100202输入输入2222104202输入输入22201042015、12输入输入22开路开路01052515、12输入输入2220502022输入输入221542022输入输入220542015、122输入输入2开路开路0552515、122输入输入22表表4-2-1 输入输入/输出与引脚关系输出与引脚关系图图4-2-5 010V输入，输入，200mA大电流输出变换电路大电流输出变换电路4.XTR110的应用的应用 For spans beyond 40mA, the internal 50W r
14、esistor (R9) maybe replaced by an external resistor connected between pins13 and 16.Its value can be calculated as follows:REXT = R9 (Span OLD/SpanNEW)上图中02eiiUU当VUi101时时2164211ieiiUUUUVUi5 . 241041O8O8sC2IRIRRIeCee1RIRIUeO5002RI因为虚短因为虚短:eO50025 . 2RI即即:eO625RI 其中:Re=(1562.5+402)/5K 2K/5K=(10/7)K=1.
15、43KIO 625/1430=0.437Av而Ui1=0时IO=0，故010V输入得到输入得到00.4A输出。输出。 可见，通过调节精密电位器RP2、RP3增大Re,总可使IO降低到400mA，电流方向向下; 为保证精度，避免源内阻的影响，输入经缓冲器A1进入XTR110的Ui1端，Ui2接地=0，接地的缓冲调零器A2使UR=0，这样当Ui1=0时IO=0。 因A3的U-= U+=0，故IR3=(VF-0)/20K=10V/20K=0.5mA，则UR4=0.5mA*2K=1V。据虚短，UR2=UR4=1V，IR2=1V/5=0.2A，于是，于是A4、R2构成构成0.2A的恒流源，电流方向向的恒
16、流源，电流方向向下，可将由下，可将由XTR110组成的组成的0400mA电流源下拉电流源下拉200mA。 Iout=IO-IR2=0-0.2A=-200mA； 当Ui110V时Iout=IO-IR2=0.4A-0.2A=200mA 为保证精度，R1、R2应选0.5W低温度系数金属膜电阻，VT1VT3可选功率较大的MOS管。转移电导特性曲线由图可知由图可知fSO=Riv可见输出电压与输入可见输出电压与输入电流成比例。电流成比例。输出端的负载电流：输出端的负载电流：SLfLfSLOO=iRRRRiRvi此时该电路也可视为电流放大电路。若LR固定，则输出电流与输入电流成比例，电流-电压变换电路电流电
17、流电压变换电路：电压变换电路：4.2.3 精密精密I/U变换器变换器以以RCV420为例为例RCV420可完成电流到电压的变换可完成电流到电压的变换1、 RCV420的性能特点的性能特点（1）4-20mA的电流输入，的电流输入，0-5V的电压输出的电压输出（2）具有精密）具有精密10V电压基准电压基准（3）具有）具有40V共模电压输入范围共模电压输入范围（4） 总的变换误差小于总的变换误差小于0.1%（5）具有）具有86dB的噪声干扰能力的噪声干扰能力2、RCV420 的内部结构的内部结构包括精密集成运放包括精密集成运放/电阻网络电阻网络/10V基准基准1、3脚完成信号输入脚完成信号输入公共抽
18、头公共抽头13脚脚:器件公共端器件公共端5脚脚:基准参考端基准参考端基准调整端基准调整端噪声抑制端噪声抑制端 基准电路反馈基准电路反馈基准电压输出基准电压输出变换电压输出变换电压输出变换电路反馈变换电路反馈基准电压输入基准电压输入3、RCV420 的基本接法的基本接法输入端电压：输入端电压：Ui15、12脚节点处电压：脚节点处电压：Uc同时利用虚短性质同时利用虚短性质则：则：25. 1315. 0INOIU4、RCV420的应用的应用利用利用XTR101 及及RCV420 可构成远距离测温系统可构成远距离测温系统首先利用首先利用XTR101 将温度变化变换成将温度变化变换成4-20mA的电流输
19、出；的电流输出；为了能和单片机、智能仪表连接，为了能和单片机、智能仪表连接，再用再用RCV420将电流信号变换为电压信号将电流信号变换为电压信号电路如图电路如图4-2-9所示所示4-20mA的电流输入，的电流输入，0-5V的电压输出的电压输出4. 3 U/F变换器和变换器和F/U变换器变换器U/F：输出信号频率正比于输入信号电压的电路；：输出信号频率正比于输入信号电压的电路；F/U：输出信号电压正比于输入信号频率的电路；：输出信号电压正比于输入信号频率的电路； 电压模拟量经电压模拟量经U/F变换成频率信号后，其干扰能力大为增强，变换成频率信号后，其干扰能力大为增强，非常适合远距离传输、遥控系统
20、、干扰较大等方面非常适合远距离传输、遥控系统、干扰较大等方面可分为单片式和模块式；可分为单片式和模块式；单片式可逆，即可作单片式可逆，即可作U/F变换也可作变换也可作F/U变换；变换；模块式不可逆模块式不可逆 下图为电荷平衡式电压下图为电荷平衡式电压-频率变换电路，图中电频率变换电路，图中电阻阻RIN、电容、电容C1、运算放大器、运算放大器A1组成积分电路，运组成积分电路，运放放A2为比较器，功率三极管为比较器，功率三极管T工作于导通、截止状工作于导通、截止状态，起电子模拟开关作用。态，起电子模拟开关作用。电荷平衡式变换电路电荷平衡式变换电路电荷平衡式电压电荷平衡式电压-频率变换电路及波形图频
21、率变换电路及波形图当当U in不变时，图中模拟开关不变时，图中模拟开关K断开，输入电压对电容断开，输入电压对电容C1恒流恒流IIN充电，积分器输出电压充电，积分器输出电压U1线性下降。线性下降。 当当Uin不变时，图中模拟开关不变时，图中模拟开关K断开，输入电压对电容断开，输入电压对电容C1恒流恒流IIN充充电，积分器输出电压电，积分器输出电压U1线性下降。当线性下降。当U1下降到下限电平下降到下限电平Um时，比较器时，比较器A2发生跳变，触发单稳态定时器，使其产生一个脉宽为发生跳变，触发单稳态定时器，使其产生一个脉宽为t1的脉冲，此脉的脉冲，此脉冲使开关冲使开关K导通，积分电容导通，积分电容
22、C1恒流恒流IR-IIN放电，输出电压放电，输出电压U1线性上升，线性上升，当当t1脉冲结束时，开关脉冲结束时，开关K重新断开，放电停止，输入电压重新对重新断开，放电停止，输入电压重新对C1充电充电 t1期间放电量期间放电量 )(11INRIItQ此后，输入电压此后，输入电压UIN又开始对电容又开始对电容C1充充电，电，K断开的断开的t2期间电容期间电容C1充电量为充电量为: INRIIttt121由于由于Q1=Q2即即对应的输出电压对应的输出电压UO频率为频率为1211tIIttfRINout可见，可见，当恒流源当恒流源IR、定时时间、定时时间t1精度高时精度高时,输出频率可与输入电流保持输
23、出频率可与输入电流保持严格的比例关系严格的比例关系。Q2=t2*IIN VFC100同步型同步型U/F、F/U变换器是通过外变换器是通过外时钟频率获得精密积分周期，实现时钟频率获得精密积分周期，实现U/F变换。变换。 4.3.1 VFC100同步型同步型U/F、F/U变换变换器器图图4-3-1 VFC100引脚排列图引脚排列图1. 引脚及其功能引脚及其功能1脚：脚：V+ ，为正电源端。，为正电源端。2脚、脚、3脚：脚：NC，为空脚。，为空脚。4脚：脚：IOUT，为内部积分输出端，为内部积分输出端，一般与一般与5脚之间接入积分电容。脚之间接入积分电容。5脚：脚：CINT,为积分负输入端，接积为积
24、分负输入端，接积分电容。分电容。 6脚、脚、7脚：脚：IN+、Ui ，为积分同相，为积分同相输入与模拟电压输入端。输入与模拟电压输入端。8脚：脚：V ，为负电源端。，为负电源端。9脚：脚：Cos ，输出单稳电容端。，输出单稳电容端。10脚：脚：CLK，同步时钟输入端。，同步时钟输入端。11脚：脚：f0 ，U/F变换频率输出端。变换频率输出端。图图4-3-1 VFC100引脚排列图引脚排列图12脚：脚：DGND，为数字地。，为数字地。13脚：脚：AGND，为模拟地。，为模拟地。14脚、脚、15脚：脚： CIN、 CIN，内部，内部比较器输入端。比较器输入端。16脚：脚：VREF，为内部，为内部5
25、V参考电参考电压输出端。压输出端。2. 性能特点性能特点满量程频率输出可通过外时钟设置。满量程频率输出可通过外时钟设置。在精密满在精密满10V电压输入时电压输入时,增益误差不超过增益误差不超过0.5。内设精密内设精密5V参考电源。参考电源。极好的线性，在极好的线性，在100kHz时，最大误差不超过时，最大误差不超过 0.02，在，在1MHz时，不超过时，不超过0.1。具有低的增益漂移：不超过具有低的增益漂移：不超过50 10-6 /C 。图图4-3-2 VFC100的内部结构图及的内部结构图及U/F变换基本接法变换基本接法(开关接错，应接至反相端开关接错，应接至反相端)3.内部结构与基本接法内
26、部结构与基本接法3、内部结构、内部结构基本接法基本接法CLKo)(20fVUfi4、双极性输入与调整、双极性输入与调整5、F/U变换器变换器4.3.2 LMx31系列系列U/F，F/U变换器变换器性能特点：性能特点：最大线形度：最大线形度：0.01%双电源或单电源工作双电源或单电源工作脉冲输出与所有逻辑形式兼容脉冲输出与所有逻辑形式兼容功耗小功耗小频率范围为：频率范围为： 1Hz-100KHz在某一段时间内，其充电电荷平均值为在某一段时间内，其充电电荷平均值为ooLXRftRUIQ)(其放电电荷平均值为其放电电荷平均值为ooLXftTRUQ)(利用利用oRLiotIRUfQQ 其中其中ttoC
27、Rt SRRI9 .1一、问题的提出一、问题的提出 当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采集对象当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力、声波等），但计往往是连续变化的物理量（如温度、压力、声波等），但计算机处理的是离散的数字量，因此需要对连接变化的物理量算机处理的是离散的数字量，因此需要对连接变化的物理量（模拟量）进行采样、保持，再把模拟量转换为数字量交给（模拟量）进行采样、保持，再把模拟量转换为数字量交给计算机处理、保存等。计算机输出的数字量有时需要转换为计算机处理、保存等。计算机输出的数字量有时需要转换为模拟量去控制某些执行元件（如声卡播放音乐
28、等）。模拟量去控制某些执行元件（如声卡播放音乐等）。A/DA/D转换转换器完成模拟量器完成模拟量数定量的转换，数定量的转换，D/AD/A转换器完成数字量转换器完成数字量模拟模拟量的转换。量的转换。 二、模拟接口二、模拟接口定义：定义：A/D D/A转换器可视作一外部设备转换器可视作一外部设备功能：功能： 将微机系统的离散的数字信号和设备中连续变化的将微机系统的离散的数字信号和设备中连续变化的模拟量两者建立适配关系，使模拟量两者建立适配关系，使CPU能进行能进行 控制与监测。控制与监测。三、模拟输入输出系统三、模拟输入输出系统数字信号数字信号模拟信号模拟信号现场信号现场信号1现场信号现场信号2现
29、场信号现场信号n微型微型计算机计算机放大器放大器放大器放大器放大器放大器多多路路开开关关低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传感器A/D转换器转换器采样保持器采样保持器数字信号数字信号受控对象受控对象控制信号控制信号模拟信号模拟信号D/A转换器转换器放大驱动电路放大驱动电路传感器传感器将各种现场的物理量测量出来将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号（模拟电压或电流）并转换成电信号（模拟电压或电流） 放大器放大器把传感器输出的信号放大到把传感器输出的信号放大到ADC所需所需的量程范围的量程范围低通滤波器低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，用于降低噪声
30、、滤去高频干扰，以增加信噪比以增加信噪比多路开关多路开关把多个现场信号分时地接通到把多个现场信号分时地接通到A/D转换器转换器采样保持器采样保持器周期性地采样连续信号，周期性地采样连续信号，并在并在A/D转换期间保持不变转换期间保持不变一、D/A变换器的基本构成 模拟开关 电阻网络 运算放大器权电阻网络权电阻网络R-2R梯形电阻网络梯形电阻网络VrefRf 模拟开关模拟开关电阻网络电阻网络VO数字量数字量二、基本变换原理二、基本变换原理 运放的放大倍数足够大时，输出电压VO与输入电压Vin的关系为：VinRf VOR fOinRV = -VR 若输入端有若输入端有n个支路个支路, 则输出电压则
31、输出电压VO与输入与输入电压电压Vi的关系为：的关系为：n0fini=1i1V =-RVRVinRf VOR1Rn 令每个支路的输入电阻为令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令并令Vin为一基为一基准电压准电压Vref，则有，则有nn0frefrefiii=1i=1f11V = -RV= -V2 R2 如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为n0irefii=11V = -SV2若若Si=1,该项对该项对VO有贡献；有贡献；若若Si=0,该项对该项对VO无贡献无贡献权电阻网络权电阻网络2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf
32、VOS1S2S3S4S5S6S7S8这里，上式中的这里，上式中的n=8 如果用8位二进制代码来控制图中的S1S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，则不同的二进制代码就对应不同输出电压VO； 当代码在0FFH之间变化时，VO相应地在0-(255/256)Vref之间变化； 为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。R-2R 网络型网络型D/A转换器转换器虚地虚地2R2RR对地电对地电阻为阻为2R2RR对地电对地电阻为阻为2R2R2R2R2RRRRRfUREFuOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0 1 0 1
33、0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D0IREF2/ IREF2/ IREF)1 , 0( ,2210REFiiniin DDIiiRIUREFREF)1 , 0( ,2210fREFfoiiniin DDRRUiRu 与权电阻网络相比，与权电阻网络相比，R-2R电阻网络中只有电阻网络中只有R、2R两种阻两种阻值，从而克服了权电阻网络阻值多、阻值差别大的缺点。值，从而克服了权电阻网络阻值多、阻值差别大的缺点。主要技术指标主要技术指标1、分辨率（Resolution） 输入的二进制数每1个最低有效位 (LSB)使输出变化的程度。分辨率的表示有两种： 最小输出电压与最大输出电压之比
34、用输入端待进行转换的二进制数的位数来表示， 位数越多，分辨率越高。 分辨率的表示式为： 分辨率=Vref/2位数或 分辨率=（V+ref+V-ref)/2位数 若Vref=5V，8位的D/A转换器分辨率为5/256=20mV。分辨率举例 一个满量程为5V的10位D/A变换器，1 LSB的变化将使输出变化 5/210 = 5/1024 = 0.00488V = 4.88mV（LSB-Least Significant Bit）2、转换精度（误差）实际输出值与理论值之间的最大偏差 可用最小量化阶来度量： =1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量： 如0.05% FSR(FSR-Full Sca
35、le Range)3、转换时间 从开始转换到与满量程值相差1/2 LSB所对应的模拟量所需要的时间tV1/2 LSBtCVFULL4 4、线性度、线性度 当数字量变化时，当数字量变化时，D/AD/A转换器输出的模转换器输出的模拟量按比例变化的程度。拟量按比例变化的程度。 线性误差线性误差 模拟量输出值与理想输模拟量输出值与理想输出值之间偏离的最大值。出值之间偏离的最大值。 DAC（数字模拟变换集成电路）是系统或设备中的一个功能器件，当将它接入系统时，不同的应用场合对其输入输出有不同的要求， DAC的输入输出特性一般考虑以下几方面：（1）输入缓冲能力：DAC的输入缓冲能力是非常重要的，具有缓冲能
36、力（数据寄存器）的DAC芯片可直接与CPU或系统总线相连，否则必须添加锁存器。 DAC的输入输出特性：的输入输出特性：（2）输入码制：DAC输入有二进制和BCD码两种，对于单极性DAC可接收二进制和BCD码；双极性DAC接收偏移二进制或补码。（3）输出类型：DAC输出有电流型和电压型两种，用户可根据需要选择，也可进行电流电压转换。（4）输出极性：DAC有单极性和双极性两种，如果要求输出有正负变化，则必须使用双极性DAC芯片。 DAC0832 （1）DAC0832的性能参数的性能参数 DAC0832DAC0832是一片典型的是一片典型的8 8位位DACDAC芯片芯片 分辨率：分辨率：8位位 电流
37、型：内部有电流型：内部有2级缓冲器级缓冲器 转换时间：转换时间：1mS 功耗：功耗：20mW （2）DAC0832引脚和内部结构如图所示。 2019181716151413121112345678910VCCILEWR2XFERDI4DI5DI6DI7IOUT1IOUT2CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFBDGNDDAC0832的内部结构LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF输入输入寄寄存存器器DGNDDI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER2.DAC08322.DAC0832的数字接口的数字接口 8
38、位数字输入端 DI0DI7（DI0为最低位） 输入寄存器（第1级锁存）的控制端 ILE、CS*、WR1* DAC寄存器（第2级锁存）的控制端 XFER*、WR2*两级缓冲寄存器都是直通锁存器 LE1，直通（输出等于输入） LE0，锁存（输出保持不变）LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1直通锁存器的工作方式直通锁存器的工作方式LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：直通方式的工作方式：直通方式LE1LE21输入的数字数据直接进入输入的数字数
39、据直接进入D/A转换器转换器 LE11，或者LE21 两个寄存器之一始终处于直通状态 另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：单缓冲方式的工作方式：单缓冲方式LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：双缓冲方式的工作方式：双缓冲方式两个寄存器都处于受控（缓冲）状态两个寄存器都处于受控（缓冲）状态能够对一个数据进行能够对一个数据进行D/A转换的同时；输入另一个数据转换的同时；输入另一个
40、数据优点：数据接收与优点：数据接收与D/A转换可异步进行转换可异步进行可实现多个可实现多个DAC同步转换输出同步转换输出分时写入分时写入、同步转换同步转换 Iout1、Iout2电流输出端 Rfb反馈电阻引出端（电阻在芯片内） VREF参考电压输入端 10V10V AGND模拟信号地 VCC电源电压输入端 5V15V DGND数字信号地DAC0832的模拟输出的模拟输出VoutIout1Rfb（D/28）VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF单极性电压输出单极性电压输出设 VREF5V DFFH255时，最大输出电压：Vmax（255/256）5V4.98V D0
41、0H时，最小输出电压：Vmin（0/256）5V0V D01H时，一个最低有效位（LSB）电压：VLSB（1/256）5V0.02VVout（D/2n）VREF单极性电压输出：例子单极性电压输出：例子R1（R）R3（2R）R2（2R）RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1I2011OUT232OUT2REF1RVIRVRVI双极性电压输出：电路双极性电压输出：电路取 R2R32R1得 Vout2（2Vout1VREF）因 Vout1（D/28）VREF故 Vout2（D27）/27）VREF双极性电压输出：公式双极性电压输出：公式双极性电
42、压输出：例子设 VREF5V DFFH255时，最大输出电压：Vmax（255128）/1285V4.96V D00H时，最小输出电压：Vmin（0128）/1285V5V D81H129时，一个最低有效位电压：VLSB（129128/1285V0.04VVout（D27）/27）VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGND调零调零电位器电位器调满刻度调满刻度电位器电位器电源电源 5VADI10K1M1KVREF输出精度的调整输出精度的调整4.6 A/D转换器转换器 一、一、A/D转换器的关键部件转换器的关键部件比较器比较器 A/D转换的过程就是用模拟量转换的过程就是用模拟量A与参考
43、量与参考量R比较的过程，因此，电比较的过程，因此，电压比较器就成了压比较器就成了A/D转换器中重要转换器中重要部件。部件。 比较器的输出为比较器的输出为 REFXREFX01UuUuD +DuXUREFREFXUu 0REFXUu 1tf(t)O模拟信号模拟信号4.6 A/D转换器转换器 二、取样二、取样保持电路保持电路 所谓取样就是将一个时间上连所谓取样就是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟量。的模拟量。 根据取样定理，每经过一定时根据取样定理，每经过一定时间间隔间间隔TS取出信号的一个值，只要取出信号的一个值，只要TS （fm为信号频带中的最高
44、频为信号频带中的最高频率），这些取样值就可以无损失地率），这些取样值就可以无损失地表达原模拟信号。表达原模拟信号。m21ftf *(t)O76543211TS2TS取样信号取样信号3TS4TS5TS6TS7TS8TS4.6 A/D转换器转换器 二、取样二、取样保持电路保持电路 由于对模拟量进行量化的由于对模拟量进行量化的过程需要一定的时间，所以为过程需要一定的时间，所以为保证转换精度，在转换（即量保证转换精度，在转换（即量化）时间内应使取样点的函数化）时间内应使取样点的函数值保持不变。值保持不变。 这种暂时保持由瞬时取样这种暂时保持由瞬时取样得到的模拟信号的电路，就是得到的模拟信号的电路，就是
45、取样取样保持电路。右图是一种保持电路。右图是一种常用的取样常用的取样保持电路。保持电路。 uIS(t) +uOR2CTR1S(t)S(t)S(t)S(t)uO= -uC+ -+ -10tWS(t)TS-tW 在取样脉冲在取样脉冲S（t）持续时间持续时间tw内内 ，T导通。输入信号导通。输入信号uI经开经开关关T对电容对电容C进行充电。只要充进行充电。只要充电时间常数远小于取样信号电时间常数远小于取样信号S（t）的持续时间的持续时间tw，则输出信则输出信号号uO就能跟踪输入信号就能跟踪输入信号uI的变的变化。化。 当取样脉冲结束，即在当取样脉冲结束，即在TS-tw时间内，场效应管时间内，场效应管
46、T关断，因而关断，因而电容器上电压电容器上电压uC无泄放回路，无泄放回路，保持不变，则保持不变，则uO=-uC也保持不也保持不变。变。 LSB第三节第三节 A/D转换器转换器 三、并行比较型三、并行比较型A/D转换器转换器 假定被转换的模拟输假定被转换的模拟输入电压入电压uI在在0UREF范围内范围内变化。取变化。取3位二进制数代位二进制数代表模拟输入表模拟输入uI的数字输出。的数字输出。 采用有舍有入的量采用有舍有入的量化方式，利用电阻分压化方式，利用电阻分压把标准电压把标准电压UREF分成分成8段段（量化阶梯），位数越（量化阶梯），位数越多，精度越高。多，精度越高。UR1= UREF141
47、R2R2RRRRRRUR2= UREF143UR3= UREF145UR4= UREF147UR6= UREF1411UR5= UREF149UR7= UREF1413UREFLSB/2二进制数输出二进制数输出 其中其中6段间隔为段间隔为(1/7)UREF，另外两段间隔，另外两段间隔（最初和最末）为（最初和最末）为(1/14)UREF。因此，输入。因此，输入模拟电压从模拟电压从0到到UREF整个整个范围内，它的最大量化误范围内，它的最大量化误差都是一样的，即永远不差都是一样的，即永远不会超过会超过(1/14) UREF。010011100101110111 001是在是在(1/7)UREF时的
48、值。时的值。在在(1/14)UREF，(3/14)UREF之之间的值和间的值和(1/7)UREF最多相差最多相差(1/14)UREF ，因此，最大量，因此，最大量化误差不会超过化误差不会超过(1/14) UREF。000001R8R1参考电压参考电压模拟输入电压模拟输入电压uI UREF141 UREF143 UREF145 UREF147 UREF1411 UREF149 UREF1413R2R2RRRRRR分压器组分压器组UREFC1C7C6C5C4C3C2uI比较器组比较器组Q6Q4FF7Q7FF6FF5Q5FF4FF3Q3FF2Q2FF1Q1CP 由由7个个D触发器组成触发器组成的同步
49、寄存的同步寄存器组。器组。D2D1D0编码器编码器例：当例：当 ， 求输出的数字量。求输出的数字量。REFIREF145143UuU0000011REFI143Uu REFI141Uu REFI145Uu 001010001010000100D1DIu2DIuIuIuIuIuIuIu0 1 0 1 1 0 0 0 0 03/14UREFuI I 5/14UREF 由于各个比较器的工作过程几由于各个比较器的工作过程几乎是同时的，所以并行比较型乎是同时的，所以并行比较型A/D转换器的转换速率在所有转换器的转换速率在所有A/D转换转换方案中是最高的。方案中是最高的。 但需要使用大量的比较器。但需要使
50、用大量的比较器。FF1 FF2 FF3 FF4 FF5QA QB QC QD QECPuI(t)uOCOCOCO1 uI uO3位码位码D/AC电路电路补偿电压补偿电压=（1/2）LSB=0.5V 4.6.1 A/D转换器基础知识转换器基础知识 1 1、逐次比较型、逐次比较型A/DA/D转换器转换器10004V3.5V4.9V0 逐次比较型逐次比较型ADC工作原理也可工作原理也可用天平测量质量来用天平测量质量来比照。比照。 模数为模数为5的环型计的环型计数器。数器。 例：例：uI(t)=4.9V10000G3 G2 G1RdQ3 Q2 Q1G4G5G6D2D1D03位码位码D/AC电路电路00
