第九章数模与模数转换器
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第九章数模与模数转换器
§9.1 D/A转换器 §9.2 A/D转换器
第九章 数模与模数转换器
概述 数模与模数变换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部
件。
能将数字量转换为模拟量的装置称为数/模变换器( 简称D/A转换器 ); 能将模拟量转换为数 字量的装置称为模/数变换器( 简称A/D转换器 )。
2． 倒T形电阻网络D/A转换器（4位）
图中S0～S3为模拟开关，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）。
(LSB)
D0
D1பைடு நூலகம்
(MSB)
Rf
D2
D3
i¦²
A
vo
+
S0
S1
S2
S3
2R 2R
I 16
I 2R
16 R
I 8
I 2R
8 R
I 4
I
2R
4
R
I 2
I 2
+VREF I
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：
iVR RE(D F 24 0D 23 1D 22 2D 21 3)
VREF 3 24 R i0
(Di 2i)
输出电压：
vO iRf RRf V2R4EFi30(Di 2i)
将输入数字量扩展到n位，则有：
vOR Rf V2RnE[F n i 01(Di 2i)]
可简写为：vO=－KNB 其中：
K=
R f V REF R 2n
表明: D/A电路输出模拟电压UO与输入的 数字量D3D2D1D0成正比
IE3
IE2
IE1
IE0 IEC
R VEE
2R
2R
2R
2R 2R
R
R
R
I BB
偏置 电流
基准电流：
IREFVRR1EF2IE3
由倒T形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16， 于是可得输出电压为
vOiRf R 2f4 V R R1E(F D 323D222D 121D 020)
1. 权电阻D/A变换器
UR
R3
R2
R1
R = 80 k R0
R/8
R/4
R/2
R
RF 5 k
S3
S2
S1
S0
01 0 1
01 0 1
-
uo
A+
D3
D2
D1
D0
+
这种变换器由“电子模拟开关”、“权电阻求和网络”、“运算放大器”和 “基准电源”等部分组成。
UR
R3
R2
R1
R = 80 k R0
R/8
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：
(MSB)
(LSB)
Rf
D3
D2
D1
D0
iΣ
A1
vo
+
I=I
REF=
VREF R1
S3
S2
S1
S0
I
I
I
I
I
2
4
8
16
16
VREF
R 1 VR+
Tr A2
T3
T2
T1
T0
Tc
VR— +
IREF
S
T1 T2 a
D 电子模拟开关的 简化原理电路
当 D = 1 时，T2 管饱和导通，T1 管截止，则 S 与 a 点通 ；
当 D = 0 时，T1 管饱和导通，T2 管截止，则 S 被 接地 。
前者相当于开关S 接到 “ 1 ” 端 ，后者则 相 当于开关S 接到“ 0 ”端 。
UR
R3
R2
R1
可推得n位倒T形权电流D/A转换器的输出电压：
vOVRR1EF
Rf 2n
n1
Di 2i
i0
IO是求和电流的输出端。 VREF+和VREF—接基准电流 发生电路中运算放大器
的反相输入端和同相输 入端。COMP供外接补偿 电 容 之 用 。 VCC 和 VEE 为正负电源输入端。
权电流型D/A转换器DAC0808的电路结构框图
3． 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。
(LSB) D0
(MSB)
Rf
D1
D2
D3 i¦²
A
vo
+
S0
S1
S2
I
I
I
16
8
4
V REF
S3
I 2
vO
iRf
Rf
(I 2
D3
I 4
D2
I 8
D1
1I6D0)
I 24
Rf
(D3
23
D2
22
D1
21
R = 80 k R0
R/8
R/4
R/2
R
RF 5 k
S3
S2
S1
S0
0
0
1
1
-
uo
A+
+
D3
D2
D1
D0
根据反相比例运算公式可得：
Uo = -
UR
RF
（ 23 D3 ＋ 22
R
D2 ＋ 21
D1 ＋ 20
D0 ）
显然，输出模拟电压的大小直接与输入 二进制数的大小成正比，从而实现了数字量 到模拟量的转 换。
传感器
(温度、压力、 流量、应力等）
放大器
A/D转换器、D/A转换器的应用
采样/保持器 A/D
计算机进行各种数字处理（如滤 波、计算）、数据保存、打印等
显示器
计算机
打印机
显示器显示字符、曲线、图形、图 象等
示波器
D/A
§9.1 D/A 转换器
D/A变换器的基本思想
由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”，因此为了将数字量转换成模拟 量，就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟 量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成。
R/4
R/2
R
RF 5 k
S3
S2
S1
S0
0
0
1
1
-
uo
A+
+
D3
D2
D1
D0
电子模拟开关( S0-S3)由电子器件构成，其动 作受二进制数D0-D3 控制。当 DK ＝1 时，则相应 的开关SK 接到位置1上，将基准电源UR经电阻Rk引 起的电流接到运算放大器的虚地点（如图中S0、S1）；当Dk＝0 时，开关Sk 接到位置0 ，将相应电流直 接接地而不进运放（如图中S2、S3）。
分辨率: 5V/255=0.0196V /每1个最低有效位
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
vo D/A转换器
输出
v o/V
6 5 4 3 2 1 0 000 001 010 011 100 101 110 111 D
D/A转换器原理 (1) D/A功能: 将数字量成正比地转换成模拟量
4位 8位 10位
数字量 n位
12位
n=
16位
D/A
模拟量
0~5V或 0~10V
D/A 功能(续)
4位数据: 0000
0V
1111
5V
8位数据: 00000000
0V
11111111
5V
分辨率: 5V/15=0.333V /每1个最低有效位
§9.1 D/A转换器 §9.2 A/D转换器
第九章 数模与模数转换器
概述 数模与模数变换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部
件。
能将数字量转换为模拟量的装置称为数/模变换器( 简称D/A转换器 ); 能将模拟量转换为数 字量的装置称为模/数变换器( 简称A/D转换器 )。
2． 倒T形电阻网络D/A转换器（4位）
图中S0～S3为模拟开关，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）。
(LSB)
D0
D1பைடு நூலகம்
(MSB)
Rf
D2
D3
i¦²
A
vo
+
S0
S1
S2
S3
2R 2R
I 16
I 2R
16 R
I 8
I 2R
8 R
I 4
I
2R
4
R
I 2
I 2
+VREF I
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：
iVR RE(D F 24 0D 23 1D 22 2D 21 3)
VREF 3 24 R i0
(Di 2i)
输出电压：
vO iRf RRf V2R4EFi30(Di 2i)
将输入数字量扩展到n位，则有：
vOR Rf V2RnE[F n i 01(Di 2i)]
可简写为：vO=－KNB 其中：
K=
R f V REF R 2n
表明: D/A电路输出模拟电压UO与输入的 数字量D3D2D1D0成正比
IE3
IE2
IE1
IE0 IEC
R VEE
2R
2R
2R
2R 2R
R
R
R
I BB
偏置 电流
基准电流：
IREFVRR1EF2IE3
由倒T形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16， 于是可得输出电压为
vOiRf R 2f4 V R R1E(F D 323D222D 121D 020)
1. 权电阻D/A变换器
UR
R3
R2
R1
R = 80 k R0
R/8
R/4
R/2
R
RF 5 k
S3
S2
S1
S0
01 0 1
01 0 1
-
uo
A+
D3
D2
D1
D0
+
这种变换器由“电子模拟开关”、“权电阻求和网络”、“运算放大器”和 “基准电源”等部分组成。
UR
R3
R2
R1
R = 80 k R0
R/8
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：
(MSB)
(LSB)
Rf
D3
D2
D1
D0
iΣ
A1
vo
+
I=I
REF=
VREF R1
S3
S2
S1
S0
I
I
I
I
I
2
4
8
16
16
VREF
R 1 VR+
Tr A2
T3
T2
T1
T0
Tc
VR— +
IREF
S
T1 T2 a
D 电子模拟开关的 简化原理电路
当 D = 1 时，T2 管饱和导通，T1 管截止，则 S 与 a 点通 ；
当 D = 0 时，T1 管饱和导通，T2 管截止，则 S 被 接地 。
前者相当于开关S 接到 “ 1 ” 端 ，后者则 相 当于开关S 接到“ 0 ”端 。
UR
R3
R2
R1
可推得n位倒T形权电流D/A转换器的输出电压：
vOVRR1EF
Rf 2n
n1
Di 2i
i0
IO是求和电流的输出端。 VREF+和VREF—接基准电流 发生电路中运算放大器
的反相输入端和同相输 入端。COMP供外接补偿 电 容 之 用 。 VCC 和 VEE 为正负电源输入端。
权电流型D/A转换器DAC0808的电路结构框图
3． 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。
(LSB) D0
(MSB)
Rf
D1
D2
D3 i¦²
A
vo
+
S0
S1
S2
I
I
I
16
8
4
V REF
S3
I 2
vO
iRf
Rf
(I 2
D3
I 4
D2
I 8
D1
1I6D0)
I 24
Rf
(D3
23
D2
22
D1
21
R = 80 k R0
R/8
R/4
R/2
R
RF 5 k
S3
S2
S1
S0
0
0
1
1
-
uo
A+
+
D3
D2
D1
D0
根据反相比例运算公式可得：
Uo = -
UR
RF
（ 23 D3 ＋ 22
R
D2 ＋ 21
D1 ＋ 20
D0 ）
显然，输出模拟电压的大小直接与输入 二进制数的大小成正比，从而实现了数字量 到模拟量的转 换。
传感器
(温度、压力、 流量、应力等）
放大器
A/D转换器、D/A转换器的应用
采样/保持器 A/D
计算机进行各种数字处理（如滤 波、计算）、数据保存、打印等
显示器
计算机
打印机
显示器显示字符、曲线、图形、图 象等
示波器
D/A
§9.1 D/A 转换器
D/A变换器的基本思想
由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”，因此为了将数字量转换成模拟 量，就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟 量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成。
R/4
R/2
R
RF 5 k
S3
S2
S1
S0
0
0
1
1
-
uo
A+
+
D3
D2
D1
D0
电子模拟开关( S0-S3)由电子器件构成，其动 作受二进制数D0-D3 控制。当 DK ＝1 时，则相应 的开关SK 接到位置1上，将基准电源UR经电阻Rk引 起的电流接到运算放大器的虚地点（如图中S0、S1）；当Dk＝0 时，开关Sk 接到位置0 ，将相应电流直 接接地而不进运放（如图中S2、S3）。
分辨率: 5V/255=0.0196V /每1个最低有效位
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
vo D/A转换器
输出
v o/V
6 5 4 3 2 1 0 000 001 010 011 100 101 110 111 D
D/A转换器原理 (1) D/A功能: 将数字量成正比地转换成模拟量
4位 8位 10位
数字量 n位
12位
n=
16位
D/A
模拟量
0~5V或 0~10V
D/A 功能(续)
4位数据: 0000
0V
1111
5V
8位数据: 00000000
0V
11111111
5V
分辨率: 5V/15=0.333V /每1个最低有效位