专用集成电路设计(AD和DA转换器)

1、12021-12-216.3 D/A 转转 换换 器器6.4 A/D 转转 换换 器器专用集成电路设计22021-12-21一、数模和模数转换的概念和作用一、数模和模数转换的概念和作用 数模转换数模转换即将数字量转换为模拟电量即将数字量转换为模拟电量( (电压或电电压或电流流) )，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比，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实现数模转换的电路称数模转换器 Digital - Analog Converter，简称简称 D/A 转换器或转换器或 DAC。 模数转换模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出即将模拟电量转换为数字量，使

2、输出的数字量与输入的模拟电量成正比。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实现模数转换的电路称模数转换器 Analog - Digital Converter，简称简称 A/D 转换器或转换器或 ADC。 32021-12-21为何要进行数模和模数转换？为何要进行数模和模数转换？ 42021-12-21二、数模和模数转换器应用举例二、数模和模数转换器应用举例压力传感器压力传感器温度传感器温度传感器流量传感器流量传感器四四路路模模拟拟开开关关数数字字控控制制计计算算机机DAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器液位传感器液位传感器DACDAC模拟控制器模拟控制器模拟

3、控制器模拟控制器生生 产产 控控 制制 对对 象象DACADC二、数模和模数转换器应用举例二、数模和模数转换器应用举例 52021-12-21 D/A转换器即数转换器即数/模转换器模转换器(Digital to Analog Converter), 其任务是将数字量转其任务是将数字量转换为模拟量。换为模拟量。 D/A转换器广泛用于信号处理中，转换器广泛用于信号处理中， 如数字如数字存储示波器的示波管显示器、存储示波器的示波管显示器、 增益控制、增益控制、 精密衰减器，精密衰减器， 精密数控电源，精密数控电源， 直接数字频直接数字频率合成器等等。率合成器等等。6.3 D/A 转转 换换 器器 6

4、2021-12-21电 阻 串(Resistor String)串 行 电 荷 再 分配并 行 电 荷 再 分配电 容 网 络 型电 阻 网 络 型开 关 电 容电 流 镜晶 体 管 网 络 型D/A转 换 器电 阻 电 容 混 合 型D/A转换器的类型转换器的类型(分类）：分类）：4 类类72021-12-21 6.3.1 D/A转换器原理转换器原理 D/A转换器的原理框图如下图转换器的原理框图如下图6-15 所示。所示。 其中，其中， b1bN为为N位数字量输入，位数字量输入， Uref为参考电压。为参考电压。 输出模拟输出模拟量为：量为： Uo=KDUref，K为比例因子，为比例因子，D

5、为：为： 故，故， 参 考 电 压比 例 网 络输 出 放 大 器UrefDUrefUo KDUref二 进 制 开 关b1b2b3bNNiiiNNbbbbD12212222NiiirefbKUU10282021-12-21图图 6 - 16 D/A转换器输入输出理想特性转换器输入输出理想特性0000010100111001011101110FS数 字 输 入 代 码1LSB理 想 模 拟 输 出D/A输 出FS81FS82FS83FS84FS85FS86FS87模 拟输 出值 当输入数字量最低位变化时，当输入数字量最低位变化时， 对应的模拟量对应的模拟量跳一个台阶，输出为阶梯波信号。跳一个台

6、阶，输出为阶梯波信号。NredULSB2192021-12-21 2. D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 1) 代表精度的指标代表精度的指标位数位数(bit数数)分辨率分辨率 NredULSBU21阶梯波台阶电压阶梯波台阶电压：2) 代表速度的指标代表速度的指标转换时间转换时间时钟频率时钟频率 即从数字信号输入即从数字信号输入D/A转换器到输出电压达到稳态转换器到输出电压达到稳态值所需要时间，值所需要时间， 该时间决定了该时间决定了D/A转换器的转换速度。转换器的转换速度。 实际上，实际上，D/A转换要按时钟节拍工作。转换要按时钟节拍工作。 通常用最高时通常用最高时钟频率来表达钟

7、频率来表达D/A转换器的工作速度。转换器的工作速度。3) 静态误差静态误差 所谓静态误差，是与时间无关，反映静态工作所谓静态误差，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、失调误差、 增益误差、增益误差、 非线性误差等。非线性误差等。102021-12-21 1. 例置例置R-2R梯形梯形D/A转换器转换器 1) 电路电路 倒置倒置R-2R梯形梯形D/A转换器电路如图转换器电路如图 6 - 18 所示。所示。 该该电路的优点是电阻类电路的优点是电阻类型少，只有型少，只有R和和2R两种，易实现。两种，易实现。 6.

8、3.2 D/A转换器电路转换器电路图图 6 - 18 倒置倒置R-2R梯形梯形D/A转换器转换器R2RI1S1UrefR2RI2S22RI3S32RINSN2RIoQUoRF112021-12-21II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC从从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。122021-12-21 由图可见，输出电压由图可见，输出电压Uo为：为：Uo=-RF Io 而而Io视开关视开关S1SN的状态而定。的状态而定。S表示数字量控制表示数字量控制开关，当数字量为开关，当数字量为“0”时，开关接地

9、，电流不流入运时，开关接地，电流不流入运放放; 只有当数字量为只有当数字量为“1”时，开关接到运算时，开关接到运算放大器的虚放大器的虚地点，其电流才流入运放而产生输出地点，其电流才流入运放而产生输出。 各电流关系为：各电流关系为： I1=2I2=22I3=2N-1IN2) 工作原理工作原理R2RI1S1UrefR2RI2S22RI3S32RINSN2RIoQUoRF132021-12-21模拟量输出为模拟量输出为 NiiirefFFoobURRRIU12若若N=3, 且数字字且数字字(即数字输入代码即数字输入代码)为为“110”， RF=R, 那那么么 refrefoUUU86804121流入

10、运放总电流为：流入运放总电流为：NiiiredNNredNiiobRUbbbRUII122112222142021-12-21 如下图，数字字如下图，数字字b1bN通过两级非门构成的分相电通过两级非门构成的分相电路变成路变成bi和和bi，然后分别去控制两个传输门构成的开关。，然后分别去控制两个传输门构成的开关。 当当b1=“1”，b1=“0”时，时， 传输门传输门导通，导通， 将将Si接到虚接到虚地点地点Q。 反之，当反之，当b1=“0”, b1=“1”时，时， 传输门传输门导通，导通，截止，截止， 将将Si接到地。接到地。图图 6 19 D/A转换器的开关电路转换器的开关电路Sib1Q1b分

11、相电路b1b11bb2b22bbNbNNb3) 开关电路开关电路2选选1电路电路152021-12-21 1) 电路电路 如下图所示，该电路由电容网络与一组开关组成，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。并由两相不重叠时钟控制。2. 权电容权电容D/A转换器转换器11 2NC终 端 电容1 2NC2 bN2Nb12 2NC2 bN 121 Nb12C2 b222b12 b121b1CUrefUoA 2)工作原理工作原理 (1) 当当1=“1”时时，终端电容被短路，其它电容下，终端电容被短路，其它电容下端均接地，处于全放电状态，所有电容电荷为端均接地，处于全放电状

12、态，所有电容电荷为0。 称称此阶段为此阶段为“复位期复位期”。162021-12-21(2) 当当1=“0”时时， 电路进入工作期，电路进入工作期， 有两种情况：有两种情况： 2=“0”，所有受，所有受2控制的开关打开，电容下端悬控制的开关打开，电容下端悬空，空， Uo=0。 2=“1”，则，则: 若若bi=“1”，bi=“0”, 则受则受2bi控制的开关闭合，控制的开关闭合， 相相应的电容下端被接到参考电压应的电容下端被接到参考电压Uref。 若若bi=“0”，bi=“1”, 则受则受2bi控制的开关闭合，控制的开关闭合， 相相应的电容下端被接地。应的电容下端被接地。11 2NC终 端 电容

13、1 2NC2 bN2Nb12 2NC2 bN121 Nb12C2 b222b12 b121b1CUrefUoA172021-12-21 (3) 等效电路等效电路。 电容分压的等效电路如下图。电容分压的等效电路如下图。 图中图中Ceq代表对应代表对应bi=“1”被接到参考电压被接到参考电压Uref的电的电容之和容之和，2C代表电路中所有电容之和，代表电路中所有电容之和，那么那么(2C-Ceq)代表对应代表对应bi=“0”即接地电容之和。即接地电容之和。 根据串联电容上电根据串联电容上电荷相等的原理，荷相等的原理， 有：有：UA(2C-Ceq)=(Uref-UA)CeqNiiiNNeqbCCbCb

14、CbC1212222则则： NiiirefrefeqAobUUCCUU122图图 6 - 22 电容分压等效电路电容分压等效电路 UrefUoCeq(2C Ceq)182021-12-21 3) 开关电路开关电路受受2控制的开关电路如图控制的开关电路如图 6 - 23 所示。所示。 图 6 - 23 权电容D/A转换器中的开关 Urefbi2bi22ACUoib2ibbi2=1，时传输门，时传输门I导通导通bi2=0，时传输门，时传输门II导通导通192021-12-21 3. 开关树开关树D/A转换器转换器 1) 电路电路 用用2N个电阻串和开关树组成。个电阻串和开关树组成。R8R7R6R5

15、AR4R3R2R1BS3CUob3b2b1 Uref1b2b3bS1S1S1S1S2S21S1S1S1S2S2S3S(a) 该电路电阻数为该电路电阻数为2N个，个， 其中其中N为位数。为位数。 这种电路这种电路中所有的电阻均相同，中所有的电阻均相同， 开开关也相同，关也相同， 实现起来比较实现起来比较容易容易, 但电阻多，但电阻多， 开关开关也多，也多， 所占硅片面积比较所占硅片面积比较大，大， 而且转换器对寄生电而且转换器对寄生电容敏感，容敏感， 导致信号延迟。导致信号延迟。202021-12-21 2) 原理原理 (1) 分压定标。分压定标。 该电路共有该电路共有2N个电阻，个电阻， 且所

16、有电阻相等，且所有电阻相等， 电电阻串对参考电压阻串对参考电压Uref分分压。压。 对第对第i个电阻分割个电阻分割点的电压点的电压Ui为为iUiRRUUNrefNrefi22到底是哪个电阻分割点的到底是哪个电阻分割点的电压输出，电压输出， 则由开关树决则由开关树决定。定。R8R7R6R5AR4R3R2R1BS3CUob3b2b1 Uref1b2b3bS1S1S1S1S2S21S1S1S1S2S2S3S(a)212021-12-21 图 6 - 26 开关电路 S3A(输入)B(输入)C(输出)b33S3b3) 开关电路开关电路222021-12-21 常用的集成DAC有有AD7520、DAC0

17、832、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。 232021-12-218位输入锁存器8位DAC寄存器8位D/A转换器2LE1LE2WR70 DIDI765416151413ILE1912181781211931020VCCDGNDAGNDREFV2OUTI1OUTIfbRfbR1WRCSXFER 242021-

18、12-211234567891020191817161514131211DAC0832CS1WRAGND3DI2DI1DI0DIREFVfbRDGND1OUTI2OUTI7DI6DI5DI4DIXFER2WRILEVCC 252021-12-21262021-12-21DAC0832 D/A转换器输出与输入的关系转换器输出与输入的关系（ 设设VREF=10V）272021-12-212. 8 位位 CMOS 集成集成 D/A 转换器转换器 CDA7520 简介简介数据锁存器数据锁存器20 k 20 k 20 k 20 k 20 k10 k 10 k 10 k 10 k VDDVREF15121

19、3CSWR45611D7( (MSB) )D6D5D0( (LSB) )S0S1S2S7OUT112316iRFBOUT2GND基准电压输入端基准电压输入端 VREF 可正可负可正可负 片选控制端片选控制端 电源电压范围电源电压范围 + 5 V + 15 V 8 位数据输入端，位数据输入端，其电平与其电平与 TTL 电平兼电平兼容。容。MSB 表示最高位，表示最高位，LSB 表示最低位。表示最低位。接地端接地端 内部反馈电阻内部反馈电阻 RF 的引出端的引出端 两个输出端，一般将两个输出端，一般将 OUT2 接地，接地，OUT1 接运放反向端。接运放反向端。 写信号控制端写信号控制端 2820

20、21-12-21 961. 9256550225625512REFLSB8 VUU解：解： 当当 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 = 11111111 时，输出为满度值。时，输出为满度值。uO = - - UFSR - - 9.961 V。 例例 右图为右图为 CDA7524 的单极性的单极性输出应用电路。图输出应用电路。图中电位器中电位器 R1 用于调用于调整运放增益，电容整运放增益，电容 C 用以消除运放的用以消除运放的自激。已知自激。已知 ULSB = VREF / 256，试求满，试求满度输出电压及满度度输出电压及满度输出时所需的输入输出时所需的输入信号。信号。 CDA

21、752045789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF = 10V+- -OUT1OUT2uOC2 k R2R11 k 15 pFWR292021-12-218位的位的D/A转换器常用的有转换器常用的有DAC0832、DAC0808，都属于，都属于R2RT型电阻网络型电阻网络型。型。刚才所介绍的刚才所介绍的AD7520为为AD公司的产品。公司的产品。302021-12-21 6.4 A/D 转转 换换 器器 1. A/D转换器的原理及特性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，是数字转换器的功能是将模拟量转换为数字量，是数

22、字化过程的第一步，也是数字化的必经之路化过程的第一步，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：数字化过程一般包括以下三个步骤： 取样保持取样保持(S/H)：要是获取模拟信号某一时刻的样品，并：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。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量化：将取得样品值量化为用“0”、“1”表示的数字量。表示的数字量。 编码：编码： 将量化后的数字量按一定规则编码成数据流，以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。便进一步存储与处理。312021-12-21A /D 转换的一般步骤转换的一般步

23、骤 322021-12-21 图中，量化器就是一系列加不同参考电图中，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平的电压比较器，当输入电压高于该比较器的参考电平参考电平Uref时，比较器输出的数字量为时，比较器输出的数字量为“1”；低于参考电平低于参考电平Uref时，输出为时，输出为“0”。图图 6 - 36 A/D转换器的原理框图转换器的原理框图 332021-12-21 2. A/D转换器的主要指标转换器的主要指标 (1) 分辨率分辨率， 即即“位数位数”(bit数数A/D数数字化的字长字化的字长)。 这是一个表达精度的指标。这是一个表达精度的指标。 如如果果A/

24、D转换器的满刻度输入为转换器的满刻度输入为UFSR，位数为，位数为N， 则则12221222QeQNFSRQUULSBUU量化电平 量化误差 量化噪声方差 (6 - 48a) (6 -48b) (6 - 48c) 342021-12-21图图 6 - 37 3位位A/D转换器的转换特性转换器的转换特性0000010100111001011101110FS归 一 化 模 拟 输 入1LSB转 换 理想FS81FS83FS85FS87输 出 数 字 码FS41FS21FS4381418321854387理 想 量 化 模 拟输 入理 想 转 换 特 性标 称 量 化 值( LSB )2135202

25、1-12-21 (2) 采样率采样率，即最高时钟频率，这是，即最高时钟频率，这是一个表达一个表达A/D转换器转换速度的指标。转换器转换速度的指标。 (3) 其它静态特性其它静态特性指标还有失调误差、指标还有失调误差、 增益误差、增益误差、 非线性误差等，其意义与非线性误差等，其意义与D/A转换器的静态误差相同。转换器的静态误差相同。362021-12-21 6.4.2 A/D转换器的分类及应用转换器的分类及应用 A/D转换器的类型很多，如下图所示：有高速并转换器的类型很多，如下图所示：有高速并行行Flash A/D， 有速度与精度折中较好的流水线有速度与精度折中较好的流水线A/D，有适用于数字

26、电压表的双斜率积分式有适用于数字电压表的双斜率积分式A/D，也有适用，也有适用范围很广的逐次比较式范围很广的逐次比较式A/D等。等。 图图 6 - 38 A/D转换器类型转换器类型 双斜率阶梯型逐次逼近A/D积分型利用D/A转换器算法A/DA/D转换器-A/D并行A/DFlash流水线A/D372021-12-21 6.4.3 A/D转换器电路举例转换器电路举例 1. 逐次比较型逐次比较型A/D转换器（转换器（逼近型逼近型） 逐次比较型逐次比较型A/D转换器是一种低成本，分转换器是一种低成本，分辨率和速度都比较好的辨率和速度都比较好的A/D转换器，因此应用转换器，因此应用十分广泛。十分广泛。

27、该该A/D转换器的原理框图如图转换器的原理框图如图 6 - 40 所示。所示。382021-12-21C逐 次 逼 近寄 存 器SAR高 分 辨 率 比 较器S/HUi模 拟 输出控 制 与 定 时高 速 D/A转 换 命 令转 换 完 成 信 号数 字 输出*iU 工作过程：工作过程：电路收到转换命令后，首先将逐次逼近寄存器电路收到转换命令后，首先将逐次逼近寄存器置置“0”(清零清零)。当第一个时钟脉冲到来时，当第一个时钟脉冲到来时，逻辑控制电路逻辑控制电路先将逐次逼近寄存器最高位先将逐次逼近寄存器最高位(Dn-1)置置“1”，其它位置，其它位置“0”，经过经过D/A转换器重新转换为模拟电压

28、转换器重新转换为模拟电压Uo(相当于相当于UFSR/2)，然后将此电压回送到比较器，与输入信号然后将此电压回送到比较器，与输入信号Ui比较。比较。 若若 UoUi 数字输出最高位改为数字输出最高位改为“0”392021-12-21 第二个时钟脉冲到来时，第二个时钟脉冲到来时，逻辑控制电路将寄存器次逻辑控制电路将寄存器次高位置高位置“1”，并与最高位一起送到，并与最高位一起送到D/A转换器，将转换器，将 其其输出电压输出电压Uo 与与Ui再次比较。再次比较。 若若 Uo Ui 数字输出次高位改为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。这个过程一直进行下去直至最后一位完成。C逐 次 逼 近寄 存 器SAR高 分 辨 率 比 较器S/H