《智能仪器设计基础》课件 第5章 数据转换电路设计2

智能仪器设计基础1第5章数据转换电路设计目录第5章数据转换电路设计5.1A/D转换与采样保持器 5.1.1A/D转换器 5.1.2采样/保持电路 5.1.3集成采样/保持器 5.1.4采样/保持器的主要参数 5.2A/D转换器类型 5.2.1并行比较型ADC 5.2.2双积分型A/D转换器 5.2.3逐次比较型A/D转换器SAR5.2.4Σ-Δ(sigma-delta)型A/D转换器5.2.5流水线（Pipeline）型A/D转换器 5.3A/D转换器的主要参数 5.4A/D转换器的模拟输入信号分类 5.5A/D转换器与微控制器接口设计 5.5.1并行输出ADC与微控制器的接口 5.5.2串行输出ADC与微控制器的接口

5.6D/A转换器原理 5.6.1D/A转换器概述 5.6.2D/A转换器原理 5.6.3D/A转换器的主要参数5.7D/A转换器与微处理器的接口5.7.1串行接口DAC与微控制器的连接5.7.2并行接口DAC与微控制器的连接5.8数字电位器习题525.6

D/A转换器原理3

在智能仪器以及测控技术中，有时需要将数字量转换为模拟量，例如触发电平设置、模拟信号发生器、仪器校准等，这时需要D/.A转换器，D/.A转换器也是一类重要的数字-模拟混合的芯片，本节和下一节介绍D/A转换器的原理及接口电路设计。5.6.1

D/A转换器概述

D/A转换器或数模转换器，简称为DAC，是把数字量转换为模拟量的器件。DAC主要应用于模拟量电压需要进行程序设置的领域，如可编程电压源，以及模拟信号发生器、可编程电流源、数字音频、直接数字频率合成、RF与通信领域等，如精密电平和触发电平设置、光强调制、测试设备阈值设置、校准仪器，模拟量控制设备、数控加工设备（CNC：ComputerizedNumericalControl）等。5.6.1

D/A转换器概述4

在原理上，DAC主要有电阻串DAC和二进制加权DAC。电阻串DAC有多种名称，如串DAC（stringDAC）、开尔文（Kelvin）分压器型DAC、温度计型DAC，还有一种变型的串DAC称为电位器型DAC，它们的结构稍有区别。

二进制加权DAC分电阻R-2R型DAC、电流型DAC和电容加权型DAC。

串DAC应用较多的是改进的分段式的串DAC，目前应用较多的是这种分段式串DAC，速度或更新率较低，一般在200kHz以下，成本也较低，其次是R-2R型DAC，速度中等，可以达到数MHz，成本也较串DAC高一些。电流型DAC速度较高，更新率可以到几十MHz到数GHz，多用于基站之类的通信领域或信号频率合成领域，成本也较高。电容加权型DAC主要应用于SAR型ADC，辅助完成A/D转换。5.6.1

D/A转换器概述5DAC的数字量输入接口多以串行为主，主要是SPI接口，也有部分并行接口。

还有一种乘法型DAC（MultiplyingDAC），可以用于对模拟信号进行乘法运算。一般应用的DAC基准电压为恒定电压，但乘法型DAC可以在基准电压输入端加交流信号，输出端就可以得到数字输入和基准电压输入相乘的模拟信号输出，可以是电流型也可以是电压型。所以称为乘法型DAC。可以对输入模拟信号进行精确的乘法运算，得到精确的数字化衰减的信号，或调制信号。5.6.1

D/A转换器概述6（1）电阻串DAC（stringDAC）电阻串DAC是由电阻串、译码电路和开关阵列构成，如图5-41为3位电阻串DAC的原理图。8个电阻和1个3-8译码器及开关构成。5.6.2

D/A转换器原理图5-413位电阻串DAC原理图5-424位分段电阻串DAC原理7（1）电阻串DAC（stringDAC）电阻串DAC是由电阻串、译码电路和开关阵列构成，如图5-41为3位电阻串DAC的原理图。8个电阻和1个3-8译码器及开关构成。电阻串DAC随着位数增加，电阻数量会指数级增加。N位电阻串DAC需要2N

个电阻，加工时需要调整串DAC中每个电阻，以获得较高的DNL和INL，但这样做比较困难，一是因为电阻数量太多，二是电阻太小而难以校准，同时成本较高，因此纯电阻串DAC的分辨率一般以8到10位为上限。改进后的电阻串DAC为分段电阻串DAC，如图5-42所示。分段减少了所需的电阻数量，但速度会降低。图中为4位电阻串DAC，开关S可以接入1、2端，输出端开关可以接入A、B之间的8个开关之一，很容易算出输出电压在0-VREF之间，分辨率为VREF/64。分段式电阻串DAC简化了设计，降低了成本，目前分段式电阻串DAC是高分辨率电阻串DAC的主要结构。5.6.2

D/A转换器原理8（2）权电阻R-2R型DAC权电阻R-2R型DAC由R-2R电阻网络、模拟开关阵列和求和运算放大器构成，如图所示为4位DAC的原理图。由于V-=V+=0，所以，无论开关S3、S2、S1、S0与哪一边接通，2R电阻的上端都相当于接通“地”电位，电阻网络的等效电路如下图5-43和5.44所示。5.6.2

D/A转换器原理9可以看出从11＇、22＇、33＇、44＇每个端口向左看的等效电阻都是R，所以从参考电源流入电阻网络的总电流Ι=VREF/R，流入各2R电阻的电流，从右到左依次为I/2、I/4、I/8、I/16。在图5-43的4位DAC中，对数字量为“0”的位，控制相应的开关与“地”接通，相应电阻支路的电流不流过放大器的反馈电阻，易看出流过放大器反馈电阻的总电流：5.6.2

D/A转换器原理10（3）权电流型DAC权电流型DAC由多个恒流源、模拟开关阵列和运算放大器构成，4位DAC的原理如图5-45所示。恒流源从高位到低位电流大小依次取为I/2、I/4、I/8、I/16。与R-2R型DAC类似，设需要转换的二进制数字量为d3d2d1d0，开关S3～S0受数字量d3～d0的控制。则转换器的输出电压为5.6.2

D/A转换器原理11（4）电容加权型DAC(CDAC)电容加权型DAC主要应用于逐次逼近（SAR）型ADC中。SAR型ADC内部需要一个记数器，同时记数器的输出需要与DAC相连，DAC的输出与输入电压进行比较，控制记数器的记数和停止。近年来SAR型ADC内部DAC多以电容型DAC为主。电容加权型DAC的结构原理如图5-46所示。图5-46（a）给出的是4位CDAC的原理图，（b）是等效电路。其中VREF为基准电压，这里也画出了待测电压VIN，因为CDAC主要是结合SARADC，需要一个待测电压，5个电容的值分别为一个标准值C的倍数，分别为1、1/2、1/4和1/8，其中C/8的电容有二个，5个电容的总和为2C。5.6.2

D/A转换器原理12（5）乘法型DAC（MultiplyingDAC）根据DAC的原理，DAC的输出主要与二个量有关，一是的输入的数字量DN，另一个是VREF，电压输出型有VOUT=BDNVREF，B为常数。所以任何一个DAC都可以看作是一个乘法器，这时把VREF看作是可以变化的输入量，输出等于这个量乘上一个可编程的数字量DN。但一般的DAC对VREF有很多限制，因此并不太适合真正的乘法运算。乘法DAC（MDAC）和普通DAC的区别是，乘法DAC更适合作乘法器用。普通DAC的VREF输入会有各类限制，例如频率不能过高，幅度范围很小等，而MDAC的VREF输入范围通常都比较大，不少都能输入正负电压，也就是能直接输入交流波形，并且频带比较宽，如100kHz甚至上MHz等。乘法DAC主要有TI公司的DAC8805、DAC7822、DAC8812等，AD公司的AD5543、LTC7541A、AD7837/7847等。5.6.2

D/A转换器原理13选择DAC时需要考虑其主要参数。DAC的主要参数有分辨率、转换速度、积分非线性、微分非线性、失调电压、增益误差等，另外还有输出模拟信号类型、数字量输入接口类型、基准电压和时钟类型（内置或外接）、电源电压、功耗等。1.分辨率（Resolution）DAC是将数字量转换为模拟量，输出模拟信号不是连续变化的，当数字量最低位变化1时，输出模拟量就会增加或减小一个确定的量，这个量越小输出模拟信号的连续性就越好，这个确定的量就是分辨率。多数DAC是电压输出型，少部分是电流输出型。因此可分辨的量可以是电压也可以是电流。分辨率与DAC的位数有关，也与满量程有关。在量程一定时，只与位数有关，因此DAC的分辨率一般用位数(Bits)表示，例如8位、10位、16位等。如N位电压输出型DAC，其满量程为FSR，输出可分辨的电压为FSR/(2N-1)。5.6.3D/A转换器的主要参数142.转换速度DAC的转换速度，不同厂家表示方法有些区别，一般也用与ADC一样的方法，即采样率（Samplerate)，或者用更新率（Updaterate）表示，单位均为SPS（每秒次数）。DAC的速度一般在几十KSPS到几十MSPS。高速的在数百MSPS，低速的DAC转换时间一般在数μs到几十μs之间。有些DAC也给用输出模拟信号的建立时间（Settlingtime）表示转换速度，不同DAC建立时间的定义或测定条件会有所不同，如有些从全零变为全1时，输出模拟信号所需要的时间，有些是满量程的1/4到时3/4的时间。更新率的倒数表示DAC从传输数字量到稳定输出模拟量的一次完整转换的时间，这一时间都比转换时间长，因此采样率或更新率更方便地表示转换速度。一般位数高、速度高的DAC价格也高。5.6.3D/A转换器的主要参数153.积分非线性(INL)理想的DAC的传递函数是在输入数字量为横坐标（全0变化到全1），输出模拟量为纵坐标的坐标系中的一条直线（实际为折线，类似于ADC的传输函数曲线），如图5-47（a）所示，但实际的DAC输出的模拟信号会偏离这一直线，积分非线性性表示了这一偏离程度的大小，实际输出模拟信号与理想信号的最大偏离值即为积分非线性(IntegralNonlinearity，INL），5.6.3D/A转换器的主要参数164.微分非线性(INL)微分非线性（DifferentialNonlinearity，DNL），是指当输入的数字量步进一个LSB时，实际输出的模拟电压变化与理想的电压变化之间的差，如图5-47（b）所示。一般不直接用电压表示，也将电压转换为对应的LSB。5.6.3D/A转换器的主要参数175.增益误差（GainError）理想情况下，DAC的转换曲线为斜率一定的直线，但实际转换曲线的斜率会偏离这一直线，增益误差反映了DAC实际的转换曲线的斜率与理想转换直线斜率的偏差，该偏差会导致DAC输出的模拟电压偏离理想值，因此一般用满量程时偏离理想值的大小表示，单位为FSR的百分比(%FSR)。如图5-47（c）所示为增益误差。5.6.3D/A转换器的主要参数186.失调误差(OffsetError)失调误差也称为偏移误差，DAC实际输出电压与理想值会有一个偏差，这一偏差称为失调电压，对不同的数字量转换时，这一偏差会有所不同，因此一般会给出一个范围，或给出最大值，如图5-47（c）所示，给出了数字输入为0时的失调误差。5.6.3D/A转换器的主要参数19转换误差5.6.3D/A转换器的主要参数20

DAC的数字量输入接口主要有串行接口和并行接口，串行接口包括SPI、I2C，多数为SPI接口。并行接口低速芯片一般为CMOS接口，高速DAC多采用LVDS接口，也有串行接口采用LVDS接口。速度GHz以上的多是JESD204B接口。LVDS（Low-VoltageDifferentialSignaling）是一种低电压差分信号，用于高速数据传输，一位数据由两根线构成，电压较低，传输速度比较高。JESD204B是一种高速串行接口，串口速率最高可达12.5Gbps，但使用复杂。

DAC的输出有电流型和电压型之分，同时有缓冲和非缓冲的区别，但多数是带有缓冲型的，非缓冲型通常需要外加驱动电路如电压跟随器等才可以应用。5.7

D/A转换器与微处理器的接口21

目前有一些微控制器内部集成了DAC，一般位数为12位，因此对一些要求不太高的应用场合，可以采用微控制器内部集成的DAC，但如果要求分辨率比较高或者速度、通道数量无法满足要求时，需要外加DAC。对并行接口DAC，当位数大于8位时，8位单片机就无法直接进行连接，电路设计较为复杂，对带有16位数据总线的微控制器，二者可以直接相连。一般应用中如果速度要求不高，可以采用SPI等串行接口DAC，以简化电路设计。以下分别以串行接口和并行接口DAC与微控制器的连接为例说明DAC电路设计。5.7

D/A转换器与微处理器的接口22

低速（小于10MSPS）DAC芯片多为CMOS电平的串行输入接口，主要是SPI接口，也有少部分是I2C接口。SPI接口是一种特殊的三线串行接口，这种接口可以方便地与微控制器相连，下边介绍串行DAC与微控制器的连接。串行接口DAC占用CPU的IO口较少、功耗低、电路设计简单，在仪器设计中得到广泛应用，多数厂家都提供串行输出接口的DAC芯片，TI公司生产了类型较多的串行接口DAC，如10位的TLC5615，12位的TLC5618，16位的DAC8552等，它们的串行数据接口也比较类似，为3线串行接口，以下以DAC8552为例说明串行DAC的应用。图5-48给出了DAC8552的引脚分布和内部结构。5.7.1

串行接口DAC与微控制器的连接23（1）主要特性DAC8552是双通道、电压输出型DAC，的性能指标如下：16位分辨率，2.7V-5V单电源工作，3线串行接口，建立时间小于10uS，相对精度（INL）最大±12LSB；微分非线性（DNL）小于1LSB，零码误差小于12mV；温漂小于5uV/oC；满量程误差小于±0.5FSR%，增益误差小于±0.2FSR%;温漂小于±1ppsFSR/oC，上电自动复位到0，轨到轨输出，适应温度为–40oC-+105oC。5.7.1

串行接口DAC与微控制器的连接24（2）脚功能及内部结构DAC8552为8引脚的VSSOP封装，引脚间距0.65mm，引脚功能如下:VDD：电源正输出端，2.7V-5.5V；典型值为3.3V和5V;VREF：基准电压输入端，范围为0-VDD；VoutB：B通道模拟电压输出端；VoutA：A通道模拟电压输出端；SYNC：数据输入的帧同步控制信号；SCLK；串行输入时钟信号端；DIN：二进制数据串行输入端；GND:地输入端；DAC8552的内部结构如图5-49所示。串行输入端口内部为一个串行到并行转换的24位寄存器，另外还有逻辑控制电路、2个数据缓冲寄存器、2个数据寄存器、2个独立的电阻串DAC、2个输出缓冲运算放大器和省电模式电阻网络与控制逻辑等。5.7.1

串行接口DAC与微控制器的连接25以DAC8552串行DAC的应用5.7.1

串行接口DAC与微控制器的连接26(3)与微处理器的接口电路与时序DAC8552有一个三线串行接口，能够方便地与微控制器相连，可以与8位单片机相连，也可以与32位ARM单片机相连。如8位的STC89系列51单片机、32位的STM32系列ARM微控制器。5.7.1

串行接口DAC与微控制器的连接27DAC8552与微控制器连接图和时序5.7.1

串行接口DAC与微控制器的连接28（4）DAC8552的数据格式如表5-4所示为24位数据的格式。5.7.1

串行接口DAC与微控制器的连接（8位控制位DB16-DB22主要用于工作模式设置如省电模式等，另外还有单通道工作方式和双通道工作方式等，这里不一一介绍，可参考相关数据手册。（5）DAC8552的模拟输出DAC8552的输出带有缓冲放大器，因此可以直接输出模拟电压，不必外加其它放大电路，单极输出时的电压为29DAC8552的双极输出，电路连接如图5-52所示：5.7.1

串行接口DAC与微控制器的连接30

DAC的数字量输入接口多为串行接口，也有部分为并行接口。对并行接口DAC，当位数大于8位时，8位单片机就无法直接进行连接，电路设计较为复杂，对带有16位数据总线的微控制器，小于16位的DAC，可以直接相连。但有些DAC可以分二次写入转换数据，可以直接与8位微控制器相连。以下简单介绍并行接口DAC与微控制器的连接。图5-53为AD5343的引脚分配与内部功能框图。（1）DAC与8位单片机的并行接口连接以下以12位D/A转换器AD5343与51单机的连接为例说明。AD5343为12位双通道电压输出型DAC，电阻串结构。并行输入接口，单电源（2.5-5.5V）供电，需要外接基准电压。相对误差典型值为±2LSB，微分非线性典型值为±0.2LSB。5.7.2

并行接口DAC与微控制器的连接31

AD5343是12位DAC，但只有8位并行数据接口，因此可以与8位总线单片机直接连接，但需要分二次写入。AD5343的内部寄存器有输入寄存器和DAC转换寄存器。输入寄存器分高字节和低字节，高字节的低4位与低字节的8位合为12位，每通道有独立的寄存器，当数据进入到输入寄存器后，可以通过LDAC同步地写入到DAC转换寄存器。引脚功能主要有HBEN：写入的数据为高字节还是低字节，0-写入低字节，1-写入高字节。VREF：基准电压输入；VOUTA：DAC的A模拟通道输出；VOUTB：DAC的B模拟通道输出；GND：地；CS:片选输入端；WR:写输入端；A0；通道选择，A通道或B通道；CLR：清除所有的输入寄存器和DAC寄存器；LDAC：有效时将同步地把输入寄存器中的数据，更新到DAC寄存器，可以使多个DAC进行同步转换；PD:掉电控制，当有效时，DAC进入掉电模式；VDD:正电源输入端；DB0-DB7:8个并行数据输入端。5.7.2

并行接口DAC与微控制器的连接32

表5-5给出了控制信号的真值表。5.7.2

并行接口DAC与微控制器的连接33

AD5343与8位总线单片连接比较方便，无需总线扩展。图5-54给出了AD5343与8位单片机的连接的原理图。5.7.2

并行接口DAC与微控制器的连接34

（2）DAC与32位单片机的连接以下以16位DA转换器AD5547为例说明DAC与32单片机的16位总线的连接。另外还有一个类似芯片AD5557为14位，其它功能相同。32位单片机（ARM）部分芯片带有16位数据总线接口，可以方便地与16位总线DAC相连接，但要注意电源和逻辑电平要适应，这里以stm32f103zet为例（144引脚），需要芯片具有FSMC端口。AD5547是双通道、16位乘法型、并行输入接口DAC，电流输出型。可用作4象限（quadrant）乘法器，单电源2.7-5.5V供电。AD5547共有38个引脚，这里只介绍与微控制器相关的部分，其它可以参考功能框图和应用电路理解其作用。D0-D16；数据输入接口总线；WR:写控制位，低电平有效；RS:复位输入寄存器和DAC寄存器；LDAC:数据加载控制位，需要与WR、RS配合使用。MSB：上电复位状态设置，为0是则复位为0电平，为1则复位为中间电平；A1、A0:用于选择双通道中的一个，00选择A通道，11选择B通道，10同时选择A和B，01无效；5.7.2

并行接口DAC与微控制器的连接35

（2）DAC与32位单片机的连接5.7.2

并行接口DAC与微控制器的连接36

数字电位器（DigitalPotentiometer）是一种可编程电阻器，利用数控方式调节电阻值，在用作分压时，其特性类似电阻串DAC，因此不少厂家将它们归类于DAC中，因此这里也放在了DAC之后介绍。在一些应用中，数字电位器可代替传统机械电位器（模拟电位器），是一种新型数字、模拟混合的集成电路。具有使用灵活、调节精度高、无触点、无磨损、低噪声、体积小、工作寿命长等优点，可在许多领域取代机械式电位器。

传统的电位器需要机械转动，改变接触点的位置而改变电阻的大小，而数字电位器是通过数字控制的开关阵列，控制接通不同的电阻，从而改变电阻的大小，类似于分段式电阻串DAC。

如图5-58所示为数字电位器AD5111/AD5113/AD5115的内部功能框图。内部有加减逻辑接口、EEPROM、控制寄存器、电阻和开关阵列等，控制寄存器控制电位器的输出，EEPROM保存写入的控制数据。5.8数字电位器37

数字电位器与电阻相关的端口有A、W、B。A和B间的电阻RAB固定，为标称电阻，一般有5kΩ、10kΩ、100kΩ等。W称为游标（Wiper），RAW，RBW之间的电阻可编程改变。A、B之间可以加一定的电压，此时游标W的电压就会改变。可见数字电位器相当于一个DA