数模转换器电路设计

硕士学位论文ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａ

Ａｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｆｏｒｍａｓｔｅｒ’Ｓｄｅｇｒｅｅ

ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆ

Ｈｉｇｈ－·ｓｐｅｅｄａｎｄ

ＨｉｇｈｌｒｅｓｏｌｕｓｉｏｎＤｉｇｉｔｉａｌｔｏ

Ａｎａｌｏｇ

Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ中国科学技术大学学位论文原创性声明

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成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或

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作者签名：签字日期：兰！呈：』：型

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保密的学位论文在解密后也遵守此规定。

（喽开口保密（——年）

作者签名：磊刁匆导师签名：

签字日期：丝！≥：三：型

签字日期：摘要

摘要

高速高精度数模转换器是无线通信、音视频信号处理、图像信号处理等系统的关键器件，也是制约我国无线通信，医疗仪器等民用系统和雷达等军用系统的

瓶颈，在高新信息产业中有着极高的地位和广阔的研究前景。而数模转换器的采

样速度和精度是决定其适用系统的重要技术指标，因此研究高速高精度数模转换

器显得十分必要。文中介绍了数模转换器的工作原理，分析了不同种类数模转换器的优缺点和

适甩范围，选择了电流舵数模转换器作为高速高精度数模转换器的基本类型，并

解释了衡量数模转换器静态和动态性能的各项指标。结合具体设计，分析了不同电流舵结构对电流源输出阻抗的影响，分段结构的折中考虑和不同版图匹配算法

Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｃｃｈｎ｛＞ｌｏｇ￣Ｖｉ－，ｉ（Ⅲ　科技视界　科技・探索・争鸣　基于ＡＤ５７２４的数模转换电路设计　张儒　（中海油田服务股份有限公司油技研究院，河北三河０６５２０１）　【摘　要】数模转换电路在仪器信号摸拟Ｉ｛Ｊ起重要的作用，泰文介绍了　、Ｌ：芯片ＡＩ）５７２４的工作原理以及工作方式设置．并在此基础上阐　述了基于ＡＩ）５７２４和¨’（　Ａ的测井仪器信号模拟的实现方法，同时给出了硬件、乜路的电路图　通过　次试验，表明该、乜路工作稳定可　取得　了良好效果　【关键词】　、Ｉ）５７２４；数模转换：　（　，、　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】ｌ】Ａ‘：…ｉｉ（‘ｕｉｌ　ｐｌａｙ￣Ⅲｌ　ｉｍｌｌＯｌｈｌｌｌｌ…　ｉｌｌ　ｌｈ，　ｓｉｇｎａｌ￣ｉｍｕｌａｔｉ｛ｌＩｌ，Ｉ　ｈｉｓ　Ｉ）ａＩ）ｅｌ　ｉ，ｌＩＩ…ＩＩｌｌ　ｓ　ｔｌＩＩ－　ＩｌｌＩ】ｇ¨ｒｔⅥ…ｋｉｌ　＃ｌｌｒｉｍ＇ｌｌｌＩ㈠，Ｉ　ｉｌＩＩｌ　１）、Ｉ＿（．１１ｉＩ】　＾Ｉ）５７２４　ａｎｄ　ｌｈｅ、　’，ｆ、…ｋ．　ｌＩＩＩ｛【ｌｉ１　ｌｆ１ｌ、ｈ　ｌＨｉｓ【ｌ１　ｉｈｆ｜ｉｍｐｌｔ　…ｔ、ｎｔａｔｉ￣）ｌ１…ｔ　ｌｆ１Ｉ，“Ｉ】ｒＩｌ　ｌｇ　ｉｇｒｌａＩ　ＡＩ　７５７２４　…Ｉｆ　（　＾ｈａｚｅｌＩ　ｃｌｆ１　Ｉｔ１ｌ　…ｌｌ　Ｉ　ｈｍ．ａｎｄ　ｓ　ｔｈ（　《。ｉｌｒｕｉｌ　ｄｉａｇｖ’ＩｌＩ】１【）ｌ　Ｉｌ　ｈａｌＩ１ｗ　‘　ｉｌｌ‘ｆ】ｉｌ．１ｒｈｒ．ｕｇｈ　ＩＩ１ＨＩｌ＇ｌ　ｓｉｓ．ｉｉ　ｉ　ｔｌｒＩ　ＪⅥ　（Ｉ　ｔｈａｔ　Ｉｈｆ　ｌ　ｉｉＩ【ｌｊｌ　ｉｓ　１１１｛ｌ　Ｉ）　．Ｉｌｌｌｌｌ】：ｌ　ｌｔ．ｈ　、　ＩＩ）Ｉｌ　Ｉｌ】Ｉ　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ１ＡＩ）５７２４：　、Ｌ：：ｒＩ）（：、　０引言　测仆系统价号模拟　置，ＪＩ　Ｊ求Ｊ　ｈ辛牛类的测　ｆ迎　喇内的　删仆仪器帙谴发蜒．　研发的过　・ｆ１．没仃　虑刮测＂仪器ｒ１检　问题　洲＂ｌＩ１ｆ．ＩＩＩ　Ｊ‘辛午种　索的影响．仪　－・Ｊ’能锭　Ｉ　ＬＪ￣；ｉｂｉ；　：地耐系　统ｆ１Ｊ仪　无｝』、建　嗵ｉｌｔｉＩｌｆ，｝ｉＪ　以尤　｛　Ｉ地ｌ（ｉｆ系统址　ＩＩ　０　ｌ‘竹　…　问题　，　重影响洲仆『１。ｉ　鉴Ｊ　此．删ＪＩ　系统　＿Ｉ＿ｃ３拟　置的研究　具　意义邋过卡ｃｌ拟仆Ｆ仪　．　：Ｊ　Ｊ￣ｌｆｌＩ系统　、　。通ｉＩｔ测　地【ｆｊ１系　统时，只　和愀拟　卡『ｌ近按，Ｉｆｌｉｑ＇；必再造接仪　ｆ　ｉ－Ｊ以，Ｊ他地丽系　统的维修利州试　仪器ｆ　’主要分　饮拟类仪器ｆ¨数　：炎仪器．小殳ｊ　ｔ　介绍模拟　炎仪器　ｌ。ｌ￣小史录川¨，（　Ａ　Ｉ　Ｉ）ＡＣ眦　的，Ｊ　』　．Ｊ　：　ｊｆ』类仪器ｆｉ　ｉ　；ＡＣ—ＣＣＩ　、ＭＭ１）、ＴＥＮＳＩＯＮ、Ｓｔ　×，Ｊ　Ｉ）Ａ（：Ｊ１　选ｊ　，｛ｉ　虑以Ｆ　ＪＬ　，Ｊ‘而的卜ｑ索：转换　度，牟々换Ｉｔ、ｊ’Ｉ１ｉＪ．　什价　．功牦　ＩＩＩ　Ｊ　的系统　刈丁｝　Ｊ霆，速Ｊ　的。　求ｌ七较ｌ　．Ｊ　Ｌｌ』，ｆ　ｉ殳ｉ　１，Ｉ）／Ａ芯ｊ；乐Ｊｊ』火旧Ａｔ１　Ｉ。　公ｒ　Ｊ的ＡＩ）５７２４　ＡＩ）５７２４　ｌ　ＪＬ】ｉ血道、Ｉ　２ｆ　、｛ｔＩｆ　Ｊ￣１１＇Ｊ人、Ｉ　做悱／双檄　、　｝乜　输…　１）Ａ（　１　ＡＤ５７２４介绍　Ａ１）５７２４是　迈进、Ｉ２　、　人、Ｉ　』ｆ　输『ｆｆ数ｆ　々换　．采／ＩＪ＋４　５ｖ　至＋１６．５、１　电源　±４．５Ｖ　±Ｉ６．５Ｖ　电源　Ｉ乜　称满ｌｉ　输　范　Ｉｌｒ通过软什选抒，选，６１　＋５～、＋ｌ（】ｖ、＋Ｉ【）．８ｖ、±５ｖ、±１（）、和±１（）．８Ｖ　还ｆＪ１］　输　放大　、　也　缓冲　以＾乏０　Ｉ　也／竹ｌ也控制也路　这些　ｆ　ｔ：ｌ　ｒｆ　正Ｉ　ｒｌ：．☆　久ｆ！１分｛ｌ　线　ｉ１　｛ＩＮＩ　１　ｊ　工Ｊ±１６１　ｌ　．噪ｓ＂－ｆ很　低，与｛大建也¨１］Ｉ　Ｉｉｉ】＇工Ｊ　１（】　Ａ１）５７２４采川｝｝；｛ｊ：－Ｉ受ｌ　Ｉ，ｎＥ够以上｛｛　３（１　ＭＩｔ　的时纠・逑半Ｉ，作，ｊ　儿　』　控制　接【Ｉｈｉ：ｆｉ：帐弈利川舣缓冲．所仃　Ｉ）ＡＣ“ｒ　脱『¨１时虫＝新对丁　擞　ｒＩ　输…．输人编　，Ｊ‘　弋、工Ｊ　：二进制　乖１．川　步消零功能　ｔ，ｆ』苷所　¨）、ｔ：嵛仃；｝｝；消　书　ＪＩＩｊ、…Ｊ‘选的　冬电、｛　或ｒｆ，　射ｉ崔输…　器ｆ　Ｉ：Ｊ￥Ｊ采川２４　』Ｉ脚ＴＳＳＯＰ　Ｊ寸　．莉　濉Ｊ霆范ｆ嗣为一４（）一：　至＋８５　ｔ：ｌｌ业　度范…　Ａ１）５７２４　Ｉ～置一个　Ｕ复ｆ　电路．硼ｆ　、ｔ：督　１．Ｉ　成功上　ｑＬＮ，Ｊ．输Ⅲ通过・个低『５ｆ【机Ｉｕ蹄做扎ｆ皈刊【）、１）　（：　佃ＩＩＩ　个ｑＺｌ￣Ｉｔ＇ｔ：ｉ　Ｉ）ＡＣ干¨一个输“Ｉ放人　构成４Ｕ＂ｆｋ　ｒ包　输入先缢　『『ｌ起求．然　施『Ｊ【１　丁１）Ａ（：电ｆ５¨　是一ｆ｝ｊ电叭．符Ｉ乜　ｆＩ．Ｉ＿　Ｉ｛找人Ｉ）Ａｔ　仔器的编　码决定｛１ｉ＿收电｝５ｎｆ＿¨１　Ｉ：ｎＪＪｌ；・个１ｂ－ｉＩ、『＇ｌ，ｌ　ｔＩｘ　ＪＩｉ，以跳人输　放人　？ＧＩｉ收电　ｆ　的方法是将近披ｉｆ＆ＩＳｆｔｑ：　放火　的　火之・ｆ　介…ｒ是．叶｛ｆ乜　ｌ５｝１．『　止Ｅ［Ｊ－’以ｆ　ｌｌｌ：吖ｔ州　ｒ｛：　２　ＡＤ５７２４外围电路　Ａ［）５７２４的参　Ｉｕ¨ｔ勾２．５ｖ　Ｉ｛ＩＩ　芯片Ａ１）７８０　Ｊ　Ａ１）７８０足　・种超　度ｆｆ　４￣＃ｉ：ｄＸ　泺．利川５．（）ｖ输入提供２　５ｖ输　¨它』　订『【【初始误差、低珏　ｉ度｝　ｉｌｌ　［移和低输…噪　Ｉ特　ｒｊ：．斤能　动　总久．ＪＷ．Ｊ　Ｉ乜齐、　此　＼１）７８０仆常适合川ｊ：－Ｇ＇ｇＴｌ　分晰　Ｉ）Ａ（：的　ｒ１　能Ａ１）５７２４　的输…为±５ｖ　Ｉ皇１　１｛土Ｍ）５７２４的９Ｉ、　ＩＩ乜　Ａ［）５７２４输　…　ｑ路　Ａ（：一（：（：ｌ　、ＭＭＩ）、¨２ＮＳＩ（）～、ＳＰ输…　ｒ１　经　图１　ＡＤ５７２４外围电路　一　’一　【　：　，　、　、、．　，…■■　：ｒ　收　一　三　。…ｒ　－　一　ｃ２　ｒ：　＿＝、　Ｘ　一　’一一　’　图２跟随器、滤波电路　３　ＡＤ５７２４逻辑时序控制　￣１）５７２４ｊ＆『１【ｉ、ｆ　Ｊ　＿】ｌ冬Ｉ　３　１　（：Ｉ　Ｋ　Ｉ１ｊｆ　｛Ｉ１ｆｐＩＩ输人数抛Ｓ［）ＩＮ　ＳＣＩ　Ｋ的　降沿逐个输人移似奇仃器　『　件ｌｌ，Ｊ钟ｊ坐　最高退　３０ＭＩＩｚ　ｓ、ＮＣ低电、１　输入钉效这址　仃接Ｉ　ＩｆＩ＇Ｊ　川步　号　｛　Ｓ＇￣ＮＣ处ｒ低Ｉ乜￣Ｆ－ｌｌ　数　ｓ¨．　芊｛ｆ｝ｆ０输数　九：　Ｎ（：的ＬＳＩ‘　ｆ『｝锁　ＳＩ）ＩＸ为？ｔ　数槲输入．数　一　须　：　Ｉ　Ｋ的卜降｝ｆ｝仃效ＪＪ】）“：　为Ｊｉｌｌｄ：￣１　７　、（　辚输入，川１‘哑新Ｉ）－＼Ｃ　搿仃　拟输…ｔ　１永久接　为低电　｝Ｉ　ｒ．　ＮＣ的ｌ　升｝ＪｌＬ　韵　ｊ听、７．』ｌＩ－ｆ＇，．ＩＩ）、‘　奇　『』【Ｉ　ＬＤ＾（　’　人阎　ｆ　十Ｉ　Ｊ■ｌ乜、卜．Ｉ）、（：输人衡　会ｌ卫新．ｆ『『输…ｉ＇ｌｉｊＴＩＪ　Ｉ　Ｄ＾（：的　下降沿　’会蜓新输…　此ｆ￣－ｔｔ　Ｆ．所仃　ｊ１２输　【ｌｊ‘以　Ｉ　Ｄ－＼Ｃ的　Ｆ降Ｊｉｌｌｉ　『ｌ１ｆ更新ｌ　１）　、（：『ｊｌ肚０　４ｃｆｉ￣－怂　～ｔⅢｉ输　Ｉ）－ｔｃ　０换ｆ１　的模拟　’ｕ～　Ｌ　Ｊ　ＬＬ　：“　．　＿　＿　—　—Ｌ　——～■ｎ＿　ｔ　＿　Ｉ●ｔ¨～、　，　一ｔ　—－　过跟随器　动输…．　Ｉ　Ｊｎ人滤波和分　Ｉ￣ＦＩ　Ｌ，Ｊ‘ｆ，Ｊｊｉｉ，＇：］ｉＲｆ，Ｊｊ　ＪＩ　Ｊ．ｂＬＩ￣ｌ　２　４　ＤＡＣ软件设计　作者简介：张儒（１９８３一）．女，信号与信息处理专　．硕士．现从事石油测井地面系统开发工作　图３　ＡＤ５７２４接口时序图　Ｉ　…ｌｌｌｌｔＪＩｔ’　、　ｌｌ１科技　界ｌ　１６１

电力电子・Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　

基于ＬＭ３５８芯片的ＰＷＭ滤波数模转换电路设计　

基于脉宽调制【Ｐｗ砌波形的　

频谱理论分析，针对交流伺服电　机实现速度闭环控制需要（±１　０）　

Ｖ模拟信号输入的要求，设计了一　

种基于ＰＷＭ滤波的（±１　０）Ｖ模拟　

信号输出的电路。　

【关键词】电路设计ｐＷＭ滤波数模转换　

本研究在对ＰＷＭ实现Ｄ／Ａ转换理论进　

行分析的基础上，设计了一种输出为一１Ｏ　１Ｏｖ　

模拟信号的Ｄ／Ａ转换电路，旨在为交流伺服　

电机提供更为稳定与精确的模拟信号。　

１　ＰＷＭ滤波的理论分析　

ＰＷＭ是一种周期一定而占空比可以调　

制的方波信号，实际电路中经常遇到的典型　

ＰＷＭ波形其高低电平分别为ＶＨ和ＶＬ，理　

想的情况ＶＬ等于０，但实际一般不等于０。　

本文假设ＰＷＭ为理想情况，ＰＷＭ的幅值为Ａ，　

脉冲宽度为ｘ（ｔ），则脉冲宽度调制波可以表示　

为：　

ｍ　，ｌ＋ｍｘ　Ｃｔ￣，＋　ｖｆ…．ｏｓ　ｒ，　

¨　半　，Ｉ＋ｎｔｘ…，，　

式中：假设脉冲中心在ｋＴｓ处，Ｔ０为未　

调制宽度，ｍ为调制指数；Ｔ　为第ｋ个矩形　

脉冲的宽度。可以看出，脉冲宽度调制信号由　

ｘ（ｔ）加上一个直流成分以及相位调制波构成。　

当￣０＜Ｔｓ时，相位调制部分引起的信号交叠可　

以忽略，所以脉冲宽度调制信号可以直接通过　

滤波器进行解调，从而实现ＰＷＭ滤波Ｄ／Ａ的　

输出。　

２电路设计　

根据前面分析可以设计出ＰＷＭ滤波的信　

号处理其程序通常为ＭｃｕＰｗＭ一整形隔离　

一有源滤波器一驱动放大一模拟信号输出。针　

对控制芯片输出的是０～５Ｖ的ＰＷＭ信号，而　

一般交流伺服电机速度闭环控制需要外部提供　

（±１ｏ）ｖ的模拟信号，所以在控制芯片和交流伺　

服控制卡之间要加一级Ｄ／Ａ转换电路，其功　

能就是把０～５　Ｖ的ＰＷＭ信号变为（．１０）～（＋１０）　

ｖ的模拟信号。　

电路中主要器件采用的是ＬＭ３５８，其内　

部包括２个独立的、高增益、内部频率补偿的　

双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单　

２００７全国通信新理论与新技术学术人会——信息处理与其它　

一种新型模数／数模转换器的设计　

高宇　沈越泓　

（解放军理工大学通信工程学院，南京，２１０００７）　

摘要：本文提出了一种基于ＦＰＧＡ／ＣＰＬＤ的模数／数模转换器的新型结构及设计方法。该结构能够　

兼容多种模数／数模转换方法，有效解决了现有模数／数模转换器数字化方法单一、自由度小等缺　

点。该模数／数模转换器使用高精度模数转换器芯片输出的高精度数字信号来近似代替模拟信号　

数字化的采样过程，在几乎没有信息损失的情况下，输出的数字信号更易于下一步基于ＦＰＧＡ／ＣＰＬＤ　

芯片进行数字信号处理从而实现多种量化、编码算法，完成无限多种模数／数模转换。此设计将　

传统的模数转换器进一步推向了数字化。　实验结果表明，该新型模数／数模转换器是可实现的。　

关键词：模数／数模转换器；采样；量化算法；脉冲编码调制（ＰＣＭ）　

中图分类号：ＴＮ９１１．２１　文献标识码：Ａ　

Ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ａｎａｌｏｇ—・ｔｏ—・ｄｉｇｉｔａｌ　

ａｎｄ　Ｄｉｇｉｔａｌ—・ｔｏ—・ａｎａｌｏｇ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ　

Ｇａｏ　Ｙｕ，Ｓｈｅｎ　Ｙｕｅｈｏｎｇ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＰＬＡ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　

ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１０００７，Ｃｈｉｎａ，．ｇｙ＿ｇａｏｙｕ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＡＤＣ／ＤＡＣ　ｉＳ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｅ　ＡＤＣ　ａｎｄ　ＦＰＧＡ／ＣＰＬＤ．Ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｍｅｒｉｔ　ｆｏｒ　ｔｈｉｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｔｏ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｎａｌｏｇ—ｔｏ—ｄｉｇｉｔａｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｋｉｎｄｓ．Ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｃｏｎｔａｉｎｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｈｉ．ｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｅ　ＡＤＣ　ｗｈｉｃｈ　ｏｕｔｐｕｔｓ　ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｉｎｓｔｅａｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ａｎａｌｏｇ　ｓｉｇｎａｌｓ，ａｎｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｓｅ　ｏｆ　ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｆｉｄｅｌｉｔｙ，ｔｈｅ　ＯＵｔｐｕｔ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌｓ　ａｒｅ　ｂｅａｅｒ　ｆｉｔ　ｆｏｒ　ＤＳＰ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｇｏａ１．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｐｒｏｖｅ　ｉｔｓ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ＡＤＣ／ＤＡＣ．