数字电子技术基础 第九章 模数与数模转换器
数模与模数转换器
数字量的位数越多，相应ULSB越小，也就是其分辨能力越高。
9.1 数/模（D/A）转换器
2.线性度 通常用非线性误差的大小来表示D/A转换器的线性 度，并且将偏离理想的转换特性的偏差与满刻度输出 之比的百分率定义为非线性误差。
3.绝对精度 在D/A转换器中，将任何输入数码所对应的实际 模拟电压值与其理想电压值之差的最大值定义为绝对 精度，它描述了在整个工作区内实际的输出电压与理 想的输出电压之间的最大偏差。
1.分辨率 DAC电路所能分辨的最小输出电压增量ULSB与最大输出电压 Um之比称为分辨率，它是转换器的一个重要参数，其表示式为
例如，对于n=10位的DAC，其分辨率=
，
称分辨率为千分之一。由于分辨率的大小仅取决于输入数字量的位数，
因此，在一些手册上通常用DAC的位数n来表示，如10位分辨率等。
由上述分析可知，当输出电压的最大值一定时，D/A转换器输入
9.2 模/数（A/D）转换器
9.2.1 A/D转换类型及其特点
A/D转换器的类型有很多种，不同的场合要求各异，如数字 电压表要求测量准确，对转换速度要求不太高，而在数字通信和 数字处理系统中要求转换速度快，对转换精度的要求相对低一些 。 根据要求选用不同类型的A/D转换器。 A/D转换器按其工作原 理的不同可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两种。直接A/D 转换器将模拟信号直接转换为数字信号，这类A/D转换器具有较 快的转换速度，典型电路有并联比较型A/D转换器和逐次逼近型 A/D转换器。而间接A/D转换器则是先将模拟信号转换成某一中 间量（时间或频率），然后再将中间量转换为数字量输出。此类 A/D转换器的转换速度较慢，典型电路有双积分型A/D转换器和 电压频率转换型A/D转换器。
数模转换讲解
本章的难点：
本章的难点在一些A/D转换器内部电路结构和详细工作 过程上，但这不是本章学习的重点。
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第九章 数模和模数转换 第一节 概述
数模转换：将数字量 (Digital)转换为模拟量(Analog)。 简称D/A 转换。 模数转换：将模拟量(Analog)转换为数字量(Digital)。 简称A/D转换。 传感器 计算机 被控对象 A/D转换器
驱动电路
D/A转换器
2
主要指标：转换精度；转换速度。
分类：
权电阻网络D/A转换器 倒T型电阻网络D/A转换器 权电流型D/A转换器 权电容网络D/A转换器 开关树型D/A转换器 并联比较型 A/D 转 换 器 直接转换型 反馈比较型 计数型 逐次渐进型
D/A 转 换 器
间接转换型
双积分型（V－T变换型）
转换时间
TTR (max) ts
V0 (max) SRபைடு நூலகம்
输出模拟电 压最大值 运放输出转 换速率
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第三节 A/D转换器 一、A/D转换的基本原理 在A/D转换器中，由于输入 模拟信号在时间上是连续的， 而输出数字信号是离散的，所 以转换只能在一系列选定的瞬 间对输入模拟信号采样，然后 再把这些采样值转换成输出数 字量。
公式化简过程请 同学自己解决。
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2.反馈比较型A/D转换器
思路：将一数字量加到D/A转换器上，再把D/A转换器输出的 模拟电压与输入模拟电压相比较。若不相等，则修改数字量，直 到两模拟电压相等，此时对应的数字量就是转换结果。
(1)计数型A/D转换器 数字量由计数 器提供。
B =
1 0
I O
I REF RB 2 2R
B
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。
数字电子技术基础第九章DA和AD转换电路
D2
VREF 22 R
D1
VREF 23 R
D0
VREF 23 R
(D3 23
D2 22
D1 21
D0 20 )
VREF
23 R
3 i0
Di 2i
i (0,1,2,3)
11
对于n位权电阻网络D/A转换器总电流为：
i
VREF 2n1 R
n1 i0
Di 2i
求和放大器输出电压为：vo iR f
数字量D成正比关系。V=KD，K为常数。
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一、基本原理
输入是 n位二
D0 D1
进制数
Dn-1
n1
vO (iO ) k Di 2i 位权值
D/A
i (0,1,2,3i0 n 1)
k:转换比例系数
输出模拟电压（或模拟电流）与输入数字量
成正比关系。
假设：转换比例系数K=1,输入数字量n=3
输出模拟电压（或模拟电流）为：
进制数码为0000~1111,基准电压
00000
VREF=-8V,Rf = R/2,求输出电压VO。 并画出输出VO波形。
0 0 0 1 0.5 00101 0 0 1 1 1.5
VREF R f 2n1 R
n1
Di 2i
i0
输出模拟电压VO的大小与输 入的二进制数码的数值大小
成正比。
－ 2Rf
R
VREF 2n
n1
Di 2i
i0
同时还与量化级有关。
量化级
★ 输入二进制数码位数越多，量化级越小，D/A输 出电压越接近模拟电压。
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例1：设4位权电阻D/A转换器输入二进制数 码D3D2D1D0=1101,基准电压VREF=-8V,Rf = R/2,求输出电压VO。
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
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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）
9数模与模数转换器
T型电阻网络DAC
按解码网络 D/A 结构分类 转 换
倒T形电阻网络DAC 权电流DAC 权电阻网络DAC
器
按模拟电子开 CMOS开关型DAC 关电路分类 双极型开关型DAC
电流开关型DAC
ECL电流开关型DAC
6
9.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器
1、原理电路
输入二进制数
求和运算放大器
(LSB)
数字量 n位
DAC
模拟量
O = K NB
3
2. 实现D/A转换的基本思想
将二进制数NB＝(11001)B转换为十进制数。 ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20
＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20
数字量是代码按数位组合而成的, 对于有权码,每位代码都 有一定的权值，如能将每一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 比的模拟量, 从而实现数字量-----模拟量的转换。
7
9.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器
2、D/A转换器的倒T形电阻网络
流过各开关支路的电流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？ 基准电源VREF提供的总电流为：I =？
R
R
R
R
A
B
C
D
I/16
I/8
I/4
I/2
2R
2R
A
I/16
I0 2R
R B
I/8
I1 2R I2 2R I3
R
R
I/4 C
I0 R 2R
I1 R
2R
I2 2R
R
I3 I +VREF
第九章数-模和模-数转换数模转换DA模数转换AD转换精度
数字量 输出 d2d1d0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1
优点：转换速度快，一级触发器的延迟时间和3级门电路的延迟时间50ns以下。 省去取样-保持电路，比较器和寄存器有取样-保持功能。 缺点：需要2n-1个电压比较器和2n-1个触发器，电路随输出代码的位数成倍上 升，如210-1=1023，不能实现n大的A/D转换。
VREF n Dn 2
9.2 A/D转换器 （1）基本原理 取样-保持-量化-编码 ①取样定理
取样频率≥输入模拟信号vI的最大频率分量频率 的2倍，就可以用低通滤波器将取样信号vS还原vI。 低通滤波器的频率特性fS=(3—5)fi(max)
fS≥2fi(max)
②量化和编码 最小数量单位称为量化单位△ 将取样电压表示为△的整数倍，叫做量化。 编码：将量化结果用代码表示。 量化误差：模拟电压取样值不被△整除， 舍弃的部分。 例：0—1V模拟信号用3位二进制码表示 取△=1/8V 最大量化误差△=1/8V
流入V-电流
I I I I i d 3 d 2 d 1 d 0 2 4 8 16
反馈电阻R，输出电压
vo Ri VREF 3 2 1 0 4 (d 3 2 d 2 2 d1 2 d 0 2 ) 2
n位倒T形电阻网络 RF =R时
vo
VREF n 1 n2 1 0 ( d 2 d 2 d 2 d 2 ) n 1 n2 1 0 n 2
,
d3 … d0代码为， 1，接参考电压源VREF ，有支路电流Ii 流向求和放大器。 d3 … d0代码为0，接地。
，
求和放大器是理想运放，接成负反馈
第9章 数模和模数转换
第九章D/A和A/D转换器及其与MCS-51的接口技术第一节D/A转换器及其与MCS-51的接口技术A/D(Analog to Digital)转换：从模拟信号到数字信号的转换。
D/A(Digital to Analog)转换：从数字信号到模拟信号的转换。
A/D转换器(Analog--Digital Converter)：ADCD/A转换器(Digital--Analog Converter)：DAC一、基本知识D/A转换器的分类：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转换器开关树型D/A转换器A/D转换器的分类：直接A/D转换器间接A/D转换器权电阻网络D/A 转换器Si R I I (R F F -=++-=102d 2d 2d (2V v 122334REF ++-=oV1n-D/A转换器的主要技术指标1. 分辨率：（1）用输入二进制数码的位数给出。
如果数字量的位数为n，则可以说D/A转换器的分辨率为8位。
（2）用D/A转换器能够分辨出来的最小电压。
若V=5V，n=8，则分辨率=5/256V=19.5mV。
REF显然，位数越多，分辨精度就越高。
通常以其二进制位数表示分辨率。
不同类型D/A转换器的建立时间多数是不同的，但一般均在几十纳秒到几百微秒之间。
由于计算机的运行速度高于D/A转换器的建立时间，所以无论是什么类型的D/A转换器，都必须在接口中安置锁存器，锁存短暂的输出信号，为D/A转换器提供足够时间的、稳定的数字信号。
DAC的类型：–转换位数：8、10、12位–内部缓冲器数量：无、单、双–输出类型：电流、电压•大多数DAC均属于电流输出型，需进行电压转换–输出极性：单、双极性–输入接口：并、串行–转换速度：低、高速–其它：低功耗，专用型等DAC芯片二、DAC0832的结构及原理DAC0832为一个8位D/A转换器,单电源供电,在+5~+15V范围内均可正常工作。
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第9章数模与模数转换器一、选择题1．数／模转换器的分辨率取决于（）。
A．输入数字量的位数，位数越多分辨率越高；B．输出模拟电压U O的大小，U O越大，分辨率越高；C．参考电压U REF的大小，U REF越大，分辨率越高；D．运放中反馈电阻的大小，电阻越大，分辨率越高【答案】A【解析】分辨率以输出二进制数或十进制数的位数表示，它表明A/D转换器对输入信号的分辨能力。
n位二进制数字输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同等级大小，能区分输入电压的最小差异为满量程输入的1/2n。
2．不适合对高频信号进行A/D转换的是（）。
A．并联比较型B．逐次逼近型C．双积分型D．不能确定【答案】C【解析】双积分型A/D转换器的原理是运用RC对时间进行积分，当有高频信号时，会影响RC积分器固定频率的时钟脉冲计数，影响结果。
3．一个八位D／A转换器的最小输出电压增量为0.02V，当输入代码为01001101时，输出电压为（）。
A ．1.54VB ．1.04VC ．2.00VD ．1.80V【答案】A【解析】V O ＝（01001101）2×0.02V ＝（26＋23＋22＋20）×0.02V ＝77×0.02V ＝1.54V 。
4．在双积分A/D 转换器中，输入电压在取样时间T 1内的平均值V I 与参考电压V REF应满足的条件是（ ）。
A ．|V I |≥|V REF |B ．|V I |≤|V REF |C ．|V I |＝|V REF |D ．无任何要求【答案】B【解析】双积分A/D 转换器的原理是将输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。
如果输入电压在取样时间T 1内的平均值V I ＞参考电压V REF ，当计数第一次就截止，无法测出比例，无法测出电压。
5．一个12位的逐次近式A/D 转换器，参考电压为4.096V ，其量化单位为（ ）。
第九章数模（DA）和模数（AD）转换电路
第九章 数模（D/A ）和模数（A/D ）转换电路一、 内容提要模拟信号到数字信号的转换称为模—数转换，或称为A/D （Analog to Digital ），把实现A/D 转换的电路称为A/D 转换器（Analog Digital Converter ADC ）；从数字信号到模拟信号的转换称为D/A （Digital to Analog ）转换，把实现D/A 转换的电路称为D/A 转换器（ Digital Analog Converter DAC ）。
ADC 和DAC 是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。
二、 重点难点本章重点内容有：1、D/A 转换器的基本工作原理（包括双极性输出），输入与输出关系的定量计算；2、A/D 转换器的主要类型（并联比较型、逐次逼近型、双积分型），他们的基本工作原理和综合性能的比较；3、D/A 、A/D 转换器的转换速度与转换精度及影响他们的主要因素。
三、本章习题类型与解题方法 DAC网络DAC 权电阻 ADC 直接ADC间接ADC权电流型DAC权电容型DAC开关树型DAC输入/输出方式 并行 串行 倒梯形电阻网络DAC这一章的习题可大致分为三种类型。
第一种类型是关于A/D 、D/A 转换的基本概念、转换电路基本工作原理和特点的题目，其中包括D/A 转换器输出电压的定量计算这样基本练习的题目。
第二种类型是D/A 转换器应用的题目，这种类型的题目数量最大。
第三种类型的题目是D/A 转换器和A/D 转换器中参考电压V REF 稳定度的计算，这种题目虽然数量不大，但是概念性比较强，而且有实用意义。
（一）D/A 转换器输出电压的定量计算【例9 -1】图9 -1是用DAC0830接成的D/A 转换电路。
DAC0830是8位二进制输入的倒T 形电阻网络D/A 转换器，若REF V =5 V ，试写出输出电压2O V 的计算公式，并计算当输人数字量为0、12n - (72)和2n -1(82-1)时的输出电压。