Основы схемотехники аналого-цифровых устройств

Основы схемотехники 
аналого-цифровых устройств

Учебное пособие  
по курсу «Схемотехника ЭВМ»

Москва, 2023

Аверченков О. Е.

2-е издание, электронное

УДК 004.3’144:621.3.049(075.8)
ББК 32.973.26-04я73-1
А19

Допущено учебно-методическим объединением вузов 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по специальности 230101 
«Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».

Рецензент кандидат технических наук, 
оцент филиала ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Смоленске 
В. А. Тихонов

А19
Аверченков, Олег Егорович. 
Основы схемотехники аналого-цифровых устройств : учебное пособие 
по курсу «Схемотехника ЭВМ» / О. Е. Аверченков. — Эл. изд. — 1 файл pdf : 
81 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. требования: Adobe Reader 
XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-364-6
В пособии описываются основные устройства, сочетающие как аналоговые, так 
и цифровые цепи, применяемые в микропроцессорной технике для взаимодействия 
с аналоговым миром, окружающим процессор. К таким устройствам относятся аналоговые коммутаторы, пороговые устройства (с гистерезисом и без), цифроаналоговые преобразователи и аналого-цифровые преобразователи. Рассмотрены не только принципы действия подобных устройств, но и приведены конкретные примеры 
их реализации, что позволяет рекомендовать данное пособие для курсового проектирования.

УДК 004.3’144:621.3.049(075.8) 
ББК 32.973.26-04я73-1

Электронное издание на основе печатного издания: Основы схемотехники аналого-цифровых 
устройств : учебное пособие по курсу «Схемотехника ЭВМ» / О. Е. Аверченков. — Москва : 
ДМК Пресс, 2012. — 80 с. — ISBN 978-5-94074-350-7. — Текст : непосредственный.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было 
форме и какими бы то ни было средствами без  письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических 
ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность 
приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные  ошибки, связанные с использованием книги.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами 
защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-364-6
© Аверченков О. Е., 2012
© Оформление, ДМК Пресс, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ..........................................................................................................................................5

1
 Аналоговые ключи и коммутаторы ..............................................................................6
1.1. Аналоговый ключ .........................................................................................................7
1.1.1. Общие сведения ................................................................................................7
1.1.2. Проводящее состояние ключа ......................................................................8
1.1.3. Непроводящее состояние ключа ...............................................................10
1.1.4. Динамическая погрешность ключа ..........................................................11
1.1.5. Условное графическое обозначение (УГО) ...........................................11
1.1.6. Выбор микросхемы ключа ...........................................................................12
1.2. Аналоговый коммутатор ..........................................................................................12
1.2.1. Внутренняя структура и УГО ....................................................................12
1.2.2. Параметры .........................................................................................................13
1.2.3. Пример использования коммутатора ......................................................14
1.2.4. Разновидности микросхем ..........................................................................15
1.3. Схема выборки-хранения ........................................................................................16
1.3.1. Схема и принцип действия .........................................................................16
1.3.2. Погрешность недозаряда .............................................................................17
1.3.3. Погрешность хранения .................................................................................18
1.3.4. Микросхема КР1100СК2 .............................................................................19
1.4. Аналоговые ключи с изолированным управлением .......................................19
1.4.1. Ключ с трансформаторным управлением ..............................................19
1.4.2. Ключ с оптическим управлением .............................................................20
1.4.3. Контактные ключи .........................................................................................21
1.4.4. «Летающий конденсатор» ...........................................................................23

2
 Цифроаналоговые преобразователи .........................................................................25
2.1. Структура ЦАП ...........................................................................................................26
2.1.1. Общие сведения ..............................................................................................26
2.1.2. Параметры ЦАП .............................................................................................27
2.1.3. Структура ЦАП ...............................................................................................28
2.1.4. ЦАП на основе двоично-взвешенных резисторов ..............................28
2.1.5. ЦАП на основе резисторной матрицы R-2R .........................................30
2.2. Микросхемы ЦАП и их применение ...................................................................31
2.2.1. УГО ЦАП  .........................................................................................................31
2.2.2. Параллельный интерфейс ЦАП ................................................................31
2.2.3. Последовательный интерфейс типа SPI ................................................33
2.2.4. Последовательный интерфейс типа Up/Down ....................................34
2.2.5. Области использования ЦАП ....................................................................35
2.3. Время-импульсный ЦАП.........................................................................................36
2.3.1. Общие сведения ..............................................................................................36
2.3.2. Формирование ШИМ-сигнала ..................................................................38
2.3.3. Аппаратное формирование ШИМ-сигнала ..........................................39
2.3.4. Сглаживающий фильтр ................................................................................40

СОДЕРЖАНИЕ
4

3
 Пороговые устройства ....................................................................................................42
3.1. Аналоговые компараторы ........................................................................................43
3.1.1. Общие сведения ..............................................................................................43
3.1.2. Основные параметры ....................................................................................45
3.1.3. Схемы сравнения ............................................................................................46
3.1.4. Двухпороговый компаратор .......................................................................48
3.1.5. Формирование прямоугольного сигнала ...............................................49
3.2. Пороговое устройство с гистерезисом – триггер Шмитта ...........................50
3.2.1. Общие сведения ..............................................................................................50
3.2.2. Формирование прямоугольного импульса ...........................................51
3.2.3. Логический элемент с гистерезисом ........................................................52
3.2.4. Прецизионный триггер Шмитта ...............................................................52

4
 Аналого-цифровые преображения (АЦП) .............................................................54
4.1. Общие сведения и параллельный АЦП ..............................................................55
4.1.1. Основные параметры АЦП .........................................................................55
4.1.2. Параллельный АЦП ......................................................................................56
4.1.3. Последовательно-параллельный АЦП ...................................................57
4.2.  АЦП на основе ЦАП и компаратора ...................................................................58
4.2.1. Общие сведения ..............................................................................................58
4.2.2. Развертывающий алгоритм .........................................................................59
4.2.3. Следящий алгоритм .......................................................................................60
4.2.4. Алгоритм поразрядного уравновешивания ...........................................61
4.3. Особенности обслуживания микросхем АЦП .................................................62
4.3.1. Обслуживание АЦП К572ПВ3 ..................................................................62
4.3.2. АЦП с последовательным интерфейсом ................................................63
4.3.3. Особенности встроенных АЦП .................................................................65
4.4. Времяимпульсный АЦП развертывающего типа ............................................66
4.4.1. Основные сведения ........................................................................................66
4.4.2. Схема простейшего время-импульсного АЦП .....................................67
4.4.3. Расчетные соотношения ...............................................................................68
4.4.4. Уменьшение погрешности ...........................................................................69
4.5. АЦП двойного интегрирования ............................................................................70
4.5.1. Общие сведения ..............................................................................................70
4.5.2. Реализация АЦП двойного интегрирования ........................................72
4.6. Частотные и сигма-дельта АЦП ............................................................................73
4.6.1. Частотные АЦП ..............................................................................................73
4.6.2. Преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ) .................................74
4.6.3. Структура сигма-дельта АЦП ....................................................................76
4.6.4. Передискретизация ........................................................................................77
4.6.5. Замена однобитовых устройств .................................................................77

Литература ....................................................................................................................................79

Введение

Для взаимодействия цифрового процессора с внешними аналоговыми объектами необходим определенный набор аналого-цифровых 
устройств для подключения сигналов от датчиков, для оцифровки 
аналогового сигнала, для обратного превращения цифры в аналог 
с целью воздействия на реальный объект. Такие устройства имеют 
как аналоговые, так и цифровые цепи. К ним относятся аналоговые 
ключи и коммутаторы, пороговые устройства (с гистерезисом и без), 
цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП). 
В пособии описаны принципы действия и структура указанных 
устройств.  
Чтобы изложенный материал можно было использовать в курсовом проектировании, особое место в пособии уделено особенностям 
практического подключения аналого-цифровых устройств к однокристальной вычислительной машине (ОВМ) семейства х51. При 
этом предполагается, что читатель знаком с основами программирования в рамках учебного процесса, потому что в некоторых случаях 
для пояснения правил взаимодействия с внешними схемами приведены фрагменты программ на ассемблере, что позволяет наглядно 
совместить пояснение алгоритмики и детализацию отдельных операций, выполняемых ОВМ. 
Примечание: имена переменных и адресных меток, вводимые 
пользователем, в примерах программных фрагм ентов начинаются с 
префикса my, чтобы отличать их от стандартных операторов и директив языка ассемблера, которые для большей заметности набраны 
жирным шрифтом. 

СТРАНИЦА
ГЛАВА

АНАЛОГОВЫЕ КЛЮЧИ 
И КОММУТАТОРЫ
1

2
Цифроаналоговые преобразователи
25
3
Пороговые устройства
42
4
Аналого-цифровые преображения (АЦП)
54

АНАЛОГОВЫЙ КЛЮЧ

Для подключения сигналов с аналоговых датчиков к входу АЦП, 
соединенного с ВМ, служат аналоговые коммутаторы (мультиплексоры). На управляющих входах аналогового коммутатора действуют 
цифровые сигналы, разрешающие или запрещающие прохождение 
аналогового сигнала с одного из входов на общий выход.
Основными элементами коммутатора являются аналоговые ключи, 
которые входят в состав и более сложных устройств, таких как ЦАП 
и АЦП, и оказывают существенное влияние на их характеристики. 

1.1. Аналоговый ключ

1.1.1. Общие сведения

Аналоговый ключ, в отличие от цифрового, работает с непрерывным 
множеством передаваемых значений и должен максимально точно 
передать сигнал от источника информации к приемнику. Поэтому 
аналоговый ключ по своим свойствам ближе к идеальному ключу, 
чем цифровой, то есть имеет минимальное сопротивление в проводящем состоянии и максимальное – в непроводящем.
Информационный сигнал, обычно представляющий напряжение, отсчитывается относительно общей точки системы, условно 
назы ваемой «землей». Поэтому аналоговый ключ, подсоединяемый 
между источником сигнала и приемником (нагрузкой), чаще всего 
включается непосредственно в информационный провод, как показано на функциональной схеме, приведенной на рис. 1.1. 

Рис. 1.1

В качестве ключей можно использовать контактные ключи, например герконы, которые рассмотрены в параграфе 1.3. Но их быстродействие и ресурс работы не велики, и поэтому в микропроцессорной технике в основном применяются бесконтактные ключи на 
основе полевых транзисторов с изолированным затвором.

АНАЛОГОВЫЕ КЛЮЧИ И КОММУТАТОРЫ
8

Например, на схеме рис. 1.2 в качестве ключа К использован 
полевой транзистор с изолированным затвором и каналом р-типа. 
В принципе, тип транзистора зависит от используемой технологии и 
реально в одном ключе могут комбинироваться два транзистора для 
улучшения его характеристик. Например, параллельное соединение 
двух разнотипных транзисторов уменьшает сопротивление ключа 
в проводящем состоянии и позволяет коммутировать двухполярное 
входное напряжение. 

Рис. 1.2

Вывод 1 аналогового ключа называют входом, а вывод 2 – выходом. 
Отметим, что вход и выход можно поменять местами, то есть аналоговый ключ, в отличие от цифрового, является обратимым элементом.
Управление ключом осуществляется напряжением на затворе 
транзистора. Оно должно обеспечивать надежное переключение при 
заданных величинах и полярностях входного сигнала. Формирование напряжения UЗ обеспечивается специальными каскадами внутри 
микросхем и скрыто от пользователей. Наружное управление аналоговым ключом обычно осуществляется цифровым сигналом UУ, 
близким по уровням к ТТЛ-сигналу. 
Принято считать сигнал UУ активным, когда ключ проводит, и 
пассивным, когда не проводит. Если активный уровень нулевой, то 
вход называют инверсным и его условно-графическое обозначение 
(УГО), как и в цифровых схемах, помечается кружочком. Если активный уровень единичный, то управляющий вход называют прямым (см. п. 1.1.5). 
Таким образом, аналоговый ключ имеет два состояния – проводящее и непроводящее. Рассмотрим их особенности по отдельности.

1.1.2. Проводящее состояние ключа

Будем считать, что напряжение UУ имеет активный уровень. Тогда 
ключ находится в проводящем состоянии и его в простейшем случае 
можно заменить внутренним сопротивлением канала RО транзистора