11数模转换与模数转换接口
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量D是不连续的，当数字增加或者减少时，模拟量为阶梯形电压，如图 11.4所示，阶梯形每一级增量对应于输入数字的最低数位1。把阶梯形每 1 一级增量与最大模拟量的比值称为分辨率。分辨率= n 。比如，8 2 1 1 0.39% 。通常，在工程中，直接用 位D/A转换器，其分辨率为 8 2 1 D/A转换器能转换的二进制位数表示分辨率，如8位、10位、12位、14
11.2 D/A转换器的工作原理
当RF=R/2时，则 V VREF (d 23 d 22 d 21 d 20 ) O 3 2 1 0 24 那么，对于n位的权电阻网络D/A转换器，输出电压可按下式计算
VO VREF V (d n1 2n1 d n2 2n2 d1 21 d 0 20 ) REF Dn 2n 2n
VV+
-
+
VO
S3 I/2 VREF I R I/4 2R
S2
S0 S1 I/8 I/16 2R 2R 2R R R 2R
图11.3 四位T形电阻网络D/A转换器
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.3 D/A转换器的主要性能参数
1．分辨率
分辨率是D/A转换器对数字输入量变化的敏感程度的度量。由于数字
可用绝对转换精度和相对转换精度来表示。绝对转换精度是指实际输出值 与理论值之间的差距，它与D/A转换器的参考电压和权电阻的精度等有关。 相对转换精度是绝对转换精度与满量程输出之比乘以百分之百，是常用的 描述输出电压接近理想值程度的物理量，更具有实用性。例如，一个D/A转 换器的绝对转换精度是±0.02V，输出满刻度值为5V时，则其相对转换精 度为±0.4%。
才能输入到计算机，由计算机以二进制形式对该模拟量进行分析、计算、
存储、显示等。同理，如果计算机要把数字量转换为模拟量输出，以便控 制模拟电流或电压电量作为输入的执行机构，就必须经过数/模转换器
(Digital to Analog Converter，DAC或D/A转换器)才能实现。所以，A/D转
换器、D/A转换器已成为计算机接口技术中最常用的芯片之一，应用非常广 泛。计算机控制系统组成框图如图11.1所示。
LE1
8位 DAC
8位 D/A
8 12 11
寄 存 器
转 换 器
9
VREF IOUT2 IOUT1
RFB LE2 3 20 10 AGND VCC DGND
ILE 19 CS 1 2 WR1 18 WR2 17 XFER
& & &
图11.5 DAC0832的内部结构框图
第11章 数/模转换与模/数转换接口
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.4 D/A转换器芯片与微处理器的接口
11.4.2 D/A转换器与CPU的接口实例 1. 8位D/A转换器DAC0832与CPU的接口设计
s DAC0832是应用较广泛的8位D/A转换芯片，转换时间1 。其内部结
构如图11.5所示，主要包括一个T形电阻网络的8位D/A转换器和两级锁存器， 第一级锁存器是8位的数据输入寄存器，由控制信号ILE、 第二级锁存器是8位的DAC寄存器，由控制信号 须外接运算放大器。 1) DAC0832的引脚及功能 和 WR 2 和 控制； CS WR1 XFER 控制。
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
的总电流是固定的，其大小为
VREF R 但电流iz的大小取决于二进制代码d3、d2、d1、d0是1还是0，其大小为 I
输出电压V0的大小为
iz
I I I I d3 d 2 d1 d 0 2 4 8 16
VO iz R
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
RF (R/2)
iz
2R
S3 VREF d0 d1 d2 d3
3
VV+
-
+
2R 2R 2R
I0 S2 I1 S1 I2 S0 I3
2
1
0
VO
图11.2 4位权电阻D/A转换器
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.4 D/A转换器芯片与微处理器的接口
另外，为实现对某个对象的控制，要求输出模拟量要能够保持一段时间。 在微机系统中，D/A转换器的输入数据来自CPU，8086微处理器在执行输 出指令时，数据在数据总线上只能维持两个时钟周期，这使得转换后模拟 量的输出保持时间太短，无法满足实际系统的要求。所以，在这类芯片(如 AD7520，AD7521等)与CPU连接时，要在其与CPU之间增加数据锁存器 (如74LS273)。而内部已包含数据输入寄存器的D/A转换器芯片可直接与系 统总线相连，常见的有DAC0832、AD7524等。
第11章 数/模转换与模/数转换接口
第十一章 数模转换与模数转换窗口
第11章 wk.baidu.com/模转换与模/数转换接口
计算机用于过程控制和数据采集时，需要将连续变化的 模拟量转换为数字量，以及反向的转换。A/D转换技术的D/A 转换技术就成为其中的关键。A/D和D/A转换技术主要用于计 算机控制系统和测量仪表中。
上式表明，输出模拟量 V0与输入的数字量D n成正比，从而实现了数字量
到模拟量的转换。
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
当Dn=0时，V0 =0；当 dn1 , dn2 ,, d1 , d0 均为1时，即
Dn 2n1 2n2 21 20 2n 1
2R两种阻值连接成T形结构，所以叫T形电阻网络，该电路在集成电路中
易实现，精度也容易保证，因此得到了更广泛的应用。由4位二进制代码 d3、d2、d1、d0分别控制电子开关S3、S2、S1、S0接运算放大器的反相输 入端或接地，比如d3为1时，表示S3与运算放大器的反相输入端接通，d3 为0时，表示S3与地接通。因为理想运算放大器的同相端和反相端是虚短 的，在图11.3中，相当于均接地，所以不论4位二进制代码d3、d2、d1、 d0是1还是0，流过每条支路的电流都是不变的，分别为I/2、I/4、I/8、 I/16，并依次减半。从参考电压端输出
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.1 概 述
在实际生产过程中，需要测量和控制的通常是一些连续变化的模拟量， 如电流、电压、温度、压力、流量、位移、速度、光亮度等。如果要用计
算机来自动监测和控制生产过程中的物理量，因为计算机本身只能识别和
处理数字量(即由0和1构成的二进制数)，所以，实际生产过程中的模拟量 必须经过模/数转换器(Analog to Digital Converter，即ADC或A/D转换器)，
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
11.2.1 权电阻网络D/A转换器 图11.2所示为一个4位权电阻D/A转换器，它包括参考电压VREF、 电子开关、权电阻网络、运算放大器4个部分。电子开关S3、S2、S1、 S0分别由4位二进制代码d3、d2、d1、d0控制，比如d0为1时，表示S3与 VREF接通，d0为0时，表示S3与地接通。 设运算放大器为理想运算放大器，则由图11.2可知
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.4 D/A转换器芯片与微处理器的接口
11.4.1 D/A转换器与CPU接口的基本原理 D/A转换器的种类繁多，在目前常用的D/A芯片中，从数码位数上 看，有8位、10位、12位、16位等；在输出形式上，有电流输出和电压输 出。从内部结构上，又可分为含数据输入寄存器和不含数据输入寄存器两 类。对内部不含数据输入寄存器的芯片，亦即不具备数据的锁存能力，是 不能直接与系统总线连接的。因为对D/A转换器来讲，当有数字量输入时， 其输出端随之有模拟电流或电压信号建立；而当输入端数字量消失时，输 出模拟量也随之消失。
度和数字量的位数有关。显然，位数越多，转换精度就越高，但同时权 电阻的种类就越多。由于在集成电路中制作高阻值的精密电阻是比较困
难的，所以常采用“R-2R”T形电阻网络来代替权电阻网络。
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
11.2.2 T形电阻网络D/A转换器 图11.3为4位T形电阻网络D/A转换器的基本原理图，该转换器用R和
1 1 1 1 VO IR( d3 d 2 d1 d 0 ) 2 4 8 16 VO VREF 3 (2 d3 22 d 2 21 d1 20 d 0 ) 24
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
R d3 d2 d1 d0
iz
DAC0832的模拟输出为差动电流信号，因此，要想得到模拟电压输出，必
DAC0832是20个引脚的双列直插式芯片，其引脚图如图11.6所示。各
引脚功能如下：
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.4 D/A转换器芯片与微处理器的接口
DI7 13 14 15 16 … 4 5 6 7 DI
0
8位
输 入 寄 存 器
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.1 概
数字量 模拟量
述
物理量
计 算 机
数字量
D/A 转换器
模拟量
执行机构
物理量
生 产 过 程
A/D 转换器
传感器和变送器
图11.1 计算机控制系统组成框图
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
实现D/A转换的基本方法是将数字量的每一位代码，按其权的大小 转换为相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总和就是 与数字量对应的成正比的模拟量，根据这个转换原理，可设计出多种 D/A转换器。
V R i R (I I I I )
O F Z F 3 2 1 0
式中
I3 VREF d3 R
(d3=1时， ，VREF为参考电压，d3=0时，I3=0)
I2 I1 I0 VREF d2 1 2R VREF d1 2 2 R VREF d0 3 2 R
第11章 数/模转换与模/数转换接口
位、16位D/A转换器。
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.3 D/A转换器的主要性能参数
模拟量
数字量 n 位 0 1 2 „ 2n-1
图11.4 D/A转换器输出的阶梯波电压(数字量增加或者减少时)
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.3 D/A转换器的主要性能参数
2. 转换精度
转换精度表示由于D/A转换器的引入而使输出和输入之间产生的误差。
11.4 D/A转换器芯片与微处理器的接口
CS WR1 AGND DI3 DI2 DI1 DI0 VREF RFB DGND 20 1 19 2 3 18 17 4 5 DAC 16 6 0832 15 14 7 8 13 9 12 10 11 VCC ILE WR2 XFER DI4 DI5 DI6 DI7 IOUT2 IOUT1
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.3 D/A转换器的主要性能参数
3. 转换速度
当D/A转换器输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即 达到所对应的量值，而需要一段时间。通常用建立时间和转换速率两个 参数来描述D/A转换器的转换速度。 建立时间指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定电压值 所需要的时间。一般用D/A转换器输入的数字量从全0变为全1时，输出 电压达到规定的误差范围(LSB/2)时所需时间来表示。D/A转换器的建立
则
2n 1 VO n VREF 2
2n 1 也就是，输出电压 的变化范围是 0～ n VREF ， VREF为正电压时，V0 2 为负值，VREF取负 电压时，输出V0 为正电压。
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
权电阻网络D/A转换器的转换精度与基准电压VREF、权电阻的精
时间较快，单片集成D/A转换器建立时间最短可达0.1s以内。
转换速率，用大信号工作状态下(输入信号由全1到全0或由全0到 全1)，模拟电压的变化率表示。一般集成D/A转换器在不包含外接参考电
压源和运算放大器时，转换速率比较高。实际应用中，要实现快速D/A转
换不仅要求D/A转换器有较高的转换速率，而且还应选用转换速率较高的 集成运算放大器。
11.2 D/A转换器的工作原理
当RF=R/2时，则 V VREF (d 23 d 22 d 21 d 20 ) O 3 2 1 0 24 那么，对于n位的权电阻网络D/A转换器，输出电压可按下式计算
VO VREF V (d n1 2n1 d n2 2n2 d1 21 d 0 20 ) REF Dn 2n 2n
VV+
-
+
VO
S3 I/2 VREF I R I/4 2R
S2
S0 S1 I/8 I/16 2R 2R 2R R R 2R
图11.3 四位T形电阻网络D/A转换器
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.3 D/A转换器的主要性能参数
1．分辨率
分辨率是D/A转换器对数字输入量变化的敏感程度的度量。由于数字
可用绝对转换精度和相对转换精度来表示。绝对转换精度是指实际输出值 与理论值之间的差距，它与D/A转换器的参考电压和权电阻的精度等有关。 相对转换精度是绝对转换精度与满量程输出之比乘以百分之百，是常用的 描述输出电压接近理想值程度的物理量，更具有实用性。例如，一个D/A转 换器的绝对转换精度是±0.02V，输出满刻度值为5V时，则其相对转换精 度为±0.4%。
才能输入到计算机，由计算机以二进制形式对该模拟量进行分析、计算、
存储、显示等。同理，如果计算机要把数字量转换为模拟量输出，以便控 制模拟电流或电压电量作为输入的执行机构，就必须经过数/模转换器
(Digital to Analog Converter，DAC或D/A转换器)才能实现。所以，A/D转
换器、D/A转换器已成为计算机接口技术中最常用的芯片之一，应用非常广 泛。计算机控制系统组成框图如图11.1所示。
LE1
8位 DAC
8位 D/A
8 12 11
寄 存 器
转 换 器
9
VREF IOUT2 IOUT1
RFB LE2 3 20 10 AGND VCC DGND
ILE 19 CS 1 2 WR1 18 WR2 17 XFER
& & &
图11.5 DAC0832的内部结构框图
第11章 数/模转换与模/数转换接口
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.4 D/A转换器芯片与微处理器的接口
11.4.2 D/A转换器与CPU的接口实例 1. 8位D/A转换器DAC0832与CPU的接口设计
s DAC0832是应用较广泛的8位D/A转换芯片，转换时间1 。其内部结
构如图11.5所示，主要包括一个T形电阻网络的8位D/A转换器和两级锁存器， 第一级锁存器是8位的数据输入寄存器，由控制信号ILE、 第二级锁存器是8位的DAC寄存器，由控制信号 须外接运算放大器。 1) DAC0832的引脚及功能 和 WR 2 和 控制； CS WR1 XFER 控制。
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
的总电流是固定的，其大小为
VREF R 但电流iz的大小取决于二进制代码d3、d2、d1、d0是1还是0，其大小为 I
输出电压V0的大小为
iz
I I I I d3 d 2 d1 d 0 2 4 8 16
VO iz R
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
RF (R/2)
iz
2R
S3 VREF d0 d1 d2 d3
3
VV+
-
+
2R 2R 2R
I0 S2 I1 S1 I2 S0 I3
2
1
0
VO
图11.2 4位权电阻D/A转换器
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.4 D/A转换器芯片与微处理器的接口
另外，为实现对某个对象的控制，要求输出模拟量要能够保持一段时间。 在微机系统中，D/A转换器的输入数据来自CPU，8086微处理器在执行输 出指令时，数据在数据总线上只能维持两个时钟周期，这使得转换后模拟 量的输出保持时间太短，无法满足实际系统的要求。所以，在这类芯片(如 AD7520，AD7521等)与CPU连接时，要在其与CPU之间增加数据锁存器 (如74LS273)。而内部已包含数据输入寄存器的D/A转换器芯片可直接与系 统总线相连，常见的有DAC0832、AD7524等。
第11章 数/模转换与模/数转换接口
第十一章 数模转换与模数转换窗口
第11章 wk.baidu.com/模转换与模/数转换接口
计算机用于过程控制和数据采集时，需要将连续变化的 模拟量转换为数字量，以及反向的转换。A/D转换技术的D/A 转换技术就成为其中的关键。A/D和D/A转换技术主要用于计 算机控制系统和测量仪表中。
上式表明，输出模拟量 V0与输入的数字量D n成正比，从而实现了数字量
到模拟量的转换。
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
当Dn=0时，V0 =0；当 dn1 , dn2 ,, d1 , d0 均为1时，即
Dn 2n1 2n2 21 20 2n 1
2R两种阻值连接成T形结构，所以叫T形电阻网络，该电路在集成电路中
易实现，精度也容易保证，因此得到了更广泛的应用。由4位二进制代码 d3、d2、d1、d0分别控制电子开关S3、S2、S1、S0接运算放大器的反相输 入端或接地，比如d3为1时，表示S3与运算放大器的反相输入端接通，d3 为0时，表示S3与地接通。因为理想运算放大器的同相端和反相端是虚短 的，在图11.3中，相当于均接地，所以不论4位二进制代码d3、d2、d1、 d0是1还是0，流过每条支路的电流都是不变的，分别为I/2、I/4、I/8、 I/16，并依次减半。从参考电压端输出
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.1 概 述
在实际生产过程中，需要测量和控制的通常是一些连续变化的模拟量， 如电流、电压、温度、压力、流量、位移、速度、光亮度等。如果要用计
算机来自动监测和控制生产过程中的物理量，因为计算机本身只能识别和
处理数字量(即由0和1构成的二进制数)，所以，实际生产过程中的模拟量 必须经过模/数转换器(Analog to Digital Converter，即ADC或A/D转换器)，
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
11.2.1 权电阻网络D/A转换器 图11.2所示为一个4位权电阻D/A转换器，它包括参考电压VREF、 电子开关、权电阻网络、运算放大器4个部分。电子开关S3、S2、S1、 S0分别由4位二进制代码d3、d2、d1、d0控制，比如d0为1时，表示S3与 VREF接通，d0为0时，表示S3与地接通。 设运算放大器为理想运算放大器，则由图11.2可知
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.4 D/A转换器芯片与微处理器的接口
11.4.1 D/A转换器与CPU接口的基本原理 D/A转换器的种类繁多，在目前常用的D/A芯片中，从数码位数上 看，有8位、10位、12位、16位等；在输出形式上，有电流输出和电压输 出。从内部结构上，又可分为含数据输入寄存器和不含数据输入寄存器两 类。对内部不含数据输入寄存器的芯片，亦即不具备数据的锁存能力，是 不能直接与系统总线连接的。因为对D/A转换器来讲，当有数字量输入时， 其输出端随之有模拟电流或电压信号建立；而当输入端数字量消失时，输 出模拟量也随之消失。
度和数字量的位数有关。显然，位数越多，转换精度就越高，但同时权 电阻的种类就越多。由于在集成电路中制作高阻值的精密电阻是比较困
难的，所以常采用“R-2R”T形电阻网络来代替权电阻网络。
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
11.2.2 T形电阻网络D/A转换器 图11.3为4位T形电阻网络D/A转换器的基本原理图，该转换器用R和
1 1 1 1 VO IR( d3 d 2 d1 d 0 ) 2 4 8 16 VO VREF 3 (2 d3 22 d 2 21 d1 20 d 0 ) 24
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
R d3 d2 d1 d0
iz
DAC0832的模拟输出为差动电流信号，因此，要想得到模拟电压输出，必
DAC0832是20个引脚的双列直插式芯片，其引脚图如图11.6所示。各
引脚功能如下：
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.4 D/A转换器芯片与微处理器的接口
DI7 13 14 15 16 … 4 5 6 7 DI
0
8位
输 入 寄 存 器
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.1 概
数字量 模拟量
述
物理量
计 算 机
数字量
D/A 转换器
模拟量
执行机构
物理量
生 产 过 程
A/D 转换器
传感器和变送器
图11.1 计算机控制系统组成框图
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
实现D/A转换的基本方法是将数字量的每一位代码，按其权的大小 转换为相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总和就是 与数字量对应的成正比的模拟量，根据这个转换原理，可设计出多种 D/A转换器。
V R i R (I I I I )
O F Z F 3 2 1 0
式中
I3 VREF d3 R
(d3=1时， ，VREF为参考电压，d3=0时，I3=0)
I2 I1 I0 VREF d2 1 2R VREF d1 2 2 R VREF d0 3 2 R
第11章 数/模转换与模/数转换接口
位、16位D/A转换器。
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.3 D/A转换器的主要性能参数
模拟量
数字量 n 位 0 1 2 „ 2n-1
图11.4 D/A转换器输出的阶梯波电压(数字量增加或者减少时)
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.3 D/A转换器的主要性能参数
2. 转换精度
转换精度表示由于D/A转换器的引入而使输出和输入之间产生的误差。
11.4 D/A转换器芯片与微处理器的接口
CS WR1 AGND DI3 DI2 DI1 DI0 VREF RFB DGND 20 1 19 2 3 18 17 4 5 DAC 16 6 0832 15 14 7 8 13 9 12 10 11 VCC ILE WR2 XFER DI4 DI5 DI6 DI7 IOUT2 IOUT1
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.3 D/A转换器的主要性能参数
3. 转换速度
当D/A转换器输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即 达到所对应的量值，而需要一段时间。通常用建立时间和转换速率两个 参数来描述D/A转换器的转换速度。 建立时间指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定电压值 所需要的时间。一般用D/A转换器输入的数字量从全0变为全1时，输出 电压达到规定的误差范围(LSB/2)时所需时间来表示。D/A转换器的建立
则
2n 1 VO n VREF 2
2n 1 也就是，输出电压 的变化范围是 0～ n VREF ， VREF为正电压时，V0 2 为负值，VREF取负 电压时，输出V0 为正电压。
第11章 数/模转换与模/数转换接口
11.2 D/A转换器的工作原理
权电阻网络D/A转换器的转换精度与基准电压VREF、权电阻的精
时间较快，单片集成D/A转换器建立时间最短可达0.1s以内。
转换速率，用大信号工作状态下(输入信号由全1到全0或由全0到 全1)，模拟电压的变化率表示。一般集成D/A转换器在不包含外接参考电
压源和运算放大器时，转换速率比较高。实际应用中，要实现快速D/A转
换不仅要求D/A转换器有较高的转换速率，而且还应选用转换速率较高的 集成运算放大器。