第11章 数模与模数转换——讲义
11 数模和模数转换
START CLOCK 启动 时钟 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 8位A/D转换器 逻辑控制 和定时电路 8路 模拟量 选通 开关 逐次逼近寄存器 SAR 三态 输出 数据 锁存器
8 路 模 拟 信 号 输 入
转换结束 EOC D0 (LSB) D1 D2 8位 D3 数据 D4 输出 D5 D6 D7 (MSB) 输出有效控制 OE
Байду номын сангаас
例如±（1/2）LSB。如果分辨率为8位，则它的精 度是： ±（1/2）（1/256）＝±1/512 ④线性误差 当数字量变化时,D/A转换器输出的模拟量按比例关 系变化的程度。 2. D/A和微机接口技术的关键 D/A转换器可视为微机的一种外围设备，实现D/A转 换器和微机接口技术的关键是数据锁存问题。 有些D/A芯片本身不带数据锁存器，而CPU向 D/A芯片输出一个数据只在DB上持续很短时间，所 以必须用外部芯片，如用74LS273或8255A作为D/A 转换的数据锁存器。
CALL L2：DEC OUT OUT CALL CMP JNZ OUT OUT CALL ┇
DELAY2 AL ；产生梯形波下降部分波形 80H，AL 88H，AL DELAY1 AL 00H L2 80H，AL 88H，AL DELAY3；产生梯形波下降部分波形
例：转换8位，若电压满量程为5V，则能分 辨的最小电压为：5V/256≈20mV； 转换10位，若电压满量程为5V，则能分辨 的最小电压为：5V/1024≈5Mv。 ② 转换时间： 指数字量输入到转换输出稳定为止所需的时 间； ③精度： 指D/A实际输出与理论值之间的误差，一般 采用数字量的最低有效位（LSB）作为衡量 单位；
《数字电子技术基础》第五版：第11章 数-模转换和模-数转换
可见量化误差最大达=1/8 V
方法二：取＝2/15 V，0 1/15 V 的 电压以0×表示，则
模拟电压 二进制编码
1V
13/15 V
111
代表的模拟电压电平
7＝14/15 V
11/15 V
110
6＝12/15 V
9/15 V
101
5＝10/15 V
7/15 V
100
4＝8/15 V
5/15 V 3/15 V
第11章 数-模转换和模-数转换
11.1 概述 11.2 D/A转换器(DAC) 11.3 A/D转换器(ADC)
§11-1 概述
模拟量到数字量的转换称为模—数转换 A/D（Analog to Digital） 实现A/D转换的电路称为A/D转换器 （Analog Digital Converter ADC）
I 24
(
d3
23
d2
22
d1
21
d0
20
)
I 24
D
运算放大器的输出电压为
VO
I
RF
IR F 24
D
若RF=R，并将I=VREF/R代入上式， 则有
VO
VREF 24
D
N位倒T形电阻网络D/A转换器
di=1，Si接到运放反向输入端 di=0，Si接到运放同向输入端
都是虚地，各支路 电流不会变化
T1 ( VI
0
R
)dt
T1 RC
VI
所 以VO VI
第 二 步 ：S1 VREF 积 分 器 作 反 相 积 分 ， 至VO 0
VO
1 C
T2 VREF 0R
dt
11 模数和数模转换
复习思考题第章模/数和数/模转换1. 为什么要把A/D，D/A转换器与微机的接口作为专门问题来研究？它与前面所讲的并行接口有何异同点？2. 在A/D、D/A转换器指标中，精度与分辨率有什么区别？3. D/A转换器与微处理机接口中，最关键的问题是什么？应如何解决？4. 参照教材中的锯齿波发生器例，自行设计一个三角波发生器，用8086汇编写出程序(地址自定)。
如果要产生正弦波信号，在软件设计思想上有什么变化？5. 电流输出型与电压输出型D/A转换器有什么不同？6. 在D/A转换器输出端为什么总是要加平滑电路？试看为一个输出最高频率为3000Hz的转换器设计一个简单的平滑电路。
7. A/D转换器为什么先要对模拟信号采样？采取频率是如何确定的？如一个信号的最高频率为5KHz，采样频率应为多少？8. ADC0808与AD574A都是A/D转换器，试比较它们的异同点。
9. A/D转换器与CPU相连时，关键问题是什么？如何保证CPU与A/D转换芯片的时间关系能实现正确的配合？10. 有一个温度检测系统，在炉窖中设置了八个温度传感器。
假设它们的温度变化范围为800℃～2800℃。
请问：(1)如用ADC0808进行转换，分辨率可达多少？(2)如果觉得一片ADC0808的分辨率不够，用两片同时工作是否使分辨率提高，误差小？为什么？(3)如果使温度检测的误差不超过1℃，应选用多少位的A/D转换芯片？(4)如果选用16位的A/D转换芯片，测量误差可以减小到什么程度？11. 根据教材上所画的AD574A与8086CPU连接的情况，请你：(1)说明它占用地址的情况及每个控制信号所起的作用。
(2)用8086汇编语言设计程序，使从转换芯片中读入100组数据(每组数据12位)，并把它们存放在一个叫Buffer的缓冲区内。
(3)如果使用STS信号对CPU作中断控制，请修改硬件和软件设计。
12. 什么叫分辨率？什么叫相对转换精度？13. 在 T型电阻网络组成的D/A转换器中，设开关K0, K1, K2, K3, K4分别对应一位二进制数，当二进制数据为10110时，流入运算放大器的电流为多少？画出这个T型网络。
第11章 模数和数模转换接口技术
换。
MCS-51单片机原理、接口及应用
第11章 A/D与D/A转换器及接口技术
13 14 15 16 4 5 6 7 19 & LE=1 时，输出数据跟随输入 CS WR1 WR2 XFER 1 2 18 17 & & LE=0 时，数据被所存 20 10 VCC DGND LE1 LE2 3 AGND 8位 输入 寄存器 8位 DAC 寄存器 8位 D/A 转换器 Rfb 9 Rfb
分辨率也可以表示为 。若n位D/A转换器转换后的电压满
量程为5V，则它能分辨的最小电压为 V。例如，8位D/A 转换器的最小分辨电压为19.53mV，而10位D/A转换器的最
小分辨电压为4.88mV。
MCS-51单片机原理、接口及应用
第11章 A/D与D/A转换器及接口技术 ② 转换误差（error） 指D/A转换器实际输出的模拟量与理论输出模拟量 之间的差值。 转换误差的来源很多，如转换器中各元件参数值的 误差、基准电源的不稳定、运算放大器的零漂等都是 误差的来源。D/A转换器的绝对误差（或绝对精度）是 指加入最大数字量（全1）时D/A转换器的理论值与实 际值之差，该误差值应小于LSB/2。
DAC8032
VOUT2
图11-3 典型的单极性 输出方式
图11-4 DAC0832双极性 输出电路
MCS-51单片机原理、接口及应用
第11章 A/D与D/A转换器及接口技术
11.1.3 DAC0832与单片机的接口及编程
根据对 DAC0832 的输入寄存器和 DAC 寄存器的不同控制 方法， DAC0832 有 3 种工作方式：直通型、单缓冲型和双缓 冲型。 直通型：当DAC0832芯片的CS、WR1、WR2和XFER全部接地 ，而ILE接+5V时，DAC0832芯片处于直通型工作方式。数字
第十章十一章数模及模数转换
5
③精度
指D/A转换器实际输出电压与理论值之间的误 差。有绝对误差和相对误差两种。 前者一般采用数字量的最低有效位作为衡量单 位。后者则用：输出量绝对误差/满量程×100％。 例如，一个数模转换器精度为±1/2LSB，表示该 转换器的实际输出值与其理想输出值间最大偏差 为最低有效位所对应的模拟输出值的一半。 再如，某分辨率为8位的D/A转换器。其精度为 ±1/2LSB。如果用相对误差表示其精度，则它的 精度是： (±1/2LSB×△)/(△×28)=(±1/2LSB)/28=(±1/2)/28 =±1/512。
20
对要求多片DAC0832同时进行转换的系统， 各芯片的选片信号不同，这样可由选片信号CS与 WR1将数据分别输入到每片的输入寄存器中。各片 的XFER与WR2分别接在一起，公用一组信号，在 XFER与WR2同时为低电平时，数据将在同一时刻由 8位输入寄存器传送到对应的8位DAC寄存器，并 靠WR2或XFER的上升沿将信号锁存在DAC寄存器中， 与此同时，多个DAC0832芯片开始转换，其时间 关系如图所示。
两个8位输入寄存器可以分别选通，从而使 DAC0832实现双缓冲工作方式，即可把从CPU 送来的数据先打入输入寄存器，在需要进行转 换时．再选通DAC寄存器，实现D/A转换，这种 工作方式称为双缓冲工作方式。
17
各引脚功能说明如下： ILE：输入锁存允许信号，输入，高电平有效。 CS：片选信号，输入、低电平有效，与ILE共同 决定WR1是否起作用。
19
IOUT2：DAC电流输出2， RFB：片内反馈电阻引脚，与外接运算放大器 配合构成I/V转换器。 VREF：参考电源或叫基准电源输入端，此端 可接一个正电压或一个负电压，范围为： +10V~ -10V，由于它是转换的基准，要求电压 准确、稳定性好。 VCC：芯片供电电压端．范围为+5V~+15V， 最佳值为+15V。 AGND：模拟地，即芯片模拟电路接地点，所 有的模拟地要连在一起。 DGND：数字地，即芯片数字电路接地点。所 有的数字电路地连地一起。使用时，再将模拟地 和数字地连到一个公共接地点，以提高系统的抗 干扰能力。
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 。
微机原理第十一章 模数和数模转换
DI0~DI7： 8位数据输入端 ILE： 输入锁存允许信号，高电平有效，控制8位输入寄存 器的数据是否能被锁存 CS：片选信号，低电平有效，与ILE信号一起控制WR1信 号能否起作用
WR1：写信号1，低电平有效，在ILE和CS有效的条件下，控 制将输入数据锁存于输入寄存器中 WR2：写信号2，低电平有效，在XFER有效的条件下，控制将 输入寄存器中的数字传送到8位DAC寄存器中 XFER：传送控制信号，低电平有效，和WR2控制信号决定8 位DAC寄存器是否工作 8位D/A转换器接收被8位DAC寄存器锁存的数据，并把该数据 转换成相对应的模拟量 IOUT1：DAC电流输出1，是逻辑电平为1的各位输出电流之和 IOUT2：DAC电流输出2，是逻辑电平为0的各位输出电流之和
采样器相当于一个受控的理想开关，s(t)=1时，开关闭合， fs(t)=f(t)；s(t)=0时开关断开，fs(t)=0。fs(t)=f(t)· s(t) 在s(t)=1期间，输出跟踪输入变化，相当于输出把输入的“样 品”采下来了，采样电路也叫跟踪电路
保持：将采样得到的模拟量值保持下来，即是说，s(t)=0期 间，使输出等于采样控制脉冲存在的最后瞬间的采样值， 保持发生在s(t)=0期间
例：采用单缓冲方式，通过DAC0832输出产生三角波，三角波 最高电压5Ｖ，最低电压0Ｖ
分析： 为减少控制线条数，可使ILE一直处于高电平状态，一级输入 寄存器锁存，第二级直通，单极性电压输出 产生三角波电压范围为0V~5Ｖ，对应的输出数据00H~FFH。 三角波上升部分从00H起加1，直到FFH；三角波下降部分从 FFH起减1，直到00H
量化：把采样值取整为最小单位的整数倍，这个最小单位称为 量化单位Δ，它等于输入信号的最大范围/数字量的最大范围， 对应于数字量1 量化的方法通常有两种：只舍不入法和四舍五入法 量化误差：量化而产生的误差，直接影响转换器的转换精度。 量化误差是由于量化电平的有限性造成的，是原理性误差， 只能减小，无法消除 编码就是把已经量化的模拟数值(它一定是量化电平的整数倍) 用二进制数码、BCD码或其他码来表示
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第11章 数-模和模-数转换
【学时分配】
2学时，周二1~2节。
【教学目的与基本要求】
1、熟练掌握A/D与D/A转换的电路结构和工作原理。主要是倒梯形电阻
网络、
逐次逼近型、双积分A/D转换的工作特点及适用场合。
2、正确理解D/A转换器的主要参数和衡量它们的技术指标。
【教学重点与教学难点】
教学重点：
1、各种D/A转换器的电路结构特点和工作原理；
2、掌握D/A转换器的参数计算和主要性能指标。
3、各种A/D转换器的电路结构特点和工作原理；
4、掌握A/D转换器的参数计算和主要性能指标。
教学难点：
权电阻型D/A转换器、倒T型D/A转换器的电路结构与工作原理
【教学内容与时间安排】
一、数/模（D/A）和模/数(A/D)转换的概述（约0.4学时）
1、数/模和模/数转换的定义
2、ADC和DAC的两个性能指标
转换速度和转换精度是衡量A/D转换器和D/A转换器性能优劣的主要
标志。
3、ADC和DAC的常见类型
常见的D/A转换器有权电阻网络D/A转换器，倒梯形电阻网络D/A转
换器、权电流型D/A转换器、权电容网络D/A转换器以及开关树形D/A转
换器等几种类型。
常见的A/D转换器可以分为直接A/D转换器和间接A/D转换器，在直接A/D
转换器中，输入的模拟电压信号直接被转换成相应的数字信号，而在间
接A/D转换器中，输入的模拟信号首先被转换成某种中间变量，然后再
将这个中间变量转换为输出的数字信号。
二、D/A转换器（约0.8学时）
1、权电阻网络D/A转换器
a.电路结构：由数码锁存器、电子开关、权电阻网络及求和电路构成
b.原理：
c.电路输出V0与数字输入成比例关系
d.电路特点：结构比较简单，所用的器件少，缺点是所用的各个电阻组
织相差较
大，尤其在输入信号位数较多时，问题更为突出，难以保证每个电阻
具有很高
的精度，不利于制作集成电路。
2、倒T形电阻网络转换器
a.电路构成：电阻网络中只有R和2R两种阻值。
b.原理：
c.电路输出V0与数字输入成比例关系
d.电路特点：倒梯形电阻网络中只有R和2R两种阻值的电阻，这给集成
电路的
设计和制作带来很大的方便。
e.倒T形电阻网络集成D/A转换器CB7520(AD7520)为10位的输入。
3、D/A转换器的转换精度和转换速度
a.分辨率是用以说明D/A转换器在理论上可达到的精度。其定义是电路
所能分辨
的最小输出电压于最大输出电压之比，即分辨率=1/(2n-1)
上式说明输入数字代码的位数n越多，分辨率越小，分辨能力越高。
b.转换速率SR是在大信号工作时，即输入数字量各位由全0变为全1或由
全1
变为全0时，输出电压的变化率。
三、A/D转换器的基本原理（约0.8学时）
A/D转换器的功能是将输入的模拟电压转换为与其成比例的输出数
字量。一个完整的A/D转换，通常要经过取样-保持、量化和编码等过
程。
1、直接A/D转换器
1）并联比较型A/D转换器
a.电路组成：电压比较器、寄存器和代码转换器三部分构成
b.工作原理：
c.电路特点：优点是转换速度快
2）逐次逼近型A/D转换器
a.电路组成：主要有控制逻辑逐次逼近寄存器、D/A转换器、电压比较
器和输出
缓冲器等部分组成。
b.工作原理：
c.电路特点：因此转换速度快，转换精度高，使目前集成A/D转换器中
用得最多
的一种电路结构。
2、间接A/D转换器
可分为电压-时间变换（V-T变换）型和电压-频率变换（V-F变换）
型。
1）电压-时间变换型A/D转换器的原理
a.电路构成：由积分器、过零比较器、时钟控制与门和计数器构成。
b.工作原理:
c.电路特点：最突出的优点是工作性能比较稳定，输出数字与电路的
R、C参数
无关；另一个优点是抗干扰能力较强。
2）电压-频率变换（V-F变换）型A/D转换器的原理
3、A/D转换器的转换速度与转换精度
1）转换精度：A/D转换器中采用分辨率和转换误差来描述转换精度。
2）转换速度：A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型。并联
比较型
A/D转换器的转换速度最快，逐次逼近型A/D转换器的转换速度次
之，双积
分型A/D转换器的转换速度最慢。
【教学方法与教学手段】
板书与多媒体课件结合讲述；A/D转换器的转换精度与转换速度采用学
生自学。
【作业】
P548 11.5 11.11