第4章集成變換器及其應(yīng)用

4.1阻抗變換器4.2U/I變換器和I/U變換器4.3U/F變換器和F/U變換器4.4精密T/I和T/U變換器4.5D/A轉(zhuǎn)換器4.6A/D轉(zhuǎn)換器第4章集成變換器及其應(yīng)用2/6/20231集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.1.1負(fù)阻抗變換器4.1.2阻抗模擬變換器4.1.3模擬電感器4.1.4電容倍增器4.1阻抗變換器2/6/20232集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院第4章集成變換器及其應(yīng)用變換器或變換電路是指從一種電量或參數(shù)變換為另一種電量或參數(shù)的電路。本章主要介紹集成變換器及其應(yīng)用，包括：阻抗變換器、U/I、I/U、U/F、F/U、T/I、T/U、A/D、D/A變換器等。本節(jié)主要介紹負(fù)阻抗變換器、阻抗模擬變換器、模擬電感器、電容倍增器等阻抗變換器。阻抗的模擬和變換是集成運(yùn)放的一個(gè)重要應(yīng)用方面，例如電容的損耗補(bǔ)償、電阻時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償、電流互感器的誤差補(bǔ)償?shù)取?.1阻抗變換器2/6/20233集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-1-1中，若去掉電阻R1，實(shí)際是一個(gè)同相放大器，其輸入阻抗很高，輸出電壓為（4-1-1）

圖4-1-1負(fù)阻抗變換器4.1.1負(fù)阻抗變換器當(dāng)電阻R1接入后，其等效輸入阻抗將發(fā)生很大變化。這時(shí)由輸入電壓引起的輸入電流為（4-1-2）將式(4-1-1)代入式(4-1-2)，可得等效輸入阻抗為2/6/20234集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院由上式可知，從阻抗Z變換到等效輸入阻抗Zie，它不僅按比值R1/R2變化，而且其特性也由正變?yōu)樨?fù)，因此稱之為負(fù)阻抗變換器。若將Z取為電阻R,則等效輸入阻抗為負(fù)電阻,稱之為負(fù)電阻變換器。若將Z取為電容C，則等效輸入阻抗為電感為等效模擬電感。

2/6/20235集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-1-2阻抗模擬變換器圖中運(yùn)放A1是同相放大器，起隔離作用和放大作用；運(yùn)放A2是阻抗變換電路。4.1.2阻抗模擬變換器工作原理:A1的輸出電壓A2的輸出電壓解得2/6/20236集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-1-2輸入電流為代入得等效輸入阻抗當(dāng)選擇不同性質(zhì)的元件時(shí)，可構(gòu)成不同性質(zhì)的阻抗模擬電路。圖4-1-2阻抗模擬變換器如可構(gòu)成模擬對(duì)地電感、模擬對(duì)地電容、模擬對(duì)地負(fù)阻抗等。2/6/20237集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院1.模擬對(duì)地電感若取Z1、Z2、Z3、Z5分別為電阻R1、R2、R3、R5

，而Z4為電阻R4和電容C4并聯(lián)阻抗，則構(gòu)成等效模擬電感電路。其等效阻抗為等效電感和內(nèi)阻分別為由上式可知，調(diào)節(jié)R1、R3、R5中任一個(gè)電阻，即可線性調(diào)節(jié)等效電感的大小。若增大電阻R4

，可獲得低內(nèi)阻的等效模擬電感。2/6/20238集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院2.模擬對(duì)地電感若Z1、Z2、Z4、Z5分別取為電阻R1、R2、R4、R5，而取Z3為電容C3，則可構(gòu)成對(duì)地電容模擬電路。其等效電容為調(diào)節(jié)R2、R4中任一個(gè)電阻，即可線性調(diào)節(jié)電容量的大小。其等效阻抗為2/6/20239集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院3.模擬對(duì)地負(fù)阻抗若取Z1和Z3分別為電容C1、C3

，而Z2、Z4分別取為電阻R2、R4

，Z5為任一阻抗，則等效對(duì)地阻抗為由上式可知，這是一個(gè)Z5的負(fù)阻抗變換器，其阻抗隨頻率變化。2/6/202310集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院如圖4-1-3所示，是密勒積分式模擬電感器。圖4-1-3密勒積分式模擬電感器A1構(gòu)成同相放大器，A2構(gòu)成積分器。4.1.3模擬電感器假定集成運(yùn)放滿足理想化條件，由圖可知可得2/6/202311集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院所以，等效輸入阻抗為當(dāng)Af>>1時(shí)，輸入阻抗可近似為其中等效電感值為圖4-1-3密勒積分式模擬電感器2/6/202312集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院1.由反相放大器組成的電容倍增器4.1.4電容倍增器圖4-1-4反相放大器構(gòu)成的電容倍增器輸入電流為等效輸入阻抗為2/6/202313集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院由上式可知，此電路的輸入阻抗是電阻R1和等效電容Cie的并聯(lián)。其中等效電容為2/6/202314集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院2.可變電容倍增器圖4-1-5可變電容倍增器圖中電位器RP的作用是調(diào)節(jié)電容的倍增系數(shù)，由A1組成的跟隨器，起緩沖作用，以消除調(diào)整時(shí)對(duì)Cie的影響。其輸入阻抗為其輸入電流為2/6/202315集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院可見，該電路輸入端等效為一電容，其等效電容的容值為調(diào)節(jié)電位器RP即可改變電容Cie的值。該電路突出的優(yōu)點(diǎn)是，通過改變電阻就可以得到任意大的電容值。圖4-1-5可變電容倍增器2/6/202316集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.2.2精密U/I變換器4.2.1接地負(fù)載的U/I變換器4.2.3精密I/U變換器4.2U/I變換器和I/U變換器2/6/202317集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.2U/I變換器和I/U變換器A1為同相加法器，A2為跟隨器。由圖可知Uo2=RLIL,I1=

I2

圖4-2-1由兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的U/I變換器由兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的U/I變換器4.2.1接地負(fù)載的U/I變換器2/6/202318集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-2-1由兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的U/I變換器代入U(xiǎn)+得要使IL與RL無關(guān)，必須使或?yàn)榇诉\(yùn)放電路的匹配條件。2/6/202319集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院所以注意，因此電路為正反饋，所以必須分析其穩(wěn)定性，為保證至少有10dB的穩(wěn)定儲(chǔ)備，應(yīng)選擇R5>2RL解得圖4-2-1由兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的U/I變換器為簡(jiǎn)化分析，選取R3=R1,R4=R2,得2/6/202320集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-2-2由運(yùn)放構(gòu)成的U/I變換器由圖可知I1=

I2

由該式得2.由一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的U/I變換器2/6/202321集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院代入上式得整理得要使IL與RL無關(guān)，必須使將2/6/202322集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院由若選取

則得整理得解得2/6/202323集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院

XTR110可將0～5V或1～10V電壓信號(hào)變換成4～20mA、0～20mA、5～25mA和其它電流范圍。XTR110采用標(biāo)準(zhǔn)16腳DIP封裝。1.XTR110的性能特點(diǎn)①通過對(duì)管腳的不同連接實(shí)現(xiàn)不同的輸入/輸出范圍。②最大非線性：不大于0.005％(具有14bit精度)。4.2.2精密U/I變換器③提供+10V基準(zhǔn)。④電源電壓范圍：13.5～40V，為單電源工作。2/6/202324集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院2.XTR110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4-2-3XTR110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2/6/202325集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-2-4XTR110的基本接法3.XTR110的基本接法2/6/202326集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院輸入范圍/V輸出范圍/mA3腳4腳5腳9腳10腳0～100～202輸入2222～104～202輸入2220～104～2015、12輸入22開路0～105～2515、12輸入2220～50～2022輸入221～54～2022輸入220～54～2015、122輸入2開路0～55～2515、122輸入22表4-2-1輸入/輸出與引腳關(guān)系2/6/202327集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-2-50~10V輸入，±200mA大電流輸出變換電路4.XTR110的應(yīng)用2/6/202328集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院

RCV420是精密I/U變換器。它能將4～20mA的環(huán)路電流變成0～5V的輸出電壓。1.RCV420的性能特點(diǎn)①4～20mA的電流輸入，0～5V的電壓輸出。②具有精密10V電壓基準(zhǔn)，溫漂小于5×10-6/oC。③具有±40V共模電壓輸入范圍。④總的變換誤差小于0.1％。⑤具有86dB的噪聲抗干擾能力。4.2.3精密I/U變換器2/6/202329集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院2.RCV420的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4-2-7RCV420的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2/6/202330集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院3.RCV420的基本接法圖4-2-8RVC420的基本接法2/6/202331集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.RCV420的應(yīng)用圖示電路是由XTR101變送器部分和RCV420變換器部分組成。其中，XTR101將溫度信號(hào)(如熱電偶信號(hào))變送成4～20mA的電流輸出。圖4-2-9遠(yuǎn)距離高精度測(cè)溫系統(tǒng)2/6/202332集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.3.1VFC100同步型U/F、F/U變換器4.3.2LMx31系列U/F、F/U變換器4.3U/F變換器和F/U變換器2/6/202333集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.3U/F變換器和F/U變換器電壓/頻率變換電路簡(jiǎn)稱為U/F變換電路或U/F變換器（UFC）。頻率/電壓變換電路簡(jiǎn)稱為F/U變換電路或F/U變換器（FUC）。

VFC100同步型U/F、F/U變換器是通過外時(shí)鐘頻率獲得精密積分周期，實(shí)現(xiàn)U/F變換。4.3.1VFC100同步型U/F、F/U變換器2/6/202334集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-3-1VFC100引腳排列圖1.引腳及其功能1腳：V+，為正電源端。2腳、3腳：NC，為空腳。4腳：IOUT，為內(nèi)部積分輸出端，一般與5腳之間接入積分電容。5腳：CINT,為積分負(fù)輸入端，接積分電容。6腳、7腳：IN+、Ui

，為積分同相輸入與模擬電壓輸入端。8腳：V，為負(fù)電源端。9腳：Cos

，輸出單穩(wěn)電容端。10腳：CLK，同步時(shí)鐘輸入端。2/6/202335集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院11腳：f0

，U/F變換頻率輸出端。圖4-3-1VFC100引腳排列圖12腳：DGND，為數(shù)字地。13腳：AGND，為模擬地。14腳、15腳：-CIN、+CIN，內(nèi)部比較器輸入端。16腳：VREF，為內(nèi)部5V參考電壓輸出端。2/6/202336集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院2.性能特點(diǎn)①滿量程頻率輸出可通過外時(shí)鐘設(shè)置。②在精密滿10V電壓輸入時(shí),增益誤差不超過0.5％。③內(nèi)設(shè)精密5V參考電源。④極好的線性，在100kHz時(shí)，最大誤差不超過

0.02％，在1MHz時(shí)，不超過0.1％。⑤具有低的增益漂移：不超過5010-6/oC。2/6/202337集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-3-2VFC100的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及U/F變換模式的基本接法3.內(nèi)部結(jié)構(gòu)與基本接法2/6/202338集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-3-3U/F變換模式時(shí)的變換波形圖4.雙極性輸入與調(diào)整VFC100有單極性輸入和雙極性輸入兩種接法。2/6/202339集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-3-4雙極性U/F變換接法雙極性接法：時(shí)鐘頻率為1MHz，R1為20k，積分電容為0.01F，輸入模擬電壓為-5～+5V，輸出頻率為0～500kHz。2/6/202340集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-3-5失調(diào)與增益調(diào)整電路失調(diào)與增益調(diào)整電路，RP2的作用是對(duì)失調(diào)電壓進(jìn)行細(xì)調(diào)，RP1的作用是對(duì)增益進(jìn)行細(xì)調(diào)。2/6/202341集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院5.F/U變換模式圖4-3-6VFC100的F/U變換模式頻率從14腳輸入，要求輸入頻率的最小脈寬為200ns。7腳與4腳相連作為電壓輸出端。2/6/202342集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-3-7VFC100的F/U變換模式的變換波形式中，fi是輸入頻率，fCLK是同步輸入時(shí)鐘頻率。輸出電壓的公式為變換波形為2/6/202343集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.3.2LMX31系列U/F、F/U變換器

LMX31系列包括：LM131A/LM131、LM231A/LM231、LM331A/LM331等。這類集成芯片的性能價(jià)格比較高。LM131/231/331因內(nèi)部具有新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，所以在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和電源電壓低到4.0V時(shí)，也具有極高的精度，能滿足100kHz的U/F轉(zhuǎn)換所需要的高速響應(yīng)，精密定時(shí)電路具有低的偏置電流，高壓輸出可達(dá)40V，可防止V+的短路，輸出可驅(qū)動(dòng)3個(gè)TTL負(fù)載。2/6/202344集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院這類器件常應(yīng)用于A/D轉(zhuǎn)換、精密F/U轉(zhuǎn)換、長(zhǎng)時(shí)間積分、線性頻率調(diào)制和解調(diào)、數(shù)字系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)等方面。1.性能特點(diǎn)①最大線性度：0.01％。②雙電源或單電源工作(單電源可以在5V以下工作)。③脈沖輸出與所有邏輯形式兼容。④最佳溫度穩(wěn)定性：最大值為±50×10-6/oC。⑤小功耗：5V以下典型值為15mW。⑥寬動(dòng)態(tài)范圍：10kHz滿量程頻率下最小值100dB。⑦滿量程頻率范圍：1Hz～100kHz。2/6/202345集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-3-8LM131/231/331內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本接法2.內(nèi)部結(jié)構(gòu)與基本接法2/6/202346集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-3-9LM131/231/331內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本接法的簡(jiǎn)化圖2/6/202347集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院在圖4-3-8和圖4-3-9中，每當(dāng)單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器觸發(fā)產(chǎn)生一寬度為t0的等寬度脈沖時(shí)，S接通，電容CL充電。t0結(jié)束后，S斷開，CL經(jīng)RL放電，到放電電壓等于Ui時(shí)，再次觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，這樣反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成了自激振蕩器。在圖中，IR是恒定的，CL的充電電流是隨著Ui的增加而減小。則若在某一段時(shí)間內(nèi)，計(jì)算其充電電荷平均值Q

放電電荷平均值因充電和放電是平衡的，所以由得2/6/202348集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，Ux大約在10mV的范圍內(nèi)波動(dòng)，其平均值Ux≈Ui，用Ui代替上式中的Ux得式中，t0=1.1RtCt,Rt,Ct為單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器的外接電阻和電容。典型工作狀態(tài)為Rt=6.8k,Ct=0.01F,t0=7.5s。IR由內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源供給的1.90V參考電壓和外接電阻RS決定，通常調(diào)節(jié)Rs的值，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換增益。2/6/202349集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院3.U/F變換模式Ui0~10VR1100kC10.1μ1μCL20kRL+15V20k~1M5V22k47k8+15V7614235Rt6.8kCt0.01μ10k10Hz~10kHzfo+5V12kRs1Rs25kRsLMx31圖4-3-10LMx31組成的U/F轉(zhuǎn)換基本電路電阻Rs

由Rs1=12k

和Rs2=5k

電位器組成。作用是調(diào)節(jié)增益偏差和由RL、Rt、Ct引起的偏差，以及校正輸出頻率。7腳上增加的R1、C1，其作用是提高精度。當(dāng)元件取圖示中的參數(shù)值時(shí)，可將0～10V輸入電壓信號(hào)變成10Hz～10kHz的輸出頻率信號(hào)。2/6/202350集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院fiLM331470P10k6.8k10k875Rt6.8k±1%Ct0.01μ1IUo43RL100kCL1μ625k12k±1%+15VRs圖4-3-12LMx31組成的F/U變換模式的基本電路4.F/U變換模式輸出電壓的公式為2/6/202351集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院LM331fi470P10k6.8k10k875Rt6.8k±1%Ct0.01μ1IUo43CL0.02μ625k12K±1%+15VRsRL100k-+100kA圖4-3-13LMx31組成的F/U變換模式的精密電路求輸出電壓的公式為2/6/202352集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.4.1AD590T/I變換器4.4.2LM135/235/335T/U變換器

4.4精密T/I和T/U變換器2/6/202353集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.4精密T/I和T/U變換器下面以AD590為例，介紹T/I變換器。1.性能特點(diǎn)①寬的測(cè)溫范圍：-55～150oC。②寬的工作電壓范圍：4～30V。③線性電流輸出：1A/K。④極好的線性：在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)非線性誤差小于±0.3oC（AD590M）。4.4.1AD590T/I變換器⑤激光微調(diào)使定標(biāo)精度達(dá)到：±0.5oC(AD590M)。2/6/202354集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院2.內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4-4-1AD590的金屬圓殼封裝結(jié)構(gòu)

AD590外形采用TO－52金屬圓殼封裝結(jié)構(gòu)。其引腳排列如圖4-4-1所示。圖4-4-2是AD590的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)。圖4-4-2AD590的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)2/6/202355集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-4-3AD590的基本接法3.基本接法2/6/202356集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-4-4攝氏溫度檢測(cè)典型接法4.應(yīng)用電路利用AD590測(cè)溫時(shí)，可由絕對(duì)溫度的單位K，計(jì)算出攝氏溫度的單位oC，其計(jì)算公式為K=oC+273.15（或oC=K-273.15）2/6/202357集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-4-5利用AD590和差分電路實(shí)現(xiàn)攝氏溫度測(cè)量攝氏溫度檢測(cè)電路。2/6/202358集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院

LM135/235/335廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量、溫度控制和熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)确矫妗?.性能特點(diǎn)①輸出電壓與絕對(duì)溫度成正比。②輸出動(dòng)態(tài)電阻：小于1。③溫度范圍：-55～+150C（LM135）。④輸出靈敏度：10mV/K。⑤在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，誤差小于1C

（LM135A/235A）。4.4.2LM135/235/335T/U變換器2/6/202359集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-4-7LM135系列內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)2.內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4-4-6LM135/235/335的金屬圓帽封裝2/6/202360集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院3.基本接法圖4-4-8LM135/235/335的基本連接電路圖4-4-9LM135/235/335的基本溫度檢測(cè)電路2/6/202361集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-4-10LM135/235/335接地?zé)犭娕祭涠搜a(bǔ)償電路+15VR44.7kLM329BLM135R512k-15VR110KRP10k200kR6R21MR771.5k+-電壓表+-R3*4.應(yīng)用下圖是雙電源工作時(shí)的熱電偶冷端補(bǔ)償電路。2/6/202362集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.5.1D/A轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)知識(shí)

4.5.212位串行D/A轉(zhuǎn)換器DAC75124.5.316位D/A轉(zhuǎn)換器PCM544.5D/A轉(zhuǎn)換器2/6/202363集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.5D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器按工作方式可分為并行D/A轉(zhuǎn)換器、串行D/A轉(zhuǎn)換器和間接D/A轉(zhuǎn)換器等。在并行D/A轉(zhuǎn)換器中，又分為權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器和R-2RT型D/A轉(zhuǎn)換器。4.5.1D/A轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)知識(shí)2/6/202364集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖示電路是一個(gè)三位二進(jìn)制數(shù)的D/A轉(zhuǎn)換電路，每位二進(jìn)制數(shù)控制一個(gè)開關(guān)S。當(dāng)?shù)趇位的數(shù)碼為“0”時(shí)，開關(guān)Si

打在左邊；當(dāng)?shù)趇位的數(shù)碼為“1”時(shí)，開關(guān)Si打在右邊。圖4-5-1D/A轉(zhuǎn)換原理電路1.D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理

2/6/202365集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院對(duì)于B點(diǎn)對(duì)地電阻相當(dāng)于兩個(gè)2R并聯(lián)，即等于R。同理則可推出圖4-5-1D/A轉(zhuǎn)換原理電路

S0接通時(shí)所以2/6/202366集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院將上式推廣到n位二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換得一般表達(dá)式圖4-5-1D/A轉(zhuǎn)換原理電路2/6/202367集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院其輸出電壓為輸出電壓會(huì)因器件誤差、集成運(yùn)放的非理想特性而產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差。2.雙極性工作雙極性工作是指D/A轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換有正有負(fù)的數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)中的數(shù)字量表示為雙極性的方法很多，如用原碼、補(bǔ)碼、反碼和二進(jìn)制碼等。其中補(bǔ)碼和偏移二進(jìn)制碼用于D/A轉(zhuǎn)換器。2/6/202368集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院3.D/A轉(zhuǎn)換器的特性與技術(shù)指標(biāo)

DAC的性能指標(biāo)很多，主要有以下幾個(gè)：①分辨率：是指DAC能分辨的最小輸出模擬增量，取決于輸入數(shù)字量的二進(jìn)制位數(shù)。②轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念。轉(zhuǎn)換精度是指滿量程時(shí)DAC的實(shí)際模擬輸出值和理論值的接近程度。③偏移量誤差：偏移量誤差是指輸入數(shù)字量為零時(shí)，輸出模擬量對(duì)零的偏移值。④線性度：線性度是指DAC的實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線和理想直線之間的最大偏差。2/6/202369集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院⑤輸入編碼形式：輸入編碼形式是指DAC輸入數(shù)字量的編碼形式，如二進(jìn)制碼、BCD碼等。⑥輸出電壓：輸出電壓是指DAC的輸出電壓信號(hào)。⑦轉(zhuǎn)換時(shí)間：轉(zhuǎn)換時(shí)間是指輸入的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出的模擬信號(hào)所需要的時(shí)間。2/6/202370集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.5.212位串行D/A轉(zhuǎn)換器DAC7512①微功耗：5V供電時(shí)的工作電流消耗為135A；在掉電模式時(shí)，5V電源供電下的電流消耗為135nA，若采用3V供電時(shí)，其電流消耗僅為50nA。②寬的供電電壓范圍：＋2.7V～＋5.5V。③上電復(fù)位后輸出電壓為0Ｖ。④具有三種關(guān)斷工作模式可供選擇，5V電壓下的功耗僅為0.7mW。⑤具有低功耗施密特輸入串行接口。⑥內(nèi)置滿幅輸出的緩沖放大器。1.主要特性⑦具有SYNC中斷保護(hù)機(jī)制。2/6/202371集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院

1腳VOUT：模擬輸出電壓。

2腳GND：地。

3腳VDD：供電電源，直流＋2.7V～＋5.5V。

4腳DIN：串行數(shù)據(jù)輸入。

5腳SCLK：串行時(shí)鐘輸入。圖4-5-4DAC7512的引腳排列圖6腳SYNC:輸入控制信號(hào)(低電平有效)。2.引腳功能DAC7512采用SOT23-6封裝如圖所示。其引腳定義如下：2/6/202372集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-5-5DAC7512內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3.內(nèi)部結(jié)構(gòu)輸入控制邏輯用于控制DAC寄存器的寫操作;掉電控制邏輯與電阻網(wǎng)絡(luò)一起用來設(shè)置器件的工作模式，即選擇正常輸出還是將輸出端與緩沖放大器斷開，而接入固定電阻;芯片內(nèi)的緩沖放大器具有滿幅輸出特性，可驅(qū)動(dòng)2k及1000pF的并聯(lián)負(fù)載。2/6/202373集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.時(shí)序及工作模式DAC7512采用三線制串行接口，串行寫操作時(shí)序。圖4-5-6DAC7512的寫操作時(shí)序片內(nèi)輸入寄存器寬度為16位，格式如下：DB15、DB14是空閑位，B13、DB12是工作模式選擇位，DB11～DB0是數(shù)據(jù)位。D1D0111098765

43210DB15DB0器件內(nèi)部帶有上電復(fù)位電路，上電后寄存器內(nèi)容為0，所以在正常工作模式時(shí)，上電復(fù)位后模擬輸出電壓為0Ｖ。2/6/202374集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院

DAC7512的四種工作模式可由寄存器內(nèi)的DB13、DB12來控制。其控制關(guān)系見下表。DB13DB12工作模式00正常模式01掉電模式輸出端1kΩ到地10輸出端100kΩ到地11高阻表4-5-1DAC7512的工作模式選擇掉電模式下，不僅器件功耗要減小，而且緩沖放大器的輸出級(jí)通過內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)接到1k、100k或開路。而處于掉電模式時(shí)，所有的線性電路都斷開，但寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)不受影響。2/6/202375集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院5.與MCS-51單片機(jī)的接口應(yīng)用

DAC7512與MCS-51微控制器的接口如圖4-5-7。圖4-5-7DAC7512與單片機(jī)的連接而P1.2則驅(qū)動(dòng)DAC7512的串行數(shù)據(jù)線DIN。在16位數(shù)據(jù)傳輸期間，P1.0要一直保持低電平。圖中，8051的P1.0接DAC7512的SYNC，P1.1驅(qū)動(dòng)DAC7512的SCLK。

根據(jù)圖4-5-7接口電路，D/A轉(zhuǎn)換程序編制如下：2/6/202376集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院設(shè)12位數(shù)字量存放在單片機(jī)片內(nèi)RAM的兩個(gè)單元50H和51H中，12位數(shù)的高4位存放在50H單元，低8位存放在51H單元的低4位?，F(xiàn)將12位數(shù)據(jù)送到DAC7512中進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，接口電路的轉(zhuǎn)換程序如下：SCLK BITP1.1；DAC7512的SCLK與8051的P1.1相連DINBITP1.2；DAC75121的DIN與8051的P1.2相連DAHDATA50H；12位數(shù)據(jù)高字節(jié)SYNC BITP1.0；DAC7512的SYNC與8051的P1.0相連DALDATA 51H ；12位數(shù)據(jù)低字節(jié)DAOUT：MOVR7，#08H；置循環(huán)次數(shù)MOV A，DAH；取高4位數(shù)ANL A，#0FH；正常工作模式CLR SYNC ；啟動(dòng)寫時(shí)序2/6/202377集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院DA1：RLC A ；從最高位開始串行移位MOV DIN，C；輸出數(shù)據(jù)SETB SCLK；產(chǎn)生SCLK上升沿CLR SCLK；產(chǎn)生SCLK下降沿DJNZ R7，DA1；8位數(shù)據(jù)傳送完畢？MOVR7，#08HMOV A，DAL；取低8位數(shù)據(jù)DA2：RLC AMOV DIN，CSETB SCLKCLR SCLKDJNZR7，DA2；低8位數(shù)據(jù)傳送完畢？NOPSETB SYNCSETB DINRET2/6/202378集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.5.316位D/A轉(zhuǎn)換器PCM54

圖4-5-816位D/A轉(zhuǎn)換器PCM54的應(yīng)用電路2/6/202379集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.6.1A/D轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)知識(shí)4.6.2并行A/D轉(zhuǎn)換器AD5744.6.316位串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX1954.6A/D轉(zhuǎn)換器2/6/202380集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.6A/D轉(zhuǎn)換器4.6.1A/D轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)知識(shí)集成A/D轉(zhuǎn)換器通常采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器。圖4-6-1逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換原理框圖1.逐次逼近式

A/D轉(zhuǎn)換電路

2/6/202381集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院2.雙積分式A/D轉(zhuǎn)換電路

先將S置于Ui端，積分器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行積分，積分時(shí)間固定為T，積分器的輸出為：當(dāng)t=T時(shí)，S轉(zhuǎn)為接－Uref，開始對(duì)參考電壓Uref積分，積分器輸出從負(fù)值開始上升，圖4-6-2雙積分型A/D轉(zhuǎn)換原理框圖2/6/202382集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院當(dāng)積分器輸出上升到ui=0V時(shí)，第二次積分結(jié)束。設(shè)這段時(shí)間為T，則有圖4-6-2雙積分型A/D轉(zhuǎn)換原理框圖由上式和式得2/6/202383集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院由上式可知，T正比于輸入電壓Ui，在T內(nèi)進(jìn)行時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，所計(jì)得的數(shù)字量正比于輸入電壓Ui。右圖是A/D轉(zhuǎn)換電路的工作過程。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度很高，但轉(zhuǎn)換速度較低。圖4-6-3雙積分A/D轉(zhuǎn)換過程波形圖2/6/202384集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院3.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)①分辨率：對(duì)應(yīng)于最小數(shù)字量的模擬電壓值稱為分辨率，它表示對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化能夠達(dá)到多細(xì)的程度。②量程：即所轉(zhuǎn)換的電壓范圍。③精度：有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示法。對(duì)應(yīng)一個(gè)給定的數(shù)字量的理論模擬量輸入與實(shí)際模擬量輸入之差稱為絕對(duì)精度或絕對(duì)誤差。絕對(duì)精度通常用最小有效位LSB的分?jǐn)?shù)表示，如精度為:通常用百分比表示滿量程時(shí)的相對(duì)誤差表示，如±0.05％。2/6/202385集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院⑤輸出邏輯電平：多數(shù)與TTL電平配合。④轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換率：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。⑥對(duì)參考電壓的要求：要考慮器件是否需要內(nèi)部參考電壓，或是否需要外部參考電壓。2/6/202386集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院4.6.2并行A/D轉(zhuǎn)換器AD574

AD574A是一種帶有三態(tài)緩沖器的快速12位逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換芯片，可以直接與8位或16位微處理器相連，而無需附加邏輯接口電路。片內(nèi)有高精度的參考電源和時(shí)鐘電路，不需要外接時(shí)鐘和參考電壓等電路就可以正常工作。AD574A的轉(zhuǎn)換時(shí)間為25S。芯片內(nèi)含有逐次逼近式寄存器SAR、比較器、控制邏輯、DAC轉(zhuǎn)換電路及三態(tài)緩沖器等。2/6/202387集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院圖4-6-4AD574A的引腳排列圖AD574A的引腳定義如下：8腳REFOUT：內(nèi)部參考電源輸出(+10V)。10腳REFIN：參考電壓輸入。12腳BIP：偏置電壓輸入。接至正負(fù)可調(diào)的分壓網(wǎng)絡(luò)，以調(diào)整ADC輸出的零點(diǎn)。13腳10VIN：±5V或0～10V模擬輸入。14腳20VIN：±10V或0～20V模擬輸入。7、11腳Vcc、VEE：模擬部分供電的正電源和負(fù)電源，為±12V或±15V。2/6/202388集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院

1腳VL：數(shù)字邏輯部分的電源+5V。15腳DGND：數(shù)字地。9腳AGND：模擬地。9腳AGND：模擬地。16～27腳DB0～DB11：數(shù)字量輸出,高半字節(jié)為DB8～DB11;低半字節(jié)為DB0～DB7。

2腳12/8：數(shù)據(jù)輸出格式選擇端。當(dāng)12/8=1(+5V)時(shí)，雙字節(jié)輸出，即12條數(shù)據(jù)線同時(shí)有效輸出，當(dāng)12/8＝0(0V)時(shí)，為單字節(jié)輸出，即只有高8位或低4位有效。2/6/202389集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院同時(shí)滿足時(shí)，AD574A才能處于工作狀態(tài)。

3腳、6腳CS、CE：片選信號(hào)，當(dāng)CS=0、CE=1

5腳R/C：讀數(shù)據(jù)/轉(zhuǎn)換制信號(hào),當(dāng)R/C=1，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)允許被讀??；R/C=0，則允許啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。4腳A0：字節(jié)選擇控制線。在啟動(dòng)AD574A轉(zhuǎn)換時(shí)，用來控制轉(zhuǎn)換長(zhǎng)度。A0＝0時(shí)，按完整的12位A/D轉(zhuǎn)換方式工作，A0＝1時(shí)，則按8位A/D轉(zhuǎn)換方式工作。2/6/202390集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院上述有關(guān)引腳的控制功能的狀態(tài)關(guān)系如表所示

CEA0功能說明100×012位轉(zhuǎn)換100×18位轉(zhuǎn)換101＋5V×12位輸出101地0高8位輸出101地1低4位輸出表4-6-1AD574A控制信號(hào)狀態(tài)表2/6/202391集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院1.AD574A單極性和雙極性輸入特性

圖4-6-5AD574A的模擬輸入電路2/6/202392集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院2.AD574A與單片機(jī)的接口

圖4-6-6AD574A與單片機(jī)的接口電路2/6/202393集成電路原理及應(yīng)用中國(guó)計(jì)量學(xué)院光電學(xué)院3.轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)舉例

設(shè)要求AD574A進(jìn)行12位轉(zhuǎn)換，單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入，高8位和