中北大學系統(tǒng)集成第二章 模擬電路子系統(tǒng)的設計

第二章模擬電路子系統(tǒng)的設計2.1模擬電路設計的特點2.2模擬系統(tǒng)設計簡介2.3模擬電路設計的一般原則和步驟2.4常用單元電路模擬系統(tǒng)

模擬系統(tǒng)是將各類待處理物理量通過各種傳感器轉換為電信號，使電信號的電壓、電流、相位、頻率等參數(shù)與某物理量具有直接的對應關系。

此對應關系是對原始物理量的模擬。如：電視系統(tǒng)將光信號轉換成電信號，再將電信號轉換成光信號；測量溫度的儀表將溫度轉換成電信號后經處理再轉換成磁信號，通過指針表示溫度值。 優(yōu)點：整個處理過程中，電信號的相關參數(shù)始終與原始物理量有直接的對應關系，即模擬關系。

數(shù)字系統(tǒng)

數(shù)字系統(tǒng)是將被處理的物理量首先轉換成模擬的電信號，在對電信號處理之前先經過A/D轉換，將模擬信號轉換成數(shù)字信號。

狀態(tài)只有“0”和“1”。數(shù)字信號可以根據(jù)需要再經D/A變換成模擬電信號，再由電信號轉換成物理量。

數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點：抗干擾強、便于處理、可采用高度集成的數(shù)字器件，便于利用計算機技術等。但不論模擬系統(tǒng)還是數(shù)字系統(tǒng)都要用模擬電子電路。模擬電路設計方法

模擬電路設計方法：

(1)人工設計：電路結構的確定、元器件參數(shù)的選取、電路的各項指標的計算等各個設計關節(jié)均由設計人員完成。

(2)計算機輔助設計（CAD）：電路的各項指標的計算由計算機完成。2.1模擬電路設計的特點 （1）器件模型的精度有限（2）計算方法簡化（3）模擬電路的種類較多（4）電路的技術指標眾多（5）模擬器件種類繁多（6）分布參數(shù)和干擾對模擬電路的影響較大（7）要求設計者具有較高的綜合素質模擬電路設計的注意點（1）注意技術指標的精度及穩(wěn)定性，考慮元器件的溫度特性，電源電壓波動，負載變化及干擾的因素的影響。（2）重視級間阻抗匹配問題。（反射或振蕩）（3）元器件的選擇應注意參數(shù)的分散性及溫度的影響。（發(fā)散與收斂、溫漂）（4）調試中應遵循先單元后系統(tǒng)，先靜態(tài)后動態(tài)，先粗調后細調。（調零、溫度補償?shù)龋?.2模擬系統(tǒng)設計簡介將需要處理的物理量轉化為電信號，以電信號的電壓、電流、頻率、相位等參數(shù)模擬被處理的物理量，用電子技術對電信號的處理，達到對物理量的處理，這種處理方式叫模擬方式。 以模擬處理方式為主，應用電子技術完成信號處理的系統(tǒng)稱為模擬電子系統(tǒng)。定義：模擬電子系統(tǒng)的設計階段

1.系統(tǒng)級設計

任務：將系統(tǒng)的總要求分解為不同的子功能，再根據(jù)不同的子功能確定出可完成各個子功能的模塊（即單元電路），并為各個模塊確定具體的技術指標。

設計步驟：1）系統(tǒng)指標可行性分析：包括指標合理性、難易程度、先進性、主客觀條件、元器件的貨源情況、可否按時完成、成本和市場前景。

2）信號處理的流程分析。

3）擬定信號的處理環(huán)節(jié)和處理要求，完成各種相對獨立的功能模塊，用框圖完成模擬電子系統(tǒng)的設計階段（續(xù)）

4）擬訂框圖中模塊的指標。

5）確定單元電路的技術指標。

6）系統(tǒng)設計的優(yōu)化。2.電路級設計

任務：根據(jù)系統(tǒng)級設計時所制定的各個子模塊的指標，選定合理的電路結構、電路參數(shù)和器件，使之達到指標的要求，實現(xiàn)各個子模塊的功能。舉例：交流電壓表的設計具體指標： （1）電壓測量范圍：50uV-30V

（2）電壓量程：1mV，3mV，10mV，100mV，1V，3V，30V，300V。（3）被測信號頻率范圍：2Hz-500kHz。（4）頻率響應：以1KHz的不均勻性為基準，分別為2Hz-200KHz＜±3%；2Hz-500KHz＜±5%。（5）輸入阻抗：在1KHz下，輸入阻抗不低于2M，輸入電容小于60PF。 （6）測量誤差：＜±2.5%。（7）用磁電式表頭指示測量結果。系統(tǒng)設計

1）可行性分析該儀表被測量電壓范圍、輸入阻抗和誤差要求均屬于常規(guī)性指標，易達到。電壓表應用放大和整流技術，所用器件可選范圍很寬，因此設計可行。

2）信號處理流程分析

衰減（使輸入較大電壓值的被測信號具有合適幅度）→放大（使被測信號的幅度滿足后續(xù)整流電路的要求）→整流（將正弦信號轉支流以驅動表頭）

→由表頭指示測量結果系統(tǒng)設計（續(xù)）

電壓表須有衰減、放大、整流和表頭驅動電路3）擬定框圖系統(tǒng)設計（續(xù)）T1衰減器用于調節(jié)輸入檔，T2公共衰減器衰減

T1

阻抗

變換

整流

放大

A2

阻抗

變換

衰減

T2

放大

A1

量程和開關

電

源

被測信號

表

頭

固定調理系數(shù)系統(tǒng)設計（續(xù)）（4）擬訂模塊指標需要反復比較核算，合理分配衰減值、放大倍數(shù)、和頻率特性指標，根據(jù)電路結構提出阻抗匹配要求，考慮整流線性度的保證措施，系統(tǒng)誤差分配等等，然后確定各模塊的技術指標。2.3模擬電路設計的原則和步驟1.分析技術指標的可行性2.確定指標中的關鍵指標和設計難點3.分析各個指標間的相互關系4.選擇合適的器件5.在設計時留有適當?shù)挠嗔浚ń殿~設計）6.反復湊試、反復核算、反復修改（仿真驗證）7.反復實驗、反復調整2.4常用單元電路

單元電路是組成模擬電子系統(tǒng)的“細胞”

常用的單元電路包括:

（1）集成運算放大器 （2）模數(shù)轉換器 （3）數(shù)模轉換器2.4.1運算放大器及其應用

運算放大器：由多級直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路，是一種能模擬數(shù)學運算的放大器。(a)雙列直插(b)金屬圓殼(c)貼片外形：定義：運算放大器外形圖運放的主要應用(多路采集)1、信號交、直流放大 2、信號緩沖3、對ADC、DAC進行驅動 4、實現(xiàn)相位的平移、調理等5、實現(xiàn)有源濾波 6、實現(xiàn)電流和電壓的轉換7、對信號進行相加、相減、積分、微分等運算運放的主要功能引腳符號：+A反相輸入端同相輸入端輸出端“理想”運算放大器

運算放大器是一種能模擬數(shù)學運算的放大器。要準確模擬數(shù)學運算，需具備“理想”特性。

理想放大器具有以下特性：

（1）輸入端“零子”，輸出端“任意子” （2）只放大差模信號，無限大的共模抑制（CMRR） （3）沒有溫漂、時漂，能處理任何微弱信號 注：“零子”：輸入端子電壓為零，電流為零；

“任意子”：也稱“極子”，相當于理想電壓源；理想運放的具體滿足條件運算放大器的分類 按電路形式分反相，同相和差動放大電路。按數(shù)學運算分加法/減法器，微分器和積分器。按輸入信號的性質可分為直流放大器和交流放大器。運放分析方法

分析集成運放線性應用電路時，注意應用“虛短”和“虛斷”兩個重要特點。工作在線性區(qū)的特點：（1）虛短路uP＝uN（2）虛斷路iP＝0、iN＝0運算放大器基本電路3種放大器原理圖和參數(shù)關系集成運放的主要技術指標可分為四類： 1、按速度類：如GBW，SR 2、按精度類：VIO，IIB等 3、增益和噪聲抑制：CMRR，GAIN 4、按電源：VCC，IQ集成運放的性能參數(shù)（1）增益帶寬積：GBW

=為中頻開環(huán)差模增益；

為上限截止頻率。

GBW對于單點放大電路是一個常數(shù)右圖中,

=10Hz,GBW=1MHz

·uA741增益帶寬特性曲線集成運放的性能參數(shù)(2)擺率：額定負載條件下，輸入大幅度階躍信號時，輸出電壓的最大變化率，即最大不失真輸出電壓對時間變化的最大值。

Ua741在=2V，f=100kHz下輸出失真波形右圖若輸入正弦電壓,輸出則：將Ua741接成電壓跟隨，輸入=2V，f=100kHz的正弦信號，則輸出有明顯失真，為使輸出不失真，最大輸入信號應小于0.8V。其中：Ua741參數(shù)計算舉例集成運放的性能參數(shù)(3)

共模抑制比CMRR：表示了集成運放對共模信號的抑制能力。CMRR=20㏒（dB)

一般針對微弱信號，如儀表放大器

最大差模輸入電壓：運放正負輸入端允許施加的最大電壓差。

最大共模輸入電壓：運放正端或負端的最大輸入電壓。集成運放的性能參數(shù)（4）輸入失調電壓UOS

由于運放兩輸入端不平衡，當輸入電壓為0時，輸出電壓UO不一定為0，為使輸出為0，輸入端的補償電壓為輸入失調電壓UOS。集成運放的性能參數(shù)（5）輸入偏置電流IB運放兩個輸入端流入或流出的電流大小。輸入失調電流IOS

運放輸出電壓為0時，兩輸入端偏置電流的差值，對稱性越好輸入失調電流越小。集成運放的性能參數(shù)（6）溫漂電壓UIO/℃

單位溫度所引起的輸入失調電壓

如LM324的溫漂電壓為±1μV/℃開環(huán)電壓增益AOd

運放工作在線性區(qū)的斜率注：AOd一般表示為差模開環(huán)增益，理想運放AOd無窮大，為100~140dB集成運放的性能參數(shù)（7）輸入阻抗Zi 輸入端電壓變化量與對應電流變化量的比值，由輸入電阻Ri和輸入電容Ci組成，在低頻段反映為輸入電阻。

分為差模輸入阻抗和共模輸入阻抗

雙極型管：幾十千歐到幾兆歐

場效應管：大于109歐輸出阻抗ZO

輸出端電壓變化量與對應電流變化量的比值，反映的是運放的帶負載能力。 計算時要考慮頻率范圍內電阻和電容的影響。集成運放的性能參數(shù)（8）輸出電流 運放的輸出電流反映了其帶負載的能力，一般為幾十毫安。電源電壓

運放電源的大小決定了最大輸出電壓的大小，有單電源和雙電源兩種。靜態(tài)工作電流

輸入信號為零時，運放自身所消耗的電流，越小越好。常用運算放大器

（1）通用型運放

注意民用品、工業(yè)品、軍用品的命名。（均衡型）（2）高輸入阻抗運放

大于1012Ω，工作速度較高

（3）低失調低漂移運放(高精度)

輸入失調電壓及其溫漂、輸入失調電流小，又稱高精度運放。 （4）斬波穩(wěn)零集成運放(第4代)

超低失調、溫漂，高增益、輸入阻抗等，用于微弱信號 （5）軌到軌注意事項（1）無特殊要求，應盡量選用通用型運放。（2）充分了解運放性能指標。（3）弱信號放大時，需要選用失調、噪聲系數(shù)小的（4）做直流放大時，要調零。

在規(guī)定消振引腳加電容消振，為消除電源內阻引起的寄生振蕩，在電源端對地就近接去耦電容，考慮去耦電容的電感效應，在兩端常接瓷片電容。調零電路運放的調零電路運放應用電壓并聯(lián)負反饋運放應用（續(xù)）電壓串聯(lián)負反饋一般?。河捎凇疤摂唷?，i-=0所以：i1+i2+i3=iF又因“虛短”，u-

=0當R1=R2=R3=R時，反相加法運算電路由于“虛斷”，i+

=0，所以：其中：“虛短”，u+=u-同相加法運算電路為同相端阻抗儀表放大器隔離放大器對模擬信號進行隔離、放大 1、線性光耦 2、隔離運放分類：1.濾波電路的作用和分類有源濾波電路

主要用來濾除信號中無用的頻率成分，濾波過程如圖所示。

有源濾波器是一種具有特定頻率響應的放大器。它是在運算放大器的基礎上增加一些R、C等無源元件而構成。

構成和作用無源低通濾波器：電壓放大倍數(shù)為：——截止頻率由對數(shù)幅頻特性知，具有“低通”的特性。電路缺點：電壓放大倍數(shù)低，最大只有１，且?guī)ж撦d能力差。解決辦法：利用集成運放與RC電路組成有源濾波器。舉例：一階有源低通濾波電路fc電壓放大倍數(shù)：一階有源低通濾波器：根據(jù)“虛斷”，可求得電容電壓為通帶電壓放大倍數(shù)：截止頻率：

一階有源低通濾波器與無源低通濾波器的頻率特性相似；但通帶電壓放大倍數(shù)得到提高，帶負載能力增強。通用運算放大器

通用的集成運放是那些兼顧各方面性能的放大器，在音頻處理領域使用較為廣泛。增益帶寬積<1MHz、輸入失調電壓在幾個mV、輸入失調電流在幾百nA左右、電壓擺率<10V/us的放大器都可歸為通用放大器。對所處理的信號沒有很高的要求時，只要通用運放符合設計要求，就不應該采用更高速或更精密的放大器，因為某方面性能的提高必然導致另一方面的性能下降，通用放大器在各方面性能均有所均衡。寬帶運算放大器設計寬帶放大電路，要求帶寬>40MHz、輸出電壓范圍Vp-p>6V、輸出負載為600Ω、電壓增益為2。一般在設計時要選擇電壓擺率是計算平均值的兩倍以上，才不會有明顯的失真，因此在本設計中選用AD811(電壓擺率為2500V/us、增益帶寬積130Mhz)，設計電路如圖所示。2.4.2D/A轉換器基本原理電阻分壓器和跟隨器：

UO=A·Ui（0≤A≤1）DAC和運算放大器：

UO=-Dn·Ui（0≤Dn≤1）基本原理（權表達式）n位二進制有2n種不同的組合，對應2n個模擬電壓（或電流）值，嚴格講DAC的輸出并非真正的模擬信號，而是時間連續(xù)、幅度離散的信號。D/A內部結構框圖DAC結構框圖將n為二進制數(shù)字量轉換成模擬量輸出框圖如下：

N位二進制數(shù)

數(shù)碼寄存器

N位模擬開關

求和放大器

模擬電壓輸出

電阻譯碼網絡

基準

電壓源

并聯(lián)或串聯(lián)T形電阻網絡型D/A轉換器原理圖4位T型電阻網絡DAC電路原理圖D0=1時各個支路的電路D/A轉換器的分類

按數(shù)據(jù)輸入方式：有串行和并行兩類，輸入數(shù)據(jù)包括8位、10位、12位、14位、16位等，位數(shù)越多，分辨率也越高；按輸出模擬量類型：有電流輸出型和電壓輸出型兩種。電壓輸出又有單極性和雙極性之分，如0~+5V、0~+10V、±2.5V、±5V、±10V等，可根據(jù)實際需要進行選擇。D/A轉換器的主要參數(shù)靜態(tài)參數(shù)其它參數(shù)

精度（誤差）：不考慮其他D/A轉換誤差時，分辨率即為轉換精度。劃分為：絕對精度和相對精度。

絕對精度：模擬量輸出與理論之間的最大誤差，是宏觀概念，一般應該小于1LSB，如：0.5LSB。

相對精度：絕對精度與滿刻度輸出值的百分比(FSR

)。如：轉換精度為0.02%FSR，表示輸出實際值與理論值之間的最大差值是滿量程輸出值的0.02%。

原因：造成DAC轉換誤差的原因有多種，如參考電壓UREF的波動、運算放大器的零點漂移、模擬開關的導通內阻和導通壓降、電阻解碼網絡中電阻阻值的偏差等等。

其它參數(shù)（續(xù)）

失調誤差：數(shù)字輸入全為0碼時，模擬輸出值與理論輸出值之偏差。主要由運算放大器的零點漂移等造成，與輸入的數(shù)字量無關。其它參數(shù)（續(xù)）增益誤差：實際轉換的增益與理論增益之間的偏差值，也稱為斜率誤差。主要由參考電壓UREF的波動和運算放大器的閉環(huán)增益誤差等引起。

其它參數(shù)（續(xù)）線性誤差：模擬輸出偏離理想輸出的最大值，無規(guī)律誤差，也稱線性度。主要由模擬開關的導通電阻和導通壓降，各個模擬開關的阻抗差異，電阻網絡阻值差異等等造成。其它參數(shù)（續(xù)）

溫度系數(shù)：在規(guī)定的溫度范圍內，溫度每變化1度，增益、零點、精度等參數(shù)的變化量。

電源抑制比：是輸入電源變化量與轉換器輸出變化量的比值，常用分貝表示。對于高質量的D/A轉換器，要求開關電路及運算放大器所用的電源電壓發(fā)生變化時，對輸出的電壓影響小。

溫度范圍：正常工作的溫度范圍，按級別區(qū)分。

饋送誤差：雜散信號通過D/A耦合到輸出端造成的誤差。注意：精度與分辨率有一定關系：位數(shù)越多，分辨率越高，對應的量化誤差越小，但其它系統(tǒng)誤差（如溫漂、線性度等）不會變化。D/A轉換靜態(tài)校準電路D/A轉換器的失調誤差和增益誤差校正電路動態(tài)參數(shù)建立時間：描述D/A轉換速率快慢的一個重要參數(shù)。 輸入數(shù)字量變化，到輸出穩(wěn)定的時間ts

滿量程變化時的建立時間D/A轉換器的建立時間超高速<100ns

較高速100ns~1μs

高速1~10μs

中速10~100μs

低速≥100μs動態(tài)參數(shù)（續(xù)）尖峰：輸入數(shù)碼發(fā)生變化時產生的瞬時誤差。（利用采/保電路）消除尖峰電路工作原理D/A轉換器件選擇指南

D/A轉換芯片的選擇原則：考慮芯片的性能參數(shù)、結構及應用特性。在性能上必須滿足D/A轉換的技術要求；在結構和應用特性上應滿足接口方便、外圍電路簡單、價格低廉等要求。

選擇要點

1）D/A轉換芯片的性能指標

靜態(tài)指標：精度、各種誤差等； 動態(tài)指標：建立時間、尖峰等 環(huán)境指標：溫度、濕度參數(shù)等

2）D/A轉換芯片的結構特性（原理）

數(shù)字輸入：包括接受數(shù)碼制，數(shù)據(jù)格式以及邏輯電平等 模擬輸出：例，電流輸出型、電壓輸出型等等 鎖存特性及轉換控制（啟動轉換） 參考源(內置和外置):參考源配制，輸入數(shù)字碼與模擬輸出電壓的極性參考源電路的配置轉換接口中常用的幾種參考電源電路輸出設計（單極性）目前大多數(shù)D/A轉換器輸出的模擬量均為電流量，通過放大器轉換成模擬電壓輸出。

=-A

（0≤A＜1）輸出設計（雙極性）

=-（2A-1）（0≤A＜1）單極性：1LSB=VR/210雙極性：1LSB=VR/29靈敏度降了一倍常用D/A轉換芯片常用D/A轉換芯片常用D/A轉換芯片8位D/A轉換器DAC0832及應用內部結構引腳功能ILE：輸入鎖存允許信號，高電平有效。CS：輸入寄存器選擇信號，低電平有效。WR1：輸入寄存器寫選通信號1，低電平有效。輸入鎖存器的鎖存信號LE1由ILE、WR1、CS的邏輯組合產生。當ILE為高電平，WR1和CS同為低電平時，LE1為正脈沖，寄存器隨數(shù)據(jù)線變化；當LE1為負脈沖，數(shù)據(jù)線鎖存到鎖存器中。XR2：寫信號2，即DAC寄存器的寫選通信號，低電平有效。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號，低電平有效。D0-D7：8位數(shù)字輸入端。Iout1：DAC電流輸出端1，為數(shù)字輸入端邏輯電平為1的各位輸出電流之和。DAC寄存器內容隨輸入端代碼線性變化，DAC寄存器的內容為全1時，Iout1最大；全為0時，Iout1最小。Iout2：電流輸出端2。Iout1+Iout2=常數(shù),此常數(shù)對應于固定基準電壓的滿量程電流。RFB：反饋電阻。反饋電阻被制作在芯片內部，用作DAC提供輸出電壓的運放的反饋電阻15kΩ

。Vref：基準電源輸入端。Vref一般在-10-10V范圍內，由外電路提供。Vcc：電源輸入端，取值范圍為+5-+15V，+15V最佳。AGND：模擬地，為芯片模擬電路接地點。DGND，數(shù)字地，為芯片數(shù)字電路接地點。

注意接地問題引腳功能(續(xù))典型應用轉換時序單緩沖方式

單緩沖方式是指兩個數(shù)據(jù)輸入寄存器中只有一個處于受控選通狀態(tài)，而另一個則處于常通狀態(tài)，或者雖然是兩級緩沖，但將兩個寄存器的控制信號連在一起，一次同時選通。單緩沖方式適用于單路D/A轉換或多路D/A轉換而不必同步輸出的系統(tǒng)中。單緩沖方式的接口

DAC0832作為了8031的一個并行輸出口，地址為7FFFH。若把一個8位數(shù)據(jù)#data寫入7FFFH，也就實現(xiàn)了一次D/A轉換，輸出一個與#data對應的模擬量。

MOVDPTR，#7FFFH；P2.7=0，選中DAC0832芯片

MOVA，#data；待轉換數(shù)據(jù)送累加器AMOVX@DPTR，A；寫入0832，進行一次轉換輸出單緩沖轉換程序舉例雙緩沖方式

雙緩沖方式：CPU發(fā)送兩次控制信號，分時選通DAC0832內部的兩個寄存器。第一次將待轉換數(shù)據(jù)鎖存于輸入鎖存器中，第二次將數(shù)據(jù)從前一級緩沖器寫入DAC寄存器并送到D/A轉換器完成一次轉換輸出，使用場合：需要多路模擬信號同步輸出的系統(tǒng)必須采用雙緩沖方式。輸入寄存器（1）地址：7FF8H=0111111111111000B輸入寄存器（2）地址：7FF9H=0111111111111001BDAC寄存器地址：7FFAH=0111111111111100B

將兩個8位數(shù)字量#data1和#data2同時轉換為模擬量的程序段：MOVDPTR，#7FF8H；指向0832（1）的輸入寄存器MOVA，#data1MOVX@DPTR，A；#data1→0832（1）輸入寄存器INCDPTR；指向0832（2）的輸入寄存器MOVA，#data2MOVX@DPTR，A；#data2→0832（2）輸入寄存器

INCDPTR；指向兩個0832的DAC寄存器

MOVX@DPTR，A；啟動轉換雙緩沖轉換程序舉例舉例0832(1)的選通地址為DFFFH,輸出為-5V~+5VD/A轉換典型應用輸出（1）單路鋸齒波電壓輸出反向鋸齒波程序清單：

MOVDPRT，#0DFFFHDA1：MOVR6，#80HDA2：MOVA，R6MOVX@DPTR,ADJNZR6,DA2AJMPDA1

正向鋸齒波程序清單：

MOVDPRT，#0DFFFHDA1：MOVR6，#80HDA2：MOVA，R6MOVX@DPTR,AINCR6CJNER6，#0FFH，DA2AJMPDA1雙向鋸齒波程序清單：

MOVDPRT，#0DFFFHMOVR6，#00HDA1：MOVA，R6MOVX@DPTR,AINCR6AJMPDA1（2）單路正弦波電壓輸出

MOVR5，#00HSIN：MOVA，R5MOVDPTR，#TAB

MOVCA，@A+DPTRMOVDPTR，#0DFFFHMOVX@DPTR，AINCR5AJMPSINTAB：DB80一個周期的正弦量化數(shù)據(jù)放在80H為首地址的表格中（3）兩路正弦移相信號輸出相移量的數(shù)字偏移量=256/360

=90，D12=40H程序清單如下：

MOVR5，#00HMOVR1，#40HSIN：MOVA，R5MOVDPTR，#TABMOVCA，@A+DPTRMOVDPTR,#0DFFFHMOVX@DPTR,AINCR5MOVA,R1MOVDPTR,#TABMOVA,@A+DPTRMOVDPTR,#0BFFFHMOVX@DPTR,AINCR1AJMPSIN16位D/A應用舉例總結：D/A轉換器設計注意事項精度：與系統(tǒng)中所測量控制的信號范圍有關，估算時要考慮到其他因素，轉換器位數(shù)最少應該比總精度要求的最低分辯率高2位。常用的D/A器件有8位，10位，12位，14位，16位等。

速度：應根據(jù)輸入信號的最高頻率來確定，保證轉換器的轉換速率要高于系統(tǒng)要求的采樣頻率。

通道：單芯片內部可含有多個D/A模塊，可同時實現(xiàn)多路信號的轉換；常見的多路D/A器件只有一個公共的D/A模塊，由一個多路轉換開關實現(xiàn)分時轉換。D/A轉換器的設計注意事項(續(xù))數(shù)字接口方式：接口有并行/串行之分，串行又有SPI、I2C、SM等多種不同標準。數(shù)值編碼通常是二進制，也有BCD、雙極性的補碼、偏移碼等。模擬信號類型：通常D/A器件輸出的模擬信號有電壓和電流兩種。極性：分成單極性（Unipolar）和雙極性（Bipolar）。電源電壓：有單電源，雙電源和不同電壓范圍之分，注意模擬電源和數(shù)字電源。D/A轉換器的設計注意事項(續(xù))基準電壓：有內、外基準和單、雙基準之分。功耗：一般CMOS工藝的芯片功耗較低，對于電池供電的手持系統(tǒng)對功耗要求比較高的場合一定要注意功耗指標。封裝：常見的封裝是DIP、表貼型封裝。滿幅度輸出(Rail-toRail)：新概念，最先應用于運算放大器領域，指輸出電壓的幅度可達輸入電壓范圍。在D/A中一般是指輸出信號范圍可達到電源電壓范圍。（國內的翻譯不統(tǒng)一，如“軌-軌”、“滿擺幅”）接地：模擬地和數(shù)字地要分開,減少耦合噪聲路徑。

注：利用單路DAC和多路模擬開關如何生成多路信號源？

由于輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，把模擬量轉換成數(shù)字量，便于計算機或CPU等進行處理，一般的A/D轉換過程為：采樣、保持、量化和編碼，如圖所示。

1．A/D轉換原理

模擬信號數(shù)字信號采樣保持量化編碼2.4.3A/D轉換器A/D轉換的信號處理過程

孔徑：aperture

采樣和保持

采樣：把在時間上是連續(xù)的輸入模擬信號ui轉換成在時間上是離散的信號，輸出脈沖波的包絡仍反映輸入信號幅度的大小。采樣定理，采樣信號的頻率fs和輸入模擬信號的最高頻率fimax之間必須滿足下述條件:fs≥2fimax

每次把采樣電壓轉換為相應的數(shù)字量都需要一定的時間，在每次采樣以后，必須把采樣電壓保持一段時間。量化和編碼

用數(shù)字量表示采樣電壓時，也必須把它化成這個最小數(shù)字量單位的整數(shù)倍，這個轉化過程就叫做量化，所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用S表示。

編碼是把量化的數(shù)值用二進制代碼表示。把編碼后的二進制代碼輸出就得到A/D轉換的輸出信號，對同一輸入波形，S越小，分辨率將越高，編碼時所需二進制代碼位數(shù)就越多。

A/D轉換器分類

A/D轉換器（ADC）：把模擬量轉換成數(shù)字量，便于計算機或CPU等進行處理。

A/D轉換芯片分類如下：根據(jù)轉換原理可分為逐次逼近型、雙積分型、V/F變換型按轉換方法可分為直接A/D轉換器和間接A/D轉換器；按其分辨率可分為4~32位的A/D轉換器芯片。逐次逼近式ADC的轉換原理原理：用內部D/A的輸出和A/D的輸入進行比較，從最高位開始。特點：速度較快，精度較高，通用型雙積分式ADC的轉換原理原理：VT型間接轉換器，T1=VREF*T2/VIN=2

n*Tcp假設T2=N*Tcp

Tcp為基準時鐘，T1為VIN正向積分時間，T2為VREF反向積分時間特點：速度慢，精度高：用于高精度、低速場合A/D轉換器主要技術指標

1、分辨率：輸出數(shù)字量變化一個最低有效位（LeastSignificantBit——LSB）所對應的輸入模擬電壓變化量。常用二進制的位數(shù)表示。例如12位ADC的分辨率就是12位，或者說分辨率為滿刻度FS的1/2n

。例：一個10V滿刻度的12位ADC能分辨的最小輸入電壓是10V×1/212=2.4mV。n

為A/D轉換器輸出二進制位數(shù)

2、量化誤差

ADC用數(shù)字量近似表示模擬量，這個過程稱為量化。量化誤差是ADC的有限位數(shù)對模擬量進行離散量化而引起的誤差。要準確表示模擬量，ADC的位數(shù)需很大甚至無窮大。一個分辨率有限的ADC的階梯狀轉換特性曲線與具有無限分辨率的ADC轉換特性曲線（直線）之間的最大偏差即是量化誤差。理論上是一個單位分辨率，即±1/2LSB。提高分辨率可以減少量化誤差3、偏移誤差（偏置）輸入信號為零時，輸出信號的值，又稱為零值誤差。假定ADC沒有非線性誤差，則其轉換特性曲線各階梯中點的連線必定是直線，這條直線與橫軸相交點所對應的輸入電壓值就是偏移誤差。４、滿刻度誤差滿刻度誤差又稱為增益誤差。ADC的滿刻度誤差是指滿刻度輸出數(shù)字量所對應的實際輸入電壓與理想輸入電壓之差。5、線性度線性度有時又稱為非線性度，它是指轉換器實際的轉換特性與理想直線的最大偏差。8、溫度系數(shù)

A/D轉換器受溫度影響的程度。一般用環(huán)境溫度變化1℃所產生的相對誤差來表示，單位是PPM/℃(10-6/℃)。9、電源抑制比

反映轉換器對電源電壓表示的抑制能力，即數(shù)據(jù)發(fā)生±1LSB時電源電壓的變化范圍6、絕對精度任何數(shù)字量所對應的實際模擬量輸入與理論模擬輸入之差的最大值，稱為絕對精度。7、轉換速率

ADC的轉換速率每秒轉換的次數(shù)。轉換時間為完成一次A/D轉換所需的時間（包括穩(wěn)定時間），則是轉換速率的倒數(shù)。A/D轉換器選擇A/D轉換器及其相應電路選擇原則

保持時間、分辨率、轉換時間、接口等等。

1）系統(tǒng)分辨率，精度要求；

2）A/D輸入范圍、極性要求、信號驅動能力及是否具有濾波和采樣保持器；

3）數(shù)字接口特性：輸出方式、邏輯電平、輸出鎖存及三態(tài)功能；時鐘電路、串行或并行

A/D轉換器選擇（2）

4）輸入帶寬、轉換時間、采樣率、孔徑時間（tA）、高速或低速應用

5）參考電壓（內置或外加、固定或可調）

6）環(huán)境參數(shù)（級別）

7）其它因素，例：共模抑制（差分）、電源穩(wěn)定度、功耗、輸入阻抗等等。A/D轉換器選擇（3） 其它電路的選擇

1）多路模擬開關（示意圖和注意事項）

2）采樣/保持器

3）緩沖放大器（驅動） 4）接口電路

5）供電電路等等（模擬和數(shù)字）

6）隔離要求（高速采樣）A/D轉換器（雙極性輸入） A/D轉換器應用中的雙極性輸入問題

極性轉換及數(shù)碼表示：一種是片內已設置了偏置電路（芯片自動識別極性）；另一種是將模擬輸入量疊加上半量程偏置電路變成雙極性輸入，對應的輸出碼為偏移二進制碼。A/D轉換器1）內部偏置電路的控制與調節(jié)通過模擬開關S連接A/D轉換器通過外部連接A/D轉換器2）外接偏置電路A/D轉換芯片常用A/D轉換芯片ADC0809是CMOS工藝，采用逐次逼近法的8位A/D轉換芯片，28引腳雙列直插式封裝，片內除A/D轉換部分外還有多路模擬開關部分。多路開關有8路模擬量輸入端，最多允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉換器進行轉換。1.ADC0809引腳說明主要性能為：分辨率：８位；精度：ADC0809小于±1LSB；單+5V供電，模擬輸入電壓范圍為0~＋5V；具有鎖存控制的８路輸入模擬開關；可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL電平兼容；功耗為15mW；轉換速度取決于芯片外接的時鐘頻率。時鐘頻率范圍：10~1280KHz。典型值為時鐘頻率640KHz，轉換時間約為100μS。ADC0809性能描述ADC0809的內部結構及引腳功能IN0~IN7：８路模擬量輸入端。D7~D0：８位數(shù)字量輸出端。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。該引腳輸入一個正脈沖時，可將地址選擇信號A、B、C鎖存于地址寄存器內并譯碼，選擇相應的模擬輸入通道。START：啟動A/D轉換控制信號輸入端。該引腳輸入一個正脈沖，上升沿復位內部逐次逼近寄存器，下降沿后開始A/D轉換。CLK：時鐘信號輸入端。EOC：轉換結束信號輸出端。A/D轉換期間EOC為低電平，A/D轉換結束后EOC為高電平。引腳說明（1）引腳說明（2）OE：輸出允許控制端，控制輸出鎖存器的三態(tài)門。當OE為高電平時，轉換結果數(shù)據(jù)出現(xiàn)在D7~D0引腳。當OE為低電平時，D7~D0引腳對外呈高阻狀態(tài)。C、B、A：８路模擬開關的地址選通信號輸入端，3個輸入端的信號為000~111時，接通IN0~IN7對應通道。VR（＋）、VR（－）：分別為基準電源的正、負輸入端。1．輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中，經地址譯碼器譯碼從8路模擬通道中選通一路模擬量送到比較器。2．送START一高脈沖，START的上升沿使逐次逼近寄存器復位，下降沿啟動A/D轉換，并使EOC信號為低電平。3．當轉換結束時，轉換的結果送入到輸出三態(tài)鎖存器，并使EOC信號回到高電平，通知CPU已轉換結束。4．當CPU執(zhí)行一讀數(shù)據(jù)指令，使OE為高電平，則從輸出端D0~D1讀出數(shù)據(jù)。ADC0809的工作流程(CPU)ADC0809的轉換時序ADC0809與單片機的接口設計圖例：對８路模擬信號輪流采樣一次，并依次把轉換結果存儲到片內RAM以DATA為起始地址的連續(xù)單元中。MAIN：MOVR1，#DATA；置數(shù)據(jù)區(qū)首地址

MOVDPTR，#7FF8H；指向０通道

MOVR7，#08H；置通道數(shù)LOOP：MOVX@DPTR，A；啟動A/D轉換

（插入延時等待tEOC）HER：JBP3.3，HER；查詢A/D轉換結束

MOVXA，@DPTR；讀取A/D轉換結果

MOV@R1，A；存儲數(shù)據(jù)

INCDPTR；指向下一個通道

INCR1；修改數(shù)據(jù)區(qū)指針

DJNZR7，LOOP；８個通道轉換完否？

…

…1、查詢方式

讀取IN0通道的模擬量轉換結果，并送至片內RAM以DATA為首地址的連續(xù)單元中。

ORG0013H；外中斷1服務程序入口

AJMPPINT1

ORG2000HMAIN：MOVR1,#DATA；置數(shù)據(jù)區(qū)首地址

SETBIT1；為邊沿觸發(fā)方式

SETBEA；開中斷

SETBEX1；允許中斷

MOVDPTR，#7FF8H；指向IN0通道

MOVX@DPTR，A；啟動A/D轉換LOOP：NOP；等待中斷

AJMPLOOP2、中斷方式

ORG2100H；中斷服務程序入口PINT1：PUSHPSW；保護現(xiàn)場

PUSHACCPUSHDPLPUSHDPHMOVDPTR,#7FF8HMOVXA，@DPTR；讀取轉換后數(shù)據(jù)

MOV@R1，A；數(shù)據(jù)存入以DATA為首地址的RAM中

INCR1；修改數(shù)據(jù)區(qū)指針

MOVX@DPTR，A；再次啟動A/D轉換

POPDPH；恢復現(xiàn)場

POPDPLPOPACCPOPPSWRETI；中斷返回16位高精度A/D轉換芯片關鍵參數(shù):16位AD轉換器AD76672.5V內置參考電壓轉換速率1MSPS單電源供電133mW的功耗參數(shù)表參數(shù)表基本轉換時序典型應用中速A/D轉換芯片中速AD9235：單3.3V供電轉換速率65MSPS內置1V或2V的參考電壓300mW的功耗內置采保電路參數(shù)表參數(shù)表流水線工藝典型應用高速A/D轉換芯片高速AD9432：單5V供電轉換速率105MSPS內置參考電壓和采保850mW的功耗數(shù)字接口為3.3V轉換時序典型應用高精度AD測量設計注意事項1、參考電壓需要足夠精確,推薦使用外部高精度參考電壓。2、如果PGA可調,增益系數(shù)一般越小噪聲越低。

3、最好用到AD滿量程,此時AD精度和分辨率不浪費。

4、如果有偏置,需要進行自校。

5、設備外的模擬輸入信號易引入外部噪聲,建議使用屏蔽電纜傳輸信號，屏蔽層接地效果最好。

6、電路板注意模擬電源和數(shù)字電源,模擬地和數(shù)字地要分開,減少耦合噪聲路徑，最好使用多層板工藝。

高精度AD測量設計注意事項7、高速采樣盡量使用差分輸入，可以減少共模噪聲。

8、若使用片內集成AD的MCU,支持高速時鐘,如果不影響性能,內部工作時鐘越低,對您的AD采樣引起的干擾小。

9、信號輸入前級接濾波電路,一般一階RC電路較多,注意Fc=1/1000~1/100采樣頻率。電阻和電容的參數(shù)注意選取，電阻從分壓角度考慮，電容從頻率角度考慮。2.4.4常用傳感器簡介

傳感器俗稱“電