1

第 12 章 模拟量和数字量的转换

12.1 D/A 转换器12.2 A/D 转换器

2

数 / 模与模 / 数转换器是计算机与外部设备的重要接口 , 也是数字测量和数字控制系统的重要部件。

D/A （数 / 模）转换器：

能将数字量转换为模拟量的装置。

A/D （模 / 数）转换器：

能将模拟量转换为数字量的装置。

概述

3

D/A （数 / 模）转换器： (DAC)

输入： n 位二进制数 N

输出：与输入二进制数 N 成正比的模拟信号（电压或电流） A

（ N ） 2=d n-1·2 n-1 + d n-2·2 n-2 + · · · + d 1·2 1 + d 0·2 0

A=K·N=K （ d n-1·2 n-1 + d n-2·2 n-2 + · · · + d 1·2 1 + d 0·2 0 ）由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”，因此为

了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成 D/A 变换器的基本思想。

12.1 D/A 转换器

4

模拟电子开关

倒梯形电阻网络

运放倒梯形电阻网络 DAC

d0 d1 d2 d3

+

+

-A uo

RF

IO

IO1

+URR

S2 S3S1

00 1

R R

2R 2R 2R 2R 2R

S0

0 01 1 1

IR

电路：

基准电压源

待转换数字量

12.1.1 D/A 转换器的组成和工作原理1 、 D/A 转换器组

成

5

+

+

-A uo

RF

IO

IO1

+URR

S2 S3S1

00 1

R R

2R 2R 2R 2R 2R

S0

0 01 1 1

IR

d0 d1 d2 d3

di 为 1→ Si 与运放的反相输入端连接→ uo = -IO1 RF

di 为 0 → Si 与地连接IO1 = ？ 与哪些量有关？

2. D/A 转换器的原理

6

倒梯形电阻网络

R

I2 I3I1

R R

2R 2R 2R 2R 2R

I0

+URIR

0

0´

1

1 ´

2

2 ´

3

3 ´

R R R R

IR = UR /R

I3 = IR 21

=21

UR

R

I2 = IR 41

=22

UR

R

I1 = IR 81

=23

UR

R

I0 = IR 161

=24

UR

R

IO1

IO1=d3·I3+ d2·I2+ d1·I1+ d0·I0

7

+

+

-A uo

RF

IO

IO1

+URR

S2 S3S1

00 1

R R

2R 2R 2R 2R 2R

S0

0 01 1 1

IR

d0 d1 d2 d3

IO1=d3·I3+ d2·I2+ d1·I1+ d0·I0

I1 I2 I3I0

= （ d3·23+ d2· 22 + d1· 21

+ d0· 20 ）24

UR

R

UO1=-IO1·RF = （ d3·23+ d2· 22 + d1· 21

+ d0· 20 ）24

UR RF

R

8

UO1=-IO1·RF = （ d3·23+ d2· 22 + d1· 21

+ d0· 20 ）24

UR RF

R

若为 n 位二进制数，则

UO1 = （ dn-1·2n-1+ dn-2· 2n-2 + · · · + d0· 20 ）

2n

UR RF

R

若 RF=R ，则

UO1 = （ dn-1·2n-1+ dn-2· 2n-2 + · · · + d0· 20 ）

2n

UR

即输出电压的大小正比于输入二进制数的大小，实现了数字量和模拟量的转换

9

集成 DAC

集成 DAC 的种类：

按电路结构分：

权电阻 DAC 、梯形 DAC 、倒 T 形 DAC 等

按输入二进制数位数分：

八位、十位 、十二位、十六位等

例： AD7520 ： 十位倒 T 形电阻网络 DAC

10

特点：

管脚排列及外接电路：

运算放大器外接

5G7520

1

2

3

4

5

6

7

89

10

11

12

13

14

15

16

d0

d1

d2

d3

d4

d9

d8

d7

d6

d5

GND+UDD

3

2

15

1

16

14 正电源端接地端

4 13~ 十位数字量输入端模拟电流 IO1 输出端模拟电流 IO2 输出端，一般接地参考电压接线端，UR 可正可负

内部电阻 RF 的引出端，另一端在芯片内部接 IO1 端

uo－ ＋＋

UR

11

指最小输出电压和最大输出电压之比。 有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。

1 、分辨率

2 、转换精度指输出模拟电压的实际值与理想值之差。即最大静态转换误差。

如十位 DAC 分辨率：210-1

1=

1023

1

3 、输出电压 ( 电流 ) 的建立时间 从输入数字信号起，到输出模拟电压或电流所需时间。

12.1.2 D/A 转换器的主要技术指标

4 、电源抑制比指输出电压的变化和相对应的电源电压变化之比。

12

12.2 A/D 转换器

模拟量转换成数字量的电路。

A/D 转换器

输入： 连续变化的模拟量

输出： 大小与输入模拟量成正比的数字量

13

其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重 15 克，每个重量分别为 8 、 4 、2 、 1 克。设待秤重量 Wx = 13 克，可以用下表步骤来秤量：

砝码重第一次

第二次第三次第四次

加 4克加 2克加 1克

8 克 砝码总重 < 待测重量 Wx ，故保留砝码总重仍 < 待测重量 Wx ，故保留砝码总重 > 待测重量 Wx ，故撤除砝码总重 ＝ 待测重量 Wx ，故保留

暂时结果8 克

12 克12 克13 克

结 论

12.2.1 逐次逼近型 A/D 转换器基本组成和工作原理

14

顺序脉冲发生器

逐次逼近寄存器 DAC 电压比

较器

输出数字量 输入电压量

顺序脉冲发生器 产生使电路按一定节拍工作的顺序脉冲

逐次逼近寄存器由双稳态触发器构成。先在顺序脉冲的作用下，由高到低依次将各位置“ 1” ，再根据比较器的输出决定该“ 1” 的取舍。

数摸转换器 将逐次逼近寄存器输出的二进制数转换为模拟电压量

电压比较器 将 DAC 输出的模拟电压量与待转换的模拟电压量比较，以确定逐次逼近寄存器中该位的取舍

1. 基本组成

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置数控制逻辑电路

逐次逼近寄存器

D/A 转换器

+

+

-A

Ux

数字量输

出

Uo

d0

d1

dn-1

原理图

设欲转换量 UX

1 ）给逐次逼近寄存器清零；2 ）将逐次逼近寄存器最高位置“ 1”；即 dn-1=1；3 ） DAC 将逐次逼近寄存器输出的数字量转换为模拟量 UO；

4 ）当 UO < UX ，置数控制逻辑电路使该位“ 1” 保留； 当 UO >UX ，置数控制逻辑电路使该位“ 1”去掉； 5 ）将逐次逼近寄存器次高位置“ 1”；即 dn-2=1； 直至确定 d0

2. 工作原理

16

置数控制逻辑电路

逐次逼近寄存器

D/A 转换器

+

+

-A

Ux

数字量输

出

Uo

d0

d1

dn-1

例：四位逐次逼近 DAC

已知： UX=5.52V

DAC 的 UR=8V

试分析转换过程。

1 ）清零： d3 d2 d1 d0=0000

2 ）将最高位置“ 1”；即 d3 d2 d1 d0=1000 ；

3 ） DAC 将逐次逼近寄存器输出的数字量 1000 转换为模拟量 UO；

4 ） UO < UX ，置数控制逻辑电路使 d3=1 保留； UO=8/16 （ 1·23+ 0· 22

+ 0· 21 + 0· 20 ） =4V

d3 d2 d1 d0=1000

17

5 ）将 d2 置“ 1”；即 d3 d2 d1 d0=1100 ；6 ） DAC 将逐次逼近寄存器输出的数字量 1100 转换为模拟量UO；

7 ） UO > UX ，置数控制逻辑电路使 d2=1去掉，使 d2=0 ；

UO=8/16 （ 1·23+ 1· 22 + 0· 21

+ 0· 20 ） =6V

d3 d2 d1 d0=1000

8 ）将 d1 置“ 1”；即 d3 d2 d1 d0=1010 ；

10 ） UO < UX ，置数控制逻辑电路使 d1=1 保留；

UO=8/16 （ 1·23+ 0· 22 + 1· 21

+ 0· 20 ） =5V

d3 d2 d1 d0=1010

9 ） DAC 将逐次逼近寄存器输出的数字量 1010 转换为模拟量UO；

18

11 ）将 d0 置“ 1”；即 d3 d2 d1 d0=1011；

10 ） UO < UX ，置数控制逻辑电路使 d0=1 保留；

UO=8/16 （ 1·23+ 0· 22 + 1· 21

+ 1· 20 ） =5.5V

d3 d2 d1 d0=1011

12 ） DAC 将逐次逼近寄存器输出的数字量 1011 转换为模拟量UO；

ADCUX=5.52V d3 d2 d1 d0=1011

转换误差 =0.02V ，输出位数越多，误差越小

19

2 、相对精度：

以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高

完成一次 A/D 转换所需要的时间。即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间

实际转换值和理想特性之间的最大偏差

1 、分辨率：

3 、转换速度：

4 、其它：电源抑制、功率、电压范围等。

12.2.2 A/D 转换器 的主要技术指标

20

ADC0809 是八通道八位逐次逼近型模数 转换器。

A/D 变换组件也有多种型号可供选择，使用者可根据任务要求进行选择。下面以 ADC0809 为例 ，介绍集成电路 A/D 变换器。

集成 ADC

ADC0809 是 28 脚双列直插式模数转换器

21

八通道模拟量输入

结构框图

8选 1 模拟量选择器

8 位逐次逼近

ADC

三态输出锁存

器

地址

锁存器

IN0

IN7

D0

D7

A

B

C

ALE

START UR （ - ）UR （ + ） OE

CLOCK EOC

8选 1 模拟选择器的地址选择输入端

八位数字量输出

地址锁存信号输入端 高电平有效

输出允许端高电平有效

启动信号输入端启动脉冲下降沿开始转换

外部时钟脉冲输入端 转换结束信号端 高电平有效

正负参考电压输入端该电压确定模拟量的输入电压范围

22

管脚功能

D5

D4

D6

UCC

UR （ +

）

OE

1

2

34

56

7

8

9

10

14131211

1918171615

20

CLK

START

UR(-)

21

22

23

24

25

262728

D1

D2

D7

D3

D0

ALE

C

B

A

IN0

IN1

IN2

IN5

IN4

IN3

IN7

IN6

EOC

GND

ADC0809

选中通道与地址码关系

选中通道

地址码C B A

IN0

IN1

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7

0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

23

END