中北大學(xué)系統(tǒng)集成第二章 模擬電路子系統(tǒng)的設(shè)計

第二章模擬電路子系統(tǒng)的設(shè)計2.1模擬電路設(shè)計的特點(diǎn)2.2模擬系統(tǒng)設(shè)計簡介2.3模擬電路設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)關(guān)系。

此對應(yīng)關(guān)系是對原始物理量的模擬。如：電視系統(tǒng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再將電信號轉(zhuǎn)換成光信號；測量溫度的儀表將溫度轉(zhuǎn)換成電信號后經(jīng)處理再轉(zhuǎn)換成磁信號，通過指針表示溫度值。 優(yōu)點(diǎn)：整個處理過程中，電信號的相關(guān)參數(shù)始終與原始物理量有直接的對應(yīng)關(guān)系，即模擬關(guān)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(zhuǎn)換成模擬的電信號，在對電信號處理之前先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)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(jīng)D/A變換成模擬電信號，再由電信號轉(zhuǎn)換成物理量。

數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾強(qiáng)、便于處理、可采用高度集成的數(shù)字器件，便于利用計算機(jī)技術(shù)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(shè)計方法

模擬電路設(shè)計方法：

(1)人工設(shè)計：電路結(jié)構(gòu)的確定、元器件參數(shù)的選取、電路的各項指標(biāo)的計算等各個設(shè)計關(guān)節(jié)均由設(shè)計人員完成。

(2)計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）：電路的各項指標(biāo)的計算由計算機(jī)完成。2.1模擬電路設(shè)計的特點(diǎn) （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(shù)指標(biāo)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(shè)計者具有較高的綜合素質(zhì)模擬電路設(shè)計的注意點(diǎn)（1）注意技術(shù)指標(biāo)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(fù)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(yīng)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(diào)試中應(yīng)遵循先單元后系統(tǒng)，先靜態(tài)后動態(tài)，先粗調(diào)后細(xì)調(diào)。（調(diào)零、溫度補(bǔ)償?shù)龋?.2模擬系統(tǒng)設(shè)計簡介將需要處理的物理量轉(zhuǎn)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(shù)對電信號的處理，達(dá)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(yīng)用電子技術(shù)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(shè)計階段

1.系統(tǒng)級設(shè)計

任務(wù)：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(shù)指標(biāo)。

設(shè)計步驟：1）系統(tǒng)指標(biāo)可行性分析：包括指標(biāo)合理性、難易程度、先進(jìn)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(dú)立的功能模塊，用框圖完成模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計階段（續(xù)）

4）擬訂框圖中模塊的指標(biāo)。

5）確定單元電路的技術(shù)指標(biāo)。

6）系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化。2.電路級設(shè)計

任務(wù)：根據(jù)系統(tǒng)級設(shè)計時所制定的各個子模塊的指標(biāo)，選定合理的電路結(jié)構(gòu)、電路參數(shù)和器件，使之達(dá)到指標(biāo)的要求，實現(xiàn)各個子模塊的功能。舉例：交流電壓表的設(shè)計具體指標(biāo)： （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(yīng)：以1KHz的不均勻性為基準(zhǔn)，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(jié)果。系統(tǒng)設(shè)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(biāo)，易達(dá)到。電壓表應(yīng)用放大和整流技術(shù)，所用器件可選范圍很寬，因此設(shè)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(zhuǎn)支流以驅(qū)動表頭）

→由表頭指示測量結(jié)果系統(tǒng)設(shè)計（續(xù)）

電壓表須有衰減、放大、整流和表頭驅(qū)動電路3）擬定框圖系統(tǒng)設(shè)計（續(xù)）T1衰減器用于調(diào)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(guān)

電

源

被測信號

表

頭

固定調(diào)理系數(shù)系統(tǒng)設(shè)計（續(xù)）（4）擬訂模塊指標(biāo)需要反復(fù)比較核算，合理分配衰減值、放大倍數(shù)、和頻率特性指標(biāo)，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)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(shù)指標(biāo)。2.3模擬電路設(shè)計的原則和步驟1.分析技術(shù)指標(biāo)的可行性2.確定指標(biāo)中的關(guān)鍵指標(biāo)和設(shè)計難點(diǎn)3.分析各個指標(biāo)間的相互關(guān)系4.選擇合適的器件5.在設(shè)計時留有適當(dāng)?shù)挠嗔浚ń殿~設(shè)計）6.反復(fù)湊試、反復(fù)核算、反復(fù)修改（仿真驗證）7.反復(fù)實驗、反復(fù)調(diào)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(xì)胞”

常用的單元電路包括:

（1）集成運(yùn)算放大器 （2）模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （3）數(shù)模轉(zhuǎn)換器2.4.1運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

運(yùn)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(xué)運(yùn)算的放大器。(a)雙列直插(b)金屬圓殼(c)貼片外形：定義：運(yùn)算放大器外形圖運(yùn)放的主要應(yīng)用(多路采集)1、信號交、直流放大 2、信號緩沖3、對ADC、DAC進(jìn)行驅(qū)動 4、實現(xiàn)相位的平移、調(diào)理等5、實現(xiàn)有源濾波 6、實現(xiàn)電流和電壓的轉(zhuǎn)換7、對信號進(jìn)行相加、相減、積分、微分等運(yùn)算運(yùn)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(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器是一種能模擬數(shù)學(xué)運(yùn)算的放大器。要準(zhǔn)確模擬數(shù)學(xué)運(yùn)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(dāng)于理想電壓源；理想運(yùn)放的具體滿足條件運(yùn)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(xué)運(yùn)算分加法/減法器，微分器和積分器。按輸入信號的性質(zhì)可分為直流放大器和交流放大器。運(yùn)放分析方法

分析集成運(yùn)放線性應(yīng)用電路時，注意應(yīng)用“虛短”和“虛斷”兩個重要特點(diǎn)。工作在線性區(qū)的特點(diǎn)：（1）虛短路uP＝uN（2）虛斷路iP＝0、iN＝0運(yùn)算放大器基本電路3種放大器原理圖和參數(shù)關(guān)系集成運(yùn)放的主要技術(shù)指標(biāo)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(yùn)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(diǎn)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(yùn)放的性能參數(shù)(2)擺率：額定負(fù)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(yīng)小于0.8V。其中：Ua741參數(shù)計算舉例集成運(yùn)放的性能參數(shù)(3)

共模抑制比CMRR：表示了集成運(yùn)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(yùn)放正負(fù)輸入端允許施加的最大電壓差。

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

由于運(yùn)放兩輸入端不平衡，當(dāng)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(bǔ)償電壓為輸入失調(diào)電壓UOS。集成運(yùn)放的性能參數(shù)（5）輸入偏置電流IB運(yùn)放兩個輸入端流入或流出的電流大小。輸入失調(diào)電流IOS

運(yùn)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(diào)電流越小。集成運(yùn)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(diào)電壓

如LM324的溫漂電壓為±1μV/℃開環(huán)電壓增益AOd

運(yùn)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(yùn)放AOd無窮大，為100~140dB集成運(yùn)放的性能參數(shù)（7）輸入阻抗Zi 輸入端電壓變化量與對應(yīng)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(yīng)管：大于109歐輸出阻抗ZO

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

運(yùn)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(yùn)放自身所消耗的電流，越小越好。常用運(yùn)算放大器

（1）通用型運(yùn)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(yùn)放

大于1012Ω，工作速度較高

（3）低失調(diào)低漂移運(yùn)放(高精度)

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

超低失調(diào)、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(yīng)盡量選用通用型運(yùn)放。（2）充分了解運(yùn)放性能指標(biāo)。（3）弱信號放大時，需要選用失調(diào)、噪聲系數(shù)小的（4）做直流放大時，要調(diào)零。

在規(guī)定消振引腳加電容消振，為消除電源內(nèi)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(yīng)，在兩端常接瓷片電容。調(diào)零電路運(yùn)放的調(diào)零電路運(yùn)放應(yīng)用電壓并聯(lián)負(fù)反饋運(yùn)放應(yīng)用（續(xù)）電壓串聯(lián)負(fù)反饋一般取：由于“虛斷”，i-=0所以：i1+i2+i3=iF又因“虛短”，u-

=0當(dāng)R1=R2=R3=R時，反相加法運(yùn)算電路由于“虛斷”，i+

=0，所以：其中：“虛短”，u+=u-同相加法運(yùn)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(jìn)行隔離、放大 1、線性光耦 2、隔離運(yùn)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(yīng)的放大器。它是在運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上增加一些R、C等無源元件而構(gòu)成。

構(gòu)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(diǎn)：電壓放大倍數(shù)低，最大只有１，且?guī)ж?fù)載能力差。解決辦法：利用集成運(yùn)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(fù)載能力增強(qiáng)。通用運(yùn)算放大器

通用的集成運(yùn)放是那些兼顧各方面性能的放大器，在音頻處理領(lǐng)域使用較為廣泛。增益帶寬積<1MHz、輸入失調(diào)電壓在幾個mV、輸入失調(diào)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(yùn)放符合設(shè)計要求，就不應(yīng)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(dǎo)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(yùn)算放大器設(shè)計寬帶放大電路，要求帶寬>40MHz、輸出電壓范圍Vp-p>6V、輸出負(fù)載為600Ω、電壓增益為2。一般在設(shè)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(shè)計中選用AD811(電壓擺率為2500V/us、增益帶寬積130Mhz)，設(shè)計電路如圖所示。2.4.2D/A轉(zhuǎn)換器基本原理電阻分壓器和跟隨器：

UO=A·Ui（0≤A≤1）DAC和運(yùn)算放大器：

UO=-Dn·Ui（0≤Dn≤1）基本原理（權(quán)表達(dá)式）n位二進(jìn)制有2n種不同的組合，對應(yīng)2n個模擬電壓（或電流）值，嚴(yán)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(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖DAC結(jié)構(gòu)框圖將n為二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出框圖如下：

N位二進(jìn)制數(shù)

數(shù)碼寄存器

N位模擬開關(guān)

求和放大器

模擬電壓輸出

電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)

基準(zhǔn)

電壓源

并聯(lián)或串聯(lián)T形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器原理圖4位T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電路原理圖D0=1時各個支路的電路D/A轉(zhuǎn)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(jìn)行選擇。D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換誤差時，分辨率即為轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換誤差的原因有多種，如參考電壓UREF的波動、運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移、模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降、電阻解碼網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值的偏差等等。

其它參數(shù)（續(xù)）

失調(diào)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(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移等造成，與輸入的數(shù)字量無關(guān)。其它參數(shù)（續(xù)）增益誤差：實際轉(zhuǎn)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(yùn)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(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降，各個模擬開關(guān)的阻抗差異，電阻網(wǎng)絡(luò)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(nèi)，溫度每變化1度，增益、零點(diǎn)、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(zhuǎn)換器輸出變化量的比值，常用分貝表示。對于高質(zhì)量的D/A轉(zhuǎn)換器，要求開關(guān)電路及運(yùn)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(guān)系：位數(shù)越多，分辨率越高，對應(yīng)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(zhuǎn)換靜態(tài)校準(zhǔn)電路D/A轉(zhuǎn)換器的失調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)換器件選擇指南

D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇原則：考慮芯片的性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特性。在性能上必須滿足D/A轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求；在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性上應(yīng)滿足接口方便、外圍電路簡單、價格低廉等要求。

選擇要點(diǎn)

1）D/A轉(zhuǎn)換芯片的性能指標(biāo)

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

2）D/A轉(zhuǎn)換芯片的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換控制（啟動轉(zhuǎn)換） 參考源(內(nèi)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(zhuǎn)換接口中常用的幾種參考電源電路輸出設(shè)計（單極性）目前大多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量均為電流量，通過放大器轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出。

=-A

（0≤A＜1）輸出設(shè)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(zhuǎn)換芯片常用D/A轉(zhuǎn)換芯片常用D/A轉(zhuǎn)換芯片8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832及應(yīng)用內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(chǎn)生。當(dāng)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(dāng)LE1為負(fù)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(nèi)容隨輸入端代碼線性變化，DAC寄存器的內(nèi)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(yīng)于固定基準(zhǔn)電壓的滿量程電流。RFB：反饋電阻。反饋電阻被制作在芯片內(nèi)部，用作DAC提供輸出電壓的運(yùn)放的反饋電阻15kΩ

。Vref：基準(zhǔn)電源輸入端。Vref一般在-10-10V范圍內(nèi)，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(diǎn)。DGND，數(shù)字地，為芯片數(shù)字電路接地點(diǎn)。

注意接地問題引腳功能(續(xù))典型應(yīng)用轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換或多路D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，輸出一個與#data對應(yīng)的模擬量。

MOVDPTR，#7FFFH；P2.7=0，選中DAC0832芯片

MOVA，#data；待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送累加器AMOVX@DPTR，A；寫入0832，進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換輸出單緩沖轉(zhuǎn)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(nèi)部的兩個寄存器。第一次將待轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換雙緩沖轉(zhuǎn)換程序舉例舉例0832(1)的選通地址為DFFFH,輸出為-5V~+5VD/A轉(zhuǎn)換典型應(yīng)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(yīng)用舉例總結(jié)：D/A轉(zhuǎn)換器設(shè)計注意事項精度：與系統(tǒng)中所測量控制的信號范圍有關(guān)，估算時要考慮到其他因素，轉(zhuǎn)換器位數(shù)最少應(yīng)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(yīng)根據(jù)輸入信號的最高頻率來確定，保證轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率要高于系統(tǒng)要求的采樣頻率。

通道：單芯片內(nèi)部可含有多個D/A模塊，可同時實現(xiàn)多路信號的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)分時轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換器的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。數(shù)值編碼通常是二進(jìn)制，也有BCD、雙極性的補(bǔ)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(zhuǎn)換器的設(shè)計注意事項(續(xù))基準(zhǔn)電壓：有內(nèi)、外基準(zhǔn)和單、雙基準(zhǔn)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(biāo)。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(yīng)用于運(yùn)算放大器領(lǐng)域，指輸出電壓的幅度可達(dá)輸入電壓范圍。在D/A中一般是指輸出信號范圍可達(dá)到電源電壓范圍。（國內(nèi)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(guān)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(zhuǎn)換成數(shù)字量，便于計算機(jī)或CPU等進(jìn)行處理，一般的A/D轉(zhuǎn)換過程為：采樣、保持、量化和編碼，如圖所示。

1．A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成在時間上是離散的信號，輸出脈沖波的包絡(luò)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(zhuǎn)換為相應(yīng)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(zhuǎn)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(jìn)制代碼表示。把編碼后的二進(jìn)制代碼輸出就得到A/D轉(zhuǎn)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(jìn)制代碼位數(shù)就越多。

A/D轉(zhuǎn)換器分類

A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）：把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，便于計算機(jī)或CPU等進(jìn)行處理。

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

n*Tcp假設(shè)T2=N*Tcp

Tcp為基準(zhǔn)時鐘，T1為VIN正向積分時間，T2為VREF反向積分時間特點(diǎn)：速度慢，精度高：用于高精度、低速場合A/D轉(zhuǎn)換器主要技術(shù)指標(biāo)

1、分辨率：輸出數(shù)字量變化一個最低有效位（LeastSignificantBit——LSB）所對應(yīng)的輸入模擬電壓變化量。常用二進(jìn)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(zhuǎn)換器輸出二進(jìn)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(jìn)行離散量化而引起的誤差。要準(zhǔn)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(zhuǎn)換特性曲線與具有無限分辨率的ADC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換特性曲線各階梯中點(diǎn)的連線必定是直線，這條直線與橫軸相交點(diǎn)所對應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)換器實際的轉(zhuǎn)換特性與理想直線的最大偏差。8、溫度系數(shù)

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

反映轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)換速率

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

保持時間、分辨率、轉(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)換器選擇（2）

4）輸入帶寬、轉(zhuǎn)換時間、采樣率、孔徑時間（tA）、高速或低速應(yīng)用

5）參考電壓（內(nèi)置或外加、固定或可調(diào)）

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(zhuǎn)換器選擇（3） 其它電路的選擇

1）多路模擬開關(guān)（示意圖和注意事項）

2）采樣/保持器

3）緩沖放大器（驅(qū)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(zhuǎn)換器（雙極性輸入） A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的雙極性輸入問題

極性轉(zhuǎn)換及數(shù)碼表示：一種是片內(nèi)已設(shè)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(yīng)的輸出碼為偏移二進(jìn)制碼。A/D轉(zhuǎn)換器1）內(nèi)部偏置電路的控制與調(diào)節(jié)通過模擬開關(guān)S連接A/D轉(zhuǎn)換器通過外部連接A/D轉(zhuǎn)換器2）外接偏置電路A/D轉(zhuǎn)換芯片常用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809是CMOS工藝，采用逐次逼近法的8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，28引腳雙列直插式封裝，片內(nèi)除A/D轉(zhuǎn)換部分外還有多路模擬開關(guān)部分。多路開關(guān)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(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)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(guān)；可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL電平兼容；功耗為15mW；轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換時間約為100μS。ADC0809性能描述ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)并譯碼，選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。START：啟動A/D轉(zhuǎn)換控制信號輸入端。該引腳輸入一個正脈沖，上升沿復(fù)位內(nèi)部逐次逼近寄存器，下降沿后開始A/D轉(zhuǎn)換。CLK：時鐘信號輸入端。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端。A/D轉(zhuǎn)換期間EOC為低電平，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)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(dāng)OE為高電平時，轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)出現(xiàn)在D7~D0引腳。當(dāng)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(guān)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(yīng)通道。VR（＋）、VR（－）：分別為基準(zhǔn)電源的正、負(fù)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(jīng)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(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，并使EOC信號為低電平。3．當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時，轉(zhuǎn)換的結(jié)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(zhuǎn)換結(jié)束。4．當(dāng)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(zhuǎn)換時序ADC0809與單片機(jī)的接口設(shè)計圖例：對８路模擬信號輪流采樣一次，并依次把轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲到片內(nèi)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(zhuǎn)換

（插入延時等待tEOC）HER：JBP3.3，HER；查詢A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束

MOVXA，@DPTR；讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換完否？

…

…1、查詢方式

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

ORG0013H；外中斷1服務(wù)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(zhuǎn)換LOOP：NOP；等待中斷

AJMPLOOP2、中斷方式

ORG2100H；中斷服務(wù)程序入口PINT1：PUSHPSW；保護(hù)現(xiàn)場

PUSHACCPUSHDPLPUSHDPHMOVDPTR,#7FF8HMOVXA，@DPTR；讀取轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換

POPDPH；恢復(fù)現(xiàn)場

POPDPLPOPACCPOPPSWRETI；中斷返回16位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片關(guān)鍵參數(shù):16位AD轉(zhuǎn)換器AD76672.5V內(nèi)置參考電壓轉(zhuǎn)換速率1MSPS單電源供電133mW的功耗參數(shù)表參數(shù)表基本轉(zhuǎn)換時序典型應(yīng)用中速A/D轉(zhuǎn)換芯片中速AD9235：單3.3V供電轉(zhuǎn)換速率65MSPS內(nèi)置1V或2V的參考電壓300mW的功耗內(nèi)置采保電路參數(shù)表參數(shù)表流水線工藝典型應(yīng)用高速A/D轉(zhuǎn)換芯片高速AD9432：單5V供電轉(zhuǎn)換速率105MSPS內(nèi)置參考電壓和采保850mW的功耗數(shù)字接口為3.3V轉(zhuǎn)換時序典型應(yīng)用高精度AD測量設(shè)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(diào),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(fèi)。

4、如果有偏置,需要進(jìn)行自校。

5、設(shè)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(shè)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(nèi)集成AD的MCU,支持高速時鐘,如果不影響性能,內(nèi)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