模拟量和数字量的相互转换
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模拟量与数字量转换,电子技术[1]
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速度快，缺
•R
点 是所需比 •5Us /8 •R
较器数目多，•4Us /8 •R 位数越多矛 •3Us /8
盾越突出。
•R •2Us /8
•R
•Us /8
•R
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•G
•-
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•F •E
•编
•D2
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•D •码
•D1
•-
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•C •B
•器
•01 •01
•&
•&
•&
•& •1 •B2(22) •& •1 •B1(21) •& •0 •B0(20)
•C
•Q1•01
P •01
•Q2•01
•Q3•01 •Q4•01
•顺 序 脉 冲 发 生 器
•D0 •数字输出
•-
•+
•+
•A
模拟量与数字量转换,电子技术[1]
• 三位并联比较由以下3部分组成：
• 比较器：由７个电压比较器组成，“＋”输入端 接输入电压ui，“－”输入端接一定值的比较电压uR， 若
• ui > uR ，比较器输出为1，反之输出为0。
• 分压电阻链：由８个电阻组成，将基准电压进行 分压，获得７个比较器的比较电压uR。
•
PPT文档演模板
８线－３线优先编码器：输入、输出均为高电平
模拟量与数字量转换,电子技术[1]
电子技术基础- 模拟量和数字量的转换
EOC D0--7
第10章 模拟量和数字量的转换
10.2 A/D转换器
ADC0809管脚功能 8个模拟量输入端
启动A/D转换 转换结束信号
IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 START
EOC
D0
输出允许信号
OE
实时时钟 CLK
电源电压
UCC
正负参考电压 VREF(＋)
地 GND D1
1
28
IN2
第10章
模拟量和数字量的转换
10.1 D/A转换器
能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。 能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。 1.D/A转换器的基本原理及主要技术指标
d0
输入
d1
dn-1
…
D/A
输出
u o K u (d n1 2 n1 d n2 2 n2 d 1 21 d 0 2 0 )
10.2 A/D转换器
1. A/D转换器的基本原理及主要技术指标 A/D转换器的转换过程
ui（t）
CPS S
C
uS（t）
ADC的数字 化编码电路
输入模拟电压 采样保持电路 采样展宽信号
…
Dn-1 d1
d0 数字量输出
第13章 模拟量和数字量的转换
10.2 A/D转换器
采样-保持电路
A1 _
+ +
A2 _
2.D/A转换器的构成
+VREF
IREF
R
I3 2R
S3
S2
二进制权电阻网络D/A转换器
I2 4R S1
I1 8R S0
输入模拟量与输出数字量的计算公式
输入模拟量与输出数字量的计算公式在我们的电子世界里，输入模拟量与输出数字量之间有着神秘而有趣的关系，这背后藏着一套计算公式。
咱们先来说说啥是输入模拟量。
比如说，温度、压力、声音的强度，这些连续变化的量就是模拟量。
就拿温度来说吧，它可不是一下子从 0 跳到 10 度，而是能在 0 到 10 度之间平滑地变化。
而输出数字量呢，就像是我们在计算机里看到的 0 和 1 组成的数字。
比如说，温度传感器把连续变化的温度转变成计算机能处理的数字信号，这就是从模拟量变成了数字量。
那它们之间的计算公式到底是啥呢？一般来说，常用的公式是：数字量 = （模拟量 - 模拟量下限）×（数字量最大值 - 数字量最小值）÷（模拟量上限 - 模拟量下限） + 数字量最小值咱来举个例子哈。
假设我们有一个温度传感器，它能测量的温度范围是 0 到 100 度（这就是模拟量的范围），而对应的数字量范围是 0到 1023 。
现在测到的温度是 50 度，那按照公式算一下：数字量 = （50 - 0）×（1023 - 0）÷（100 - 0） + 0算出来大概是 511.5 ，因为数字量得是整数，所以就约等于 512 。
还记得我之前参加过一个电子小制作的活动。
我们要做一个能显示环境湿度的小装置。
在这个过程中，就得搞清楚湿度这个模拟量怎么变成能在屏幕上显示的数字量。
当时可把我难坏了，对着那一堆公式和数据，脑袋都大了几圈。
我就不停地测试，调整参数，反复计算。
有好几次都算错了，显示出来的湿度数值完全不对，要么超高，要么超低，就像个调皮的孩子在跟我开玩笑。
但我没放弃，继续琢磨，终于算出了正确的结果。
当看到那个小装置准确地显示出环境湿度的时候，心里那叫一个美呀！这就像是解开了一道神秘的谜题，找到了通往数字世界和现实世界的桥梁。
其实啊，输入模拟量与输出数字量的计算公式在很多地方都有用。
比如在工业自动化控制中，要精确控制机器的运行，就得靠这个公式把各种模拟量转化成数字量，让计算机能明白该怎么做。
模拟量和数字量的转换-经典
(23-7)
例：一个八位倒 T 型电阻网络数 / 模转换器，
当输入数字量为 00000001 时，输出电压值 为-0.02V， 若输入二进制数为 11010101时， 输出电压为多少？
解： ∵ 输入数字量为： 00000001 时，
输出电压值为：uo= -0.02V
（ 11010101）2 = 27+26+24+22+20 = （213）10
(23-13)
逐次逼近型 A/D转换器
其工作原理可用天平秤重作比喻。若有 四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、 2、1克。设待秤重量Wx = 13克，可以用下表 步骤来秤量：
砝码重 第一次 结 论 暂时结果 8 克 12 克
8 克 砝码总重 < 待测重量Wx ，故保留 砝码总重 > 待测重量Wx ，故撤除
(23-9)
三、精度
指输出模拟电压的实际值与理想值之 差。即最大静态转换误差。 四、线性度
通常用非线性误差的大小表示。 五、电源抑制比 指输出电压的变化与相对应的电源电 压（模拟开关、运放电源）的变化之比。
(23-10)
目前，D/A转换器集成电路芯片种
类很多。按输入二进制数的位数分类有
八位、十位、十二位、十六位等，使用 者可根据任务要求进行选择。
1 0 0
1
1 0 0
0 1
0 1
0 0 0 1 0 1 1
0 0 1 1
0 0 1 1000 1： 1100 2： 1010 3： 1011 4： 1011 5：
(23-16)
0 1
0 1
0 1
1 0
1 0
转换过程 UR= -8V，UI = 5.52V
例：一个八位倒 T 型电阻网络数 / 模转换器，
当输入数字量为 00000001 时，输出电压值 为-0.02V， 若输入二进制数为 11010101时， 输出电压为多少？
解： ∵ 输入数字量为： 00000001 时，
输出电压值为：uo= -0.02V
（ 11010101）2 = 27+26+24+22+20 = （213）10
(23-13)
逐次逼近型 A/D转换器
其工作原理可用天平秤重作比喻。若有 四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、 2、1克。设待秤重量Wx = 13克，可以用下表 步骤来秤量：
砝码重 第一次 结 论 暂时结果 8 克 12 克
8 克 砝码总重 < 待测重量Wx ，故保留 砝码总重 > 待测重量Wx ，故撤除
(23-9)
三、精度
指输出模拟电压的实际值与理想值之 差。即最大静态转换误差。 四、线性度
通常用非线性误差的大小表示。 五、电源抑制比 指输出电压的变化与相对应的电源电 压（模拟开关、运放电源）的变化之比。
(23-10)
目前，D/A转换器集成电路芯片种
类很多。按输入二进制数的位数分类有
八位、十位、十二位、十六位等，使用 者可根据任务要求进行选择。
1 0 0
1
1 0 0
0 1
0 1
0 0 0 1 0 1 1
0 0 1 1
0 0 1 1000 1： 1100 2： 1010 3： 1011 4： 1011 5：
(23-16)
0 1
0 1
0 1
1 0
1 0
转换过程 UR= -8V，UI = 5.52V
第十章 模拟量和数字量的转换.ppt
顺 序 d3 d2 d1 d0 1 1 000 2 1 100 3 101 0 4 101 1
UA(V) 比较判断 “1”留否
4
UA < Ui 留
6
UA > Ui 去
5
UA < Ui 留
5. 5 UA Ui 留
返回
逐次逼近转换过程
UA / V
5.52
6 5
4 3
2
1
0
清 10 1 1
零
t
返回
三、ADC的主要技术指标
AD574A AD7541A
12位A/D转换器 12位乘法型A/D转换器
AD375
12位高速A/D转换器
ADC71 16位高分辨率A/D转换器
返回
1. 分辨率 以输出二进制数的位数表示分辨率。 位数越多，误差越小，转换精度越高。
2. 相对精度 实际转换值和理想特性之间的最大误差。
3. 转换速度 完成一次转换所需要的时间，即从接到
转换控制信号起，到输出端得到稳定的数 字量输出所需要的时间。
返回
常用A／D转换器
ADC0809 8位逐次比较型A /D转换器
10位COMS D/A转换器 12位乘法型D/A转换器
DAC63 12位超高速D/A转换器
DAC729 18位超高分辨率D/A转换器
返回
第二节 模拟－数字转换器
并联比较型ADC 逐次逼近型ADC ADC的主要技术指标
返回
模拟－数字转换的过程包括取样、保持、 量化、编码四个步骤。
一般取样、保持用一个取样保持电路完 成，量化与编码用ADC完成。
输出数字量d
输入电压Ui
基准UR
逐次逼近 寄存器
模拟量与数字量的相互转换
OE ： 允许输出控制端 ，高电平有效 。
CLOCK ：时 钟信 号输入 端 ，外 接时钟 频率一 般为 5 00 kH Z 。 V c c ： + 5 V 电 源供电 。
GN D ： 地 端。
ADC0809连接电路如图所示，OE、ALE通过一电阻接+5V电源，处于高电平有 效状态。将EOC连接到START，一旦在START引脚上施加一个触发启动脉冲后，集成 电路便处于一种连续转换的工作状态 ，因为EOC端在转换结束时送出的脉冲提供了 下一个触发启动脉冲。
（3）电子模拟开关Si 由于开关Si的作用是在输入数码信号Di控制下，将电阻 网络接到放大器的输入端或地端去，它好像一个单刀双掷开关，故常称它为模拟开 关，电子模拟开关可以由场效应管或三极管构成。
模拟开关电路图
模拟开关等效电路
导通能力加强，使V4导通，将电阻网络接至运放的反相输入端。 当Di＝0时，Vl导通能力加强，使V3导通，与地端接通；此时由于V1的发射极 电压降低，相应的V2导通能力减弱，使V4截止，与运放的反相输入端断开，将电阻 网络接至地端。
2 ． 逐次逼 近 ADC 的 组成框 图
逐次逼近 ADC 由比较器、 D ／ A 转换器、数码寄存器、控制电路以及时钟 信号等几部分组成。
逐次逼近ADC组成框图
（1）转换开始先将数码寄存器清零。开始转换后，时钟信号将数码寄存 器的最高位置1，使输出数字为1000。这个数码被D／A转换器转换成相应的模 拟电压vF，送到比较器中与输入的模拟量vi比较。若vF＞vi，说明数字过大了，
DAC0832典型应用电路
第二节 模数转换
一 、 模 数 转 换原理
模 / 数转换器 ADC 的功能是把模拟信号转换为二进制数码 。
10模拟量和数字量的转换.
2018-10-06
第10章 模拟量和数字量的转换
图10.6 ADC0809符号图
20பைடு நூலகம்8-10-06
第10章 模拟量和数字量的转换
10.1.4 A/D转换器的主要技术指标 1. 分辨率与量化误差 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。例如，输入模拟 电压的变化范围为0～5V，输出8位二进制数可以分辨的 最小模拟电压为 5V×2-8＝20mV；而输出 12位二进制数 可以分辨的最小模拟电压为5V×2-12≈1.22mV。 量化误差则是由于 A/D 转换器分辨率有限而引起的 误差，其大小通常规定为±（1/2）LSB。该量反映了A/ D转换器所能辨认的最小输入量，因而量化误差与分辨 率是统一的，提高分辨率可减小量化误差。LSB是指最 低一位数字量变化所带来的幅度变化。
2018-10-06
第10章 模拟量和数字量的转换
图10.4 逐次逼近比较式A/D转换原理框图
2018-10-06
第10章 模拟量和数字量的转换
10.1.3 集成ADC0809简介 ADC0809是一种采用 CMOS 工艺制成的 8 路模拟输 入的8位逐次逼近型ADC，它由单一+5V供电，片内带 有锁存功能的8路模拟开关，可对8路0～5V的输入模拟 电压分时进行转换，完成一次转换约需100s，其原理 框图如图10.5所示。
2018-10-06
第10章 模拟量和数字量的转换
显然，其工作过程可与天平称重物类比，并得到 解释。图中的电压比较器相当于天平，被测模拟电压 输入 ui 相当于重物，基准电压 Vref 相当于电压砝码，且 电压砝码具有按8421编码递进的各种规格。根据ui＜Vr ef或ui＞Vref，比较器有不同的高低电平输出，从而输出 由大到小的基准电压砝码，与被测模拟输入电压ui比较， 并逐次减小其差值，使之逼近平衡。当ui=Vref，比较器 输出为零，相当于天平平衡，最后以数字显示的平衡 值即为被测电压值。
模拟量转数字量万能公式
模拟量转数字量万能公式在咱们的科技世界里，有一个特别神奇的概念，叫做“模拟量转数字量”。
这玩意儿听起来好像挺复杂，挺高大上的，但其实啊，它就像我们学骑自行车，一开始觉得难，掌握了窍门之后就会发现，也就那么回事儿。
我记得有一次，我在一个电子实验室里，看到一群学生正在为这个问题抓耳挠腮。
他们面前摆着各种仪器，眼神里充满了困惑和迷茫。
其中有个叫小明的同学，那着急的样子，就像是热锅上的蚂蚁。
咱们先来说说啥是模拟量。
简单来讲，模拟量就像是一条连续不断的河流，它的数值可以在一定范围内任意变化，没有固定的间隔或者台阶。
比如说，温度、压力、声音的强弱，这些都是模拟量。
那数字量呢？数字量就像是一级一级的台阶，它的数值是离散的，只能是一些特定的值。
比如说，咱们电脑里存储的数字 0 和 1 ，就是典型的数字量。
那为啥要把模拟量转成数字量呢？这就好比我们要把一条流淌的河，变成一段一段的水池子，这样我们的电脑啊、电子设备啊，才能更好地处理和理解这些信息。
这时候，咱们就得提到那个传说中的“万能公式”啦！其实啊，它并不是一个真正像数学公式那样写在纸上就能套用的式子，而是一套方法和思路。
比如说，咱们要测量一个温度。
温度是模拟量，那怎么转成数字量呢？首先，咱们得确定一个测量的范围，比如说 0 到 100 度。
然后，我们把这个范围分成很多小的区间，假设分成 1000 个区间。
每个区间就代表一个数字值。
这时候，我们用一个传感器来测量温度，传感器会把温度的变化转化成电信号。
然后通过一个叫做 ADC（模数转换器）的东西，把这个电信号转换成数字信号。
这个 ADC 就像是一个神奇的魔法盒子，能把模拟的东西变成数字的。
但是这里面可有点小讲究哦。
比如说，这个 ADC 的精度，精度越高，转换出来的数字量就越准确。
就像你用一把刻度很精细的尺子去测量东西，肯定比用一把粗糙的尺子准得多。
再比如说，采样频率也很重要。
采样频率就像是你拍照的快门速度，速度越快，就能捕捉到更多的细节。
模拟量与数字量的转换
1.T型电阻网络数模转换器
如图12.1所示为4位T型电阻网络数模转换器电路，由T型电阻网络、模拟电子开关、运算放大器和基准电压等部分组成。T型电阻网络可应用戴维南定理和叠加定理逐步化简，从而求得输出电压为：
RU
"o"■"(d电'd212"d尸・d0R)
如果输入的是n位二进制数，且R■3R,贝上f
u■■UR(d*n・■d*nw■…■d■Ri■d■RO)
解数模转换器的输出电压uo为：°
uHIUR(d0■d*2■d*1■d*0)
o243210
式中d■Q，d■Q，d■Q，UBIEV，随着计数脉冲C的变化，输出电压332211R
uo的值如表12.1所示。由表12.1可知输出电压uo的最大值为4.6875V，输出电压uo随计数脉冲C变化的波形如图12.7所示。°
第
12.1
（1）理解数模与模数转换的基本原理。
（2）了解常用数模与模数转换集成芯片的使用方法。
12.2
本章重点：
（1）数模转换器的工作原理。
（2）模数转换器的工作原理。
பைடு நூலகம்本章难点：
（1）逐次逼近型模数转换器的构成。
（2）逐次逼近型模数转换器的工作原理。
本章考点：
（1）T型电阻网络数模转换器的分析。
（2）数模转换器输出电压的计算。
12.2.2
模数转换器是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出的电路，结构类型很多。常用的逐次逼近型模数转换器的分辨率较高、转换误差较低、转换速度较快，一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电压比较器等几部分组成，如图12.3所示。
图12.3逐次逼近型模数转换器的原理框图
逐次逼近型模数转换器的工作原理类似于用天平称量物体的质量。转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被数模转换器转换成相应的模拟电压u,送到比较器中与u.
如图12.1所示为4位T型电阻网络数模转换器电路，由T型电阻网络、模拟电子开关、运算放大器和基准电压等部分组成。T型电阻网络可应用戴维南定理和叠加定理逐步化简，从而求得输出电压为：
RU
"o"■"(d电'd212"d尸・d0R)
如果输入的是n位二进制数，且R■3R,贝上f
u■■UR(d*n・■d*nw■…■d■Ri■d■RO)
解数模转换器的输出电压uo为：°
uHIUR(d0■d*2■d*1■d*0)
o243210
式中d■Q，d■Q，d■Q，UBIEV，随着计数脉冲C的变化，输出电压332211R
uo的值如表12.1所示。由表12.1可知输出电压uo的最大值为4.6875V，输出电压uo随计数脉冲C变化的波形如图12.7所示。°
第
12.1
（1）理解数模与模数转换的基本原理。
（2）了解常用数模与模数转换集成芯片的使用方法。
12.2
本章重点：
（1）数模转换器的工作原理。
（2）模数转换器的工作原理。
பைடு நூலகம்本章难点：
（1）逐次逼近型模数转换器的构成。
（2）逐次逼近型模数转换器的工作原理。
本章考点：
（1）T型电阻网络数模转换器的分析。
（2）数模转换器输出电压的计算。
12.2.2
模数转换器是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出的电路，结构类型很多。常用的逐次逼近型模数转换器的分辨率较高、转换误差较低、转换速度较快，一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电压比较器等几部分组成，如图12.3所示。
图12.3逐次逼近型模数转换器的原理框图
逐次逼近型模数转换器的工作原理类似于用天平称量物体的质量。转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被数模转换器转换成相应的模拟电压u,送到比较器中与u.
数字量和模拟量的相互转换
2）逐次比较型（如TLC0831、ADC0809）
逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较 逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压 与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出 数 字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功 耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度 （>12位）时价格很高。
所以，电路的输出电压u0与输入的四位二进制代码 成正比：
K
U REF 24 R
依此类推，n位权电阻网络DAC的求和运算放大 器输入端电流、输出电压表达式分别为：
I 2UnR1ERF（2n1dn1 2n2 dn2 21 d1 20 d0）
u0 IRF U2nRERF（2n1dn1 2n2 dn2 21d1 20 d0）
A/D转换器主要方法
4）Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)调制型（如AD7705） Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤 波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换 成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字 值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做 到高分辨率。主要用于音频和测量。
AD转换器的主要技术指标
5）满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对 应的输入信号与理想输入信号值之差。
6）线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理 想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。
其他指标还有：绝对精度(Absolute Accuracy) ，相对精度(Relative Accuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（Total Harmonic Distotortion缩写THD）和积分非线性。
逐次逼近法的工作原理
逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较 逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压 与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出 数 字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功 耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度 （>12位）时价格很高。
所以，电路的输出电压u0与输入的四位二进制代码 成正比：
K
U REF 24 R
依此类推，n位权电阻网络DAC的求和运算放大 器输入端电流、输出电压表达式分别为：
I 2UnR1ERF（2n1dn1 2n2 dn2 21 d1 20 d0）
u0 IRF U2nRERF（2n1dn1 2n2 dn2 21d1 20 d0）
A/D转换器主要方法
4）Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)调制型（如AD7705） Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤 波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换 成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字 值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做 到高分辨率。主要用于音频和测量。
AD转换器的主要技术指标
5）满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对 应的输入信号与理想输入信号值之差。
6）线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理 想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。
其他指标还有：绝对精度(Absolute Accuracy) ，相对精度(Relative Accuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（Total Harmonic Distotortion缩写THD）和积分非线性。
逐次逼近法的工作原理
第12章模拟量和数字量的转换
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线性度是指转换器的非线性误差，产生非线性误差的 原因一般是由各模拟通路的偏差和压降不同造成的。
3.输入数字电平和输出电平
输入数字电平是指输入的数字信号分别为0和 1时所对应的输入高、低电平的值，不同的转换器 该值略有区别。输出电平是指输出电压的最大值， 不同型号的转换器该值的相差较大，其中高压输 出型的可达30V，电流输出型的可达3A。
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，而后根据电流
分流公式得出各支路的电流：
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由此可得出电阻网络的输出电流
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如果输入的是n位二进制数，则
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当取RF＝R时，则上式为
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与T形电阻网络的输出电压相同。
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12.1.2数—模转换器的主要技术指标
1.分辨率 分辨率是指转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。
当输入的数字量为1时（仅最低位为1，其余各位 全部为0），输出最小，当输入的数字量各位全部为1 时，输出最大，此二者之比即为分辨率，例如10位 DAC转换器的分辨率为：
1/（210-1）≈0.001 有时也用输入信号的有效位数来表示分辨率，有 效位数越多分辨率就越高。显然分辨率越高，转换的 精度就越高。但分辨率越高其转换电路就越复杂。
4.工作温度范围 温度的高低将直接影响到转换器的精度指标，
好的产品工作温度可在-40 ℃ ~150℃之间。
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12.1.3 数—模转换器的主要产品介绍
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如果输入的是n位二进制数，则
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当取RF＝3R时，则上式为
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线性度是指转换器的非线性误差，产生非线性误差的 原因一般是由各模拟通路的偏差和压降不同造成的。
3.输入数字电平和输出电平
输入数字电平是指输入的数字信号分别为0和 1时所对应的输入高、低电平的值，不同的转换器 该值略有区别。输出电平是指输出电压的最大值， 不同型号的转换器该值的相差较大，其中高压输 出型的可达30V，电流输出型的可达3A。
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，而后根据电流
分流公式得出各支路的电流：
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由此可得出电阻网络的输出电流
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如果输入的是n位二进制数，则
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当取RF＝R时，则上式为
No Image
与T形电阻网络的输出电压相同。
No Image
12.1.2数—模转换器的主要技术指标
1.分辨率 分辨率是指转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。
当输入的数字量为1时（仅最低位为1，其余各位 全部为0），输出最小，当输入的数字量各位全部为1 时，输出最大，此二者之比即为分辨率，例如10位 DAC转换器的分辨率为：
1/（210-1）≈0.001 有时也用输入信号的有效位数来表示分辨率，有 效位数越多分辨率就越高。显然分辨率越高，转换的 精度就越高。但分辨率越高其转换电路就越复杂。
4.工作温度范围 温度的高低将直接影响到转换器的精度指标，
好的产品工作温度可在-40 ℃ ~150℃之间。
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12.1.3 数—模转换器的主要产品介绍
Image
如果输入的是n位二进制数，则
No Image
No Image
当取RF＝3R时，则上式为
No Image
模拟量转换数字量公式
信号的变换需要经过以下过程：物理量－传感器信号－标准电信号－A/D转换－数值显示。
声明：为简单起见，我们在此讨论的是线性的信号变换。
同时略过传感器的信号变换过程。
假定物理量为A，范围即为A0－Am，实时物理量为X；标准电信号是B0－Bm，实时电信号为Y；A/D 转换数值为C0-Cm，实时数值为Z。
如此，B0对应于A0，Bm对应于Am，Y对应于X，及Y=f(X)。
由于是线性关系，得出方程式为Y=(Bm-B0)*(X-A0)/(Am-A0)+B0。
又由于是线性关系，经过A/D转换后的数学方程Z=f(X)可以表示为Z=(Cm-C0)*(X-A0)/(Am-A0)+C0。
那么就很容易得出逆变换的数学方程为X=(Am-A0)*(Z-C0)/(Cm-C0)+A0。
方程中计算出来的X就可以在显示器上直接表达为被检测的物理量。
5、PLC中逆变换的计算方法以S7-200和4－20mA为例，经A/D转换后，我们得到的数值是6400－32000，及C0=6400，Cm=32000。
于是，X=(Am-A0)*(Z-6400)/(32000-6400)+A0。
例如某温度传感器和变送器检测的是-10－60℃，用上述的方程表达为X=70*(Z-6400)/25600-10。
经过PLC的数学运算指令计算后，HMI可以从结果寄存器中读取并直接显示为工程量。
用同样的原理，我们可以在HMI上输入工程量，然后由软件转换成控制系统使用的标准化数值。
在S7-200中，(Z-6400)/25600的计算结果是非常重要的数值。
这是一个0－1.0（100％）的实数，可以直接送到PID指令（不是指令向导）的检测值输入端。
PID指令输出的也是0－1.0的实数，通过前面的计算式的反计算，可以转换成6400－32000，送到D/A端口变成4－20mA输出。
1.自己写转换程序。
2.需要注意你的模拟量是单极性的还是双极性的。
函数关系A＝f（D）可以表示为数学方程：A＝（D－D0）×（Am－A0）／（Dm－D0）＋A0。
PLC模拟量与数字量之间的转换
1、逐渐逼近式A/D转换器
A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。
直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比 较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作 速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接 A/D转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型等。
间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量 时间t或频率f, 然后再将t或f转换成数字量。其特点是 工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰 性强。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。
SAR寄存器中的二进制码就是ADC的输出。
ACD1143及其应用 ACD1143是一个16位逐次逼近式A/D转换器。 主要特性： ① 16位高分辨率 ② 转换时间 ADC1143J最大转换时间为70μs
ADC1143K最大转换时间为100μs
③ 自带参考电源和时钟脉冲 ④ 低功耗 当VS=±15V时，最大功耗为175mW
换速度。
A／D转换器的类型较多。按其转换输出数据的方式，可分 为并行和串行两种，其中并行又分为8位、10位、14位和16位 等；按其转换原理可分为逐次逼近式和双积分式等。
并行与串行ADC各有其优势。并行ADC占用较多的数据线， 具有输出速度快的优点，在转换位数较少时具有很高的性价比。 串行ADC占用的数据线少，转换速度慢，但它也有自身的优点： 一是便于信号隔离，只需少数几路光电隔离器件就可以实现电 气隔离，在转换位数较多的情况下具有较高的性价比；二是其 芯片小、引脚少，便于线路板的制作。
逐次逼近的方法ADC的内部主要由逐 次逼近寄存器SAR、D／A转换器、电压比 较器和一些时序控制逻辑电路等组成。其
原理框图如图1所示：
图1 逐次逼近式A/D转换器
其工作原理非常类似于用天平称重。在转换 开始前，先将SAR寄存器各位清零，然后设其最 高位为1（对8位来讲，即为10000000B）―就像 天平称重时先放上一个最重的砝码一样，SAR中 的数字量经D/A转换器转换为相应的模拟电压VC， 并与模拟输入电压VX进行比较，若VX≥VC，则 SAR寄存器中最高位的1保留，否则就将最高位清 零(若砝码比物体轻就要保留此砝码，否则去掉此 砝码)。然后再使次高位置1，进行相同的过程直 到SAR的所有位都被确定。转换过程结束后，
模拟量和数字量的转换
四位D/A转换器 d3 d2
Q F2 S R
≥1
& &
d3
d1
Q F1 S R
≥1
d0
Q F0 S R
≥1
逐次逼近 Q 寄存器 S F3R
d2 读出“与门” & d1
&
d0 E
控制逻辑门
读出控制端
& & & &
C 时钟脉冲
Q4
Q3
五位顺序脉冲发生器
Q2
Q1
Q0
四位逐次逼近型模-数转换器的原理电路
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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
A B
R
C
R
D
R I/4 I/2
2R R
I/16
2R 2R
I/8
2R
I0
R
I1
R
2R
I2
I3
I
I
V REF
V REF R
A
I/16
I/8
B
I/4
C
I/2
D
流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。
将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换 器(简称A/D转换器或ADC)； 将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换 器(简称D/A转换器或DAC)
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23.1 D/A转换器
数–模转换（D/A转换器）的基本思想： 由于构成数字代码的每一位都有一定的 “权”，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”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D/A转换器的基本思 想。
模拟量和数字量的相互转换
UO
Rf II
U R
R
f
16R
(D3
23
D2
22
D1 21
D0
20 )
上式表明
D/A转换器的输出电压（模拟量）与输入二进制数 字量D3D2D1D0成正比，具有D/A转换功能。
一、数模转换器（DAC）
3.数模转换器的主要技术指标
（1）转换精度 通常用分辨率和转换误差来描述。 分辨率体现于输入二进制数字量的位数，位数愈多， 分辨率愈高，通常用能分辨的最小（对应00…001） 输出电压与最大（对应11…111）输出电压之比表示， n位D/A转换器的分辨率可写作
1.电路的组成
（2）T形电阻网络
流入各2R电阻支路的电流分别为：
I I 1 UR 23( UR )
3 2 2R
24 R
I2
I3 2
1 UR 4R
22( UR ) 24 R
I1
I2 2
1UR 8R
21( U R ) 24 R
I0
I1 2
1 UR 16 R
20( UR ) 24 R
一、数模转换器（DAC）
二、模数转换器（ADC）
A/D转换器的转换精度也用分辨率和转换误差描述，n 位输出二进制数字量的转换器能区分输入电压的最小 值为满量程输入电压的 1 ；转换误差一般也以最低
2n
位的倍数表示。
例题
8位A/D转换器，输入电压位0～＋10V，求输 入模拟电压UX=5.9V时的转换结果。
解
转换的结果为
5.9 10
因栅极输入Di（高电位）而导通，T1管因栅极输入 D（i 低电位）
而截止，电阻网络第i位2R电阻支路经Si 接运算放大器的反向 输入端。
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（1）电子转换开关（模拟电子开关） 上图电路中用框以点画线的单刀双投开关S3、S2 、S1 、S0 表示， 它的内部可以像下图那样由受输入数字量控制的一对MOS管和 非门组成，也可以由其他的晶体管和逻辑部件组成。
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成
（1）电子转换开关（模拟电子开关） 当输入数字量第i位的数码Di=1时，第i位电子开关Si中，T2管
1 2n 1
一、数模转换器（DAC）
3.数模转换器的主要技术指标 （1）转换精度
转换误差为基准电压UR 的波动、运算放大器的 零点漂移、电子转换开关的导通压降、电阻网 络的阻值偏差等引起的误差，一般用最低位 （LSB）对应的△Uo的倍数表示。
一、数模转换器（DAC）
3.数模转换器的主要技术指标 （2）转换速度
通常用输入数字量发生变化开始，到输出电压UO达到 相应的稳定值所需时间来表示，数字量有大有小，一 般产品给出的都是输入从全0变为全1（或从全1变为 全0），差值不到最低位的一半时（±LSB/2）的所需 时间。
例题 4位T形电阻网络DAC电路的UR=5V，Rf=R, 求： 输出数字量（D3D2 D1 D0）为0001、1000、0110和 1111的输出UO=?分辨率为何？
O 16
2
因此：
D D D D 0110时，U (1.25 0.625)V 1.875V
3 210
Hale Waihona Puke OD D D D 1111时， 3 210
UO (2.5 1.875 0.3125)V 4.6875V
分辨率为
1 2n 1
1 24 1
1 15
0.0667
或
U O(min)
U O(LSB)
5 24
V
0.3125V
U O(max)
U O(1111)
(24 1) 5V 4.6875V 24
U O (min)
1
0.3125 0.0667
UO(max) 24 1 4.6875
二、模数转换器（ADC）
模数转换就是将模拟量转换成对应的数字量。
模数转换器电路也有多种，在此以应用最广泛的逐次逼近型 A/D转换器为例，介绍这种转换器的基本工作原理，如下图 所示。
因栅极输入Di（高电位）而导通，T1管因栅极输入 D（i 低电位）
而截止，电阻网络第i位2R电阻支路经Si 接运算放大器的反向 输入端。
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成 （1）电子转换开关（模拟电子开关）
当Di=0（低电位）时，Di 1 （高电位），T2管截止，T1管导 通，第i位2R电阻支路经Si 接地。
UO
Rf II
U R
R
f
16R
(D3
23
D2
22
D1 21
D0
20 )
上式表明
D/A转换器的输出电压（模拟量）与输入二进制数 字量D3D2D1D0成正比，具有D/A转换功能。
一、数模转换器（DAC）
3.数模转换器的主要技术指标
（1）转换精度 通常用分辨率和转换误差来描述。 分辨率体现于输入二进制数字量的位数，位数愈多， 分辨率愈高，通常用能分辨的最小（对应00…001） 输出电压与最大（对应11…111）输出电压之比表示， n位D/A转换器的分辨率可写作
第十四章 大规模集成电路
14-1 模拟量和数字量的相互转换
将模拟信号转换为数字信号用模数（A/D）转换器； 将数字信号转换为模拟信号用数模（D/A）转换器
一、数模转换器（DAC）
数模转换就是将数字量每1位二进制数码分别按所在位的“权” 转换成相应的模拟量，再相加求和从而得到与原数字量成正比的 模拟量。
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成 （1）电子转换开关（模拟电子开关）
由于此时运放是反相输入方式，反相输入端电位V－≈0，因此 不论是上述哪一种情况，电阻2R下端电位均为0，其中电流不 受影响，整个电阻网络的结构不受影响。
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成
（2）T形电阻网络
下图中，从右看过来，对于每个T形电阻的结点，右侧支路的 等效电阻均为2R，和结点下面的2R支路的电阻相等，因此它 们的电流各为左侧支路流入电流的1/2。
1.电路的组成
（2）T形电阻网络
流入各2R电阻支路的电流分别为：
I I 1 UR 23( UR )
3 2 2R
24 R
I2
I3 2
1 UR 4R
22( UR ) 24 R
I1
I2 2
1UR 8R
21( U R ) 24 R
I0
I1 2
1 UR 16 R
20( UR ) 24 R
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成
（3）运算放大器
按电流﹣电压转换器连接，因此输出电压为
UO Rf II
r 0 输入电阻
（对电阻网络无影响）
i
一、数模转换器（DAC） 2.输出（UO）和输入（D3D2D1D0）的关系
运放的输入电流II和输出电压为UO为
II D3 I3 D2 I2 D1 I1 D0 I0
二、模数转换器（ADC）
这种A/D转换器的重要组成部分是n位D/A转换器， 采用逐位试探和反馈比较的方法进行A/D转换。
二、模数转换器（ADC）
转换前先将同D/A转换器输入端相连的寄存器清0， 转换开始后，按照时钟脉冲的节拍，首先将寄存器 最高位置1，使Dn-1＝1（其余为0）。
解 最低位（LSB）D0=1时，
UO
U R Rf 16R
1
511V 16 1
0.3125 V
只有D1=1时， UO
5 21V 16
5 1V 8
0.625V
只有D2=1时，U O
5 16
22
V
5
1 4
V
1.25V
最高电位（MSB）D3=1时，
U 5 23 V 5 1 V 2.5V
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成
（2）T形电阻网络
因此从左往右，各2R支路的电阻支路的电流按1/2分流系数递减。
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成
（2）T形电阻网络
根据上述关系，可求出流 入电阻网络的总电流：
I U REF U REF 2R // 2R R
一、数模转换器（DAC）
数模转换器有多种形式，在此以下图所示T形电阻网络4位D/A 转换器为例介绍。
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成
从图中可看出，D/A转换器电路主要由三部分组成： 由基准电压源UR供电的电阻网络、由输入数字量控制的电子 转换开关和连接成电流﹣电压转换器的运算放大器。
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成
（1）电子转换开关（模拟电子开关） 当输入数字量第i位的数码Di=1时，第i位电子开关Si中，T2管
1 2n 1
一、数模转换器（DAC）
3.数模转换器的主要技术指标 （1）转换精度
转换误差为基准电压UR 的波动、运算放大器的 零点漂移、电子转换开关的导通压降、电阻网 络的阻值偏差等引起的误差，一般用最低位 （LSB）对应的△Uo的倍数表示。
一、数模转换器（DAC）
3.数模转换器的主要技术指标 （2）转换速度
通常用输入数字量发生变化开始，到输出电压UO达到 相应的稳定值所需时间来表示，数字量有大有小，一 般产品给出的都是输入从全0变为全1（或从全1变为 全0），差值不到最低位的一半时（±LSB/2）的所需 时间。
例题 4位T形电阻网络DAC电路的UR=5V，Rf=R, 求： 输出数字量（D3D2 D1 D0）为0001、1000、0110和 1111的输出UO=?分辨率为何？
O 16
2
因此：
D D D D 0110时，U (1.25 0.625)V 1.875V
3 210
Hale Waihona Puke OD D D D 1111时， 3 210
UO (2.5 1.875 0.3125)V 4.6875V
分辨率为
1 2n 1
1 24 1
1 15
0.0667
或
U O(min)
U O(LSB)
5 24
V
0.3125V
U O(max)
U O(1111)
(24 1) 5V 4.6875V 24
U O (min)
1
0.3125 0.0667
UO(max) 24 1 4.6875
二、模数转换器（ADC）
模数转换就是将模拟量转换成对应的数字量。
模数转换器电路也有多种，在此以应用最广泛的逐次逼近型 A/D转换器为例，介绍这种转换器的基本工作原理，如下图 所示。
因栅极输入Di（高电位）而导通，T1管因栅极输入 D（i 低电位）
而截止，电阻网络第i位2R电阻支路经Si 接运算放大器的反向 输入端。
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成 （1）电子转换开关（模拟电子开关）
当Di=0（低电位）时，Di 1 （高电位），T2管截止，T1管导 通，第i位2R电阻支路经Si 接地。
UO
Rf II
U R
R
f
16R
(D3
23
D2
22
D1 21
D0
20 )
上式表明
D/A转换器的输出电压（模拟量）与输入二进制数 字量D3D2D1D0成正比，具有D/A转换功能。
一、数模转换器（DAC）
3.数模转换器的主要技术指标
（1）转换精度 通常用分辨率和转换误差来描述。 分辨率体现于输入二进制数字量的位数，位数愈多， 分辨率愈高，通常用能分辨的最小（对应00…001） 输出电压与最大（对应11…111）输出电压之比表示， n位D/A转换器的分辨率可写作
第十四章 大规模集成电路
14-1 模拟量和数字量的相互转换
将模拟信号转换为数字信号用模数（A/D）转换器； 将数字信号转换为模拟信号用数模（D/A）转换器
一、数模转换器（DAC）
数模转换就是将数字量每1位二进制数码分别按所在位的“权” 转换成相应的模拟量，再相加求和从而得到与原数字量成正比的 模拟量。
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成 （1）电子转换开关（模拟电子开关）
由于此时运放是反相输入方式，反相输入端电位V－≈0，因此 不论是上述哪一种情况，电阻2R下端电位均为0，其中电流不 受影响，整个电阻网络的结构不受影响。
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成
（2）T形电阻网络
下图中，从右看过来，对于每个T形电阻的结点，右侧支路的 等效电阻均为2R，和结点下面的2R支路的电阻相等，因此它 们的电流各为左侧支路流入电流的1/2。
1.电路的组成
（2）T形电阻网络
流入各2R电阻支路的电流分别为：
I I 1 UR 23( UR )
3 2 2R
24 R
I2
I3 2
1 UR 4R
22( UR ) 24 R
I1
I2 2
1UR 8R
21( U R ) 24 R
I0
I1 2
1 UR 16 R
20( UR ) 24 R
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成
（3）运算放大器
按电流﹣电压转换器连接，因此输出电压为
UO Rf II
r 0 输入电阻
（对电阻网络无影响）
i
一、数模转换器（DAC） 2.输出（UO）和输入（D3D2D1D0）的关系
运放的输入电流II和输出电压为UO为
II D3 I3 D2 I2 D1 I1 D0 I0
二、模数转换器（ADC）
这种A/D转换器的重要组成部分是n位D/A转换器， 采用逐位试探和反馈比较的方法进行A/D转换。
二、模数转换器（ADC）
转换前先将同D/A转换器输入端相连的寄存器清0， 转换开始后，按照时钟脉冲的节拍，首先将寄存器 最高位置1，使Dn-1＝1（其余为0）。
解 最低位（LSB）D0=1时，
UO
U R Rf 16R
1
511V 16 1
0.3125 V
只有D1=1时， UO
5 21V 16
5 1V 8
0.625V
只有D2=1时，U O
5 16
22
V
5
1 4
V
1.25V
最高电位（MSB）D3=1时，
U 5 23 V 5 1 V 2.5V
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成
（2）T形电阻网络
因此从左往右，各2R支路的电阻支路的电流按1/2分流系数递减。
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成
（2）T形电阻网络
根据上述关系，可求出流 入电阻网络的总电流：
I U REF U REF 2R // 2R R
一、数模转换器（DAC）
数模转换器有多种形式，在此以下图所示T形电阻网络4位D/A 转换器为例介绍。
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成
从图中可看出，D/A转换器电路主要由三部分组成： 由基准电压源UR供电的电阻网络、由输入数字量控制的电子 转换开关和连接成电流﹣电压转换器的运算放大器。
一、数模转换器（DAC）
1.电路的组成