A/D转换电路

d/a和a/d转换器的相关性能参数:

d/a转换器是把数字量转换成模拟量的线性电路器件，已做成集成芯片。由于实现这种转换的原理和电路结构及工艺技术有所不同，因而出现各种各样的d/a转换器。目前，国外市场已有上百种产品出售，他们在转换速度。转换精度。分辨率以及使用价值上都各具特色。

d/a转换器的主要参数:

衡量一个d/a转换器的性能的主要参数有:

(1)分辨率

是指d/a转换器能够转换的二进制数的位数，位数多分辨率也就越高。

(2)转换时间

指数字量输入到完成转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间。电流型d/a转换较快，一般在几ns到几百ns之间。电压型d/a转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。

(3)精度

指d/a转换器实际输出电压与理论值之间的误差，一般采用数字量的最低有效位作为衡量单位。

(4)线性度

当数字量变化时，d/a转换器输出的模拟量按比例关系变化的程度。理想的d/a转换器是线性的，但是实际上是有误差的，模拟输出偏离理想输出的最大值称为线性误差。

a/d转换器的功能是把模拟量变换成数字量。由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此生产出种类繁多的a/d转换芯片。a/d转换器按分辨率分为4位。6位。8位。10位。14位。16位和bcd码的31/2位。51/2位等。按照转换速度可分为超高速(转换时间≤330ns),次超高速(330~3.3μs),高速(转换时间3.3~333μs),低速(转换时间>330μs)等。a/d转换器按照转换原理可分为直接a/d转换器和间接a/d转换器。所谓直接a/d转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。其中逐次逼近型a/d转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化a/d芯片采用逐次逼近型者多;间接a/d转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型(积分型),电压/频率转换型，电压/脉宽转换型等。其中积分型a/d转换器电路简单，抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转换速度较慢。有些转换器还将多路开关。基准电压源。时钟电路。译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯a/d转换功能，使用十分方便。

什么是a/d.d/a转换:

随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制。通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度。压力。位移。图像等),要使计算机或数字仪表能识别。处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号;而经计算机分析。处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路-模数和数模转换器。

将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器(简称a/d转换器或adc,analog to digital converter);将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器(简称d/a转换器或dac,digital to analog converter);a/d转换器和d/a转换器已成为信息系统中不可缺的组成部分，为确保系统处理结果的精确度，a/d转换器和d/a转换器必须具有足够的转换精度;如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，a/d与d/a转换器还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量a/d与d/a转换器的重要技术指标。随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的a/d和d/a转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。

AD转换器介绍

1. AD转换器的分类

下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。

1）积分型（如TLC7135）

积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。

2）逐次比较型（如TLC0831）

逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（12位）时价格很高。

3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）

并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。

串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。

4）Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)调制型（如AD7705）

Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。

5）电容阵列逐次比较型

电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。

6）压频变换型（如AD650）

压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。

2. AD转换器的主要技术指标

1）分辩率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。

2）转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。

3）量化误差(Quantizing Error) 由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。

4）偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。

5）满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。

6）线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。

其他指标还有：绝对精度(Absolute Accuracy) ，相对精度(Relative Accuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（Total Harmonic Distotortion缩写THD）和积分非线性。

3. DA转换器

DA转换器的内部电路构成无太大差异，一般按输出是电流还是电压、能否作乘法运算等进行分类。大多数DA转换器由电阻阵列和n个电流开关(或电压开关)构成。按数字输入值切换开关，产生比例于输入的电流(或电压)。此外，也有为了改善精度而把恒流源放入器件内部的。一般说来，由于电流开关的切换误差小，大多采用电流开关型电路，电流开关型电路如果直接输出生成的电流，则为电流输出型DA转换器。此外，电压开关型电路为直接输出电压型DA转换器。

1）电压输出型（如TLC5620）

电压输出型DA转换器虽有直接从电阻阵列输出电压的，但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载，由于无输出放大器部分的延迟，故常作为高速DA转换器使用。

2）电流输出型(如THS5661A)

电流输出型DA转换器很少直接利用电流输出，大多外接电流—电压转换电路得到电压输出，后者有两种方法：一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流—电压转换，二是外接运算放大器。用负载电阻进行电流—电压转换的方法，虽可在电流输出引脚上出现电压，但必须在规定的输出电压范围内使用，而且由于输出阻抗高，所以一般外接运算放大器使用。此外，大部分CMOSDA转换器当输出电压不为零时不能正确动作，所以必须外接运算放大器。当外接运算放大器进行电流电压转换时，则电路构成基本上与内置放大器的电压输出型相同，这时由于在DA转换器的电流建立时间上加入了达算放入器的延迟，使响应变慢。此外，这种电路中运算放大器因输出引脚的内部电容而容易起振，有时必须作相位补偿。

3）乘算型（如AD7533）

DA转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压输入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出，因而称为乘算型DA转换器。乘算型DA转换器一般不仅可以进行乘法运算，而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用。

4）一位DA转换器

一位DA转换器与前述转换方式全然不同，它将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出，然后用数字滤波器作平均化而得到一般的电压输出(又称位流方式)，用于音频等场合。

4. DA转换器的主要技术指标：

1）分辩率(Resolution) 指最小模拟输出量（对应数字量仅最低位为‘1’）与最大量（对应数字量所有有效位为‘1’）之比。

2）建立时间(Setting Time) 是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间，也可以认为是转换时间。DA中常用建立时间来描述其速度，而不是AD中常用的转换速率。一般地，电流输出DA建立时间较短，电压输出DA则较长。

其他指标还有线性度(Linearity)，转换精度，温度系数/漂移。

（1）内部电路板和其他零件的更换及相关操作必须由专业工程师或技术人员进行。

（2）打开壳盖前须保证设备断电至少10min。壳盖的打开须由专业工程师或技术人员进行。

（3）防爆型的转换器必须转移到一个安全的区域进行维修保养、拆卸、再组装。

（4）转换器电路板组件中包含敏感部件，可能会被静电损坏。小心操作以免直接接触电子

部件或电路板上的电路图案，必要时需采取相应的防静电措施。

d/a转换器是计算机或其它数字系统与模拟量控制对象之间联系的桥梁，它的任务是将离散的数字信号转换为连续变化的模拟信号。在工业控制领域中，d/a转换器是不可缺少的重要组成部分。

以下以一个四位的d/a转换器说明d/a转换器的工作原理: 当d3=1 i3=vd/2r=vref/(1×2r) 当d3=0 i3=0 当d2=1 i2=vd/2r=vref/(2×2r) 当d2=0 i2=0 当d1=1 i1=vd/2r=vref/(4×2r) 当d1=1 i1=0 当d0=1 i0=vd/2r=vref/(8×2r) 当d0=1 i0=0 vout=-iout1×rf 由此可见:随着d3-d0的取值(0、1)的不同在运放输出端可以得到不同的电压量。如果用数字量来控制电子开关的通断(1表示接通，0表示断开) 例如:d3d2d1d0 vout 0000 0v 0001 1/24vref*rf/r 0010 2/24 vref*rf/r 0011 3/24 vref*rf/r 15/24 vref*rf/r 可见:在输出端可得到与输入数字量成正比的模拟电压量。

前言

第1章集成A/D转换器和外围电路

1.1A/D转换器概述

1.1.1A/D转换器的主要参数

1.1.2A/D转换器的基本原理

1.1.3A/D转换器的选择原则

1.1.4A/D转换器的发展动态

1.2A/D转换器外围电路的分析

1.2.1仪表放大器

1.2.2隔离放大器

1.2.3采样/保持放大器

1.2.4信号调理器

1.3A/D转换器外围电路设计要点

1.3.1放大器的选择技巧

1.3.2怎样保持放大器的设计原则

1.3.3电源地线设计

1.3.4信号的隔离

1.3.5数字接口电路

思考题

第2章通用A/D转换器的应用

2.1专配单片机的41/2位数字多用表ADc

2.1.1MAxl33/MAXl34的性能特点

2.1.2MAXl33/MAX134的工作原理

2.1.3MAXl33/MAX134的应用电路

2.2具有单片机接口兼容的单线数据输出A/D转换器

2.2.1MAx187/MAx189的性能特点

2.2.2MAx187/MAX189的电路分析

2.2.3MAx187/MAx189的典型应用

2.2.4MAx187/MAx189设计中的几个问题

2.3具有自动校准功能和串行接口的A/D转换器

2.3.1MAX194的性能特点

2.3.2MAx194的内部结构和引脚功能

2.3.3MAX194设计要点

2.3.4MAX194的应用电路

2.4高分辨的单线输出A/D转换器

2.4.1MAx195的性能特点

2.4.2MAX195的电路说明

2.4.3MAx195应用电路和设计要求

2.5内含单片机接口的快速A/D转换器

2.5.1AD574A/AD674A，AD1674的性能特点

2.5.2AD574A/AD674A/ADl674的工作原理

2.5.3AD574A/AD674A/ADl674和微控制器(单片机)的接口

2.5.4AD574A/AD674A/ADl674的使用和设计要点

2.6单片精密24位A/D转换器

2.6.1AD7710的性能特点

2.6.2AD7710的工作原理

2.6.3AD7710的应用

2.6.4AD7710设计和使用要点

思考题

第3章高速、高分辨A/D转换器的应用

3.1单片机接口的高分辨A/D转换器

3.1.1MAx1400的性能特点

3.1.2MAx1400的电路分析(说明)

3.1.3MAx1400的典型应用

3.2高分辨率的单片数据采集系统

3.2.1AD7716的性能特点

3.2.2AD7716的工作原理

3.2.3AD7716系统设计应考虑的问题

3.2.4AD7716的典型应用电路

3.3微功耗的A/D转换器

3.3.1LTC2413的性能特点

3.3.2LTc2413内部电路的设计

3.3.3LTC2413的应用电路

3.4内嵌单片机的单片数据采集系统

3.4.1ADuc834的性能特点

3.4.2ADLLC834的工作原理

3.4.3ADLLC834的典型应用

3.4.4ADuC834的设计提示

3.5具有高速转换速率和快闪功能的A/D转换器

3.5.1MAx104的性能特点

3.5.2MAX104的工作原理

3.5.3MAX104的典型应用

3.5.4MAx104设计和使用说明

3.6高速低功耗、多通道同时采样的A/D转换器

3.6.1AD7865的性能特点

3.6.2AD7865的电路分析

3.6.3AD7865和微处理器(up或uC)接口电路

3.6.4AD7865使用说明

3.7高速、并列结构的A/D转换器

3.7.1MAxl00的性能特点

3.7.2MAxl00的工作原理

3.7.3MAxl00的应用电路

3.7.4MAX的设计要点

思考题

第4章内嵌MCUA/D转换器的应用

4.1内嵌MCu的转换器件

4.1.1概述

4.1.2主要特性

4.1.3典型器件说明

4.2内嵌Mcu的单片A/D转换子系统

4.2.1ADμc812的性能特点

4.2.2ADμc812的电路分析

4.2.3ADμC812的应用电路

4.2.4ADμC812的设计要点

4.3内含8051CPu的12位数据采集系统

4.3.1MAX/7651/MAx7652的性能特点

4.3.2MAX7651/MAX7652的电路结构

4.3.3MAX7651/MAX7652的设计和使用说明

4.4具有8032内核的快闪编程系统

4.4.1μPSD3234BV-24的性能特点

4.4.2μPSD3234BV-24的电路

4.4.3SD3234BV-24设计提示

思考题

第5章A/D转换的实用线路

5.1由5G14433构成的数字电压表

5.1.15G14433主要性能特点

5.1.2数字电压表实际线路分析

5.1.3数字电压表设计和使用中的几个问题

5.2由MAXl38组成的数字电压表

5.2.1MAXl38/MAX139/MAx140的性能特点

5.2.2数字电压表实用线路说明

5.3由ADD3701构成的4量程数字电压表

5.3.1ADD3701的主要特点

5.3.2ADD3701的主要性能

5.3.34量程数字电压表实用线路

5.4内含微控制器的51/2A/D转换器

5.4.1H17159/H17159A的性能特点

5.4.2H17159/H17159A的工作原理

5.4.3由H17159/H17159A组成的51/2位智能数字电压表

5.5单片集成电路构成的智能数字万用表

5.5.1概述

5.2.2单片集成电路简介

5.5.3硬件电路设计

5.5.4软件设计

5.5.5实用电路

5.5.6主要技术指标

5.6其他实用线路

第6章A/D转换的综合实用线路

6.1单片机构成的智能电感测量仪

6.1.1概述

6.1.2工作原理

6.1.3电感仪的硬件电路

6.1.4软件分析

6.1.5性能指标

6.2多功能的功率因数测量仪

6.1.1概述

6.2.2工作原理

6.2.3硬件配置

6.2.4软件分析

6.2.5性能

6.3电池综合参数测量仪

6.3.1概述

6.3.2工作原理

6.3.3电路说明

6.3.4软件分析

6.3.5性能

……

第7章集成A/D转换器的应用技术

参考文献

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