第4章集成變換器及其應用4.1阻抗變換器4.2U/I變換器和I/U變換器4.3U/F變換器和F/U變換器4.4精密T/I和T/U變換器4.5D/A變換器4.6A/D變換器4.1阻抗變換器負阻抗變換器阻抗模擬變換器

模擬電感器4.1.1負阻抗變換器（1）若去掉電阻R1

R1+-ZuiAR2IiI1I2IZ（2）若接入電阻R1

則：負電阻變換器4.1.２阻抗模擬變換器Ｚ５+-Z１uiAＺ2Ii+-AＺ４Ｚ３Ｚ５電路如下所示：4.1.２阻抗模擬變換器Ａ１的輸出：Ａ２的輸出：Ａ１：同相放大器Ａ２為阻抗變換器則：Ｚ５+-Z１uiA１Ｚ2Ii+-A２Ｚ４Ｚ３I５輸入電流為：等效輸入阻抗：可構成不同性質的阻抗模擬電路１、模擬對地電感在中取：Ｚ1、Ｚ2、Ｚ3、Ｚ5為電阻，Ｚ4為Ｒ4和C4并聯，則等效阻抗為：其等效內阻和等效電感為：３、模擬對地負阻抗在中取：Ｚ1、Ｚ3為電容C1、C3，Ｚ2、Z4為電阻R2、R4，Z5為任一阻抗則等效阻抗為：為一負阻抗變換器4.1.３模擬電感器電路如下所示：CO-uiA1R2Ii-+A2RO+R1RSiC4.1.３模擬電感器CO-uiA1R2Ii-+A2RO+R1RSiC4.1.４電容倍增器１、由反相放大器組成的電容倍增器CO-uiA1R2Ii+R1iCUoR3１、由反相放大器組成的電容倍增器CO-uiA1R2Ii+R1iCUoR3等效輸入阻抗為：電阻Ｒ和電容Ｃ的并聯２、可變電容倍增器電位器調節電容的倍增系數Ａ1組成的時跟隨器，起緩沖作用-uiA1RbIi-+A2RP+RSRaZie4.2U/I變換器和I/U變換器4.2.1接地負載的U/I變換器1、由兩個運放構成的U/I變換器R５+-R１uiA１R2IiA２R４R３+-RLI2ILuouo1uo2A1為同相加法器A2為跟隨器R５+-R１uiA１R2IiA２R４R３+-RLI2ILuouo1uo2由電路可知則:同時:則為了讓IL和RL無關,必須使既:或為簡化分析取R3=R1,R4=R2則:R3R4R5I1I2ILuLuOui則:由得為了讓IL和RL無關,必須使則:若取則:說明IL與Ui成正比,實現了線性變換4.2.2精密U/I變換器以XTR110為例XTR110可完成電壓到電流的變換1、XTR110的性能特點2.XTR110的內部結構圖4-2-3XTR110的內部結構圖圖4-2-4XTR110的基本接法3.XTR110的基本接法TheinternalopampA1canbedamagedifitsnon-invertinginput(aninternalnode)ispulledmorethan0.5Vbelowcommon(0V).Thiscouldoccurifinputpins3,4or5weredrivenwithanopampwhoseoutputcouldswingnegativeunderabnormalconditions內部第二級負載接地的U-I轉換器內部第一級運放為同相加法器因為虛短:所以:輸入范圍/V輸出范圍/mA3腳4腳5腳9腳10腳0～100～202輸入2222～104～202輸入2220～104～2015、12輸入22開路0～105～2515、12輸入2220～50～2022輸入221～54～2022輸入220～54～2015、122輸入2開路0～55～2515、122輸入22表4-2-1輸入/輸出與引腳關系圖4-2-50~10V輸入，±200mA大電流輸出變換電路4.XTR110的應用Forspansbeyond40mA,theinternal50Wresistor(R9)maybereplacedbyanexternalresistorconnectedbetweenpins13and16.Itsvaluecanbecalculatedasfollows:REXT=R9(SpanOLD/SpanNEW)上圖中當時因為虛短:即:其中:Re=(1562.5+402)//5K2K//5K=(10/7)K=1.43KIO

625/1430=0.437A而Ui1=0時IO=0，故0~10V輸入得到0~0.4A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/5Ω=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0～400mA電流源下拉200mA。Iout=IO-IR2=0-0.2A=-200mA；當Ui1＝10V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，VT1~VT3可選功率較大的MOS管。轉移電導特性曲線由圖可知可見輸出電壓與輸入電流成比例。輸出端的負載電流：電流-電壓變換電路電流—電壓變換電路：4.2.3精密I/U變換器以RCV420為例RCV420可完成電流到電壓的變換1、RCV420的性能特點（1）4-20mA的電流輸入，0-5V的電壓輸出（2）具有精密10V電壓基準（3）具有±40V共模電壓輸入范圍（4）總的變換誤差小于0.1%（5）具有86dB的噪聲干擾能力2、RCV420的內部結構包括精密集成運放/電阻網絡/10V基準1、3腳完成信號輸入公共抽頭13腳:器件公共端5腳:基準參考端基準調整端噪聲抑制端基準電路反饋基準電壓輸出變換電壓輸出變換電路反饋基準電壓輸入3、RCV420的基本接法輸入端電壓：Ui15、12腳節點處電壓：Uc同時利用虛短性質則：4、RCV420的應用利用XTR101及RCV420可構成遠距離測溫系統首先利用XTR101將溫度變化變換成4-20mA的電流輸出；為了能和單片機、智能儀表連接，再用RCV420將電流信號變換為電壓信號電路如圖4-2-9所示4-20mA的電流輸入，0-5V的電壓輸出4.3U/F變換器和F/U變換器U/F：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；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，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；單片式可逆，即可作U/F變換也可作F/U變換；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電壓----頻率變換電路及波形圖當Uin不變時，圖中模擬開關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Uin不變時，圖中模擬開關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

此后，輸入電壓UIN又開始對電容C1充電，K斷開的t2期間電容C1充電量為:

由于Q1=Q2即對應的輸出電壓UO頻率為可見，當恒流源IR、定時時間t1精度高時,輸出頻率可與輸入電流保持嚴格的比例關系。Q2=t2*IINVFC100同步型U/F、F/U變換器是通過外時鐘頻率獲得精密積分周期，實現U/F變換。4.3.1VFC100同步型U/F、F/U變換器圖4-3-1VFC100引腳排列圖1.引腳及其功能1腳：V+，為正電源端。2腳、3腳：NC，為空腳。4腳：IOUT，為內部積分輸出端，一般與5腳之間接入積分電容。5腳：CINT,為積分負輸入端，接積分電容。6腳、7腳：IN+、Ui，為積分同相輸入與模擬電壓輸入端。8腳：V，為負電源端。9腳：Cos，輸出單穩電容端。10腳：CLK，同步時鐘輸入端。11腳：f0，U/F變換頻率輸出端。圖4-3-1VFC100引腳排列圖12腳：DGND，為數字地。13腳：AGND，為模擬地。14腳、15腳：-CIN、+CIN，內部比較器輸入端。16腳：VREF，為內部5V參考電壓輸出端。2.性能特點①滿量程頻率輸出可通過外時鐘設置。②在精密滿10V電壓輸入時,增益誤差不超過0.5％。③內設精密5V參考電源。④極好的線性，在100kHz時，最大誤差不超過0.02％，在1MHz時，不超過0.1％。⑤具有低的增益漂移：不超過5010-6/oC。圖4-3-2VFC100的內部結構圖及U/F變換基本接法(開關接錯，應接至反相端)3.內部結構與基本接法3、內部結構基本接法4、雙極性輸入與調整5、F/U變換器4.3.2LMx31系列U/F，F/U變換器性能特點：最大線形度：0.01%雙電源或單電源工作脈沖輸出與所有邏輯形式兼容功耗小頻率范圍為：1Hz-100KHz在某一段時間內，其充電電荷平均值為其放電電荷平均值為利用其中一、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（模擬量）進行采樣、保持，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換為模擬量去控制某些執行元件（如聲卡播放音樂等）。A/D轉換器完成模擬量→數定量的轉換，D/A轉換器完成數字量→模擬量的轉換。二、模擬接口⑴定義：A/DD/A轉換器可視作一外部設備⑵功能：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CPU能進行控制與監測。三、模擬輸入輸出系統數字信號模擬信號現場信號1現場信號2現場信號n微型計算機放大器放大器放大器多路開關低通濾波傳感器低通濾波傳感器低通濾波傳感器A/D轉換器采樣保持器數字信號受控對象控制信號模擬信號D/A轉換器放大驅動電路…傳感器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）

放大器把傳感器輸出的信號放大到ADC所需的量程范圍低通濾波器用于降低噪聲、濾去高頻干擾，以增加信噪比多路開關把多個現場信號分時地接通到A/D轉換器采樣保持器周期性地采樣連續信號，并在A/D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R-2R梯形電阻網絡VrefRf

模擬開關電阻網絡VO數字量∑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：VinRf

VO∑R

若輸入端有n個支路,則輸出電壓VO與輸入電壓Vi的關系為：VinRf

VO∑R1Rn…令每個支路的輸入電阻為2iRf,并令Vin為一基準電壓Vref，則有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，則上式變換為若Si=1,該項對VO有貢獻；若Si=0,該項對VO無貢獻權電阻網絡2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf

VOS1S2S3S4S5S6S7S8這里，上式中的n=8如果用8位二進制代碼來控制圖中的S1～S8(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0～FFH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D/A轉換器虛地2R2RR對地電阻為2R2RR對地電阻為2R2R2R2R2RRRRRfUREFuOSn-1Sn-2SiS1S01010

10

10

10Dn-1Dn-2DiD1D0IREF2/IREF2/IREFi與權電阻網絡相比，R-2R電阻網絡中只有R、2R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。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，±1LSB的變化將使輸出變化5/210=5/1024=0.00488V=4.88mV（LSB-LeastSignificantBit）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：⊿=±1/2LSB也可用滿量程的百分比來度量：如0.05%FSR(FSR-FullScaleRange)3、轉換時間從開始轉換到與滿量程值相差±1/2LSB所對應的模擬量所需要的時間tV1/2LSBtCVFULL4、線性度當數字量變化時，D/A轉換器輸出的模擬量按比例變化的程度。

線性誤差——模擬量輸出值與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：（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

（1）DAC0832的性能參數

DAC0832是一片典型的8位DAC芯片分辨率：8位電流型：內部有2級緩沖器轉換時間：1mS功耗：20mW（2）DAC0832引腳和內部結構如圖所示。

2019181716151413121112345678910VCCILEWR2XFERDI4DI5DI6DI7IOUT1IOUT2CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFBDGNDDAC0832的內部結構LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF輸入寄存器DGNDDI0～DI7D/A轉換器DAC寄存器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER2.DAC0832的數字接口8位數字輸入端DI0～DI7（DI0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LE＝1，直通（輸出等于輸入）LE＝0，鎖存（輸出保持不變）LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉換器DAC寄存器Iout1直通鎖存器的工作方式LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：直通方式LE1＝LE2＝1輸入的數字數據直接進入D/A轉換器LE1＝1，或者LE2＝1兩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輸入寄存器DI0～DI7D/A轉換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：單緩沖方式LE2LE1DAC0832輸入寄存器DI0～DI7D/A轉換器DAC寄存器Iout1DAC0832的工作方式：雙緩沖方式兩個寄存器都處于受控（緩沖）狀態能夠對一個數據進行D/A轉換的同時；輸入另一個數據優點：數據接收與D/A轉換可異步進行可實現多個DAC同步轉換輸出——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＋10V～－10VAGND——模擬信號地VCC——電源電壓輸入端＋5V～＋15VDGND——數字信號地DAC0832的模擬輸出Vout＝－Iout1×Rfb＝－（D/28）×VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF單極性電壓輸出設VREF＝－5VD＝FFH＝255時，最大輸出電壓：Vmax＝（255/256）×5V＝4.98VD＝00H時，最小輸出電壓：Vmin＝（0/256）×5V＝0VD＝01H時，一個最低有效位（LSB）電壓：VLSB＝（1/256）×5V＝0.02VVout＝－（D/2n）×VREF單極性電壓輸出：例子R1（R）R3（2R）R2（2R）RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1＋I2＝0雙極性電壓輸出：電路取R2＝R3＝2R1得Vout2＝－（2Vout1＋VREF）因Vout1＝－（D/28）×VREF故Vout2＝[（D－27）/27）]×VREF雙極性電壓輸出：公式雙極性電壓輸出：例子設VREF＝5VD＝FFH＝255時，最大輸出電壓：Vmax＝[（255－128）/128]×5V＝4.96VD＝00H時，最小輸出電壓：Vmin＝[（0－128）/128]×5V＝－5VD＝81H＝129時，一個最低有效位電壓：VLSB＝[（129－128/128]×5V＝0.04VVout＝[（D－27）/27）]×VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGND調零電位器調滿刻度電位器電源5VADI10K1M1KVREF輸出精度的調整4.6A/D轉換器一、A/D轉換器的關鍵部件——比較器A/D轉換的過程就是用模擬量A與參考量R比較的過程，因此，電壓比較器就成了A/D轉換器中重要部件。比較器的輸出為∞

+DuXUREF01tf(t)O模擬信號4.6A/D轉換器二、取樣—保持電路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的模擬量。根據取樣定理，每經過一定時間間隔TS取出信號的一個值，只要TS≤（fm為信號頻帶中的最高頻率），這些取樣值就可以無損失地表達原模擬信號。tf*(t)O76543211TS2TS取樣信號3TS4TS5TS6TS7TS8TS4.6A/D轉換器二、取樣—保持電路由于對模擬量進行量化的過程需要一定的時間，所以為保證轉換精度，在轉換（即量化）時間內應使取樣點的函數值保持不變。這種暫時保持由瞬時取樣得到的模擬信號的電路，就是取樣—保持電路。右圖是一種常用的取樣—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S（t）持續時間tw內，T導通。輸入信號uI經開關T對電容C進行充電。只要充電時間常數遠小于取樣信號S（t）的持續時間tw，則輸出信號uO就能跟蹤輸入信號uI的變化。當取樣脈沖結束，即在TS-tw時間內，場效應管T關斷，因而電容器上電壓uC無泄放回路，保持不變，則uO=-uC也保持不變。

LSB第三節A/D轉換器

三、并行比較型A/D轉換器假定被轉換的模擬輸入電壓uI在0～UREF范圍內變化。取3位二進制數代表模擬輸入uI的數字輸出。采用有舍有入的量化方式，利用電阻分壓把標準電壓UREF分成8段（量化階梯），位數越多，精度越高。UR1=UREFRRRRRRUR2=UREFUR3=UREFUR4=UREFUR6=UREFUR5=UREFUR7=UREFUREFLSB/2二進制數輸出其中6段間隔為(1/7)UREF，另外兩段間隔（最初和最末）為(1/14)UREF。因此，輸入模擬電壓從0到UREF整個范圍內，它的最大量化誤差都是一樣的，即永遠不會超過(1/14)UREF。010011100101110111001是在(1/7)UREF時的值。在(1/14)UREF，(3/14)UREF之間的值和(1/7)UREF最多相差(1/14)UREF

，因此，最大量化誤差不會超過(1/14)UREF。000001R8R1參考電壓模擬輸入電壓uI

UREF

UREFUREF

UREF

UREF

UREF

UREFRRRRRR分壓器組UREFC1C7C6C5C4C3C2uI比較器組Q6Q4FF7Q7FF6FF5Q5FF4FF3Q3FF2Q2FF1Q1CP由7個D觸發器組成的同步寄存器組。D2D1D0編碼器例：當，求輸出的數字量。00000110010100010100001001011000003/14UREF＜uI

≤5/14UREF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A/D轉換器的轉換速率在所有A/D轉換方案中是最高的。但需要使用大量的比較器。FF1FF2FF3FF4FF5QAQB

QCQDQECPuI(t)uOCOCOCO1uI<uO0uI>uO3位碼D/AC電路補償電壓=（1/2）LSB=0.5V4.6.1A/D轉換器基礎知識1、逐次比較型A/D轉換器10004V3.5V4.9V0逐次比較型ADC工作原理也可用天平測量質量來比照。模數為5的環型計數器。例：uI(t)=4.9V10000G3G2G1RdQ3

Q2

Q1G4G5G6D2D1D03位碼D/AC電路000FF1FF2FF3FF4FF5QAQB

QCQDQECPuI(t)uOCOCOCO1uI<uO0uI>uO3位碼D/AC電路補償電壓=（1/2）LSB=0.5VG3G2G1RdQ3

Q2

Q1G