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 одно-
кристальной 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 

АНАЛОГОВЫЙ КЛЮЧ

(рис. 1.3). Значение RО зависит от типа ключа, приводится в справочниках 
и имеет величину от единиц до сотен омов. 

Рис. 1.3

Полученную схему замещения можно использовать для оценки 
влияния ключа на выходной сигнал: 

 
(1.1)

Из формулы видно, что дробь меньше единицы и UВЫХ < UВХ, то 
есть ключ ослабляет сигнал и вносит определенную погрешность.
Относительную погрешность для проводящего состояния можно 
рассчитать как отношение напряжения, падающего на ключе, к максимальному 
входному сигналу: 

 
(1.2)

Подставив сюда значение UВЫХ при UВХмакс, получим (при RН >> RО):

 
(1.3)

Пусть, например, RО = 50 Ом, а RН = 10 кОм, тогда δО = 0,5%. 
Здесь следует отметить, что не так важна величина этой погрешности (
ведь ее можно учесть после оцифровки, введя поправочный 
коэффициент в программе), как ее неизменность. Дело в том, что RО 
для конкретного ключа в точности неизвестно, поскольку производитель 
дает чаще всего максимально возможные значения. Вдобавок 
нужно помнить, что RО нелинейно зависит от входного сигнала и, 
кроме того, существенно меняется при изменении температуры. Поэтому 
на практике стараются максимально увеличивать RН, чтобы 
даже в худшем случае погрешность была не более заданной. Один из 
способов увеличения RН путем подключения нагрузки к коммутатору 
через повторитель сигнала с большим входным сопротивлением 
иллюстрирован в п. 1.2.3.

АНАЛОГОВЫЕ КЛЮЧИ И КОММУТАТОРЫ
10

1.1.3. Непроводящее состояние ключа

Характеризуется огромным сопротивлением (более ГОм), которое 
в большинстве случаев не учитывается в расчетах. Однако паразитный 
ток через ключ все-таки протекает – это достаточно малый ток 
утечки через различные внутренние цепи, попадающий на нагрузку. 
Поэтому эквивалентная схема замещения ключа в непроводящем 
состоянии (рис. 1.4) учитывает этот источник тока IУТ. Отметим 
также, что на направление и величину этого тока дополнительно 
оказывают влияние полярность и величина входного сигнала.

Рис. 1.4

Нетрудно видеть, что на выходе будет отличное от нуля неинформационное 
напряжение:

UH = IУТRH. 
(1.4)

Однако в составе коммутатора ток утечки непроводящего ключа 
будет замыкаться через малое сопротивление проводящего ключа 
в соседнем канале, и тогда паразитная составляющая будет значительно 
меньше:

UH = IУТRO. 
(1.5)

Для оценки относительной погрешности нужно поделить неинформационную 
составляющую UН на максимальный входной сигнал:

 
(1.6)

Например, имеем справочные значения IУТ = 1 мкА, RО = 50 Ом, 
а напряжение UМАКС = 1 В известно из технического задания. Тогда 
для одиночного  ключа найдем δУ = 10–6 · 50/1 = 0,005%. 
И опять отметим, что поскольку точное значение тока IУТ для 
конкретного ключа неизвестно, то речь идет только об упрощенной 
оценке максимально возможного значения погрешности. На практи-

АНАЛОГОВЫЙ КЛЮЧ

ке нужно также учитывать температурные изменения тока IУТ, которые 
могут быть весьма значительными.

1.1.4. Динамическая погрешность ключа

Кроме статических, медленно изменяющихся погрешностей, которые 
мы рассмотрели, в аналоговом ключе имеются и динамические 
составляющие, вызванные перезарядом внутренних паразитных 
емкостей при переключении управляющего сигнала. Токи заряда и 
разряда этих емкостей просачиваются в информационный канал и 
образуют на нагрузке так называемые всплески (см. рис. 1.5).
Эти всплески подмешиваются к информационному сигналу и вносят 
определенную погрешность, зависящую от способа оцифровки. 
Например, при использовании в цепи обработки сигнала осредняю-
щих цепей погрешность будет максимальна. Если же осред нения 
нет, то стараются проводить оцифровку спустя некоторое время 
после переключения (участок А на рис. 1.5).

Рис. 1.5

Подобная динамическая погрешность не всегда указывается в документации, 
чаще приводится время переключения из одного состояния 
в другое (десятки и сотни наносекунд), которое характеризует 
потенциальное быстродействие ключа. 

1.1.5. Условное графическое обозначение (УГО)

На принципиальных схемах внутреннюю структуру ключа не изображают, 
а пользуются стандартным обозначением в виде прямоугольника (
рис. 1.6), внутри которого указывают символ функции, выполняемой 
ключом, – SW (от SWITCH). Аналоговый и управляющий 
входы ключа расположены, как обычно, с левой стороны, а выход – 
с правой. Аналоговые выводы чаще всего не маркируются отдельными 
буквами, а управляющий вход, для отличия, имеет буквенное 
обозначение, например E (от ENABLE – разрешить).

АНАЛОГОВЫЕ КЛЮЧИ И КОММУТАТОРЫ
12

1.1.6. Выбор микросхемы ключа

Микросхемы аналоговых ключей в настоящее время выпускаются 
множеством зарубежных фирм. В России номенклатура выпускаемых 
ключей значительно меньше и ограничивается в основном устаревшими 
микросхемами серии К590, имеющими буквенный индекс 
КН, например КР590КН13. 
При выборе типа ключа обычно обращают внимание на время 
переключения, значения RО и IУТ, напряжение питания микросхемы, 
диапазон переключаемых напряжений и уровни управляющего сигнала.

Одиночные аналоговые ключи используются сравнительно редко. 
В основном они входят в состав более сложных устройств, таких как 
коммутаторы, схемы выборки-хранения, ЦАП, АЦП, синхронные 
детекторы, усилители с программируемым коэффициентом усиления, 
усилители постоянного тока с коррекцией нуля и др. [1]. Часть 
из этих ключевых устройств будет рассмотрена далее.

1.2. Аналоговый коммутатор

1.2.1. Внутренняя структура и УГО

Коммутатор представляет собой набор аналоговых ключей, выходы 
которых объединены (рис. 1.7). Для уменьшения числа управляющих 
внешних выводов используется внутренний дешифратор DC. 
Сигналы на входе дешифратора задают в двоичном виде номер выбранного 
канала, то есть активным будет только один управляющий 
выход дешифратора. В том случае, если разрешающий сигнал 
дешифратора E пассивен, все ключи находятся в непроводящем 
состоянии. Этот режим позволяет подключать выходы нескольких 
микросхем коммутаторов на одну нагрузку, разрешая работу только 
одному из них по входу E. 

Рис. 1.6