第5章 ADDA电路设计

第 5章
数模与模数转换
DAC的选择
（1）转换精度
转换精度与系统中所测量或控制的信号范围 有关，但估算时必须要考虑到其他因素，转 换器位数应该比总精度要求的最低分辩率至 少要高一位。常见的DAC器件有8位，10位， 12位，14位，16位，18位，20位和24位等。
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DAC的选择
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数模与模数转换
5.1.2 DAC的选择
5.1.2 DAC的选择
在进行电路系统设计时，面对林林总总的 DAC器件，如何选择我们所需要的DAC器件呢？ 这需要综合考虑很多因素，如系统的技术指 标、成本、功耗、安装等。从上节介绍的 DAC的主要技术指标可知，选取DAC，首先应 该考虑的是DAC的转换精度和转换速度。当 然也需要考虑其他要求，如电源、基准电压、 输入缓冲、输出模式、工作控制、温度稳定 性、功耗、封装和成本等。
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DAC的应用
TLV5613可用于数字伺服控制环路，电池供电的测试 仪表，数字偏移和增益调整，工业过程控制，语音合 成，机械和移动控制器件，大容量存储器件等应用中。 TLV5613的引脚图如图5.1.7所示。
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引脚功能如表5.1.6所述
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DAC的应用
串行输入数据通过两组8个时钟输入的情况： 第1组8个时钟将A1、A0、RNG输入到TLC5620的输 入寄存器，第2组8个时钟将8位输入数据（D7～ D0）输入到输入寄存器。当LDAC为低电平时，由 LOAD控制的输出如图5.1.4所示。串行输入数据 通过两组8个时钟输入的情况：
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数模与模数转换
在数字应用系统中，通常要将一些被测物理量通过传 感器转换成电信号，经过一定的处理后，需要送到数 字系统进行数字信号的加工处理；同时，经过数字信 号的加工处理所获得的数据又需要相应的处理，回送 到物理系统，对系统的物理量进行调节和控制。 在整个过程中，传感器输出的模拟电信号首先要转换 成数字信号，数字系统才能对模拟信号进行处理。这 种模拟量到数字量的转换称为模/数转换(简称ADC)。 数字系统处理后获得的数字量转换成模拟量，这种转 换称为数/模变换(简称DAC)。 可见ADC和DAC是连接数字系统和模拟系统十分重要的 接口电路。
DAC的应用
图5.1.8为TLV5613与微控制器AT89C51的典型接 口电路。本电路中，TLV5613的片选脚CS直接由 AT89C51的I/O脚进行选择。在使用中，可采用译 码器产生的片选信号来选择。LDAC被保持为高电 位，因此由控制寄存器中的RLDAC位来控制刷新 输出电压。将PWD接到DADD，使硬件掉电方式处 于永久无效状态。
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DAC的应用
当LDAC为高电平时，由LDAC控制的输出如 图5.1.5所示。
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DAC的应用
在使用中，TLC5620输出电路一般需要加 入如图5.1.6所示的输出缓冲电路。电阻 R取值应大于10KΩ。
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2. 12位电压输出D/A转换器——TLV5613
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DAC的选择
（4）基准电压
DAC的基准电压有内基准、外基准和单基准、 双基准之分。如系统对温漂无严格要求，可 采用一般的基准电压源，如MC1403，LM336 等。若系统对温漂有严格要求，则应选取精 密低漂移器件，如LM199/299/399：温度系 数为1ppm/℃ ；动态内阻为0.5Ω ；长期稳 定性为20ppm，稳定电压容差为±2％，带恒 温加热器。
TLV5613是一个基于电阻串结构的12位、单电源数模转换器。 它包含一个8位并行输入接口、速度和掉电控制逻辑、一个电 阻串以及一个轨到轨输出缓冲器。主要特点如下： 8位并行输入接口，方便与通用微控制器接口。12位的数据采 用两次输入（8位最低位＋4个最高位）。
输出电压具有2倍增益。 具有可编程的建立时间；可编程的建立时间与功耗有一定的关系： 快速方式时1μs/4.2mW，慢速方式时3.5μs/1.2mW。让设计者 在速度和功能的关系上可作最佳选择。 较宽的电源电压范围：单电源2.7V到5.5V。 同步或异步刷新 全温度范围单调变化 有20脚的SOIC封装（包括DW和PW两种SOIC封装），标准的商业 和工业级温度范围。
（2）转换速度
转换速度应根据输入信号的最高频率来确定， 保证DAC的转换速率要高于系统要求的采样 频率。 如对DAC转换速度要求高，则必须选用并口 数据输入的DAC。同时与之配合的运算放大 器应选高速的。若对转换时间无严格要求， 则可选高精度的串口DAC，如TLC0832（10位， SPI接口），可以减少微控制器或微处理器 的口线占用。
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数模与模数转换
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主要内容
5.1 数/模转换器 5.2 模/数转换器
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5.1 数/模转换器
5.1.1 DAC的主要技术指标
DAC的主要技术指标有：
(1)分辨率
分辩率是指DAC能够分辨出来的最小模拟输出量（对应的数字 量仅最低位为数字 1 ，其余位为数字 0 ）与最大模拟输出量 （对应的数字量为所有有效位均为数字 1 ）之比。它是 DAC 在 理论上可以达到的转换精度。如n＝8位的DAC，其分辨率为
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DAC的主要技术指标
（3）转换精度
DAC的转换精度是指将数字量转换 为模拟量，DAC电路所能达到的精 确程度。转换精度主要由分辨率 和转换误差来决定，分辨率愈高， 转换误差愈小，则转换精度愈高。 其中分辨率是决定因素。
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DAC的主要技术指标
（4）转换速度
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DAC的应用
为了达到最好的性能，建议GND、AVDD和 DVDD采用不同电源平面，两个正电源平 面（AVDD和DVDD）必须用一个铁氧体磁 环连接到同一点。建议在DVDD和GND之间 接入一个100nF的陶瓷电容，在AVDD和 GND之间接入一个1μF的钽电容，并要尽 可能靠近电源引脚。 模拟信号和数字信号必须尽可能分隔得 远一些。为了避免串扰，模拟输出引线 和数字输入引线不能平行布置。
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DAC的选择
（5）输入特征
有的DAC的数字输入是并行输入，而有的输 入却是串行输入。有的DAC的数字输入为纯2 进制码，而有的却为8421 BCD码。
（6）输入缓冲
带寄存器的DAC，在控制信号的作用下，可 在特定的时刻将输入的数字信号写入。主要 有单缓冲和双缓冲之分。双缓冲可用于DAC 的级联扩展。
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DAC的选择
（9）功耗
一般来说，CMOS工艺的芯片功耗较低， 对于如电池供电的手持系统等对功耗 要求比较高的场合一定要注意功耗指 标。
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5.1.3 DAC的应用
5.1.3 DAC的应用
1.带四路输出的串行8位D/A转 换器——TLC5620
TLC5620是美国德州仪器公司生 产的8位串行DAC，有四路独立的 电压输出和独立的基准源，其输 出可编程为1倍或2倍，只需单电 源供电, 具有上电复位功能。其 引脚图如图5.1.1所示，引脚功 能如表5.1.1所述。 图5.1.1 TLC5620的引脚图
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DAC的应用
表5.1.1 TLC5620的引脚功能
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DAC的应用
串行输入数据可通过连续11个时钟输入或通过两组8个时 钟输入两种情况，下面分别说明。 串行输入数据通过连续11个时钟输入的情况： 在LDAC为低电平，LOAD为高电平时，串行输入数据DATA在 时钟CLK的下降沿送入TLC5620输入寄存器，在完成所有的 数据输入后，通过LOAD的一个低脉冲再将数据输出到所选 择的输出通道，其时序波形如图5.1.2所示。
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（7）输出模式
DAC器件的输出模式主要有电压输出和电流输出两 种。对于电压输出，有的系统可能需要双极性模拟 电压输出。 电压输出型DAC一般采用内置输出放大器以低阻抗 输出。当然也有直接从电阻阵列输出电压的,直接 输出电压的器件多用于高阻抗负载,由于无输出放 大器部分的延迟,故常用于高速DAC。 在一般应用中，很少直接利用电流输出型DAC的电 流输出,大多外接电流电压转换电路，从而得到电 压输出。外接电流电压转换电路有两种方法：一是 在输出引脚上接负载电阻；二是外接运算放大器。
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（8）工作控制
有的DAC不带寄存器，不需要外部的传输控 制信号，数字量的任何变化将立即反映为模 拟输出量的变化，即直通。许多DAC都设计 成直接与微控制器或微处理器连接，内部有 用于工作控制的寄存器，需要外部的微控制 器或微处理器的寄存器配置。有的还需要片 选、锁存、电平转换等控制。
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DAC的应用
在LDAC为高电平，LOAD为高电平时，串行输入 数据DATA在时钟CLK的下降沿送入TLC5620输入 寄存器，在完成所有的数据输入后，通过LOAD 的一个低脉冲再将数据输出到内部锁存器中， 需要通过LDAC的一个低脉冲将数据输出到所选 择的输出通道，其时序波形如图5.1.3所示。
DAC的转换速度主要由建立时间和转换速率来描述。 建立时间是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需 的最长时间,也可以认为是转换时间。一般地,电流 输出DAC的建立时间较短,电压输出DAC的建立时间 较长。 转换速率通常指数字量从最大变换到最小或数字量 从最小变换到最大时输出电压的变换率。 其他指标还有信噪比，线性度，温度系数等。
有时也直接使用 DAC 输入的二进制位数来表示，如输入位数 n ＝8，则分辨率8位。
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DAC的主要技术指标
（2）转换误差
由于DAC内部电阻网络（VR ，运放）等存在误差， 导致Vo 和数字量之间是非理想的线性关系。这些误 差主要有比例误差（主要由基准电压的偏离、运算 放大器输入端电阻偏差、反馈电阻偏差等引起）、 漂移误差（主要由运算放大器的零点漂移等引起） 和非线性误差（包括积分非线性误差和微分非线性 误差，主要由各位模拟开关的导通电阻、导通压降 和电阻网络中各个电阻的阻值不一致等引起）等。 转换误差通常用最低有效位的倍数来表示，如转换 误差为，这表示输出模拟电压的绝对误差为。有时 也用输出电压满度值的百分数来表示。
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3. 双缓冲输入的14位D/A转换器—— AD7535
AD7535是美国模拟器件公司（ADI）生产的 具有双缓冲输入的14位DAC产品。AD7535具 有标准的片选和储存器写逻辑，是和微处理 器接口完全兼容的，它的高字节输入寄存器 （6位）和低字节输入寄存器（8位）可以分 别控制数据输入，无论是和8位微处理器还 是和16位微处理器接口都非常方便。
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（3）电源电压
电源电压有单电源，双电源和不同电压范围 之分。这需要根据系统的所能提供的电源来 考虑。如系统的所能提供的电源只有单+5V 电源，则可以考虑使用工作于+5V的单电源 DAC。 在对干扰要求不严格的情况下DAC的模拟地 （AGND）与数字地（DGND）可直接共地。一 般的接法应该是模拟地与模拟系统的地相连， 数字地与数字系统的地相连，二者仅在系统 电源处相连。
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（7）输出模式
在输出引脚上接负载电阻进行电流电压转换,输出 阻抗高，一般很少用。 外接运算放大器进行电流电压转换,在电路构成基 本上与内置放大器的电压输出型DAC相同。由于DAC 的建立时间加入了运算放大器的延迟,响应速度变 慢。此外,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。 满幅度输出(Rail to Rail，也称轨对轨输出) 是业 界出现的新概念，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DAC中一般 是指输出信号范围可达到电源电压范围。