第7章 数模和模数转换器
第7章 模 数(A D)与数 模(D A)转换
1. ADC0809的引脚
下。
ADC0809的引脚如图7-2所示，各引脚功能如
IN0～IN7：8通路模拟信号输入端，同一时刻 只可有一路模拟信号输入。
ADDA、ADDB、ADDC：地址信号线，输入，用 于选择控制8通路输入模拟量中的某一路工作。ADDA、 ADDB、ADDC与IN0～IN7的关系见表7-1。
2. ADC0809的结构与工作过程 ADC0809的内部结构如图7-3所示，其功能与工作 过程如下： 输入到地址锁存与译码模块的ADDA、ADDB、ADDC 三位地址信号用于决定IN0～IN7中哪一路模拟信号可以输 入，然后使地址锁存与译码模块的ALE＝1，从而使IN0～ IN7中被选中的一路模拟信号经通道选择开关送达比较器 的输入端。
其中，n是可转换成的数字量的位数。所以位
数越高，分辨率也越高。例如，当输入满量程电压为5 V 时，对于8位A/D转换器，A/D转换的分辨率为5 V/255＝ 0.0195 V。
第7章 模/数(A/D)与数/模(D/A)转换
2) 转换时间 转换时间反映了A/D转换的速度。转换时间是启 动ADC开始转换到完成一次转换所需要的时间。目前常用 的A/D转换集成电路芯片的转换时间在微秒数量级。不同 的ADC有不同的转换时间，转换时间是编程时必须考虑的 因素。
第7章 模/数(A/D)与数/模(D/A)转换
START CLOCK
IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7
ADDA ADDB ADDC ALE
通道 选择 开关
地址锁存 和译码
定时和控制
逐次逼近 寄 存 器 SAR
DAC
8位 三态 锁存 缓冲器
ADC
VCC GND
第7章数-模和模-数转换器
第7章 数－模和模－数转换器一、 选择题1．一个无符号8位数字量输入的DAC ，其分辨率为 位。
A.1B.3C.4D.82．一个无符号10位数字输入的DAC ，其输出电平的级数为 。
A.4B.10C.1024D.2103．一个无符号4位权电阻DAC ，最低位处的电阻为40K Ω，则最高位处电阻为 。
A.4K ΩB.5K ΩC.10K ΩD.20K Ω4．4位倒T 型电阻网络DAC 的电阻网络的电阻取值有 种。
A.1B.2C.4D.85．为使采样输出信号不失真地代表输入模拟信号，采样频率f s 和输入模拟信号的最高频率f ax Im 的关系是 。
A. f s ≥f ax ImB. f s ≤f ax ImC. f s ≥2f ax ImD.f s ≤2f ax Im6．将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上断续（离散）的模拟量的过程称为 。
A.采样B.量化C.保持D.编码7．用二进制码表示指定离散电平的过程称为 。
A.采样B.量化C.保持D.编码8．将幅值上、时间上离散的阶梯电平统一归并到最邻近的指定电平的过程称为 。
A.采样B.量化C.保持D.编码9．若某ADC 取量化单位△=81REF V ，并规定对于输入电压I u ，在0≤I u ＜81REF V 时，认为输入的模拟电压为0V ，输出的二进制数为000，则85REF V ≤I u ＜86REF V 时，输出的二进制数为 。
A.001 B.101 C.110 D.11110．以下四种转换器，是A/D转换器且转换速度最高。
A.并联比较型B.逐次逼近型C.双积分型D.施密特触发器二、判断题（正确打√，错误的打×）１．权电阻网络D/A转换器的电路简单且便于集成工艺制造，因此被广泛使用。
（）２．D/A转换器的最大输出电压的绝对值可达到基准电压V REF。
（）３．D/A转换器的位数越多，能够分辨的最小输出电压变化量就越小。
（）４．D/A转换器的位数越多，转换精度越高。
数字电子技术项目七数模和模数转换器
知识拓展
将T1＝1 000TCP，UREF＝100.0 mV代入上式得： N＝10UIN或UIN＝0.1 N. 只要把小数点定在十位上，即可直接读结果。满根量据程学时校N（＝院2 0）0数0，控此机时床U的M数＝量2U和RE学F＝生2的00数mV， 仪表显示超量程符号“1”。若需改装成2 V量程的量数，字把电学压生表分，成可若按干表小7组.2互所相示讲选解择数元控件机值床。的
权电阻网络D/A转换器实现数字量到模拟量转换的原理易于理解且电路简单，使用电阻较少，这是它的优 点。但也存在两个严重的缺点：一是各相邻电阻之间应严格保持一次相差一半的要求；二是最大阻值和最小阻 值相差很大，当二进制数位数增多时，这种差别尤其严重。因此，要制造出能满足上述要求的高精度电阻是很 困难的。这两个缺点在集中工艺中尤为突出。采用R-2R倒T型电阻网络D/A转换器，可克服上述缺点。
实训任务
2.设计要求 （1）设计数字电压表电路。 （2）测量范围：直流电压0～1.999 V、0～19.99 V、0～199.9 V、0～1999 V。 （3）组装调试 位数字电压表。 （4）画出数字电压表电路原理图，写出总结报告。 （5）选做内容：自动切换量程。
实训任务
实训任务
实训任务
DS和EOC的时序关系是：在EOC脉冲结束后，紧接着DS1输出正脉冲，以下依次为DS2、DS3和DS4 。其中DS1对应最高位（MSD），DS4对应最低位（LSD）。在对应DS2、DS3和DS4选通期间，Q0～Q3 输出BCD全位数据，即以8421码方式输出对应的数字0～9；在DS1选通期间，Q0～Q3输出千位的半位 数“0”或“1”及过量程、欠量程和极性标志信号。
可靠性高。
知识拓展
（2）ICL7106的工作原理
7数模和模数转换器m
u0 (i0 ) Ru ( Ri )
(x 2 )
i i i 0
n 1
绝对精度是指输入端给定数字量时，DAC输出 的实际值与理论值之差；非线性指在满刻度范围 内，偏离理想转换特性的最大值与满刻度之比； 转换速度则是指从数字量输入到模拟电压稳定输 出之间所需要的时间。
图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号。n位锁存 器的并行输出分别控制n个模拟开关的工作状态。通过模拟 开关，将参考电压按权关系加到电阻解码网络。
数字电子技术
7.1.2 DAC的功能
如上图所示，DAC的n位数字输入量，以串行或并行方式 输入并存储在数码寄存器中；数码寄存器输出的各位二进制 代码分别控制对应各位的模拟电子开关，使数码为１的位在 位权网络上产生与其权值成正比的电压（或电流）量，再由 求和放大电路将各位权值所对应的电压（或电流）量相加， 即可输出与输入数字量成正比的模拟量。
电源5～15V输入端 片选信号输入端 输入数据选通信号 CS WR1 AGND 模拟“地 D3 ” D为数字量输入端 D2 D1 D0 基准电源输入端 UR RF 反馈电阻 DGND 数字“地 ” 输入锁存允许信号端 UCC 写信号2 ILE WR2 数据传送选通信号 XFER D4 D5 电流输出端1和2 D6 D7 IO2 IO1
数字电子技术
CP
ui
S
ui′
N位数字量 输 出
7.1.1 DAC的基本概念和结构组成 1、DAC的基本概念 数/模转换器中的文字D代表数字量，A 代表模拟量，转换器用C表示。目前常见 的D/A转换器中，有权电阻网络D/A转换 器，倒梯形电阻网络D/A转换器等。
数模和模数转换PPT课件
2、量化和编码 由于输入电压的幅值是连续变化的，它的幅值不一定是其量化单位的整倍
数，所以量化过程会引入误差，这种误差叫量化误差。
量化后的信号只是一个幅值离散的信号，为了对量化后的信号进行处理， 还应该把量化的结果用二进制代码或其它形式表示出来，这个过程就叫做编码。
量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。
把模拟量转化为数字量的过程称为模-数转换，把相应的转换器件称为模-数转 换器（Analog-Digital Converter，简称A/D转换器或ADC ）。
把数字量转化为模拟量的过程称为数-模转换， 把相应的转换器件称为数-模转 换器（Digital-Analog Converter，简称D/A转换器或DAC ）
克，秤量步骤：
顺序 1 2 3 4
砝码重 8g 8g+4 g 8g+4g+2g 8g+4g+1g
比较判断 8g < 13g
保留
12g < 13g
保留
14g > 13g 撤去
13g ＝13g
保留
第38页/共64页
逐次渐近型A/D转换器的基本工作原理是： a. 控制电路首先把寄存器的最高位置1， 其它各位置0。
第25页/共64页
(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。
第26页/共64页
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值之间偏差的最大 值。
第30页/共64页
0~0.7V的模拟信号转化为3位二进制数码的量化过程
什么是电路中的数模转换和模数转换
什么是电路中的数模转换和模数转换电路中的数模转换和模数转换是指将数字信号和模拟信号互相转换的过程。
在现代电子设备和通信系统中，这两种转换方式起着至关重要的作用。
1. 数模转换：数模转换是将数字信号转换为模拟信号的过程。
在数字电路中，所有信息都以二进制形式表示，通过数模转换可以将数字信号转换为模拟电压、电流或其他模拟形式的信号。
常见的数模转换器是数字到模拟转换器（DAC），它将数字信号转换为模拟信号的输出。
数模转换器通常由一个数字输入和一个模拟输出组成。
数模转换器的输入可以是数字编码、数字信号或数字数据，输出信号则是连续的模拟波形。
在数模转换的过程中，数字信号经过采样和量化，然后根据一定的规则转换为相应的模拟信号。
数模转换在诸多应用中发挥着重要的作用，如音频和视频处理、通信系统中的调制解调器等。
通过数模转换，数字信号能够在模拟电路中进行处理和传输，实现数字与模拟信号之间的无缝衔接。
2. 模数转换：模数转换是将模拟信号转换为数字信号的过程。
在大部分现代电子设备中，数字信号更易于处理和存储，因此需要将模拟信号转换为数字信号以进行后续处理。
模数转换器（ADC）是常见的模数转换设备，它将模拟信号转换为离散的数字化信号。
模数转换器通常包含一个模拟输入和一个数字输出。
在模数转换的过程中，连续的模拟波形被分段采样，然后经过量化，最终转换为离散的数字信号。
适当的采样频率和精度可以确保模拟信号在数字化后能够保持较高的还原度。
模数转换在许多领域中被广泛使用，如音频和视频编码、传感器信号处理、通信系统中的调制解调器等。
通过模数转换，模拟信号可以被数字电路准确地表示和处理，实现了数字系统对模拟信号的感知和操作。
总结：数模转换和模数转换是电路中常见的信号转换方式，它们相互补充，使得数字和模拟信号能够在电子设备和通信系统中相互转换。
数模转换将数字信号转换为模拟信号，模数转换则将模拟信号转换为数字信号。
这两种转换方式的应用广泛，并在现代电子技术中扮演着重要的角色。
数模与模数转换器PPT课件
I
＜
10
16VREF
190//1166VVRREEFF
vI
vO
D0
3． 逻辑电路
D/A 转换器
D1
D2
01 vC
0
R Q0
C1 S
FF0
01
10
0
01
Q1
R 1D
10
C1
S
FF1
10
R
Q 2 1D 10
C1 S
FF2
0
Q3
R 1D
10
C1
S
FF3
VREF D3
D3（ MSB）
1
D2
D1
D0 （ LSB）
（2）转换速率（SR）——在大信号工作状态下模拟电压的变化率。 3. 温度系数——在输入一定时，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般
用满刻度输出条件下温度每升高1℃，输出电压变化的百分数来表示。
9.2 A/D转换器
一．A/D转换的一般步骤和取样定理
由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为： 取样、保持、量化和编码。
R-2R倒T形电阻网络
基准电流: I=VREF/R，
分析计算： 基准电流: I=VREF/R，
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。
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
D/A 转换器
D1
D2
1 vC
01
数模与模数转换 课件
DC
BA
D′ C′
二、工作原理：
B′ A′
1、根据运放A线性运用时的虚短（现为虚地）法则， 无论Si打向何处，与之相连的2R电阻均接“地”；即流 经2R电阻的电流与Si的位置无关。
2、则从D、C、B、A向左看的二端网络的等效电阻 均为R。
则，从基准电压源提供的总电流I=VREF/R； ＊ 10
–VEE
电压恒定
R
R
R
O
= iRf
=
Rf VREF 24R1
(D3
23
+
D2
22
+
D1
21
+
D0
20 )
多发射极
三极管＊ 19
8.2.5 D/A转换器的输出方式
一、单极性输出:
若输入二进制数的每一位都是数字位，即均为正 数，输出模拟电压为0V~±满度值。
则，选择不同的电路形式或不同的参考电压极性 即可实现。
运放A2组成反相求和电路,
3、双极性输出的D/A转换器电路:
(补码)NB
2R1
D7 D6 D5……. D0
• 8位倒T型电阻 VREF 网络D/A
i∑ Rf=R
•
－
+
A1
v1• R1
R1
•
－
A2 +
•vo
＊ 26
vo
=
−v1
−
1 2
VREF
=
−(−
NB
+ 2n−1 2n
VREF )
−
VREF 2
=
D
C
BA
D′ C′
B′ A′
3、流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。 即：流入各开关支路的电流（从右至左）分别为I/2、 I/4 、 I/8 、 I/16 。
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1
第7章 数模和模数转换器
能将数字量转换为模拟量(电流或电压)，使输出的模拟量与输入的数字量成
正比的电路称为数模转换器，简称D/A或DAC（Digital to Analog Converter）。
能将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比的电路称
为模数转换器，简称A/D或ADC（Analog to Digital Converter）。D/A、A/
D
转换技术的发展非常迅速，目前已有各种中、大规模的集成电路可供选用。
7.1 D/A 转 换 器
数模转换的基本原理就是将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成
相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，这样所得的总模拟量与数字量成
正比，于是便实现了从数字量到模拟量的转换。
7.1.1 二进制权电阻网络D/A转换器
1.电路结构
权电阻网络D/A转换电路如图7.1所示。它主要由权电阻网络D/A转换电路、
求和运算放大器和模拟电子开关三部分构成，其中权电阻网络D/A转换电路是核
心，求和运算放大器构成一个电流、电压转换器，将流过各权电阻的电流相加，
并转换成与输入数字量成正比的模拟电压输出。
图7.1 二进制权电阻网络D/A转换电路
2.工作原理
二进制权电阻网络的电阻值是按4 位二进制数的位权大小取值的，最低位
电阻值最大，为23R， 然后依次减半，最高位对应的电阻值最小，为20R。 不论
模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数
字信号是1 还是0 ，各支路的电流是不变的。
2
模拟开关S受输入数字信号控制，若d=0，相应的S合向同相输入端（地）；
若d=1，相应的S合向反相输入端。
i
正比于输入的二进制数，所以实现了数字量到模拟量的转换。
3.运算放大器的输出电压
采用运算放大器进行电压转换有两个优点：一是起隔离作用，把负载电阻
与电阻网络相隔离，以减小负载电阻对电阻网络的影响；二是可以调节RF控制
满刻度值（即输入数字信号为全1）时输出电压的大小，使D/A转换器的输出达
到设计要求。
7.1.2 R-2RT型网络D/A转换器
1.电路结构
4位R-2RT型网络D/A转换器的电路如图7.2（a）所示，它主要由R-2
RT
型电阻网络、求和运算放大器和模拟电子开关三部分构成，其中R-2R电阻网络
是D/A转换电路的核心，求和运算放大器构成一个电流、电压转换器，它将与输
入数字量成正比的输入电流转换成模拟电压输出。
2.工作原理
当只有一个电子模拟开关S 合向1 ，而其余电子模拟开关S 均合向0 时，
从该支路的2R 电阻向左、右看去的等效电阻均为2R， 该电流流向A 点时，每
经过一节R-2R 电路，电流就减少一半。如只有开关S0 合向1 ，即对应输入的
二进制数为d3d2d1d0=0001 时，T 形电阻网络的等效电路如图7.2 （b） 所示。
3
i
Σ
正比于输入的二进制数，实现了数字量到模拟量的转换。
3. 求和运算放大器的输出电压
输出电压也与输入数字量成正比。
4. 电子模拟开关
（1） 电路结构
图7.3 所示是一个CMOS 电子模拟开关电路，它由两级CMOS 反相器产生两
路反相信号，各自控制一个CMOS 开关管，实现模拟单刀双掷的开关功能。
（2） 工作原理
4
当输入数字信号DI=1 时，V1 截止，V3 导通，V3 输出为低电平0 ，经V4、
V5 组成的第一级反相器后输出高电平，使V
9
导通；同时第一级反相器输出的高
电平再经V6、V7 组成的第二级反相器后输出低电平，使V8 截止。此时，2R 支
路经导通管V9 接向位置1 。反之当输入数字信号DI=0 时，V8 导通，V9 截止，
2R 支路被连到位置0 。
7.1.3 D/A转换器的主要技术参数
1.分辨率
分辨率是指对输出电压的分辨能力。分辨率定义为最小分辨电压与最大输出
电压之比。最小输出电压就是对应于输入数字量最低位(LSB) 为1 ，其余位均
为0 时的输出电压，记为ULSB。 最大输出电压就是对应于输入数字量各位均为1
时的输出电压，记为UFSR。
2.转换精度
D/A
转换器的转换精度分绝对精度和相对精度。绝对精度是指实际输出模拟
电压值与理论计算值之差，通常用最小分辨电压的倍数表示。相对精度是绝对精
度与满刻度输出电压（或电流）之比，通常用百分数表示。
3.转换时间
D/A
转换器从输入数字信号起，到输出电压或电流达到稳定值时所需要的
时间，称为转换时间，它决定D/A转换器的转换速度。
7.1.4 集成D/A转换器
集成D/A转换器品种繁多。从内部结构上看，有只含有电阻网络和电子模拟
开关的基本D/A转换器。也有在内部增加了数据锁存器，并具有片选控制和数据
输入控制端的D/A转换器。还有将基准电压源、求和运放等均集成在芯片上的完
整的D/A转换器。
根据DAC 的转换位数和转换速度不同，集成D/A 转换芯片有多种型号，如
DAC0832、DAC0830、DAC0831、AD
7524 等。
1. DAC0832介绍
D/A 集成芯片DAC0832(DAC0830、DAC
0831) 的内部结构如图7.4 所示。从
5
图7.4 中可以看出，DAC0832 由8 位输入锁存器、8 位DAC 寄存器和8 位D/A
转换器三大部分组成。
图7.4 DAC0832(DAC0830、DAC0831)的内部结构
DAC
0832的外部引脚图如图7.5所示。
图7.5 DAC0832的外部引脚图
2. DAC0832的应用
6
DAC
0832在应用中有三种方式：双缓冲型、单缓冲型和直通型，如图7.6所
示。
图7.6 DAC0832的三种应用方式
7.2 A/D 转 换 器
7.2.1 概述
1. A/D转换的基本原理
A/D
转换器的工作原理如图7.7 所示。
7
图7.7 A/D转换器的工作原理
2.采样-保持原理
采样- 保持原理可用图7.8 来说明。
图7.8 采样保持原理
3. A/D转换器的主要技术指标
（1） 分辨率
A/D
转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转
换精度越高。
（2） 相对精度
在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个
转换点偏离理想特性的误差。
（3） 转换速度
转换速度是指完成一次转换所需的时间。
7.2.2 常用的A/D转换器类型
1.并联比较型A/D转换器
并联比较型A/D转换的电路如图7.9所示。
8
图7.9 并联比较型A/D转换的电路图
2.逐次逼近型A/D转换器
逐次逼近型A/D 转换器的原理框图如图7.10 所示。
9
图7.10 逐次逼近型A/D转换器的原理框图
3位A/D转换器的原理图如图7.11所示。
图7.11 3位逐次逼近型A/D转换器电路
10
图7.12 逐次逼近式A/D转换的逼近过程
一个n位逐次逼近型A/D转换器完成一次转换要进行n次比较，需要n+2
个时钟脉冲。其转换速度较慢，属于中速A/D转换器。但由于电路简单，成本低，
因此，也被广泛使用。
3.双积分型A/D转换器
双积分型A/D转换器是一种间接型A/D转换器，它由基准电压VREF、积分器、
比较器、计数器和定时触发器组成，如图7.13所示。
图7.13 双积分型A/D转换器
11
双积分型A/D转换器的基本原理是对输入模拟电压uI和参考电压VREF分别进
行积分，将两次电压平均值分别变换成与之成正比的时间间隔，然后，利用时钟
脉冲和计数器测出此时间间隔，通过运算得到相应的数字量输出。
双积分型A/D转换器由于转换一次要进行两次积分，所以，转换时间长，工
作速度慢，但它的电路结构简单，转换精度高，抗干扰能力强，因此，常用于低
速场合。
7.2.3 集成A/D转换器及其应用
集成A/D转换器种类很多，如从使用角度上可分为两大类：一类在电子电路
中使用，不带使能控制端；另一类带有使能端，可与计算机相连。
1.ADC0804A/D转换器
ADC0804是逐次逼近型单通道CMOS8位A/D
转换器，其转换时间小于100
μs，电源电压+5V，输入输出都和TTL兼容，输入电压范围0～+5V
模拟信号，
内部含有时钟电路，图7.14为ADC0804的管脚排列图。
图7.14 ADC0804管脚排列图
图7.15是ADC0804的典型应用电路。
12