数字电子技术基础第九章模数与数模转换
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数字电路-数模转换
d2
I 22
d1
I 23
d0
I 24
)
IRF 24
(d3 23
d2 22
d1 21 d0 20 )
IRF 24
3
(di 2i )采用恒流源电路后对提高转换精度有什么好处？
i0
9.2.7 D/A转换器的主要技术指标
1.分辨率
分辨率：D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。 实际应用中用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。
八位集成ADC0809
图 9-17 ADC0809 (a) 电原理框图； (b) 引脚图
2. 主要技术指标 分辨率： 八位。
转换时间： 100μs 。
功耗： 15mW 电源： 5V 。
图 9-4 比例系数误差
图 9-5 漂移误差
3.
从数字信号输入DAC起，到输出电流（或电压）
达到稳态值所需的时间为建立时间。 建立时间的大小
决定了转换速度。目前 10~12
D/A 转换
器（不包括运算放大器）的建立时间可以在 1 微秒以
内。
§9-3 A/D转换器（ADC）
A/D
A/D转换是将模拟信号转换为数字信号， 转换过程:
工 作 波 形
ADC
电路实现
9.3.5 A/D转换器的主要技术指标
1.
分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。 从理论上讲，一个n位二进制数输出的A/D转换器应能区 分输入模拟电压的2n个不同量级。 例如，A/D转换器的输出为 1221n位F二SR进制数，最大输入模 拟信号为 10V，则其分辨率为
1V 13/15 V 11/15 V 9/15 V 7/15 V 5/15 V 3/15 V 1/15 V
第9章数模和模数转换
Vref 2n
i
1 LSB 2
~
Vref 2n
i
1 2
LSB
Xi
i = 0, 1, 2,…, n-1.
1 2
LSB
Vref 2n1
称为量化误差
9.3.1 ADC的工作过程
1. 采样与保持 采样：按一定的时间间隔取信号一瞬间的值。
输入信号 采样脉冲 采样信号
为采样时间
TS 为采样周期
x2 4
x3 8
Vref 23 R
x122 x2 21 x3 20
Vref 23 R
X
V0 iRf
Vref 23
Rf R
X
当 Rf
R
时， V0
Vref 23
X
9.1.4 R-2R倒梯形DAC
从每个节点(ABC)向右看，等效电阻都是2R。因
此每过一个节点，电流减小一半。
x1
Vref R
x2
Vref 2R
x3
Vref 4R
R f Vref 22 R
x122 x2 21 x3 20
Vref 23
X
其中取 R 2R f ，x1, x2 , x3 取值为0或1。
9.1.3 R-2R T形电阻网络DAC
(1) 当 x3 = x2 = 0, x1 = 1 时
普通电视图象信号，最高频率达 5.5MHz，用 24位真彩 色，采样频率用 11MHz，则转换输出码率为 264Mb ps，即 31.47MByte ps。用普通光盘可以存储约 20秒种。
数字电子技术基础电子课件项目九ADDA转换
从图中可见： 每位的显示频率f1=f1/80;f1是时钟频率。
9.1.5 集成ADC的应用
被测电压
3 1 位电压表 2
A/D转换 译码驱动 LED显示
基准电压 源电路
1111
位线驱动
工作原理分析：
MC1403：基准电压源电路；为MC14433提供高精度、高 稳 定性的参考电源；
MC14433：A/D转换； CD4511：译码驱动共阴型的LED数码管； MC1413：反相驱动电路，接收MC14433的选通脉冲
uo
5 7.5 6.25 6.875 6.5625 6.71875 6.796875 6.8359375
ui>uo
1 0 1 0 1 1 1 1
uI>uO为1 否则为0
相对误差仅为0.06 % 。转换精度取决于位数。
9.1.4 集成A/D转换器及应用
一、ADC 0809 ADC 0809 是8位8通道的逐次比较型号的AD转换器。
项目九 A/D、D/A转换器及应用
9.1A/D转换器及应用 9. 2 D/A转换器及应用 9.3常用的ADC、DAC 本章小结
设计项目
数字温度计
u
模数 0101 011
转换
t/R
电路
显示器
主要内容
数模转换器和模数转换器作用、类型、工作原理,以 及特点；
数模转换器和模数转换器的正确使用及应用。
主要技能
2． D/A转换器的基本原理
uo 应是与D按
权展开式成比
D0
例的模拟量
（X）。 D1
….
io
Dn
uo uO K • X
X Dn12n1 Dn22n2 ...... D121 D020
9.1.5 集成ADC的应用
被测电压
3 1 位电压表 2
A/D转换 译码驱动 LED显示
基准电压 源电路
1111
位线驱动
工作原理分析：
MC1403：基准电压源电路；为MC14433提供高精度、高 稳 定性的参考电源；
MC14433：A/D转换； CD4511：译码驱动共阴型的LED数码管； MC1413：反相驱动电路，接收MC14433的选通脉冲
uo
5 7.5 6.25 6.875 6.5625 6.71875 6.796875 6.8359375
ui>uo
1 0 1 0 1 1 1 1
uI>uO为1 否则为0
相对误差仅为0.06 % 。转换精度取决于位数。
9.1.4 集成A/D转换器及应用
一、ADC 0809 ADC 0809 是8位8通道的逐次比较型号的AD转换器。
项目九 A/D、D/A转换器及应用
9.1A/D转换器及应用 9. 2 D/A转换器及应用 9.3常用的ADC、DAC 本章小结
设计项目
数字温度计
u
模数 0101 011
转换
t/R
电路
显示器
主要内容
数模转换器和模数转换器作用、类型、工作原理,以 及特点；
数模转换器和模数转换器的正确使用及应用。
主要技能
2． D/A转换器的基本原理
uo 应是与D按
权展开式成比
D0
例的模拟量
（X）。 D1
….
io
Dn
uo uO K • X
X Dn12n1 Dn22n2 ...... D121 D020
《数字电子技术基础》第9章.数模模数转换电路
9.2 A/D转换电路
6.逐次比较寄存器
3个边沿RS触发器用 来暂存变化的二进制数字。
1号触发器寄存二进制数
的最低位（LSB），3号触 发器寄存二进制数的最高 位（MSB）。
9.2 A/D转换电路
7.输出电路
9.2 A/D转换电路
8.工作原理
例9.2.2在图9.2.8中3位A/D转换电路中,3位D/A转换电路中参考电压 UREF=7 V，若模拟输入电压ui=5.6 V，输出的3位数字量Q2Q1Q0为多少？ 解：经采样保持电路将输入模拟电压ui=5.6 V转换ui=5.6 V。开始 环形计数器的QA=1，则RS触发器输出Q3Q2Q1=100，所以uo=4-0.5=3.5 V。 因为uo＜ui，所以CO=0。在第2个时钟脉冲上升沿到来后，QB=1，RS触发器 输出Q3=1，Q2=1，此时Q3Q2Q1=110，所以uo=6-0.5=5.5 V。因为uo＜ui，所 以CO=0。接着第3个时钟脉冲上升沿到来后，QC=1，RS触发器输出 Q3Q2Q1=111，经D/A转换器后uo=7-0.5=6.5 V，使uo＞ui，CO=1。在第4个时 钟脉冲上升沿到来后，QD=1，RS触发器Q3Q2Q1变化为110。在第5个时钟脉 冲上升沿到来后，QE=1，打开输出门GA、GB、GC，将转换的数字结果读出， 即模拟输入电压为5.6 V时,转换为三位二进制码110。
第9章 数/模和模/数转换电路
本章小结 各种电路在精度、转换速率及其他参数等方面各具特色，因而应用 都比较广泛。电压时间变换型精度高，抗干扰能力强，对元件稳定 性要求较低，在低转换速率的场合下应用广泛。电压频率变换型对 于调频信号具有较高的抗干扰能力，也用于低速的遥测、遥控系统。 并行比较型转换速度快，但集成度相对不高，且易受干扰，主要应用 于超高速A/D转换电路中。逐次比较型转换精度较高，成本较低，速 度低于并行比较型，应用最为广泛。另外，A/D转换器的其他实现方 法有Σ-Δ型A/D转换电路、流水线A/D转换电路等。 根据实际需要的转换精度、转换速率、功耗等指标选择A/D转换电路 和D/A转换电路，还应注意便于与其他数字系统或者微型计算机接口。
第九章数模和模数转换优秀课件
9.2 D/A转模路拟组开成关 DD电＝ ＝源10时时组电接 接成路运 地。由放解码网络、模拟开关、求和放求 算大放和器大集和器成基运准
基准参 考电压
R－2R倒T 形电阻解 码网络
9.2 D/A转换器
2. 工作原理 由于集成运算放大器的电流求和点Σ为虚地，
所以每个2R电阻的上端都相当于接地，从网络的A、 B、C点分别向右看的对地电阻都是2R。
第9章
第九章数模和模数 转换
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9.1 概述
➢ 数字电路、计算机只能对数字信号进行处理，其 结果为数字量。然而，自然界中绝大多数的物理 量都是连续变化的模拟量。例如温度、速度、压 力等。这些模拟量经传感器转换后所产生的电信 号也是模拟信号。若要数字装置或计算机对这些 信号进行处理，就必须将其转换为数字信号。
9.2 D/A转换器
➢DAC的输入是数字信号。它可以是任何一种编码， 常用的是二进制码。输入可以是正数，也可以是负数， 通常是无符号的二进制数。由于输入数字量的位数是 有限的，所以输出的模拟量也是有限的。例如三位 DAC只能有八个，相应模拟量输出的大小也只有八个 不同值。
9.2 D/A转换器
一、D/A转换基本原理 数/模转换就是将数字量转换成与它成正
比的模拟量。
数字量： (D3D2D1D0)2＝(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10 (1101) 2 ＝(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10
模拟量： uo＝K(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10 uo＝K(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10
(K为比例系数)
例如，某D/A转换器满量程输出电压为10V，如 果 误 差 为 1% ， 就 意 味 着 输 出 电 压 的 最 大 误 差 为 ±0.1V。百分数越小，精度越高。
9 数-模和模-数转换
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数字电子技术基础
(2) 转换误差
偏移误差：数字输入代码
全为0时，D/A转换器的输
出电压与理想输出电压0V 之差。 增益误差： 为数字输入代 码由全0变全1时，输出电压 变化量与理想输出电压变化 量之差。 上页 下页 返回
数字电子技术基础
非线性误差：为D/A转换器实
际输出电压值与理想输出电压
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数字电子技术基础
9.3.3 逐次渐进型A/D转换器
1. 逐次渐进型A/D转换器的方框图 组成：
数码寄存器
D/A转换器 电压比较器 控制电路 上页 下页 返回
数字电子技术基础
2. 工作原理 类似于天平称物体重量。 设有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。 待秤重量Wx = 13克，秤量步骤： 顺序 1 2 3 4 8 g 8g+4 g 8g+4g+2g 8g+4g+1g 上页 砝 码 重 比较判断 8g < 13g 12g < 13g 14g > 13g 13g ＝13g 下页 保留 保留 撤去
压转换电路的输入端，当
输入的数字代码为0时，相 应权电流接地。
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数字电子技术基础
同理，n位倒T形电阻网络DAC的输出电压
其中，(-RFVREF/2nR)为DAC的单位量化电压。 上页 下页 返回
数字电子技术基础
倒T形电阻网络存在的问题： 实际的电子开关总存在一定的且不可能完全相同的导通
上页
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返回
数字电子技术基础
0~0.7V的模拟信号转化为3位二进制数码的量化过程 方法一（只舍不入法） 方法二（四舍五入法）
数字电子技术课后习题答案
ABACBC
BC
A
00 01 11 10
00
1
0
1
11
0
1
0
Y ABC
❖ 3.13某医院有一、二、三、四号病室4间，每室设有 呼叫按钮，同时在护士值班室内对应的装有一号、 二号、三号、四号4个指示灯。
❖ 现要求当一号病室的按钮按下时，无论其它病室的 按钮是否按下，只有一号灯亮。当一号病室的按钮 没有按下而二号病室的按钮按下时，无论三、四号 病室的按钮是否按下，只有二号灯亮。当一、二号 病室的按钮都未按下而三号病室的按钮按下时，无 论四号病室的按钮是否按下，只有三号灯亮。只有 在一、二、三号病室的按钮均未按下四号病室的按 钮时，四号灯才亮。试用优先编码器74148和门电路 设计满足上述控制要求的逻辑电路，给出控制四个 指示灯状态的高、低电平信号。
HP RI/BIN
I0
0/ Z1 0 10 ≥1
I1
1/ Z1 1 11
I2
2/ Z1 2 12 18
YS
I3
3/ Z1 3 13
I4
4/ Z1 4 14
YEX
I5
5/ Z1 5 15
I6
6/ Z1 6 16
I7
7/ Z1 7 17
Y0
V18
Y1
ST
E N
Y2
(b)
74148
(a)引脚图;(b)逻辑符号
A
00 01 11 10
00
0
0
1
11
1
0
1
Y AB BC AC
由于存在AC 项，不存在相切的圈，故无冒险。
❖ 4.1在用或非门组成的基本RS触发器中，已知 输入SD 、RD的波形图如下，试画出输出Q, Q
第9章 数模转换和模数转换
。
数字电路与逻辑设计
Rf
（2）求和放大器A：为 一个接成负反馈的理想 运算放大器。即：AV＝ ∞，iI＝0，Ro＝0。由于 负反馈，存在虚短和虚 断，即V－≈V＋＝0， iI＝ 0。
I A vO
VREF
输入数字Di=1时，开关Si将电阻23-iR接到基准电压VREF上， 在23-iR上的电流为
Ii VREF VREF i D = D 2 i i 23 i R 23 R
2
i
VREF ()
注意：该电路转换精度较高，
虑的是恒流源特性问题。
RI f4 2
但电路结构较复杂，主要考 vo I Rf Rf4I (20 D0 21 D1 22 D2 23 D3 )
2 D
i 0
3
i
数字电路与逻辑设计
改进：采用具有电流负 反馈的BJT恒流源电路 的权电流D/A转换器：
数字电路与逻辑设计
第9章 数模转换和模数转换
本章要点 本章分别讲授了数模转换和模数转换的基本原理和常 见的典型电路。文中主要介绍数模转换的基本原理，数模 转换器的转换精度和转换速度，分别介绍了权电阻网络数 模转换器，倒 T型电阻网络数模转换器和权电流型数模转 换器；然后介绍了模数转换的一般原理和步骤，分别介绍 了并联比较型模数转换器，逐次逼近型和双积分型模数转 换器的工作原理。
Rf VREF 3 2Rf VREF 3 i i vO I Rf Rf I i ( D 2 ) ( D 2 ) i i 3 4 R 2 i 0 R 2 i 0 i 0
3
若取反馈电阻Rf=R/2，则输出模拟电压表达式为
VREF 3 vO I Rf 4 ( Di 2i ) 2 i 0
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vo
+
I=IREF
=
VREF R1
S3
S2
S1
S0
I
I
I
I
I
VREF
R1 VR+
Tr A2
2
T3
T2
4
8
16
16
T1
T0
Tc
VR— +
IREF
IE3
IE2
IE1
IE0
IEC
R
2R
2R
2R
2R 2R
IBB
偏置 电流
VEE
R
R
R
IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16
电流的参 考方向
i0
二． 倒T形电阻网络D/A转换器（4位）
图中S0～S3为模拟电子开关，由输入数码Di控制， 当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路； 当Di=0时，Si将电阻2R接地。 所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）。
电流的参 考方向
电流的真 实方向也 如此
参考电压源VREF、运算放大器A2、R1、Tr、R与VEE组成基准电 流IREF产生电路，A2和R1、Tr的cb结组成电压并联负反馈电路 ，以稳定输出电压，即Tr的基极电压。Tr的集电结，电阻R到 VEE为反馈电路的负载，由于电路处于深度负反馈，根据虚短 的原理，其基准电流为：
I I REF
VREF R1
000 001 010 011 100 101 110 111 D
根据解码网络的不同，D/A转换器分不同类型，常见的 有： 倒T型电阻网络D/A转换 权电阻网络D/A转换 权电流型D/A转换等
按模拟电子开关分，有 CMOS开关型D/A转换器 双极型D/A转换器
一、权电阻网络D/A转换器
权电阻D/A转换器电路 十分简单，但是，当数 字量的位数增多时，权 电阻数目增多，阻值范 围越来越大，权电阻阻 值的种类太多，集成电 路制造、权电阻的匹配 都比较困难，所以权电 阻D/A转换器的转换精 度受到了限制
算放大器。其内部电阻网络组成的 D/A转换电路如图所示，AD7520的 引脚图如图所示。
10
要使D/A转换器具有较高的精度，对电路中的参数有 以下要求：
（1）基准电压稳定性好；（2）倒T形电阻网络中R 和2R电阻的比值精度要高；
（3）每个模拟开关的开关电压降要相等。为实现电 流从高位到低位按2的整倍数递减，模拟开关的导通 电阻也相应地按2的整数倍递增。
电流的真 实方向也 如此
由图可见，T3～T0的基极是接在一起的，三极管的发射结压降VBE相同，则它们的发射极处于相同的 电位。在计算各支路的电流时，可以认为所有2R电阻的上端都接到了同一个电位上，因而电路的工作 状态与倒梯形电阻网络的工作状态一样。这时流过每个2R电阻的电流自左而右依次减少1/2。为了保 证所有三极管的发射结压降相等，在发射极电流较大的三极管中按比例地加大了发射结的面积，即T3 ～T0发射结面积之比为8:4:2:1，在图中T3～T0均采用了多发射极晶体管来表示，其发射极个数是8、4 、2、1。这样，在各BJT电流比值为8:4:2:1的情况下，T3～T0的发射极电流密度相等，结面积的比值 8:4:2:1，可使各发射结电压VBE相同。由于T3～T0的基极电压相同，所以它们的发射极e3、e2、e1、e0就 为等电位点。在计算各支路电流时将它们等效连接后，流入每个2R电阻的电流从高位到低位依次减少 1/2，各支路中电流分配比例满足8:4:2:1的要求。
可算出，基准电流 I=VREF/R，
则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。 于是得总电流：
i
VREF R
( D0 24
D1 23
D2 22
D3 ) 21
VREF 24 R
3 i0
(Di
2i )
输出电压：
vO
i R f
Rf R
VREF 24
3
(Di 2i )
vO
i R f
R
f
(
I 2
D3
I 4
D2
I 8
D1
I 16
D0
)
I 24
Rf
(D3
23
D2
22
D1
21
D0
20)
I 24
Rf
3 i0
Di
2i
采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流D/A转换器：
I REF
VREF R1
2IE3
(M SB)
(LSB)
Rf
D3
D2
D1
D0
iΣ
A1
2IE3
vO i R f
R f VREF 2 4 R1
(D3
23
D2
22
D1 21
D0
20)
倒T
可推得n位倒T形权电流D/A转换器的输出电压
型电 阻网
vO
VREF R1
Rf 2n
n1
Di
2i
i0
络
vO
Rf R
VREF 2n
n1
[ (Di i0
2i )]
四． D/A转换器应用举例
i
i0
i1
i2
i3
D0
VREF 23 R
D1
VREF 22 R
D2
VREF 21 R
D3
VREF 20 R
VREF ( D0 D1 D2 D3 ) R 23 22 21 20
VREF 23 R
3 i0
(Di
2i )
vO i R f
R f R
VREF 23
3
(Di 2i )
DAC0808是8位权电流型D/A转换
器，其中D0～D7是数字量输入 端。
i0
将输入数字量扩展到n位，则有：
vO
Rf R
VREF 2n
n1
[ (Di i0
2i )]
可简写为：vO=－KNB
其中：
K=
Rf R
VREF 2n
常用的CMOS开关倒T形电阻网络D/A转换器 的集成电路有AD7520（10位）等
AD7520是10位CMOS电流开关型 D/A转换器。芯片内含有倒梯形电 阻网络、CMOS电流开关和反馈电 阻（R=10K），该集成D/A转换器 在应用时必须外接参考电压源和运
第9章 数模与模数转换电路
9.1 D/A转换器
一． D/A转换器的基本原理
对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些 模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字/模拟 转换。
D0 D1
.. .
Dn-1 输入
D/A转换器
vo
输出
1 0
由于在倒T形电阻网络D/A转换器中，各支路电流直 接流入运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上 的时间差。电路的这一特点不仅提高了转换速度，而 且也减少了动态过程中输出端可能出现的尖脉冲。它 是目前广泛使用的D/A转换器中速度较快的一种。
三． 权电流型D/A转换器
为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。