第 23 章 模拟量与数字量的转换

电子技术电子技术

S8 S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1

R28 R27 R26 R25 R24 R23 R22 R21

8 4

1 5

7

6

2

R1

555

＋ UDD

uo3

C

第第 2323 章 模拟量与数字量的转换章 模拟量与数字量的转换

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电子技术 电子技术

第 第 23 23 章 模拟量与数字量的转换章 模拟量与数字量的转换

课堂讨论

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23.1 A/D 23.1 A/D 与 与 D/A D/A 转换概述转换概述 23.2 23.2 数模转换器 数模转换器 23.3 23.3 模数转换器 模数转换器 23.4 23.4 数字电路应用综合举例 数字电路应用综合举例

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A/D

23.1 A/D 23.1 A/D 与 与 D/A D/A 转换概述 转换概述

第 23 章 模拟量与数字量的转换

传感器

计算机

执行机构

控制对象

D/A

数字量数字量

模拟量模拟量

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23.2 23.2 数模转换器数模转换器

数字量 与数字量等值 的十进制数成 正比的模拟量

D/A

一、 D/A 转换器的组成 1. 数码寄存器 2. 模拟电子开关电路 3. 解码网络 4. 求和电路 5. 基准电压

第 23 章 模拟量与数字量的转换

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1. 按被转换的二进制数的位数分类 四位、八位、十位、十二位、十四位、 十六位、十八位、二十位。2. 按输入方式分类 并行输入、串行输入。3. 按解码网络结构的不同分类 T 形电阻网络 D/A 转换器、 权电流 D/A 转换器、 权电阻网络 D/A 转换器等。

二、 D/A 转换器的分类

23.2 数模转换器

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4. 按模拟电子开关电路的不同分类 CMOS 开关型 D/A 转换器、 双极型开关 D/A 转换器（高速）等。

23.2 数模转换器

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D4 D3 D2 D1

UREF

－

＋＋

3R

8

2R 2R 2R 2R 2R 2R

4 3 2 1

S4 S3 S2 S1

Uo

△

R R R

三、 D/A 转换器的工作原理

电子双 向开关

1 0 0 0 0 0 0 0

23.2 数模转换器

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－

＋＋

3R

8

2R 2R 2R 2R 2R 2R

4 3 2 1

S4 S3 S2 S1

Uo

△

R R R

Ui = 0

= 0

1. D4D3D2D1 = 0000 时

23.2 数模转换器

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+

－

UREF

24

+

－

+

－UREF

+

－

2R 2R 2R

R 4

2. D4D3D2D1 = 0001 时（ S1 单独接 UREF ）

2R 2R

1 3 R 2 R

R R

UREF

2

UREF

22

R

UREF

23

R －

＋＋

3R

8

Uo

△ 2R

UREF

24Uo = －输出：

23.2 数模转换器

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+

－

+

－UREF

+

－

2R 2R 2R

R 4

3. D4D3D2D1 = 0010 时（ S2 单独接 UREF ）

2R 2R

1 3 R 2 R

R R

UREF

2

UREF

22

R

UREF

23

R －

＋＋

3R

8

Uo

△ 2R

UREF

23Uo = －输出：

23.2 数模转换器

LFChun 制作 大连理工大学电气工程系

+

－

+

－UREF

2R 2R 2R

R 4

4. D4D3D2D1 = 0100 时（ S3 单独接 UREF ）

2R 2R

1 3 R 2 R

R R

UREF

2

R

UREF

22

R －

＋＋

3R

8

Uo

△ 2R

UREF

22Uo = －输出：

23.2 数模转换器

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+

－UREF

2R 2R 2R

R 4

5. D4D3D2D1 = 1000 时（ S4 单独接 UREF ）

2R 2R

1 3 R 2 R

R R

UREF

2

R R －

＋＋

3R

8

Uo

△ 2R

UREF

21Uo = －输出：

23.2 数模转换器

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Uo = D4Uo4 ＋ D3Uo3 ＋ D2Uo2 ＋ D1Uo1

UREF

24+1Uo = － ∑2i Di

4

i =1

UREF

2Uo = － ( D4 ＋ D3 ＋ D2 ＋ D1 )

UREF

22

UREF

23

UREF

24

Di = 1 时， Si 接 UREF ； Di = 0 时， Si 接地。

若输入为 n 位，则 UREF

2n+1Uo = － ∑2i Di

n

i =1

12 ∑2i Di

n

i=1

与 n 位二进制数

等值的十进制数

23.2 数模转换器

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6. 电子双向开关

VT1

＋ UREF 　

Di

Si

＋ UCC

－ U

BB

VT2

VT3

VT41

0 11

饱和导通

截止

23.2 数模转换器

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VT1

＋ UREF 　

Di

Si

＋ UCC

－ U

BB

VT2

VT3

VT40

1 00

6. 电子双向开关

23.2 数模转换器

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四、 D/A 转换器的主要技术指标 1. 分辨率 最小输出电压→ 输入二进制数为 0…01 最大输出电压→ 输入二进制数为 1…11

Uomin

Uomax

KRR =1

2n － 1 =

2. 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。

23.2 数模转换器

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3. 线性度 通常用非线性误差的大小来表示。4. 输出电压（或电流）的建立时间 指从输入数字信号起，到输出电压或电流达到稳定值所需要的时间。5. 电源抑制比 输出模拟电压的变化与相对应的电源电压变化之比称为电源抑制比。

23.2 数模转换器

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解： (1) 输入二进制数为 1011 时

= － 2 － 7×10×(0×26 ＋ 0×25

＋ 1×24 ＋ 0×23 ＋ 1×22 ＋ 1×21 ) V = － 1.71875 V

例 23.1 某六位 R － 2R 型 D/A 转换器的基准电压UREF = 10V ，求输入二进制数为 1011 和 111101 两　种情况下的输出模拟电压及该数模转换器的分辨率。

= － 9.53125 V

UREF

26+1Uo = － ∑2i Di

6

i =1

UREF

26+1Uo = － ∑2i Di

6

i =1

(2) 输入二进制数为 111101 时

23.2 数模转换器

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(3) 分辨率KRR = 1

2n － 1 =1

26 － 1 = － 0.0159

23.2 数模转换器

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23.2 数模转换器

五、数模转换器的用途1. 用于自动控制 过程控制、高温环境中的控制系统、 精密侍服控制、数字控制等。2. 信号处理 波形产生、向量产生、数字声频重构、 可编程滤波器、超高速数字衰减等。3. 图像处理、高分辨率彩色图像系统4. 用于机器人

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23.3 23.3 模数转换器模数转换器

一、 A/D 转换器的分类 1. 串行 A/D 转换器 逐次逼近型 A/D 转换器、积分式 A/D 转换器。 2. 并行 A/D 转换器 闪电式 A/D 转换器（高速 A/D 转换器）。 3. 分量程 A/D 转换器 由并行 A/D 转换器和流水线型 A/D 转换器组成的。 特点：高分辨率、高转换速率。

模拟量 与其等值的数字量 A/D

第 23 章 模拟量与数字量的转换

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23.3 模数转换器

二、 A/D 转换器的工作原理

在最高位设定数字量 1 D/A 模拟量

与待转换的 模拟量比较

修改

在次高位设定数字量 1 D/A 模拟量 修改

直至设定的数字量与待转换的模拟量之间的误差小于最低一位数字量为止。

与待转换的 模拟量比较

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设 UREF = － 10 V

ux = 6.88 V

CP1 使 Q4Q3Q2Q1 = 1000 uA = 5V 6.88V

清零

Q4 Q3 Q2 Q1

D C

RD SD RD SD RD SD RD SD

D C D C D C

顺序脉冲分配器

FF4

D/A 转换器

8

－＋

＋

ux

uA

1 1 11

FF3 FF2 FF1

D4 D3 D2 D1

CP1 CP2 CP3 CP4 CP5

0 0 0 0

1

1

23.3 模数转换器

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设 UREF = － 10 V

ux = 6.88 V

CP2 使 Q4Q3Q2Q1 = 1100 uA = 7.5V ＞ 6.88V

清零

Q4 Q3 Q2 Q1

D C

RD SD RD SD RD SD RD SD

D C D C D C

顺序脉冲分配器

FF4

D/A 转换器

8

－＋

＋

ux

uA

1 1 11

FF3 FF2 FF1

D4 D3 D2 D1

CP1 CP2 CP3 CP4 CP5

0 0 0

1

1 1

0

23.3 模数转换器

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设 UREF = － 10 V

ux = 6.88 V

CP3 使 Q4Q3Q2Q1 = 1010 uA = 6.25V ＜ 6.88V

清零

Q4 Q3 Q2 Q1

D C

RD SD RD SD RD SD RD SD

D C D C D C

顺序脉冲分配器

FF4

D/A 转换器

8

－＋

＋

ux

uA

1 1 11

FF3 FF2 FF1

D4 D3 D2 D1

CP1 CP2 CP3 CP4 CP5

0 01 1

0

0 1

1

23.3 模数转换器

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设 UREF = － 10 V

ux = 6.88 V

CP4 使 Q4Q3Q2Q1 = 1011 uA = 6.875V ＜ 6.88V

清零

Q4 Q3 Q2 Q1

D C

RD SD RD SD RD SD RD SD

D C D C D C

顺序脉冲分配器

FF4

D/A 转换器

8

－＋

＋

ux

uA

1 1 11

FF3 FF2 FF1

D4 D3 D2 D1

CP1 CP2 CP3 CP4 CP5

01 0 1

1

1

CP5 使 Q4Q3Q2Q1 = 1011 uA = 6.875V ＜ 6.88V

23.3 模数转换器

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1. 分辨率 以输出二进制数的位数表示分辨率。 位数越多，误差越小，转换精度越高。(1) 一般分辨率 四位、八位、十位、十二位等。(2) 高分辨率 十四位、十五位、十六位、 十八位、二十位、二十二位等。

三、 A/D 转换器的主要技术指标

23.3 模数转换器

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2. 相对精度 相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。在理想的情况下，所有的转换点应当在一条直线上。3. 转换速度 转换速度是指完成一次转换所需要的时间。 并行比较型 A/D 转换器就比逐次逼近型 A/D 转换器的转换速度快得多。

4. 电源抑制 在输入模拟电压不变的前提下，当转换电路的供电电源电压发生变化时，对输出也会产生影响，这种影响可用输出数字量的绝对变化量来表示。

23.3 模数转换器

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23.4 23.4 数字电路应用综合举例数字电路应用综合举例一、数字钟1. 数字钟系统的组成

信号源

计时电路

时间标准信号

译码显示电路

分频电路

信

号

秒较时电路

报时电路

第 23 章 模拟量与数字量的转换

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23.4 数字电路应用综合举例

门

触发器 触发器 SB1 SB2

1Hz

石英晶体 振荡器 整形电路 分频器

105 HZ 105 HZ

时显示器

时译码器

时计数器 （ 24 进制）

分显示器

分译码器

分计数器 （ 60 进制）

秒显示器

秒译码器

秒计数器 （ 60 进制）

2 kHz

500 Hz

门

正常 计时时

60 个秒脉冲出一个进位脉冲

60 个分脉冲出一个进位脉冲

2. 数字钟的工作原理

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门

触发器 触发器 SB1 SB2

1Hz

石英晶体 振荡器 整形电路 分频器

105 HZ 105 HZ

时显示器

时译码器

时计数器 （ 24 进制）

分显示器

分译码器

分计数器 （ 60 进制）

秒显示器

秒译码器

秒计数器 （ 60 进制）

2 kHz

500 Hz

门

关闭进位脉冲“时计数器”按秒 的速度快速走时

校对 小时时

2. 数字钟的工作原理

23.4 数字电路应用综合举例

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控制“门”引导哪路信号

门

触发器 触发器 SB1 SB2

1Hz

石英晶体 振荡器 整形电路 分频器

105 HZ 105 HZ

时显示器

时译码器

时计数器 （ 24 进制）

分显示器

分译码器

分计数器 （ 60 进制）

秒显示器

秒译码器

秒计数器 （ 60 进制）

2 kHz

500 Hz

门

关闭进位脉冲“分计数器”按秒的速度快速走时

校对 分钟时

2. 数字钟的工作原理

23.4 数字电路应用综合举例

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1 1

3. 报时电路的设计某时 59'50" 开始报时。

0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0L1 L2 L3 L4 L5 L6

L1

L2

L3

L4

L5

L6

0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1

&

1

&

2

59' 时 59'50" 时

Q3 Q2 Q1 Q0

23.4 数字电路应用综合举例

分十位 分个位 秒十位 秒个位

L8 L7

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500 Hz

1

2 kHz

1

L8 L7

L7

Q3 Q2 Q1 Q0

0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1

L8

1

500 Hz

2 kHz

51~ 57"

&

4

&

259"

功放音响

111

110

111

110

3. 报时电路的设计某时 59'50" 开始报时。

23.4 数字电路应用综合举例

1 1 L1

L2

L3

L4

L5

L6

&

1

&

2

59' 时 59'50" 时

秒个位

&

3

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二、数字转速表

放大器 整形 电路 与门 计数器 译码器

基准时间 脉冲发生器

显示器

R

＋ U 反光纸

反光纸的光线使光敏二极管导通。 转子每转一圈，电阻 R 上形成一个脉冲信号。 整形电路将不规矩的脉冲信号变换成规矩的方波信号。 与门间隔地开通 1s ，计数器记录 1s 内的脉冲个数。 译码显示实时地显示转速值。

23.4 数字电路应用综合举例

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课 堂 讨 论课 堂 讨 论 23.1 数字系统和模拟系统之间常采用哪种 接口 电路？答：（ ） 。 a. 计数器 b. A/D 和 D/A 转换器 c. 寄存器

第 23 章 模拟量与数字量的转换

b

23.2 数模转换器的分辨率取决于（ ）。 a. 输入二进制数字信号的位数，位数越多分辨率越高 b. 输出的模拟电压 Uo ， Uo 越高，分辨率越高 c. 参考电压 UR ， UR 越大，分辨率越高

a

23.3 模数转换器的分辨率是用（ ）表示的。 a. 输入的模拟信号的最小值b. 输出的二进制数的位数c. 转换电路的类型

b

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课 堂 讨 论

23.4 有一个 8 位 R － 2R 型 D/A 转换器，其基准电 压 UREF＝ 10V ，输入的二进制数为 110111 ，则输出的 模拟电压为（ ） V 。a. － 2.14844 b. － 0.214844 c. 4.29688

a

23.5 逐次逼近型 A/D 转换器转换开始时，首先应 当将（ ）。a. 移位寄存器的最高位置 1b. 移位寄存器的最低位置 1c. 移位寄存器的所有位置 1

a

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23. 7 某数模转换器的输入为 8 位二进制数字信号，输出为 0 ~ 25.5 V 的模拟电压。若数字信号的最低 位是1 其余各位是 0 ， 则输出的模拟电压为 ( ) V 。a. 0.1 b. 0.01 c. 0.001

课 堂 讨 论

a

23.6 有一个 8 位 R － 2R 型 D/A 转换器，当输入数 字信号为 00000001 时，输出模拟电压为 0.04 V ，若 输入为 10001000 时，则输出为（ ） V 。a. 7.8 b. 10.88 c. 5.44

c

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电子技术 电子技术

第 第 23 23 章 章

结 束结 束

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