1、第第4 4章集成變換器及其應用章集成變換器及其應用4.1阻抗變換器阻抗變換器4.2U/I變換器和變換器和I/U變換器變換器4.3U/F變換器和變換器和F/U變換器變換器4.4精密精密T/I和和T/U變換器變換器4.5D/A變換器變換器4.6A/D變換器變換器4.1阻抗變換器阻抗變換器負阻抗變換器負阻抗變換器阻抗模擬變換器阻抗模擬變換器模擬電感器模擬電感器4.1.1 負阻抗變換器負阻抗變換器（1若去掉電阻若去掉電阻R1 )1 (2ZRUUiOR1+-ZuiAR2IiI1I2IZ（2若接入電阻若接入電阻R1 11RUUIIoii那么：那么：21RZRIUZiiie負電阻變換器負電阻變換器R1+-Z

2、uiAR2IiI1I2IZ右圖只適用于信號源內阻小于的情況右圖只適用于信號源內阻小于的情況ZZS即：即：ZZS假設：假設：應將右圖同相端和反相端位置互換應將右圖同相端和反相端位置互換（若（若21RRRZie（若（若LjCRRjZie221負電阻變換器負電阻變換器等效模擬電感，其中等效模擬電感，其中CRRL221對于右圖：對于右圖：4.1. 阻抗模擬變換器阻抗模擬變換器+-ZuiA2Ii+-A電路如下所示：電路如下所示：4.1. 阻抗模擬變換器阻抗模擬變換器的輸出：的輸出：的輸出：的輸出：)1 (121ZZUUiO：同相放大器：同相放大器為阻抗變換器為阻抗變換器341342)1 (ZZUZZUU

3、OiO那么：那么：)1 (31422ZZZZUUiO+-ZuiA2Ii+-AI輸入電流為：輸入電流為：525ZUUIIOii等效輸入阻抗：等效輸入阻抗：42531ZZZZZIUZiiie可構成不同可構成不同性質的阻抗性質的阻抗模擬電路模擬電路、模擬對地電感、模擬對地電感42531ZZZZZZie在中在中取：取：1、2、3、5為電阻，為電阻，4為為4和和C4并聯，并聯，則等效阻抗為：則等效阻抗為：2531442531RRRRCjRRRRRZie其等效內阻和等效電感為：其等效內阻和等效電感為：42531RRRRRRe25314RRRRCLe、模擬對地電容、模擬對地電容42531ZZZZZZie在中

4、在中取：取：1、2、5為電阻，為電容為電阻，為電容C，則等效阻抗為：則等效阻抗為：151423)(RRRRCjZie其等效電容為：其等效電容為：51423RRRRCZie、模擬對地負阻抗、模擬對地負阻抗42531ZZZZZZie在中在中取：取：1、3為電容為電容C1、C3，2、Z4為電阻為電阻R2、R4，Z5為任一阻抗為任一阻抗則等效阻抗為：則等效阻抗為：42125RRCZZie為一負阻抗變換器為一負阻抗變換器4.1. 模擬電感器模擬電感器電路如下所示：電路如下所示：CO-uiA1R2Ii-+A2RO+R1RSiC4.1. 模擬電感器模擬電感器1RUUIoiiiOOOOOOUCRjUCRjU)

5、11 (11ifiOUAURRU)1 (121CO-uiA1R2Ii-+A2RO+R1RSiC等效輸入阻抗為：等效輸入阻抗為：1fARCRjIUZSOOiiie當遠大于時：當遠大于時：fARCRjZSOOie其中等效電感值為：其中等效電感值為：fARCRLSOOie4.1. 電容倍增器電容倍增器、由反相放大器組成的、由反相放大器組成的 電容倍增器電容倍增器CO-uiA1R2Ii+R1iCUoR3、由反相放大器組成的、由反相放大器組成的 電容倍增器電容倍增器CO-uiA1R2Ii+R1iCUoR3iOiOiURRRCjURRRRRCjI12121221)(111等效輸入阻抗為：等效輸入阻抗為：1

6、111CjRIUZiiie電阻和電容的并聯電阻和電容的并聯、可變電容倍增器、可變電容倍增器電位器調節電容的倍增系數電位器調節電容的倍增系數1組成的時跟隨器，起緩沖作用組成的時跟隨器，起緩沖作用-uiA1RbIi-+A2RP+RSRaZie、可變電容倍增器、可變電容倍增器iabOoiOiURRCjUUCjI)1 ()(其輸入阻抗：其輸入阻抗：)1 (1oabiiieRRCjIUZ其等效電容為：其等效電容為：)1 (oabieRRCC調整電位器可改變電容容量調整電位器可改變電容容量-uiA1RbIi-+A2RP+RSRaZie4.2U/I變換器和變換器和I/U變換器變換器4.2.1 接地負載的接地

7、負載的U/I變換器變換器1、由兩個運放構成的、由兩個運放構成的U/I變換器變換器R+-RuiAR2IiARR+-RLI2ILuouo1uo2A1為同相加法器為同相加法器A2為跟隨器為跟隨器 R+-RuiAR2IiARR+-RLI2ILuouo1uo2LLoIRu2由電路可知由電路可知 21II 4023RUURUUi那么那么: LLiRIRRRURRRU433434同時同時: URRRUo1211那么那么LL5L4313LL4211)()(RIRIRRRRRIRURRUioLL5L4313LL4211)()(RIRIRRRRRIRURRUio為了讓為了讓IL 和和RL無關無關 , 必須使必須使

8、 既既 :LL5LLL431321431421)()()()(RIRIRIRRRRRRURRRRRRi1)()(431321RRRRRR或或)()(213431RRRRRR為簡化分析取為簡化分析取 R3=R1,R4=R2 那么那么:i512LURRRI 1、由一個運放構成的、由一個運放構成的U/I變換器變換器由電路可知由電路可知 21II 201RUURUUi那么那么: R3R4R5I1I2ILuLuOui2112RRURURUoi而而LURRRU434OLURRRRRRRRIUL43L435LL/)(/)(R3R4R5I1I2ILuLuOui那么那么:LLL43L435/)(/)(IRRRR

9、RRRRUO由由 得得UULL433L2152LL43435212212)(RIRRRIRRRRRIRRRRRRRRURRRi為了讓為了讓IL 和和RL無關無關 , 必須使必須使 43343435212)(RRRRRRRRRRR那么那么: iURRRI512L若取若取RRRRR54322/1RR 那么那么: iURI2L說明說明IL與與Ui成正比成正比 , 實現了線性變換實現了線性變換4.2.2 精密精密U/I變換器變換器以以XTR110為例為例XTR110可完成電壓到電流的變換可完成電壓到電流的變換1、XTR110 的性能特點的性能特點2、XTR110 的內部結構的內部結構反饋端反饋端反饋電

10、阻反饋電阻公共端公共端調零調零量程調解量程調解量程控制量程控制基準電壓輸入基準電壓輸入4、5腳腳完成信號輸入完成信號輸入輸出端輸出端基準調解基準調解12、15基基準電路反準電路反饋、耦合饋、耦合接一起）接一起）2.XTR110的內部結構的內部結構圖圖4-2-3 XTR110的內部結構圖的內部結構圖 圖圖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

11、and output 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 mor

12、e than 0.5V 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內部第二級負載接地的U-I轉換器o9osIRIRUCC8500IIRUOO89O8sC101IIRRIRRI內部第一級運放為同相加法器2164211ieiiUUUUceee1IRIRU因為虛短因為虛短:ce212164IRUUUieiiOe101IRe21O216410RUUUIie

13、ii所以所以:輸入范輸入范圍圍/V輸出范圍輸出范圍/mA3腳腳4腳腳5腳腳9腳腳10腳腳0100202輸入輸入2222104202輸入輸入22201042015、12輸入輸入22開路開路01052515、12輸入輸入2220502022輸入輸入221542022輸入輸入220542015、122輸入輸入2開路開路0552515、122輸入輸入22表表4-2-1 輸入輸入/輸出與引腳關系輸出與引腳關系圖圖4-2-5 010V輸入，輸入，200mA大電流輸出變換電路大電流輸出變換電路4.XTR110的應用的應用 For spans beyond 40mA, the internal 50W res

14、istor (R9) maybe replaced by an external resistor connected between pins13 and 16.Its value can be calculated as follows:REXT = R9 (Span OLD/SpanNEW)上圖中02eiiUU當VUi101時時2164211ieiiUUUUVUi5 . 241041O8O8sC2IRIRRIeCee1RIRIUeO5002RI因為虛短因為虛短:eO50025 . 2RI即即:eO625RI 其中:Re=(1562.5+402)/5K2K/5K=(10/7)K=1.43K

15、IO 625/1430=0.437Av而Ui1=0時IO=0，故010V輸入得到00.4A輸出。 可見，通過調節精密電位器RP2、RP3增大Re,總可使IO降低到400mA，電流方向向下; 為保證精度，避免源內阻的影響，輸入經緩沖器A1進入XTR110的Ui1端，Ui2接地=0，接地的緩沖調零器A2使UR=0，這樣當Ui1=0時IO=0。 因A3的U-= U+=0，故IR3=(VF-0)/20K=10V/20K=0.5mA， 則UR4=0.5mA*2K=1V。據虛短，UR2=UR4=1V，IR2=1V/5=0.2A，于是A4、R2構成0.2A的恒流源，電流方向向下，可將由XTR110組成的04

16、00mA電流源下拉200mA。 Iout=IO-IR2=0-0.2A=-200mA； 當Ui110V時Iout=IO-IR2=0.4A-0.2A=200mA 為保證精度，R1、R2應選0.5W低溫度系數金屬膜電阻，VT1VT3可選功率較大的MOS管。轉移電導特性曲線由圖可知由圖可知fSO=Riv可見輸出電壓與輸入可見輸出電壓與輸入電流成比例。電流成比例。輸出端的負載電流：輸出端的負載電流：SLfLfSLOO=iRRRRiRvi此時該電路也可視為電流放大電路。若LR固定，則輸出電流與輸入電流成比例，電流-電壓變換電路電流電流電壓變換電路：電壓變換電路：4.2.3 精密精密I/U變換器變換器以以R

17、CV420為例為例RCV420可完成電流到電壓的變換可完成電流到電壓的變換1、 RCV420的性能特點的性能特點（14-20mA的電流輸入，的電流輸入，0-5V的電壓輸出的電壓輸出（2具有精密具有精密10V電壓基準電壓基準（3具有具有40V共模電壓輸入范圍共模電壓輸入范圍（4） 總的變換誤差小于總的變換誤差小于0.1%（5具有具有86dB的噪聲干擾能力的噪聲干擾能力2、RCV420 的內部結構的內部結構包括精密集成運放包括精密集成運放/電阻網絡電阻網絡/10V基準基準1、3腳完成信號輸入腳完成信號輸入公共抽頭公共抽頭13腳腳:器件公共端器件公共端5腳腳:基準參考端基準參考端基準調整端基準調整端

18、噪聲抑制端噪聲抑制端 基準電路反饋基準電路反饋基準電壓輸出基準電壓輸出變換電壓輸出變換電壓輸出變換電路反饋變換電路反饋基準電壓輸入基準電壓輸入3、RCV420 的基本接法的基本接法輸入端電壓：輸入端電壓：Ui15、12腳節點處電壓：腳節點處電壓：Uc同時利用虛短性質同時利用虛短性質那么：那么：25. 1315. 0INOIU4、RCV420的應用的應用利用利用XTR101 及及RCV420 可構成遠距離測溫系統可構成遠距離測溫系統首先利用首先利用XTR101 將溫度變化變換成將溫度變化變換成4-20mA的電流輸出；的電流輸出；為了能和單片機、智能儀表連接，為了能和單片機、智能儀表連接，再用再用

19、RCV420將電流信號變換為電壓信號將電流信號變換為電壓信號電路如圖電路如圖4-2-9所示所示4-20mA的電流輸入，的電流輸入，0-5V的電壓輸出的電壓輸出4. 3 U/F變換器和變換器和F/U變換器變換器U/F：輸出信號頻率正比于輸入信號電壓的電路；：輸出信號頻率正比于輸入信號電壓的電路；F/U：輸出信號電壓正比于輸入信號頻率的電路；：輸出信號電壓正比于輸入信號頻率的電路； 電壓模擬量經電壓模擬量經U/F變換成頻率信號后，其干擾能力大為增強，變換成頻率信號后，其干擾能力大為增強，非常適合遠距離傳輸、遙控系統、干擾較大等方面非常適合遠距離傳輸、遙控系統、干擾較大等方面可分為單片式和模塊式；可

20、分為單片式和模塊式；單片式可逆，即可作單片式可逆，即可作U/F變換也可作變換也可作F/U變換；變換；模塊式不可逆模塊式不可逆 下圖為電荷平衡式電壓-頻率變換電路，圖中電阻RIN、電容C1、運算放大器A1組成積分電路，運放A2為比較器，功率三極管T工作于導通、截止狀態，起電子模擬開關作用。電荷平衡式變換電路電荷平衡式變換電路電荷平衡式電壓電荷平衡式電壓-頻率變換電路及波形圖頻率變換電路及波形圖當當U in不變時，圖中模擬開關不變時，圖中模擬開關K斷開，輸入電壓對電容斷開，輸入電壓對電容C1恒流恒流IIN充電，積分器輸出電壓充電，積分器輸出電壓U1線性下降。線性下降。 當Uin不變時，圖中模擬開關

21、K斷開，輸入電壓對電容C1恒流IIN充電，積分器輸出電壓U1線性下降。當U1下降到下限電平Um時，比較器A2發生跳變，觸發單穩態定時器，使其產生一個脈寬為t1的脈沖，此脈沖使開關K導通，積分電容C1恒流IR-IIN放電，輸出電壓U1線性上升，當t1脈沖結束時，開關K重新斷開，放電停止，輸入電壓重新對C1充電 t1期間放電量期間放電量 )(11INRIItQ以后，輸入電壓以后，輸入電壓UIN又開始對電容又開始對電容C1充充電，電，K斷開的斷開的t2期間電容期間電容C1充電量為充電量為: INRIIttt121由于由于Q1=Q2即即對應的輸出電壓對應的輸出電壓UO頻率為頻率為1211tIIttfR

22、INout可見，當恒流源可見，當恒流源IR、定時時間、定時時間t1精度高時精度高時,輸出頻率可與輸入電流保持輸出頻率可與輸入電流保持嚴格的比例關系。嚴格的比例關系。Q2=t2*IIN VFC100同步型同步型U/F、F/U變換器是通過外變換器是通過外時鐘頻率獲得精密積分周期，實現時鐘頻率獲得精密積分周期，實現U/F變換。變換。 4.3.1 VFC100同步型同步型U/F、F/U變換變換器器圖圖4-3-1 VFC100引腳排列圖引腳排列圖1. 引腳及其功能引腳及其功能1腳：腳：V+ ，為正電源端。，為正電源端。2腳、腳、3腳：腳：NC，為空腳。，為空腳。4腳：腳：IOUT，為內部積分輸出端，為內

23、部積分輸出端，一般與一般與5腳之間接入積分電容。腳之間接入積分電容。5腳：腳：CINT,為積分負輸入端，接積為積分負輸入端，接積分電容。分電容。 6腳、腳、7腳：腳：IN+、Ui ，為積分同相，為積分同相輸入與模擬電壓輸入端。輸入與模擬電壓輸入端。8腳：腳：V，為負電源端。，為負電源端。9腳：腳：Cos ，輸出單穩電容端。，輸出單穩電容端。10腳：腳：CLK，同步時鐘輸入端。，同步時鐘輸入端。11腳：腳：f0 ，U/F變換頻率輸出端。變換頻率輸出端。圖圖4-3-1 VFC100引腳排列圖引腳排列圖12腳：腳：DGND，為數字地。，為數字地。13腳：腳：AGND，為模擬地。，為模擬地。14腳、腳

24、、15腳：腳：-CIN、+CIN，內部，內部比較器輸入端。比較器輸入端。16腳：腳：VREF，為內部，為內部5V參考電參考電壓輸出端。壓輸出端。2. 性能特點性能特點滿量程頻率輸出可通過外時鐘設置。滿量程頻率輸出可通過外時鐘設置。在精密滿在精密滿10V電壓輸入時電壓輸入時,增益誤差不超過增益誤差不超過0.5。內設精密內設精密5V參考電源。參考電源。極好的線性，在極好的線性，在100kHz時，最大誤差不超過時，最大誤差不超過 0.02，在，在1MHz時，不超過時，不超過0.1。具有低的增益漂移：不超過具有低的增益漂移：不超過5010-6 /C 。圖圖4-3-2 VFC100的內部結構圖及的內部結

25、構圖及U/F變換基本接法變換基本接法(開關接錯，應接至反相端開關接錯，應接至反相端)3.內部結構與基本接法內部結構與基本接法3、內部結構、內部結構基本接法基本接法CLKo)(20fVUfi4、雙極性輸入與調整、雙極性輸入與調整5、F/U變換器變換器4.3.2 LMx31系列系列U/F，F/U變換器變換器性能特點：性能特點：最大線形度：最大線形度：0.01%雙電源或單電源工作雙電源或單電源工作脈沖輸出與所有邏輯形式兼容脈沖輸出與所有邏輯形式兼容功耗小功耗小頻率范圍為：頻率范圍為： 1Hz-100KHz在某一段時間內，其充電電荷平均值為在某一段時間內，其充電電荷平均值為ooLXRftRUIQ)(其

26、放電電荷平均值為其放電電荷平均值為ooLXftTRUQ)(利用利用oRLiotIRUfQQ 其中其中ttoCRt SRRI9 .1一、問題的提出一、問題的提出 當計算機用于數據采集和過程控制的時候，采集對象當計算機用于數據采集和過程控制的時候，采集對象往往是連續變化的物理量如溫度、壓力、聲波等），但計往往是連續變化的物理量如溫度、壓力、聲波等），但計算機處理的是離散的數字量，因此需要對連接變化的物理量算機處理的是離散的數字量，因此需要對連接變化的物理量模擬量進行采樣、堅持，再把模擬量轉換為數字量交給模擬量進行采樣、堅持，再把模擬量轉換為數字量交給計算機處理、保存等。計算機輸出的數字量有時需要轉

27、換為計算機處理、保存等。計算機輸出的數字量有時需要轉換為模擬量去控制某些執行元件如聲卡播放音樂等）。模擬量去控制某些執行元件如聲卡播放音樂等）。A/DA/D轉換轉換器完成模擬量器完成模擬量數定量的轉換，數定量的轉換，D/AD/A轉換器完成數字量轉換器完成數字量模擬模擬量的轉換。量的轉換。 二、模擬接口二、模擬接口定義：定義：A/D D/A轉換器可視作一外部設備轉換器可視作一外部設備功能：功能： 將微機系統的離散的數字信號和設備中連續變化的將微機系統的離散的數字信號和設備中連續變化的模擬量兩者建立適配關系，使模擬量兩者建立適配關系，使CPU能進行能進行 控制與監測。控制與監測。三、模擬輸入輸出系

28、統三、模擬輸入輸出系統數字信號數字信號模擬信號模擬信號現場信號現場信號1現場信號現場信號2現場信號現場信號n微型微型計算機計算機放大器放大器放大器放大器放大器放大器多多路路開開關關低通濾波低通濾波傳感器傳感器低通濾波低通濾波傳感器傳感器低通濾波低通濾波傳感器傳感器A/D轉換器轉換器采樣保持器采樣保持器數字信號數字信號受控對象受控對象控制信號控制信號模擬信號模擬信號D/A轉換器轉換器放大驅動電路放大驅動電路傳感器傳感器將各種現場的物理量測量出來將各種現場的物理量測量出來并轉換成電信號模擬電壓或電流）并轉換成電信號模擬電壓或電流） 放大器放大器把傳感器輸出的信號放大到把傳感器輸出的信號放大到ADC

29、所需所需的量程范圍的量程范圍低通濾波器低通濾波器用于降低噪聲、濾去高頻干擾，用于降低噪聲、濾去高頻干擾，以增加信噪比以增加信噪比多路開關多路開關把多個現場信號分時地接通到把多個現場信號分時地接通到A/D轉換器轉換器采樣保持器采樣保持器周期性地采樣連續信號，周期性地采樣連續信號，并在并在A/D轉換期間保持不變轉換期間保持不變一、D/A變換器的基本構成 模擬開關 電阻網絡 運算放大器權電阻網絡權電阻網絡R-2R梯形電阻網絡梯形電阻網絡VrefRf 模擬開關模擬開關電阻網絡電阻網絡VO數字量數字量二、基本變換原理二、基本變換原理 運放的放大倍數足夠大時，輸出電壓VO與輸入電壓Vin的關系為：VinR

30、f VOR fOinRV = -VR 若輸入端有若輸入端有n個支路個支路, 則輸出電壓則輸出電壓VO與輸入與輸入電壓電壓Vi的關系為：的關系為：n0fini=1i1V =-RVRVinRf VOR1Rn 令每個支路的輸入電阻為令每個支路的輸入電阻為2iRf , 并令并令Vin為一為一基準電壓基準電壓Vref，則有，則有nn0frefrefiii=1i=1f11V = -RV= -V2 R2 如果每個支路由一個開關Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si斷開，則上式變換為n0irefii=11V = -SV2若若Si=1,該項對該項對VO有貢獻；有貢獻；若若Si=0,該項對該項對VO無貢

31、獻無貢獻權電阻網絡權電阻網絡2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf VOS1S2S3S4S5S6S7S8這里，上式中的這里，上式中的n=8 如果用8位二進制代碼來控制圖中的S1S8(Di=1時Si閉合；Di=0時Si斷開)，則不同的二進制代碼就對應不同輸出電壓VO； 當代碼在0FFH之間變化時，VO相應地在0-(255/256)Vref之間變化； 為控制電阻網絡各支路電阻值的精度，實際的D/A轉換器采用R-2R梯形電阻網絡，它只用兩種阻值的電阻(R和2R)。R-2R 網絡型網絡型D/A轉換器轉換器虛地虛地2R2RR對地電對地電阻為阻為2R2RR對地電對地電阻為阻為2R2R2

32、R2R2RRRRRfUREFuOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0 1 0 1 0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D0IREF2/ IREF2/ IREF)1 , 0( ,2210REFiiniin DDIiiRIUREFREF)1 , 0( ,2210fREFfoiiniin DDRRUiRu 與權電阻網絡相比，與權電阻網絡相比，R-2R電阻網絡中只有電阻網絡中只有R、2R兩種阻兩種阻值，從而克服了權電阻網絡阻值多、阻值差別大的缺點。值，從而克服了權電阻網絡阻值多、阻值差別大的缺點。主要技術指標主要技術指標1、分辨率Resolution） 輸入的二進制數每1個最低有效

33、位 (LSB)使輸出變化的程度。分辨率的表示有兩種： 最小輸出電壓與最大輸出電壓之比 用輸入端待進行轉換的二進制數的位數來表示， 位數越多，分辨率越高。 分辨率的表示式為： 分辨率=Vref/2位數或 分辨率=（V+ref+V-ref)/2位數 若Vref=5V，8位的D/A轉換器分辨率為5/256=20mV。分辨率舉例 一個滿量程為5V的10位D/A變換器，1 LSB的變化將使輸出變化 5/210 = 5/1024 = 0.00488V = 4.88mV （LSB-Least Significant Bit）2、轉換精度誤差）實際輸出值與理論值之間的最大偏差可用最小量化階來度量： =1/2

34、LSB也可用滿量程的百分比來度量： 如0.05% FSR(FSR-Full Scale Range)3、轉換時間 從開始轉換到與滿量程值相差1/2 LSB所對應的模擬量所需要的時間tV1/2 LSBtCVFULL4 4、線性度、線性度 當數字量變化時，當數字量變化時，D/AD/A轉換器輸出的模轉換器輸出的模擬量按比例變化的程度。擬量按比例變化的程度。 線性誤差線性誤差 模擬量輸出值與模擬量輸出值與理想輸出值之間偏離的最大值。理想輸出值之間偏離的最大值。 DAC數字模擬變換集成電路是系統或設備中的一個功能器件，當將它接入系統時，不同的應用場合對其輸入輸出有不同的要求， DAC的輸入輸出特性一般考

35、慮以下幾方面：（1輸入緩沖能力：DAC的輸入緩沖能力是非常重要的，具有緩沖能力數據寄存器的DAC芯片可直接與CPU或系統總線相連，否則必須添加鎖存器。 DAC的輸入輸出特性：的輸入輸出特性：（2輸入碼制：DAC輸入有二進制和BCD碼兩種，對于單極性DAC可接收二進制和BCD碼；雙極性DAC接收偏移二進制或補碼。（3輸出類型：DAC輸出有電流型和電壓型兩種，用戶可根據需要選擇，也可進行電流電壓轉換。（4輸出極性：DAC有單極性和雙極性兩種，如果要求輸出有正負變化，則必須使用雙極性DAC芯片。 DAC0832 （1DAC0832的性能參數的性能參數 DAC0832是一片典型的是一片典型的8位位DA

36、C芯片芯片 分辨率：分辨率：8位位 電流型：內部有電流型：內部有2級級緩沖器緩沖器 轉換時間：轉換時間：1mS 功耗：功耗：20mW （2DAC0832引腳和內部結構如圖所示。 2019181716151413121112345678910VCCILEWR2XFERDI4DI5DI6DI7IOUT1IOUT2CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFBDGNDDAC0832的內部結構LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF輸入輸入寄寄存存器器DGNDDI0DI7D/A轉轉換換器器DAC寄寄存存器器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER2.DAC08322.

37、DAC0832的數字接口的數字接口 8位數字輸入端 DI0DI7DI0為最低位） 輸入寄存器第1級鎖存的控制端 ILE、CS*、WR1* DAC寄存器第2級鎖存的控制端 XFER*、WR2*兩級緩沖寄存器都是直通鎖存器LE1，直通輸出等于輸入）LE0，鎖存輸出保持不變）LE2LE1DAC0832輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉轉換換器器DAC寄寄存存器器Iout1直通鎖存器的工作方式直通鎖存器的工作方式LE2LE1DAC0832輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉轉換換器器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輸入的數字數據

38、直接進入輸入的數字數據直接進入D/A轉換器轉換器 LE11，或者LE21 兩個寄存器之一始終處于直通狀態 另一個寄存器處于受控狀態緩沖狀態）LE2LE1DAC0832輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉轉換換器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：單緩沖方式的工作方式：單緩沖方式LE2LE1DAC0832輸入輸入寄寄存存器器DI0DI7D/A轉轉換換器器DAC寄寄存存器器Iout1DAC0832的工作方式：雙緩沖方式的工作方式：雙緩沖方式兩個寄存器都處于受控緩沖形狀兩個寄存器都處于受控緩沖形狀能夠對一個數據進行能夠對一個數據進行D/A轉換的同時；輸入另一個數據轉換的同時；

39、輸入另一個數據優點：數據接收與優點：數據接收與D/A轉換可異步進行轉換可異步進行可實現多個可實現多個DAC同步轉換輸出同步轉換輸出分時寫入、同步轉換分時寫入、同步轉換 Iout1、Iout2電流輸出端 Rfb反饋電阻引出端電阻在芯片內） VREF參考電壓輸入端 10V10V AGND模擬信號地 VCC電源電壓輸入端 5V15V DGND數字信號地DAC0832的模擬輸出的模擬輸出VoutIout1Rfb（D/28）VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF單極性電壓輸出單極性電壓輸出設 VREF5VDFFH255時，最大輸出電壓：Vmax（255/256）5V4.98

40、VD00H時，最小輸出電壓：Vmin（0/256）5V0VD01H時，一個最低有效位LSB電壓：VLSB（1/256）5V0.02VVout（D/2n）VREF單極性電壓輸出：例子單極性電壓輸出：例子R1R）R32R）R22R）RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1I2011OUT232OUT2REF1RVIRVRVI雙極性電壓輸出：電路雙極性電壓輸出：電路取 R2R32R1得 Vout2（2Vout1VREF）因 Vout1（D/28）VREF故 Vout2（D27）/27）VREF雙極性電壓輸出：公式雙極性電壓輸出：公式雙極性電壓輸出

41、：例子設 VREF5VDFFH255時，最大輸出電壓：Vmax（255128）/1285V4.96VD00H時，最小輸出電壓：Vmin（0128）/1285V5VD81H129時，一個最低有效位電壓：VLSB（129128/1285V0.04VVout（D27）/27）VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGND調零調零電位器電位器調滿刻度調滿刻度電位器電位器電源電源 5VADI10K1M1KVREF輸出精度的調整輸出精度的調整4.6 A/D轉換器轉換器 一、一、A/D轉換器的關鍵部件轉換器的關鍵部件比較器比較器 A/D轉換的過程就是用模擬量轉換的過程就是用模擬量A與參考量與參考量R

42、比較的過程，因此，比較的過程，因此，電壓比較器就成了電壓比較器就成了A/D轉換器中重轉換器中重要部件。要部件。 比較器的輸出為比較器的輸出為 REFXREFX01UuUuD +DuXUREFREFXUu 0REFXUu 1tf(t)O模擬信號模擬信號4.6 A/D轉換器轉換器 二、取樣二、取樣保持電路保持電路 所謂取樣就是將一個時間上連所謂取樣就是將一個時間上連續變化的模擬量轉換為時間上離散續變化的模擬量轉換為時間上離散的模擬量。的模擬量。 根據取樣定理，每經過一定時根據取樣定理，每經過一定時間間隔間間隔TS取出信號的一個值，只需取出信號的一個值，只需TS （fm為信號頻帶中的最高為信號頻帶中

43、的最高頻率），這些取樣值就可以無損失頻率），這些取樣值就可以無損失地表達原模擬信號。地表達原模擬信號。m21ftf *(t)O76543211TS 2TS取樣信號取樣信號3TS 4TS 5TS 6TS 7TS8TS4.6 A/D轉換器轉換器 二、取樣二、取樣保持電路保持電路 由于對模擬量進行量化的由于對模擬量進行量化的過程需要一定的時間，所以為過程需要一定的時間，所以為保證轉換精度，在轉換即量保證轉換精度，在轉換即量化時間內應使取樣點的函數化時間內應使取樣點的函數值保持不變。值保持不變。 這種暫時保持由瞬時取樣這種暫時保持由瞬時取樣得到的模擬信號的電路，就是得到的模擬信號的電路，就是取樣取樣保

44、持電路。右圖是一種保持電路。右圖是一種常用的取樣常用的取樣保持電路。保持電路。 uIS(t) +uOR2CTR1S(t)S(t)S(t)S(t)uO= -uC+ -+ -10tWS(t)TS-tW 在取樣脈沖在取樣脈沖St持續時間持續時間tw內內 ，T導通。輸入信號導通。輸入信號uI經經開關開關T對電容對電容C進行充電。只要進行充電。只要充電時間常數遠小于取樣信號充電時間常數遠小于取樣信號St的持續時間的持續時間tw，則輸出，則輸出信號信號uO就能跟蹤輸入信號就能跟蹤輸入信號uI的的變化。變化。 當取樣脈沖結束，即在當取樣脈沖結束，即在TS-tw時間內，場效應管時間內，場效應管T關斷，因關斷，

45、因而電容器上電壓而電容器上電壓uC無泄放回路，無泄放回路，保持不變，則保持不變，則uO=-uC也保持不也保持不變。變。 LSB第三節第三節 A/D轉換器轉換器 三、并行比較型三、并行比較型A/D轉換器轉換器 假定被轉換的模擬輸假定被轉換的模擬輸入電壓入電壓uI在在0UREF范圍范圍內變化。取內變化。取3位二進制數位二進制數代表模擬輸入代表模擬輸入uI的數字輸的數字輸出。出。 采用有舍有入的量采用有舍有入的量化方式，利用電阻分壓化方式，利用電阻分壓把標準電壓把標準電壓UREF分成分成8段量化階梯），位數段量化階梯），位數越多，精度越高。越多，精度越高。UR1= UREF141R2R2RRRRRR

46、UR2= UREF143UR3= UREF145UR4= UREF147UR6= UREF1411UR5= UREF149UR7= UREF1413UREFLSB/2二進制數輸出二進制數輸出 其中其中6段間隔為段間隔為(1/7)UREF，另外兩段間，另外兩段間隔最初和最末為隔最初和最末為(1/14)UREF。因此，輸入。因此，輸入模擬電壓從模擬電壓從0到到UREF整個整個范圍內，它的最大量化誤范圍內，它的最大量化誤差都是一樣的，即永遠不差都是一樣的，即永遠不會超過會超過(1/14) UREF。010011100101110111 001是在是在(1/7)UREF時的時的值。在值。在(1/14)

47、UREF，(3/14)UREF之間的值和之間的值和(1/7)UREF最多相差最多相差(1/14)UREF ，因此，最大量，因此，最大量化誤差不會超過化誤差不會超過(1/14) UREF。000001R8R1參考電壓參考電壓模擬輸入電壓模擬輸入電壓uI UREF141 UREF143 UREF145 UREF147 UREF1411 UREF149 UREF1413R2R2RRRRRR分壓器組分壓器組UREFC1C7C6C5C4C3C2uI比較器組比較器組Q6Q4FF7Q7FF6FF5Q5FF4FF3Q3FF2Q2FF1Q1CP 由由7個個D觸發器組成觸發器組成的同步寄存的同步寄存器組。器組。D

48、2D1D0編碼器編碼器例：當例：當 ， 求輸出的數字量。求輸出的數字量。REFIREF145143UuU0000011REFI143Uu REFI141Uu REFI145Uu 001010001010000100D1DIu2DIuIuIuIuIuIuIu0 1 0 1 1 0 0 0 0 03/14UREFuI 5/14UREF 由于各個比較器的工作過程幾由于各個比較器的工作過程幾乎是同時的，所以并行比較型乎是同時的，所以并行比較型A/D轉換器的轉換速率在所有轉換器的轉換速率在所有A/D轉換轉換方案中是最高的。方案中是最高的。 但需要使用大量的比較器。但需要使用大量的比較器。FF1 FF2

49、FF3 FF4 FF5QA QB QC QD QECPuI(t)uOCOCOCO1 uI uO3位碼位碼D/AC電路電路補償電壓補償電壓=（1/2LSB=0.5V 4.6.1 A/D轉換器基礎知識轉換器基礎知識 1 1、逐次比較型、逐次比較型A/DA/D轉換器轉換器10004V3.5V4.9V0 逐次比較型逐次比較型ADC工作原理也工作原理也可用天平測量質可用天平測量質量來比照。量來比照。 模數為模數為5的環型計的環型計數器。數器。 例：例：uI(t)=4.9V10000G3 G2 G1RdQ3 Q2 Q1G4G5G6D2D1D03位碼位碼D/AC電路電路000FF1 FF2 FF3 FF4 FF5QA QB QC QD QECPuI(t)uOCOCOCO1 uI uO3位碼位碼D/AC電路電路補償電壓補償電壓=（1/2LSB