模拟电路子系统的设计.ppt

第二章第二章 模拟电路子系统的设计模拟电路子系统的设计Ø2.1 2.1 模拟电路设计的特点模拟电路设计的特点Ø2.2 2.2 模拟系统设计简介模拟系统设计简介Ø2.3 2.3 模拟电路设计的一般原则和步骤模拟电路设计的一般原则和步骤Ø2.4 2.4 常用单元电路常用单元电路模拟系统模拟系统 模拟系统模拟系统是将各类待处理物理量通过各种传感器转换为电信号，使电信号的电压、电流、相位、频率等参数与某物理量具有直接的对应关系 此对应关系此对应关系是对原始物理量的模拟如：电视系统将光信号转换成电信号，再将电信号转换成光信号；测量温度的仪表将温度转换成电信号后经处理再转换成磁信号，通过指针表示温度值 优点：整个处理过程中，电信号的相关参数始终与原始物理量有直接的对应关系，即模拟关系模拟关系 数字系统数字系统 数字系统数字系统是将被处理的物理量首先转换成模拟的电信号，在对电信号处理之前先经过A/D转换，将模拟信号转换成数字信号 状态只有“0”和“1”数字信号可以根据需要再经D/A变换成模拟电信号，再由电信号转换成物理量。

数字系统的优点：数字系统的优点：抗干扰强、便于处理、、可采用高度集成的数字器件，便于利用计算机技术等 但不论模拟系统还是数字系统都要用模拟电子电路模拟电路设计方法模拟电路设计方法 模拟电路设计方法模拟电路设计方法：： (1)(1)人工设计人工设计：电路结构的确定、元器件参数的选取、电路的各项指标的计算等各个设计关节均由设计人员完成 (2)(2)计算机辅助设计（计算机辅助设计（CADCAD））：电路的各项指标的计算由计算机完成2.1 2.1 模拟电路设计的特点模拟电路设计的特点 （1）器件模型的精度有限 （2）计算方法简化 （3）模拟电路的种类较多 （4）电路的技术指标众多 （5）模拟器件种类繁多 （6）分布参数和干扰对模拟电路的影响较大 （7）要求设计者具有较高的综合素质模拟电路设计的注意点模拟电路设计的注意点 （1） 注意技术指标的精度及稳定性，考虑元器件的温度特性，电源电压波动，负载变化及干扰的因素的影响 （2） 重视级间阻抗匹配问题反射） （3） 元器件的选择应注意参数的分散性及温度的影响发散与收敛、温漂） （4） 调试中应遵循先单元后系统，先静态后动态，先粗调后细调。

调零、温度补偿等）2.2 2.2 模拟系统设计简介模拟系统设计简介 将需要处理的物理量转化为电信号，以电信号的电压、电流、频率、相位等参数模拟被处理的物理量，用电子技术对电信号的处理，达到对物理量的处理，这种处理方式叫模拟方式 以模拟处理方式为主，应用电子技术完成信号处理的系统称为模拟电子系统定义：定义：模拟电子系统的设计阶段模拟电子系统的设计阶段 1.1.系统级设计系统级设计 任务任务：将系统的总要求分解为不同的子功能，再根据不同的子功能确定出可完成各个子功能的模块（即单元电路），并为各个模块确定具体的技术指标 设计步骤设计步骤： 1）系统指标可行性分析：包括指标合理性、难易程度、先进性、主客观条件、元器件的货源情况、可否按时完成、成本和市场前景 2）信号处理的流程分析 3）拟定信号处理流程中所设定的处理环节和处理要求，设置可完成各种相对独立的功能模块，用框图完成模拟电子系统的设计阶段（续）模拟电子系统的设计阶段（续） 4）拟订框图中模块的指标 5）确定单元电路的技术指标。

6）系统设计的优化2.2.电路级设计电路级设计 任务：任务：根据系统级设计时所制定的各个子模块的指标，选定合理的电路结构、电路参数和器件，使之达到指标的要求，实现各个子模块的功能举例：交流电压表的设计举例：交流电压表的设计具体指标：具体指标：（1）电压测量范围：50uV-30V （2）电压量程：1mV，3mV，10mV，100mV，1V，3V，30V，300V （3）被测信号频率范围：2HZ-500HZ （4）频率响应：以1KHZ的不均匀性为基准，分别为2HZ-200KHZ＜±3%；2HZ-500KHZ＜±5% （5）输入阻抗：在1KHZ下，输入阻抗不低于2M，输入电容小于60PF （6）测量误差：＜±2.5% （7）用磁电式表头指示测量结果系统设计系统设计 1 1）可行性分析）可行性分析 该仪表被测量电压范围、输入阻抗和误差要求均属于常规性指标，易达到电压表应用放大和整流技术，所用器件可选范围很宽，因此设计可行 2 2）信号处理流程分析）信号处理流程分析 衰减（使输入较大电压值的被测信号具有合适幅度）→放大（使被测信号的幅度满足后续整流电路的要求） →整流（将正弦信号转支流以驱动表头） →由表头指示测量结果系统设计（续）系统设计（续） 电压表须有衰减、放大、整流和表头驱动电路3 3）拟定框图）拟定框图系统设计（续）系统设计（续）T1衰减器用于调节输入档，T2公共衰减器衰减 T1 阻抗 变换 整流 放大 A2 阻抗 变换 衰减 T2 放大 A1 量程和开关 电 源 被测信号 表 头 系统设计（续）系统设计（续）4 4）拟订模块指标）拟订模块指标 需要反复比较核算，合理分配衰减值、放大倍数、和频率特性指标，根据电路结构提出阻抗匹配要求，考虑整流线性度的保证措施，系统误差的分配等。

2.3 2.3 模拟电路设计的原则和步骤模拟电路设计的原则和步骤Ø1.分析技术指标的可行性Ø2.确定指标中的关键指标和设计难点Ø3.分析各个指标间的相互关系Ø4.选择合适的器件Ø5.在设计时留有适当的余量（降额设计）Ø6.反复凑试、反复核算、反复修改（仿真验证）Ø7.反复实验、反复调整2.4 2.4 常用单元电路常用单元电路 单元电路是组成模拟电子系统的单元电路是组成模拟电子系统的““细胞细胞”” 常用的单元电路包括:（1）集成运算放大器（2）模数转换器（3）数模转换器2.4.1 2.4.1 运算放大器及其应用运算放大器及其应用 运算放大器运算放大器是一种能模拟数学运算的放大器要准确模拟数学运算，需具备“理想”特性 理想放大器具有以下特性：理想放大器具有以下特性： （1）输入端“零子”，输出端“任意子” （2）只放大差模信号，无限大的共模抑制（CMRR） （3）没有温漂、时漂，能处理任何微弱信号注：““零子零子””：输入端子电压为零，电流为零； ““任意子任意子””：也称““极子极子””，相当于理想电压源；理想运放的具体满足条件理想运放的具体满足条件运算放大器的分类运算放大器的分类按电路形式分反相，同相和差动放大电路。

按数学运算分加法/减法器，微分器和积分器 按输入信号的性质可分为直流放大器和交流放大器运算放大器3种放大器原理图和参数关系集成运放的主要技术指标集成运放的主要技术指标可分为四类：1、按速度类：如GBW，SR2、按精度类：VIO，IIB3、增益和噪声抑制：CMRR，GAIN4、按电源：VCC，IQ集成运放的性能参数集成运放的性能参数 增益带宽积：GBW= 为中频开环差模增益； 为上限截止频率 GBW对于单点放大电路是一个常数 摆率 = 若输入正弦电压 = sin t,则 = = =2 若将Ua741接成电压跟随电路，并输入 =2V，f=100kHz的正弦信号，则输出有明显失真，为使输出不失真，则最大输入信号应小于 ·uA741增益带宽特性曲线输出波形失真图集成运放的性能参数 共模抑制比CMRR：表示了集成运放对共模信号的抑制能力 CMRR=20㏒ （dB)一般针对微弱信号，如仪表放大器 最大差模输入电压和最大共模输入电压 在实际应用中，最大差模输入电压受输入级的发射结反向击穿电压限制，在任何情况下不能超过此值，否则会烧坏器件。

最大共模电压超过时，放大器不能正常工作简单的说最大共模电压即为运放正端或负端的最大输入电压集成运放的性能参数输入失调电压输入失调电压U UIOIO 由于运放两输入端不平衡，当输入电压为0时，输出电压UO不一定为0，为使输出为0，输入端的补偿电压为输入失调电压UIO温漂电压温漂电压U UIOIO/℃/℃单位温度所引起的输入失调电压如LM324的温漂电压为±1μV /℃集成运放的性能参数输入失调电流输入失调电流I IIOIO运放输出电压为0时，两输入端偏置电流的差值，对称性越好输入失调电流越小，对精密运放来讲比较重要电源电压电源电压运放电源的大小决定了最大输出电压的大小，有单电源和双电源两种静态工作电流静态工作电流输入信号为零时，运放自身所消耗的电流，越小越好集成运放的性能参数输出电流输出电流运放的输出电流反映了其带负载的能力，一般为几十毫安输入阻抗和输出阻抗输入阻抗和输出阻抗两输入端的电压变化量与对应输入端电流变化量的比值，也称为差模输入阻抗，一般为MΩ级输出端电压变化量与对应电流变化量的比值，反映的是运放的带负载能力计算时要考虑频率范围内电阻和电容的影响常用运算放大器（1）通用型运放注意民用品、工业品、军用品的命名。

（2）高输入阻抗运放大于1012Ω，工作速度较高 （3）低失调低漂移运放输入失调电压及其温漂、输入失调电流小，又称高精度运放4）斩波稳零集成运放注意事项注意事项（1）无特殊要求，应尽量选用通用型运放2）充分了解运放性能指标3）弱信号放大时，需要选用失调、噪声系数小的（4）做直流放大时，要调零在规定消振引脚加电容消振，为消除电源内阻引起的寄生振荡，在电源端对地就近接去耦电容，考虑去耦电容的电感效应，在两端常接瓷片电容调零电路调零电路运放的调零电路运放参数计算运放参数计算集成运放的外形集成运放的外形( (a) )双列直插式双列直插式( (b) )圆壳式圆壳式( (c) )扁平式扁平式运算放大器外形图运算放大器外形图运放应用运放应用电电压压并并联联负负反反馈馈运放应用（续）运放应用（续）电电压压串串联联负负反反馈馈一般取：由于“虚断”，i- = 0所以：i1 + i2 + i3 = iF又因“虚地”，u- = 0当 R1 = R2 = R3 = R 时，反相加法运算电路反相加法运算电路由于“虚断”，i+ = 0，所以：其中：“虚短”，u+ = u-同相加法运算电路同相加法运算电路为同相端对地电阻仪表放大器仪表放大器隔离放大器隔离放大器对模拟信号进行隔离、放大1、线性光耦2、隔离运放分类分类：1. 滤波电路的作用和分类有源滤波电路有源滤波电路主要用来滤除信号中无用的频率成分，滤波过程如图所示。

有源滤波器是一种具有特定频率响应的放大器它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成 构成和作用构成和作用无源低通滤波器：无源低通滤波器：电压放大倍数为：——截止频率截止频率由对数幅频特性知，具有“低通”的特性电路缺点电路缺点：电压放大倍数低，只有１，且带负载能力差解决办法解决办法：利用集成运放与 RC 电路组成有源滤波器举例：一阶有源低通滤波电路举例：一阶有源低通滤波电路fc电压放大倍数：一阶有源低通滤波器：一阶有源低通滤波器：根据“虚断虚断”，可求得电容电压为通带电压放大倍数：截止频率：　　一阶有源低通滤波器与无源低通滤波器的频频率率特特性性相相似似；但通通带带电电压放大倍数得到提高，带负载能力增强压放大倍数得到提高，带负载能力增强通用运算放大器通用运算放大器 通用的集成运放通用的集成运放是那些兼顾各方面性能的放大器，在音频处理领域使用较为广泛增益带宽积<1MHz、输入失调电压在几个mV、输入失调电流在几百nA左右、电压摆率<10V/us的放大器都可归为通用放大器 对所处理的信号没有很高的要求时，只要通用运放符合设计要求，就不应该采用更高速或更精密的放大器，因为某方面性能的提高必然导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。

宽带运算放大器宽带运算放大器 设计宽带放大电路，要求带宽>40MHz、输出电压范围Vp-p>6V、输出负载为600Ω、电压增益为2一般在设计时要选择电压摆率是计算平均值的两倍以上，才不会有明显的失真，因此在本设计中选用AD811(电压摆率为2500V/us、增益带宽积130Mhz)，设计电路如图所示小结小结分析集成运放线性应用电路时，注意应用“虚短虚短”和“虚断虚断”两个重要特点工作性区的特点工作性区的特点：（1）虚短路虚短路uP＝ uN（2）虚断路虚断路iP＝ 0 、 iN＝ 02.4.2 D/A2.4.2 D/A转换器转换器基本原理基本原理电阻分压器和跟随器：电阻分压器和跟随器： U UO O=A·U=A·Ui i（0≤A≤1） DAC DAC和运算放大器：和运算放大器： U UO O=-Dn·Ui=-Dn·Ui（0≤DnDn≤1）基本原理（续）基本原理（续）D/AD/A转换器的分类转换器的分类 Ø 按数据输入方式：有串行和并行两类，输入数据包括8位、10位、12位、14位、16位等，位数越多，分辨率也越高；Ø 按输出模拟量类型：有电流输出型和电压输出型两种。

电压输出又有单极性和双极性之分，如0~+5V、0~+10V、、±5V、±10V等，可根据实际需要进行选择 D/AD/A内部结构框图内部结构框图DAC结构框图将n为二进制数字量转换成模拟量输出框图如下： N位二进制数 数码寄存器 N位模拟开关 求和放大器 模拟电压输出 电阻译码网络 基准 电压源 T形电阻网络型D/A转换器原理图D/AD/A转换器的主要参数转换器的主要参数静态参数静态参数其它参数 精度：精度：不考虑其他D/A转换误差时，分辨率即为转换精度 划分为：绝对精度和相对精度 绝对精度：模拟量输出与理论之间的最大误差，是宏观概念，一 般小于1LSB 相对精度：绝对精度与满刻度的百分比 失调误差：失调误差：数字输入全为0码时，模拟输出值与理论输出值之偏差 增益误差：增益误差：实际转换的增益与理论增益之间的偏差值 温度系数：温度系数：在规定的温度范围内，温度每变化1度，增益、零点、精度等参数的变化量 线性误差：线性误差：模拟输出偏离理想输出的最大值，也称线性度。

其它参数(续) 电源抑制比：电源抑制比：是输入电源变化量与转换器输出变化量的比值，常用分贝表示对于高质量的D/A转换器，要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时，对输出的电压影响小 温度范围：温度范围：正常工作的温度范围，按级别区分 馈送误差：馈送误差：杂散信号通过D/A耦合到输出端造成的误差注意：精度与分辨率有一定关系：位数越多，分辨率越高，对应的量化误差越小，但其它系统误差（如温漂、线性度等）不会变化 D/AD/A转换电路转换电路D/A转换器的失调误差和增益误差校正电路动态参数动态参数建立时间：建立时间：描述D/A转换速率快慢的一个重要参数输入数字量变化，到输出稳定的时间ts 满量程变化时的建立时间满量程变化时的建立时间D/AD/A转换器的建立时间转换器的建立时间 超高速 < 100 ns 较高速 100 ns~1μs 高 速 1~10μs 中 速 10~100μs 低 速 ≥100μs动态参数（续）动态参数（续） 尖峰：尖峰：输入数码发生变化时产生的瞬时误差利用采/保电路）消除尖峰电路工作原理D/AD/A转换器件选择指南转换器件选择指南D/A转换芯片的选择原则转换芯片的选择原则：考虑芯片的性能、结构及应用特性。

在性能上必须满足D/A转换的技术要求；在结构和应用特性上应满足接口方便、外围电路简单、价格低廉等要求 选择要点选择要点1 1）） D/A D/A转换芯片的性能指标转换芯片的性能指标静态指标；动态指标：建立时间、尖峰等环境指标：增益温度参数2 2）） D/A D/A转换芯片的结构特性（原理）转换芯片的结构特性（原理）数字输入：包括接受数码制，数据格式以及逻辑电平等模拟输出：例，电流输出型、电压输出型等等锁存特性及转换控制参考源:参考源配制，输入数字码与模拟输出电压的极性参考源电路的配置参考源电路的配置转换接口中常用的几种参考电源电路转换接口中常用的几种参考电源电路输出设计（单极性）输出设计（单极性） 目前大多数D/A转换器输出的模拟量均为电流量，需通过放大器才能转换成模拟电压输出 = -A （0≤A＜1）输出设计（双极性）输出设计（双极性） = -（2A-1 ） （0≤A＜1）单极性：1LSB=VR/210双极性：1LSB=VR/29 灵敏度降了一倍常用D/A转换芯片常用D/A转换芯片常用D/A转换芯片8位D/A转换器DAC0832及应用内部结构内部结构引脚功能引脚功能oILE：输入锁存允许信号，高电平有效。

oCS ：输入寄存器选择信号，低电平有效oWR1：输入寄存器写选通信号1，低电平有效输入锁存器的锁存信号LE1由ILE、WR1、CS的逻辑组合产生当ILE为高电平，WR1 和CS同为低电平时，LE1为正脉冲，寄存器随数据线变化；当LE1为负脉冲，数据线锁存到锁存器中oXR2：写信号2，即DAC寄存器的写选通信号，低电平有效oXFER ：数据传送控制信号，低电平有效oD0-D7：8位数字输入端oIout1：DAC电流输出端1，为数字输入端逻辑电平为1的各位输出电流之和DAC寄存器内容随输入端代码线性变化，DAC寄存器的内容为全1时，Iout1最大；全为0时，Iout1最小 oIout2：电流输出端2Iout1+ Iout2=常数,此常数对应于固定基准电压的满量程电流oRFB：反馈电阻反馈电阻被制作在芯片内部，用作DAC提供输出电压的运放的反馈电阻oVref：基准电源输入端Vref一般在-10-10V范围内，由外电路提供oVcc：逻辑电源输入端，取值范围为+5-+15V，+15V最佳oAGND：模拟地，为芯片模拟电路接地点oDGND，数字地，为芯片数字电路接地点引脚功能引脚功能(续续)典型应用转换时序单缓冲方式 单缓冲方式是指两个数据输入寄存器中只有一个处于受控选通状态，而另一个则处于常通状态，或者虽然是两级缓冲，但将两个寄存器的控制信号连在一起，一次同时选通。

单缓冲方式适用于单路D/A转换或多路D/A转换而不必同步输出的系统中 单缓冲方式的接口 DAC0832作为了8031的一个并行输出口，地址为7FFFH若把一个8位数据#data写入7FFFH，也就实现了一次D/A 转换，输出一个与#data对应的模拟量 MOV DPTR，#7FFFH ；P2.7=0，选中DAC0832芯片 MOV A， #data ；待转换数据送累加器A MOVX @DPTR， A ；写入0832，进行一次转换输出单缓冲转换程序举例双缓冲方式双缓冲方式：CPU发送两次控制信号，分时选通DAC0832内部的两个寄存器第一次将待转换数据锁存于输入锁存器中，第二次将数据从前一级缓冲器写入DAC寄存器并送到D/A转换器完成一次转换输出，使用场合：o需要多路模拟信号同步输出的系统必须采用双缓冲方式输入寄存器（1）地址：7FF8H=0111 1111 1111 1000B 输入寄存器（2）地址：7FF9H=0111 1111 1111 1001B DAC寄存器地址：7FFAH=0111 1111 1111 1100B  将两个8位数字量#data1和#data2同时转换为模拟量的程序段：MOV DPTR，#7FF8H ；指向0832（1）的输入寄存器MOV A， #data1MOVX @DPTR，A ；# data1→0832（1）输入寄存器INC DPTR ；指向0832（2）的输入寄存器 MOV A， #data2 MOVX @DPTR，A ；# data2→0832（2）输入寄存器 INC DPTR ；指向两个0832的DAC寄存器 MOVX @DPTR，A ；启动转换 双缓冲转换程序举例举例0832(1)的选通地址为DFFFH,输出为-5V~+5VD/A转换典型应用输出（1）单路锯齿波电压输出反向锯齿波程序清单： MOV DPRT，#0DFFFH DA1：MOV R6，#80H DA2：MOV A，R6 MOVX @DPTR,A DJNZ R6,DA2 AJMP DA1  正向锯齿波程序清单： MOV DPRT，#0DFFFHDA1： MOV R6，#80H DA2： MOV A，R6 MOVX @DPTR,A INC R6 CJNE R6，#0FFH，DA2 AJMP DA1  双向锯齿波程序清单： MOV DPRT，#0DFFFH MOV R6，#00H DA1：MOV A，R6 MOVX @DPTR,A INC R6 AJMP DA1（2）单路正弦波电压输出 MOV R5，#00H SIN： MOV A，R5 MOV DPTR，#TAB MOVC A，@A+DPTR MOV DPTR，#0DFFFH MOVX @DPTR，A INC R5 AJMP SIN TAB： DB 80一个周期的正弦量化数据放在80H为首地址的表格中（3）两路正弦移相信号输出相移量 的数字偏移量 =256 /360 =90，D12=40H程序清单如下：程序清单如下： MOV R5，#00H MOV R1，#40H SIN： MOV A，R5 MOV DPTR，#TAB MOVC A，@A+DPTR MOV DPTR,#0DFFFH MOVX @DPTR,A INC R5 MOV A,R1 MOV DPTR,#TAB MOV A,@A+DPTR MOV DPTR,#0BFFFH MOVX @DPTR,A INC R1 AJMP SIN1616位位D/AD/A应用举例应用举例总结：1、D/A转换器的选型技巧o精度精度：与系统中所测量控制的信号范围有关，估算时要考虑到其他因素，转换器位数应该比总精度要求的最低分辩率高一位。

常用的D/A器件有8位，10位，12位，14位，16位等o 速度速度：应根据输入信号的最高频率来确定，保证转换器的转换速率要高于系统要求的采样频率o 通道通道：单芯片内部可含有多个D/A模块，可同时实现多路信号的转换；常见的多路D/A器件只有一个公共的D/A模块，由一个多路转换开关实现分时转换D/A转换器的选型技巧(续)o数字接口方式：数字接口方式：接口有并行/串行之分，串行又有SPI、I2C、SM等多种不同标准数值编码通常是二进制，也有BCD、双极性的补码、偏移码等o模拟信号类型：模拟信号类型：通常D/A器件输出的模拟信号有电压和电流两种o极性：极性：分成单极性（Unipolar）和双极性（Bipolar）o电源电压：电源电压：有单电源，双电源和不同电压范围之分D/A转换器的选型技巧(续)o基准电压：基准电压：有内、外基准和单、双基准之分o功耗功耗 ：：一般CMOS工艺的芯片功耗较低，对于电池供电的手持系统对功耗要求比较高的场合一定要注意功耗指标o封装：封装：常见的封装是DIP、表贴型封装o满幅度输出满幅度输出(Rail-to Rail) ：新概念，最先应用于运算放大器领域，指输出电压的幅度可达输入电压范围。

在D/A中一般是指输出信号范围可达到电源电压范围国内的翻译不统一，如“轨-轨”、“满摆幅”） 由于输入的模拟信号在时间上是连续量，把模拟量转换成数字量，便于计算机或CPU等进行处理，一般的A/D转换过程为：采样、保持、量化和编码，如图所示 1．A/D转换原理 模拟信号数字信号采样保持量化编码2.4.3 A/D2.4.3 A/D转换器转换器A/DA/D转换的信号处理过程转换的信号处理过程 采样和保持采样和保持 采样：把在时间上是连续的输入模拟信号ui转换成在时间上是离散的信号，输出脉冲波的包络仍反映输入信号幅度的大小 采样定理，采样信号的频率fs和输入模拟信号的最高频率fimax之间必须满足下述条件:fs≥2fimax 每次把采样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，在每次采样以后，必须把采样电压保持一段时间量化和编码量化和编码 用数字量表示采样电压时，也必须把它化成这个最小数字量单位的整数倍，这个转化过程就叫做量化，所规定的最小数量单位叫做量化单位，用S表示 编码是把量化的数值用二进制代码表示把编码后的二进制代码输出就得到A/D转换的输出信号，对同一输入波形，S越小，分辨率将越高，编码时所需二进制代码位数就越多。

A/DA/D转换器分类转换器分类 A/D转换器（ADC）：把模拟量转换成数字量，便于计算机或CPU等进行处理 A/D转换芯片分类如下：根据转换原理可分为逐次逼近型、双积分型、V/F变换型按转换方法可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器；按其分辨率可分为4~16位的A/D转换器芯片逐次逼近式逐次逼近式ADCADC的转换原理的转换原理原理：原理：用内部D/A的输出和A/D的输入进行比较，从最高位开始特点：特点：速度较快，精度较高：常用双积分式双积分式ADCADC的转换原理的转换原理原理：原理：VT 型 间接转换器，T2=VREF*T1/VIN T2为VREF反向积分时间， T1为VIN正向积分时间特点：特点：速度慢，精度高：用于高精度、低速场合A/DA/D转换器主要技术指标转换器主要技术指标 1 1、分辨率：、分辨率：输出数字量变化一个最低有效位（Least Significant Bit——LSB）所对应的输入模拟电压变化量 常用二进制的位数表示例如12位ADC的分辨率就是12位，或者说分辨率为满刻度FS的1/2n 例：一个10V满刻度的12位ADC能分辨输入电压变化最小值是10V×1/ 212。

n 为A/D转换器输出二进制位数 2 2、量化误差、量化误差 ADC用数字量近似表示模拟量，这个过程称为量化量化误差是ADC的有限位数对模拟量进行离散量化而引起的误差要准确表示模拟量，ADC的位数需很大甚至无穷大一个分辨率有限的ADC的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的ADC转换特性曲线（直线）之间的最大偏差即是量化误差理论上是一个单位分辨率，即±1/2LSB提高提高分辨分辨率可率可以减以减少量少量化误化误差差3 3、偏移误差、偏移误差 输入信号为零时，输出信号的值，又称为零值误差假定ADC没有非线性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定是直线，这条直线与横轴相交点所对应的输入电压值就是偏移误差４、满刻度误差４、满刻度误差 满刻度误差又称为增益误差ADC的满刻度误差是指满刻度输出数字量所对应的实际输入电压与理想输入电压之差5 5、线性度、线性度 线性度有时又称为非线性度，它是指转换器实际的转换特性与理想直线的最大偏差8 8、温度系数、温度系数 A/D转换器受温度影响的程度一般用环境温度变化1℃所产生的相对误差来表示，单位是PPM/℃(10-6/℃)9 9、电源抑制比、电源抑制比 反映转换器对电源电压表示的抑制能力，即数据发生±1LSB时电源电压的变化范围6 6、绝对精度、绝对精度 任何数字量所对应的实际模拟量输入与理论模拟输入之差的最大值，称为绝对精度。

7 7、转换速率、转换速率 ADC的转换速率每秒转换的次数转换时间为完成一次A/D转换所需的时间（包括稳定时间），则是转换速率的倒数A/DA/D转换器选择转换器选择A/DA/D转换器及其相应电路选择原则转换器及其相应电路选择原则保持时间、分辨率、转换时间、接口等等保持时间、分辨率、转换时间、接口等等1 1）系统分辨率，精度要求；）系统分辨率，精度要求；2 2））A/DA/D输入范围、极性要求、信号驱动能力及是否输入范围、极性要求、信号驱动能力及是否具有滤波和采样保持器；具有滤波和采样保持器；3 3）数字接口特性：输出方式、逻辑电平、输出锁存）数字接口特性：输出方式、逻辑电平、输出锁存及三态功能；时钟电路、串行或并行及三态功能；时钟电路、串行或并行 A/DA/D转换器选择（转换器选择（2 2））4 4）输入带宽、转换时间、采样率、孔径时间）输入带宽、转换时间、采样率、孔径时间（tA）、、 高速或低速应用高速或低速应用5 5）参考电压（内置或外加、固定或可调））参考电压（内置或外加、固定或可调）6 6）环境参数（级别））环境参数（级别）7 7）其它因素，例：共模抑制（差分）、电源稳定度、）其它因素，例：共模抑制（差分）、电源稳定度、功耗、输入阻抗等等。

功耗、输入阻抗等等A/DA/D转换器选择（转换器选择（3 3））其它电路的选择其它电路的选择1 1）多路模拟开关（画示意图））多路模拟开关（画示意图）2 2）采样）采样/ /保持器保持器3 3）缓冲放大器（驱动））缓冲放大器（驱动）4 4）接口电路）接口电路5 5）供电电路等等（模拟和数字））供电电路等等（模拟和数字）A/DA/D转换器转换器A/DA/D转换器应用中的问题（双极性）转换器应用中的问题（双极性） 极性转换及数码表示：一种是片内已设置极性转换及数码表示：一种是片内已设置了偏置电路（芯片自动识别极性）；另一种是了偏置电路（芯片自动识别极性）；另一种是将模拟输入量叠加上半量程偏置电路变成双极将模拟输入量叠加上半量程偏置电路变成双极性输入，对应的输出码为偏移二进制码性输入，对应的输出码为偏移二进制码A/D转换器1 1））内部偏置电路的控制与调节内部偏置电路的控制与调节通过模拟开关通过模拟开关S S连接连接A/D转换器通过外部连接通过外部连接A/D转换器2 2）外接偏置电路）外接偏置电路A/D转换器A/D转换芯片常用常用A/DA/D转换芯片转换芯片vADC0809ADC0809是是CMOSCMOS工艺，采用逐次逼近法的工艺，采用逐次逼近法的8 8位位A/DA/D转换芯片，转换芯片，2828引脚双列直插式封装，片内除引脚双列直插式封装，片内除A/DA/D转换部分外还有多路模拟开关部分。

多路开转换部分外还有多路模拟开关部分多路开关有关有8 8路模拟量输入端，最多允许路模拟量输入端，最多允许8 8路模拟量分路模拟量分时输入，共用一个时输入，共用一个A/DA/D转换器进行转换转换器进行转换引脚说明引脚说明主要性能为：主要性能为：o分辨率：８位；o精度：ADC0809小于±1LSB；o单+5V供电，模拟输入电压范围为0~＋5V；o具有锁存控制的８路输入模拟开关；o可锁存三态输出，输出与TTL电平兼容；o功耗为15mW；o转换速度取决于芯片外接的时钟频率时钟频率范围：10 ~ 1280KHz典型值为时钟频率640KHz，转换时间约为100μSADC0809ADC0809性能描述性能描述ADC0809ADC0809的内部结构及引脚功能的内部结构及引脚功能IN0IN0~IN7IN7：：８路模拟量输入端D7D7~D0D0：：８位数字量输出端ALEALE：： 地址锁存允许信号输入端该引脚输入一个正脉冲时，可将地址选择信号A、B、C锁存于地址寄存器内并译码，选择相应的模拟输入通道STARTSTART：：启动A/D转换控制信号输入端该引脚输入一个正脉冲，上升沿复位内部逐次逼近寄存器，下降沿后开始A/D转换。

CLKCLK：：时钟信号输入端EOCEOC：：转换结束信号输出端A/D转换期间EOC为低电平，A/D转换结束后EOC为高电平引脚说明（1）引脚说明（2）OEOE：：输出允许控制端，控制输出锁存器的三态门当OE为高电平时，转换结果数据出现在D7~D0引脚当OE为低电平时，D7~D0引脚对外呈高阻状态C C、、B B、、A A：：８路模拟开关的地址选通信号输入端，3个输入端的信号为000~111时，接通IN0~IN7对应通道VRVR（＋）、（＋）、VRVR（－）：（－）：分别为基准电源的正、负输入端1．输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中，经地址译码器译码从8路模拟通道中选通一路模拟量送到比较器2．送START一高脉冲，START的上升沿使逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换，并使EOC信号为低电平3．当转换结束时，转换的结果送入到输出三态锁存器，并使EOC信号回到高电平，通知CPU已转换结束4．当CPU执行一读数据指令，使OE为高电平，则从输出端D0~D1读出数据ADC0809ADC0809的工作流程的工作流程(CPU)(CPU)ADC0809ADC0809的转换时序的转换时序ADC0809ADC0809与单片机的接口设计图与单片机的接口设计图例：对８路模拟信号轮流采样一次，并依次把转换结果存储到片内RAM以DATA为起始地址的连续单元中。

MAIN：MOV R1，#DATA ；置数据区首地址 MOV DPTR，#7FF8H　；指向０通道 MOV R7，#08H　　　；置通道数LOOP：MOVX @DPTR，A　　 ；启动A/D转换 （插入延时等待tEOC）HER： ，HER ；查询A/D转换结束 MOVX A，@DPTR　　 ；读取A/D转换结果 MOV @R1，A　　　　；存储数据 INC DPTR　　　　 ；指向下一个通道 INC R1　　　　　 ；修改数据区指针 DJNZ R7，LOOP　　 ；８个通道转换完否？ … …1 1、查询方式、查询方式 读取IN0通道的模拟量转换结果，并送至片内RAM以DATA为首地址的连续单元中 ORG 0013H　　　　　；外中断1服务程序入口 AJMP PINT1　　　　　　　　　 ORG 2000HMAIN：MOV R1, #DATA ；置数据区首地址 SETB IT1　　 ；为边沿触发方式 SETB EA　　 　　　　；开中断 SETB EX1　　　　　　；允许中断 MOV DPTR，#7FF8H　 ；指向IN0通道 MOVX @DPTR，A　　　 ；启动A/D转换LOOP：NOP　　　　　　　　　 ；等待中断 AJMP LOOP 2 2、中断方式、中断方式 ORG 2100H　　　；中断服务程序入口PINT1：PUSH PSW　　　　；保护现场 PUSH ACC PUSH DPL PUSH DPH MOV DPTR, #7FF8H MOVX A，@DPTR　 ；读取转换后数据 MOV @R1，A　　　 ；数据存入以DATA为首地址的RAM中 INC R1　　　　 ；修改数据区指针 MOVX @DPTR，A　　 ；再次启动A/D转换 POP DPH　 　　　；恢复现场 POP DPL POP ACC POP PSW RETI ；中断返回1616位高精度位高精度A/DA/D转换芯片转换芯片1616位位ADAD转换器转换器AD7667AD7667：：内置参考电压内置参考电压转换速率转换速率1MSPS1MSPS单电源供电单电源供电133mW133mW的功耗的功耗参数表参数表参数表参数表基本转换时序基本转换时序典型应用典型应用中速中速A/DA/D转换芯片转换芯片中速中速AD9235AD9235：：单供电单供电转换速率转换速率65MSPS65MSPS内置内置1V1V或或2V2V的参考电压的参考电压300mW300mW的功耗的功耗内置采保电路内置采保电路参数表参数表参数表参数表流水线工艺流水线工艺典型应用典型应用高速高速A/DA/D转换芯片转换芯片高速高速AD9432AD9432：：单单5V5V供电供电转换速率转换速率105MSPS105MSPS内置参考电压和采保内置参考电压和采保850mW850mW的功耗的功耗数字接口为数字接口为转换时序转换时序典型应用典型应用2.5 2.5 模拟电路设计举例模拟电路设计举例铂电阻测温铂电阻测温温度特性（温度特性（30003000~ ~70007000））×10×10-6-6/°C/°C电阻与温度的关系：电阻与温度的关系：RtRt为为t t温度的电阻值温度的电阻值Rt0Rt0为为0 0温度的电阻值温度的电阻值a a为电阻率温度系数为电阻率温度系数模拟电路设计举例模拟电路设计举例金属材料做温度测量须满足条件：金属材料做温度测量须满足条件：1 1、电阻温度系数大。

定义：温度变化、电阻温度系数大定义：温度变化1°C1°C时电时电阻的相对变化值阻的相对变化值2 2、电阻率大，与材料有关电阻率大，与材料有关3 3、在测温范围内，物理、化学特性稳定在测温范围内，物理、化学特性稳定4 4、电阻与温度关系接近线性，便于分度和读数电阻与温度关系接近线性，便于分度和读数5 5、重复性好，复制性强、重复性好，复制性强模拟电路设计举例模拟电路设计举例常见铂电阻标称值为常见铂电阻标称值为100100ΩΩ，温度系数是，温度系数是3850×103850×10-6-6/°C/°C标称值误差影响偏置；标称值误差影响偏置；温度系数的误差影响增益；温度系数的误差影响增益；铂电阻基本电路铂电阻基本电路1 1）恒流工作）恒流工作使用标称值为使用标称值为1k1kΩΩ的铂电阻的铂电阻Pt1000Pt1000铂电阻参数铂电阻参数传感器须流过传感器须流过1mA1mA的电流的电流传感器电流：传感器电流：运算放大器正常工作时，e1和e2相等，设e2=1V，因此：铂电阻参数铂电阻参数若没有e2，eout将被偏置，理想情况必须是0度时，传感器的输出为0V，需要引入偏置电压e2 （调零）：通过计算，得到：铂电阻基本曲线铂电阻基本曲线输出电压，通过输出电压，通过A2A2放大器来调节增益。

放大器来调节增益作业作业习题习题2 2、、4 4、、5 5。