第五章 变换器

1、1TM四川大学电气信息学院医学信息工程系四川大学电气信息学院医学信息工程系普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教国家级规划教材材杨杨 刚刚2009年春季年春季电子系统设计与实践电子系统设计与实践第5章 变 换 器2TM2电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 n模数转换器（又称模数转换器（又称A/D转换器或转换器或ADC）是一种将连续的模拟量转换）是一种将连续的模拟量转换成离散的数字量的一种电路或器件成离散的数字量的一种电路或器件。模拟信号转换成数字信号一般需。模拟信号转换成数字信号一般需要经过采样保持和量化编码两个过要经过采样保持和量化编码两个过程。针对不

2、同的采样对象，有不同程。针对不同的采样对象，有不同的的ADC可供选择。可供选择。 5.1.1 模数转换器概述5.1 模数转换器模数转换器3TM3电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 n直接转换式转换器直接转换式转换器n直接式转换器又称为闪烁转换器或者全并行直接式转换器又称为闪烁转换器或者全并行转换器。从原理上讲，直接式转换器是最简转换器。从原理上讲，直接式转换器是最简单、最快速的单、最快速的ADC。这种。这种ADC的基本结构的基本结构单元是一个单元是一个1位转换器，即比较器。如果加位转换器，即比较器。如果加到正输入端（假定）的输入信号比加到负输到正输入端（假定）的输入信

3、号比加到负输入端的基准信号大，则输出高电平入端的基准信号大，则输出高电平“1”，如，如果输入信号比基准信号小，则输出为低电平果输入信号比基准信号小，则输出为低电平“1”。5.1 模数转换器模数转换器4TM4电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.1 模数转换器模数转换器5TM5电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.1 模数转换器模数转换器6TM6电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.1 模数转换器模数转换器7TM7电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.1 模数转换器模数转换器8TM8电

4、子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.1 模数转换器模数转换器9TM9电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.1 模数转换器模数转换器10TM10电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.1 模数转换器模数转换器 绝对精度绝对精度 孔径（延迟）时间孔径（延迟）时间 转换时间转换时间 相对精度相对精度 分辨率：分辨率： 采样频率采样频率 建立时间：建立时间： 转换速率转换速率5.1.2 ADC的主要技术指标11TM11电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.1 模数转换器模数转换器 确定确定A/

5、D转换的位数。转换的位数。 确定转换器的转换速率。确定转换器的转换速率。 确定是否要加采样保持器。确定是否要加采样保持器。 注意工作电压和基准电压。注意工作电压和基准电压。 考虑成本，而且尽量选择流行器件考虑成本，而且尽量选择流行器件5.1.3 ADC选择原则12TM12电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.1 模数转换器模数转换器n逐次比较型。逐次比较型。nCMOS工艺制造。工艺制造。n单电源供电。不需外部进行零点和满度调整。单电源供电。不需外部进行零点和满度调整。n可锁存三态输出，输出与可锁存三态输出，输出与TTL兼容。兼容。n易与各种微控制器接口。易与各种微控

6、制器接口。n具有锁存控制的具有锁存控制的8路模拟开关。路模拟开关。n分辨率：分辨率：8位。位。n功耗：功耗：15 mW。n转换时间（转换时间（fCLK=500 kHz）：）：128 s。n转换精度：转换精度：ADC0808，0.2%；ADC0809，0.4%。5.1.4 ADC0808/ADC0809模数转换器13TM13电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.1 模数转换器模数转换器14TM14电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 nADC0808/ADC0809与微控制器与微控制器8031查询方式的接口电路查询方式的接口电路5.1 模数转换

7、器模数转换器15TM15电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.2 数模转换器数模转换器16TM16电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 n数模转换器（又称数模转换器（又称D/A转换器或转换器或DAC）是一种将输）是一种将输入的数字信号转换成模拟信号输出的电路或器件入的数字信号转换成模拟信号输出的电路或器件。基本的数模转换器由电压基准或电流基准、二。基本的数模转换器由电压基准或电流基准、二进制精密权电阻、一组电子开关及权电流求和电进制精密权电阻、一组电子开关及权电流求和电路构成。下面首先基本路构成。下面首先基本D/A的原理。的原理。nD/A用来

8、将数字量转换成模拟量，其基本要求是输用来将数字量转换成模拟量，其基本要求是输出电压出电压Vo应该与输入数字量应该与输入数字量D成正比，即成正比，即Vo=D Vref。其中，。其中，Vref为参考电压，为参考电压，D=dn 12n 1+dn 2 2n 2+d2 2 1+d0 20。5.2.1 概述 5.2 数模转换器数模转换器17TM17电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 n单片单片DAC有很多类型，按照工作原理的不同有很多类型，按照工作原理的不同，基本，基本DAC可分成两大类，即直接可分成两大类，即直接DAC和和间接间接DAC两种。直接两种。直接DAC是指直接将输入是

9、指直接将输入的数字信号转换为输出的模拟信号，间接的数字信号转换为输出的模拟信号，间接DAC则是先将输入的数字信号转换为某种中则是先将输入的数字信号转换为某种中间量，再把这种中间量转换成为输出的模拟间量，再把这种中间量转换成为输出的模拟信号。例如，可以把输入的数字信号首先转信号。例如，可以把输入的数字信号首先转换成为频率一定、宽度随数字信号变化的脉换成为频率一定、宽度随数字信号变化的脉冲信号，再利用低通滤波器提取其平均值，冲信号，再利用低通滤波器提取其平均值，从而得出相应的模拟信号。从而得出相应的模拟信号。 5.2.2 DAC的分类5.2 数模转换器数模转换器18TM18电子系统设计与实践 四川

10、大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.2 数模转换器数模转换器19TM19电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 1集成集成FIFO的的DAC2视频视频RAM DAC3压扩压扩DAC4 - DAC5.2.2 DAC的分类5.2 数模转换器数模转换器20TM20电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 绝对精度绝对精度 双极性输出双极性输出 最低有效位最低有效位 线性误差线性误差 相对精度相对精度 分辨率分辨率 建立时间建立时间 信噪比信噪比 转换速率转换速率 稳定性稳定性5.2.3 DAC的技术指标5.2 数模转换器数模转换器21TM21电子系统设

11、计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 n由于工艺、功能、特性以及封装、功能特性由于工艺、功能、特性以及封装、功能特性的差异，的差异，DAC种类很多，如何选择一个好的种类很多，如何选择一个好的数模转换器有三个重要标准：分辨率、准确数模转换器有三个重要标准：分辨率、准确度和转换速度。当然，还要考虑其他基本要度和转换速度。当然，还要考虑其他基本要求：温度稳定性、输入编码、输出格式、基求：温度稳定性、输入编码、输出格式、基准和功耗。准和功耗。5.2.4 DAC的选择原则5.2 数模转换器数模转换器22TM22电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 1输出调节输出调节

12、2基准输入基准输入3数字量数字量4控制控制5静态和动态工作特性静态和动态工作特性6电源电源5.2.4 DAC的选择原则5.2 数模转换器数模转换器23TM23电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 nDAC0832属于属于DAC0830系列芯片中的系列芯片中的一种，是一种，是CMOS工艺制造的工艺制造的8位单片，位单片，由于该芯片价格低廉、接口简单、转换由于该芯片价格低廉、接口简单、转换控制方便等优点，因而在单片机应用系控制方便等优点，因而在单片机应用系统中得到了广泛地应用。统中得到了广泛地应用。DAC0832主主要由要由2个个8位寄存器和位寄存器和1个个8位位D/A转换

13、器转换器组成组成 5.2.5 DAC0832数模转换器5.2 数模转换器数模转换器24TM24电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 nDAC0832主要性能主要性能n分辨率为8位。n只需在满量程下调整其线性度。n可与所有的单片机或微处理器直接接口，需要时亦可不与微处理器连用而单独使用。n电流稳定时间1s。n可双缓冲、单缓冲或直通数据输入。n低功耗，200mW。n逻辑电平输入与TTL兼容。n单电源供电，+5+15 V。5.2.5 DAC0832数模转换器5.2 数模转换器数模转换器25TM25电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.2 数模转换器

14、数模转换器26TM26电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 nDAC0832与与8031的接口的接口（1) 直通式工作方式 下页图为直通式工作方式的连接方法。5.2.5 DAC0832数模转换器5.2 数模转换器数模转换器27TM27电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.2 数模转换器数模转换器28TM28电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.2 数模转换器数模转换器29TM29电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.2 数模转换器数模转换器30TM30电子系统设计与实践 四川大学电气信息

15、学院医学信息工程系 杨刚 5.3 电流电流/电压变换器电压变换器31TM31电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 nAD694引脚排列引脚排列n性能特点性能特点n电流输出有020mA和420mA范围。n电压输入有02V和010V等范围。n具有2.000V和10.000V精确电压基准。n电源电压范围宽：4.536V。n输入电路具有缓冲器，输出可外加晶体管驱动。n非线性小于0.002%。5.3 电流电流/电压变换器电压变换器32TM32电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 n AD694主要由主要由5部分组成：缓冲放大器部分组成：缓冲放大器、V/I转

16、换器、基准电压源、输出电路转换器、基准电压源、输出电路和和4 mA设置。其中，缓冲器是单增益设置。其中，缓冲器是单增益、单电源运算放大器，可直接与电流输、单电源运算放大器，可直接与电流输出型出型DAC相连。相连。 5.3 电流电流/电压变换器电压变换器33TM33电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.3 电流电流/电压变换器电压变换器34TM34电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 n典型应用典型应用图图5.3.4是由是由AD694与与DAC构成的数控构成的数控V/I变换电路。变换电路。 5.3 电流电流/电压变换器电压变换器35TM35电子

17、系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 n压频转换器又称压频转换器又称V/F转换器或转换器或VFC，可把模，可把模拟电压或电流转换成与逻辑电平（通常为拟电压或电流转换成与逻辑电平（通常为TTL）兼容的脉冲串或方波，其输出频率与）兼容的脉冲串或方波，其输出频率与输入模拟量成精确比例关系。输出频率连续输入模拟量成精确比例关系。输出频率连续地跟踪输入信号，直接响应输入信号的变化地跟踪输入信号，直接响应输入信号的变化而不需要外部同步时钟。而不需要外部同步时钟。 5.4.1 概述5.4 压频转换器与频压转换器压频转换器与频压转换器36TM36电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学

18、信息工程系 杨刚 n这类器件是一种性能价格比较高的集成这类器件是一种性能价格比较高的集成芯片，很适合用作芯片，很适合用作ADC、精密频率电、精密频率电压转换器、长时间积分器、线性频率调压转换器、长时间积分器、线性频率调制或解调及其他功能电路。制或解调及其他功能电路。LM131A/231A/331A可得到只有昂贵可得到只有昂贵的的V/F转换才会具有的高水平精度转换才会具有的高水平精度-温度温度特性。特性。 5.4.2 LMx31系列V/F、F/V转换器5.4 压频转换器与频压转换器压频转换器与频压转换器3.4.3 单电源交流电压放大器37TM37电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.4.2 LMx31系列V/F、F/V转换器5.4 压频转换器与频压转换器压频转换器与频压转换器1. 负温度系数热敏电阻器（NTC）1性能特点：最大线性度：0.01%。双电源或单电源工作（单电源可以在5V以下工作）。脉冲输出与所有逻辑形式兼容。最佳温度稳定性：最大值为50106/。小功耗：5V以下典型值为15 mW。宽的动态范围：10 kHz满量程频率下最小值为100 dB满量程频率范围：1 Hz100 kHz。38TM38电子系统设计与实践 四川大学电气信息学院医学信息工程系 杨刚 5.4.2 LMx31系列V/F、F/V转换器5.4