模数(A／D)和数模(D／A)转换
数模(DA)和模数(AD)转换电路
第七章数/模（D/A）和模/数（A/D）转换电路教学目的：1．掌握权电阻D/A转换器和逐次逼近型A/D转换器的工作原理、特点，输入与输出之间的关系2．了解影响精度及速度的因素3．了解D/A转换器典型芯DAC0832的特点及应用。
4. 了解A/D转换器典型芯ADC0809的特点及应用教学重点：倒T型电阻网络D/A转换器的工作原理； A/D转换的一般步骤；逐次逼近型A/D转换器的工作原理。
教学难点：D/A转换器的工作原理；A/D转换器内部电路结构、工作原理教学方法：教学过程采用理论讲解方式。
学时分配：4学时教学内容：D/A转换器及A/D转换器的种类很多，本章介绍常用的权电阻网络D/A转换器，倒T 型电阻网络D/A转换器等几种类型；逐次逼近型A/D转换器，双积分型A/D转换器。
并介绍了D/A转换器和A/D转换器的技术指标及应用。
第一节数/模转换器DAC一、数/模转换器的基本概念把数字信号转换为模拟信号称为数－模转换，简称D/A（Digital to Analog）转换，实现D/A转换的电路称为D/A转换器，或写为DAC（Digital –Analog Converter）。
随着计算机技术的迅猛发展，人类从事的许多工作，从工业生产的过程控制、生物工程到企业管理、办公自动化、家用电器等等各行各业，几乎都要借助于数字计算机来完成。
但是，计算机是一种数字系统，它只能接收、处理和输出数字信号，而数字系统输出的数字量必须还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制。
数－模转换是数字电子技术中非常重要的组成部分。
把模拟信号转换为数字信号称为模－数转换，简称A/D（Analog to Digital）转换；。
实现A/D转换的电路称为A/D转换器，或写为ADC（Analog–Digital Converter）；。
D/A 及A/D转换在自动控制和自动检测等系统中应用非常广泛。
D/A转换器及A/D转换器的种类很多，这里主要介绍常用的权电阻网络D/A转换器，倒T型电阻网络D/A转换器。
A／D及D／A转换器
CS2 WR1
ILE
WR2 XFIR
○
○ 0832
○ ○
DI
CS3R2 ○ XEFR ○
注：在DAC实际连接中，要注意区分“模拟地”和“数字地” 的
连接，为了避免信号串扰，数字量部分只能连接到数字 地，而模所量部分只能连接到模拟地。
（D5）ACD0A83C2的有工三作种方工式作方式： 双缓冲方式 单缓冲方式 直通方式
20 VCC 19 ILE 18 WR2 17 XFER 16 DI4 15 DI5 14 DI6 13 DI7 12 IOUT1 11 IOUT2
DI7~DI10 8位 输入
寄存器
8位
DAC 寄存器
8位
D/A 寄存器
VREF IOUT2 IOIOU1T1
ILE
CS WR1
WR2 XFER
LLEE11
利用DAC可实现任意波形（如锯齿波、三角波、正弦波等）的输出，如 输出锯齿波、三角波的程序段如下：
TRG：MOV DX，200H
MOV AL，0H
TN1：OUT DX，AL
INC AL
JNZ TN1 MOV AL，0FFH TN2：OUT DX，AL DEC AL
JNZ TN2 JMP TN1
0
AL全“1”输出 产生
Analogy I/O
A/D转换
A/D转换器完成模拟量→数字量的 转换
DATA
CPU
A/D Alanogy I/O
一、D/A转换器的主要性能参数
（1）分辨率： 该参数是描述D/A转换对输入变量变化的敏感
程度。具体指D/A转换器能分辨的最小电压值。 分辨率的表示有两种：
• 最小输出电压与最大输出电压之比 • 用输入端待进行转换的二进制数的位数来表示， 位数越多， 分辨率越高。 分辨率的表示式为： 分辨率=Vref/2位数 或 分辨率=（V+ref+V-ref)/2位数 若Vref=5V，8位的D/A转换器分辨率为5/256=20mV。
第7章 模 数(A D)与数 模(D A)转换
1. ADC0809的引脚
下。
ADC0809的引脚如图7-2所示，各引脚功能如
IN0～IN7：8通路模拟信号输入端，同一时刻 只可有一路模拟信号输入。
ADDA、ADDB、ADDC：地址信号线，输入，用 于选择控制8通路输入模拟量中的某一路工作。ADDA、 ADDB、ADDC与IN0～IN7的关系见表7-1。
2. ADC0809的结构与工作过程 ADC0809的内部结构如图7-3所示，其功能与工作 过程如下： 输入到地址锁存与译码模块的ADDA、ADDB、ADDC 三位地址信号用于决定IN0～IN7中哪一路模拟信号可以输 入，然后使地址锁存与译码模块的ALE＝1，从而使IN0～ IN7中被选中的一路模拟信号经通道选择开关送达比较器 的输入端。
其中，n是可转换成的数字量的位数。所以位
数越高，分辨率也越高。例如，当输入满量程电压为5 V 时，对于8位A/D转换器，A/D转换的分辨率为5 V/255＝ 0.0195 V。
第7章 模/数(A/D)与数/模(D/A)转换
2) 转换时间 转换时间反映了A/D转换的速度。转换时间是启 动ADC开始转换到完成一次转换所需要的时间。目前常用 的A/D转换集成电路芯片的转换时间在微秒数量级。不同 的ADC有不同的转换时间，转换时间是编程时必须考虑的 因素。
第7章 模/数(A/D)与数/模(D/A)转换
START CLOCK
IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7
ADDA ADDB ADDC ALE
通道 选择 开关
地址锁存 和译码
定时和控制
逐次逼近 寄 存 器 SAR
DAC
8位 三态 锁存 缓冲器
ADC
VCC GND
视频第15章 数模(D／A)与模数(A／D)转换 1页
第15章数模(D／A)与模数(A／D)转换
在实际应用中，各种信号的检测、处理和传输，所接收的信号一般都是模拟量。
为了形成数字系统的工作条件，即传递、加工、处理数字信号，就必须先将模拟量转换成数字量，这称之为模一数转换(A／D)。
待数字系统将信号加工、处理结束后，通常又希望能以模拟量的形式输出，这就必须将数字量再转换成模拟量，称之为数一模转换(D／A)。
随着微电子技术的发展，各种大规模集成电路芯片不断问世，模一数转换(A／D) 、数-模(D／A)转换技术得到广泛应用。
本章的重点即是要求掌握这两种转换技术的基本原理，转换电路的构成电路以及转换器的基本应用。
1。
数模和模数转换
3.非 线 性 误 差V03 模 拟 开 关 的 压 降 内 阻 不为0， 电阻网络的偏差引起
2. D/A转换器的转换速度
（1）建立时间tset：指输入数字量各位由全0变为全 1或由全1变为全0时,输出电压达到某一规定值所需 要的时间。通常建立时间在100 ns ~几十s之间。
（2）转换速率SR：
则
D T2
fC
T1 TCVREF
VI
D
T2
fC
T1 TCVREF
VI
若T1
NTC
D
N VREF
VI
取N
2n， 则D
2n VREF
VI
双积分型A/D转换器原理: 先将Vi转换成与之
成正比的时间信号，
然后在这个时间内用
固定频率脉冲计数.
（V－T变换型） A/D转换器
控制电路的实现
3VREF 15
时，7个比较器
中只有C1输出 为1，CP到来
后，只有触发
器FF1置1，其 余触发器仍为0。
经编码器编码
后输出的二进
制代码为
d2d1d0=001。
3VREF 15
ui
5VREF 15
时，比较器中
C1、C2输出为1， CP到来后，触
发器FF1、FF2 置1，其余触发
器仍为0。经编
数－模转换（D/A转换）：将数字信号转换为模 拟信号。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简 写为DAC(Digital-Analog Converter)
用途
电加热炉
控制 对象
要求: ！精度
！速度
Sensor
A-D与D-A转换
数字电子电路
A/D转换是将模拟信号转换为数字信号。转换过程通过取样、保持、量化和编码四个过程。
（1 ➢ 取样
数字电子电路
（又称抽样或采样）是将时间上连续变化的模拟信号定时加以检测，取出某一时刻的值，得到时间
上断续的信号。
➢ 保持
数字电子电路
ADC把取样信号转换成数字信号需要一定的时间，需要将这个断续的脉冲信号保持一定时间以便
次逼近型ADC，适用于分辨率较高而转换速度适中的场合。
➢ 结构框图
➢ 管教排列图
数字电子电路
➢ 引脚的名称和功能
数字电子电路
• IN0～IN7：八路模拟输入。
• UR(+) 、UR(-)：基准电压的正、负极输入端。由此输入基准电压，其中心点应在UCC/2附近，偏 差不应超过0.1V。
• S程时，在此端加一个正脉冲，脉冲的上升沿将所有的 内部寄存器清零，下降沿时开始A/D转换过程。
3．DAC的主要技术指标
（1
数字电子电路
DAC的分辨率是说明DAC输出最小电压的能力。它是指最小输出电压（对应的输入数字量仅最低位为1）与 最大输出电压（对应的输入数字量各有效位全为1）之比：
分辨率= 1/（2n-1）
式中,n表示输入数字量的位数。可见，n越大，分辨最小输出电压的能力也越强。
例如，n=8, DAC
8080、8085、MCS51等微处理器相连接。其结构框图和管脚排列图如下图所示 ：
结果框图
管教排列图
• D现A两C次08缓3冲2由，八所位以输使入用寄时存有器较、大八的位灵D活A性C寄，存可器根和据八需位要D接/成A转不换同器的三工大作部方分式组。成DA。C它08有32两中数个采字分用电别的子控是电制倒路的T数型据R-寄2R存电器阻，网可络以，实 无运算放大器，是电流输出，使用时需外接运算放大器。心片中已经设置了Rfb,只要将9号管脚接到运算放大器输出端即可。 但若运算放大器增益不够，还需外接反馈电阻。DAC0832芯片上各管脚的名称和功能说明如下：
完整版ADDA转换原理数模模数转换
Di
2i
?
UR 2n?1 R
n?1 i?0
Di 2i
运算放大器的输出电压为
? U
?
? Rf I
?
?
RfU R 2n?1 R
n?1 i?0
Di 2i
若Rf=1/2R，代入上式后则得
? ? U
?
?
RfU R 2n?1 R
n?1
Di 2i
i?0
?
? UR 2n
n?1
Di 2i
i?0
2020/4/8
6
当D=Dn-1…D0=0时 U=0
基准参 考电压
2020/4/8
R－2R倒T 形电阻解
码网络
图7-2 倒T型电阻网络DAC原理图 8
2. 工作原理 由于集成运算放大器的电流求和点 Σ为虚地，
所以每个2R 电阻的上端都相当于接地，从网络的 A、 B、C点分别向右看的对地电阻都是 2R。
2020/4/8
9
因此流过四个 2R电阻的电流分别为 I/2、I/4、 I/8、I/16。电流是流入地，还是流入运算放大器， 由输入的数字量 Di通过控制电子开关 Si来决定。故 流入运算放大器的总电流为：
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17
3. 转换精度
转换精度是指电路实际输出的模拟电压值和理论 输出的模拟电压值之差。通常用最大误差与满量程 输出电压之比的百分数表示。通常要求 D/A转换器 的误差小于 ULSB/2。
例如，某 D/A转换器满量程输出电压为 10V，如 果误差为 1% ， 就意味着输出电压的最大误差为 ±0.1V。百分数越小，精度越高。
T形电阻网络 DAC 倒T形电阻网络 DAC、 权电流 DAC
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数模(DA)转换.
DI0～DI7
Iout1
LE2 DAC0832
DAC0832的工作方式：直通方式
LE1＝LE2＝1 输入的数字数据直接进入D/A转换器
DI0～DI7 输入 寄 存 器 LE1 DAC 寄 存 器 D/A 转 换 器
Iout1
LE2 DAC0832
Rfb
I0
Iout1 _ Iout2 + Vout
D3
D2
D1
D0
T型电阻解码网络DAC
二、 DAC 的主要性能指标 输入数字量
包括输入数字量的码制、数据格式和它们的逻辑电平 等。有二进制码、BCD码、补码、偏移二进制码等。 逻辑 电平一般为TTL电平。 输出模拟量 不同型号的D／A转换器件的输出电平相差较大。一般 为5V～10V，有的高压输出型的输出电平，则高达24V～ 30V。还有些电流输出型的D／A转换器，低的为几个mA 到几十个mA，高的可达3A。
1 R 2 R 3 R 4 R
= (2V -(1/2)V -2 +d 2-3+d 2-4) R -1 = R/R)(d12 + d22 3 4 = -2.5V
a R b R c R d T型电阻解码网络D/A转换器的原理图 VREF S3 I3 2R S2 I2
2R
S1
2R
S0 I12R源自2R RfbDI0～DI7
输入 寄 存 器
DAC 寄 存 器
D/A 转 换 器
Iout1
LE1
LE2 DAC0832
2. Iout1 DAC0832 的模拟输出 、Iout2 ——电流输出端 Rfb——反馈电阻引出端（电阻在芯片内） VREF——参考电压输入端 ＋10V～－10V AGND——模拟信号地 VCC——电源电压输入端 ＋5V～＋15V DGND——数字信号地
模数(A／D)和数模(D／A)转换
模数(A／D)和数模(D／A)转换模数（A/D）和数模（D/A）转换11.1模数转换和数模转换概述11.1.1一个典型的计算机自动控制系统一个包含A/D和D/A转换器的计算机闭环自动控制系统如图11.1所示。
传感器μV，mV控制传感器放大滤波几伏放大滤波多路开关MU某采样保持S/H模拟A/D数字I/O转换接口计算机对象执行部件多路开关MU 某模拟D/A数字I/O转换接口图11.1典型的计算机自动控制系统在图11.1中，A/D转换器和D/A转换器是模拟量输入和模拟量输出通路中的核心部件。
在实际控制系统中，各种非电物理量需要由各种传感器把它们转换成模拟电流或电压信号后，才能加到A/D转换器转换成数字量。
一般来说，传感器的输出信号只有微伏或毫伏级，需要采用高输入阻抗的运算放大器将这些微弱的信号放大到一定的幅度，有时候还要进行信号滤波，去掉各种干扰和噪声，保留所需要的有用信号。
送入A/D转换器的信号大小与A/D转换器的输入范围不一致时，还需进行信号预处理。
在计算机控制系统中，若测量的模拟信号有几路或几十路，考虑到控制系统的成本，可采用多路开关对被测信号进行切换，使各种信号共用一个A/D转换器。
多路切换的方法有两种：一种是外加多路模拟开关，如多路输入一路输出的多路开关有：AD7501，AD7503，CD4097，CD4052等。
另一种是选用内部带多路转换开关的A/D转换器，如ADC0809等。
若模拟信号变化较快，为了保证模数转换的正确性，还需要使用采样保持器。
在输出通道，对那些需要用模拟信号驱动的执行机构，由计算机将经过运算决策后确定的控制量（数字量）送D/A转换器，转换成模拟量以驱动执行机构动作，完成控制过程。
第11章模数（A/D）和数模（D/A）转换28711.1.2模/数转换器（ADC）的主要性能参数1.分辨率它表明A/D对模拟信号的分辨能力，由它确定能被A/D辨别的最小模拟量变化。
一般来说，A/D转换器的位数越多，其分辨率则越高。
数字逻辑电路第10章数模(DA)和模数(AD)转换
+0V （再取1.25V项，此时5V+2.5V+1.25V>8.5V，则应去掉该项，
记为数字’0’）
+0.625V（再取0.625V项，此时5V+2.5V+0.625V<8.5V，则保留该项，
记为数字’1’）
≈8.125V（得到最后逼近结果） 总结上面的逐次逼近过程可知，从大到小逐次取出Vr的各分 项值，按照“大者去，小者留”的原则，直至得到最后 逼近结果，其数字表示为’1101’。
1）逐次逼近比较式ADC
上述逼近结果与Vx的误差为8.125V－8.5V＝－0.375V。 显然，当Vx＝(7.8125V～8.4375V)之间时，采用上面Vr 的4个分项逼近的结果相同，均为8.125V，其误差为 ΔVx＝(－0.3125V～＋0.3125V)，最大误差限相当于Vr 最后一个分项的一半，即 1 V。
最终SAR的输出Q2Q1Q0=101，即为输入电压Ux的数字码，经 缓冲寄存器输出至译码电路，显示出十进制数5 V。
上述过程是在控制电路依次发出的节拍脉冲的作用下 完成的， 其工作波形如图7.7-11 所示。 现在A/D变换器一般都是用大规模集成电路制作的， 如ADC0809、 ADC0816、 AD7574等都是8位(二进制)逐次逼 近型A/D变换器， ADC1210是12位逐次比较型A/D 变换器.
1）逐次逼近比较式ADC
1 1 1 1 1 Vr Vr Vr Vr Vr n Vr 2 4 8 16 2 5V+2.5V+1.25V+0.625V+ + =10V
数模转换和模数转换
Ii 2nU 1 RiR2U n1RR2iDi
运算放大器总的输入电流为
In i 0 1Iin i 0 12 U n 1 R RD i2i2 U n 1 R Rn i 0 1D i2i
运算放大器的输出电压为
URfI2 Rnf U 1R Rn i 01Di2i
若Rf=1/2R，代入ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ式后则得
在目前常见的D/A转换器中，有权电阻网络D/A转换 器，倒梯形电阻网络D/A转换器等。A/D转换器的类型也 有多种，可以分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两大 类。在直接A/D转换器中，输入的模拟信号直接被转换成 相应的数字信号；而在间接A/D转换器中，输入的模拟信 号先被转换成某种中间变量（如时间、 频率等），然后 再将中间变量转换为最后的数字量。
它由一个八位输入寄存器、一个八位DAC寄存器和一 个八位D/A转换器三大部分组成，D/A转换器采用了倒T 型R-2R电阻网络。由于DAC0832有两个可以分别控制的 数据寄存器，所以，在使用时有较大的灵活性， 可根据 需要接成不同的工作方式。DAC0832中无运算放大器， 且是电流输出，使用时须外接运算放大器。芯片中已设 置了Rfb，只要将 9 脚接到运算放大器的输出端即可。若 运算放大器增益不够， 还须外加反馈电阻。
图 10-5 漂移误差
3.
从数字信号输入DAC起，到输出电流（或电压）
达到稳态值所需的时间为建立时间。 建立时间的大小
决定了转换速度。目前 10~12
D/A 转换
器（不包括运算放大器）的建立时间可以在 1 微秒以
内。
10.2.4 八位集成DAC0832
图 10-6 集成DAC0832框图与引脚图
10.2.3 D/A转换器的主要技术指标
数模和模数转换PPT课件
2、量化和编码 由于输入电压的幅值是连续变化的，它的幅值不一定是其量化单位的整倍
数，所以量化过程会引入误差，这种误差叫量化误差。
量化后的信号只是一个幅值离散的信号，为了对量化后的信号进行处理， 还应该把量化的结果用二进制代码或其它形式表示出来，这个过程就叫做编码。
量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。
把模拟量转化为数字量的过程称为模-数转换，把相应的转换器件称为模-数转 换器（Analog-Digital Converter，简称A/D转换器或ADC ）。
把数字量转化为模拟量的过程称为数-模转换， 把相应的转换器件称为数-模转 换器（Digital-Analog Converter，简称D/A转换器或DAC ）
克，秤量步骤：
顺序 1 2 3 4
砝码重 8g 8g+4 g 8g+4g+2g 8g+4g+1g
比较判断 8g < 13g
保留
12g < 13g
保留
14g > 13g 撤去
13g ＝13g
保留
第38页/共64页
逐次渐近型A/D转换器的基本工作原理是： a. 控制电路首先把寄存器的最高位置1， 其它各位置0。
第25页/共64页
(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。
第26页/共64页
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值之间偏差的最大 值。
第30页/共64页
0~0.7V的模拟信号转化为3位二进制数码的量化过程
模数(A／D)和数模(D／A)【ADC0809】
291
292
微型机原理及应用
1.3 DAC0832 数/模转换器
D/A 转换器是指将数字量转换成模拟量的电路。数字量输入的位数有 8 位、12 位和 16 位等，输出的模拟量有电流和电压两种。
1.3.1 数/模转换器原理
VR 1R 2R 4R 8R d1 d2 d3 d4 S1 S2 S3 S4 I1 I2 I3 I4 Io ∑ A Vo RF
1.1 模数转换和数模转换概述
1.1.1 一个典型的计算机自动控制系统
一个包含 A/D 和 D/A 转换器的计算机闭环自动控制系统如图 11.1 所示。
传感器 μ V，mV 控制 传感器
放大滤波 几伏 放大滤波
多路 开关 MUX
采样 保持 S/H
模 拟
A/D
数 字
I/ O
转换
接口 计算机
对象
执行 部件
第 11 章 模数（A/D）和数模（D/A）转换 ④ 8 位锁存器和三态门
291
当输入允许信号 OE 有效时， 打开三态门， 将锁存器中的数字量经数据总线送到 CPU。 由于 ADC0809 具有三态输出，因而数据线可直接挂在 CPU 数据总线上。 图 1.2.2b 给出了 ADC0809 转换器的引脚图，各引脚功能如下： IN0~IN7：8 路模拟输入通道。 D0~D7： 8 位数字量输出端。 START：启动转换命令输入端，由 1→0 时启动 A/D 转换，要求信号宽度>100ns。 OE： 输出使能端，高电平有效。 ADDA、ADDB、ADDC：地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路进入 A/D 转 换。其中 ADDA 是 LSB 位，这三个引脚上所加电平的编码为 000~111，分别对应 IN0~IN7， 例如，当 ADDC=0，ADDB=1，ADDA=1 时，选中 IN3 通道。 ALE： 地址锁存允许信号。用于将 ADDA~ADDC 三条地址线送入地址锁存器中。 EOC： CLK： 转换结束信号输出。转换完成时，EOC 的正跳变可用于向 CPU 申请中断， 时钟脉冲输入端，要求时钟频率不高于 640KHZ。 其高电平也可供 CPU 查询。 REF（+） 、REF（-） ：基准电压，一般与微机接口时，REF（-）接 0V 或-5V，REF（+） 接+5V 或 0V。
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。
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。
实验九 数模(DA)和模数(AD)转换应用
实验九 数/模（D/A ）和模/数（A/D ）转换应用一、实验目的1、通过实验了解A/D 和D/A 转换特性。
2、了解A/D 和D/A 转换器互相连接的工作情况。
二、实验原理数/模转换器是有一个输出端﹑几个输入端的器件，其输出为模拟电压，它正比于加在 n 个输入端的n 位二进制数。
如8位的D/A 转换器，它有8个输入端，每个输入端是8位二进制数的一位，并有一个模拟输出端，输入可有82=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一。
所以输出并非真正的模拟量，即输出电压不是整个电压范围内的任意值，而只能是256个可能值。
图9-1是由R —2R 梯形电阻网络构成的4位D/A 转换器。
其中B3﹑B2﹑B1﹑B0为四个数据输入端，各端均可通过开关接地或接电源Vcc 。
某输入端若接地，则该位为0，若接Vcc 则该位为1。
若输入二进制码为B 3B 2B 1B 0=1000 ，由戴维南定理可推导出输出模拟电压V o=Vcc/2,同理可推导出输入为0100时，V o=Vcc/4等等。
图9-1 4位R-2R 梯形网络D/A 转换原理实验用的D/A 转换器为DAC0801集成8位D/A 转换器，它的二进制各位开关是由双极型晶体管构成的电子开关。
D/A 转换器产生的输出电流为Io ，它正比于输入的二进制数。
n 位模/数转换器输出n 位二进制数值,它正比于加在输入端的模拟电压。
这里只介绍ADC0804A/D 转换器原理，它是用逐次逼近原理构成的。
其主要组成部分有D/A 转换器﹑逐次逼近寄存器﹑移位寄存器﹑比较器﹑时钟发生器和控制电路。
它的工作过程是：转换开始时由时钟节拍控制动作，第一个时钟来时移位寄存器状态为10000000，并送给逐次逼近寄存器（SAR ），由SAR 将10000000传给D/A 转换器输入端，使D/A 转换器产生输出模拟电压V ST ，V ST 与A/D 转换器输入的模拟量V I 进行比较。
若V ST ﹤V I ，则比较器输出V C 为高电平1，若V ST ﹥V I ，则比较器输出V 为低电平0。
电工电子技术第十二章数模(DA)和模数(AD)转换
• 当CP=1时，采样开关S接通，u(t)信号被采样， 并送到电容C中暂存。
• 当CP=0时，采样开关S断开，前面采样得到的电 压信号在电容C上保持，直到下一个CP=1信号到 来，在对新的电压信号进行采样。
其过程如图12-6所示。图中Ui为模拟输入信号，CP为取样信号，U0为取样后输出信 号。由图分析可得取样定理：设取样信号S（t）的频率为fs，输入模拟信号ui(t)的最 高频率分量的频率为fimax,则fs与必须满足下面的关系式
• 转换时间是指D/A转换器从输入数字信号开 始到输出模拟电压或电流达到稳定值时所 用的时间。转换时间越小，工作速度就越 高。
12.2.3集成D/A的应用
D/A的集成器件有很多产品，现以D/A0832为例，讨论集成D/A的电路结构和应用方面的 一些问题。
D/A0832采用CMOS工艺，是具有20个引脚的双列直插式单片八位D/A转换器，其结构 如图12-3（a）所示。
若用精确度百分比表示，即
精确度
最大误差 输入模拟量满量程读数
一般A/D的精度为±0.02％，当输入模拟量满量程为10V时，其最大误差为10V的万 分之二，即2mV。
3.转换速度。转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换 控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。采用不同 的转换电路，其转换速度是不同的。
• 将数字量转换为模拟量的装置称为数／模转换器，简称 D/A或DAC；将模拟量转换成数字量的装置称为模/数转换 器，简称A/D或ADC。本章主要讨论数/模和模/数转换器 的原理及应用。
图12-1 Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换器在生产过程中的应用
12.2数/模转换器（D/A转换器）
• D/A转换器是用来将一组二进制代码转换成 相应电压值的装置。常用的D/A转换器有T 型电阻网络、倒T型电阻网络D/A转换器、 权电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换 器及权电容网络D/A转换器等几种类型。
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模数（A/D）和数模（D/A）转换11.1 模数转换和数模转换概述11.1.1 一个典型的计算机自动控制系统一个包含A/D和D/A转换器的计算机闭环自动控制系统如图11.1所示。
图11.1 典型的计算机自动控制系统在图11.1中，A/D转换器和D/A转换器是模拟量输入和模拟量输出通路中的核心部件。
在实际控制系统中，各种非电物理量需要由各种传感器把它们转换成模拟电流或电压信号后，才能加到A/D转换器转换成数字量。
一般来说，传感器的输出信号只有微伏或毫伏级，需要采用高输入阻抗的运算放大器将这些微弱的信号放大到一定的幅度，有时候还要进行信号滤波，去掉各种干扰和噪声，保留所需要的有用信号。
送入A/D转换器的信号大小与A/D转换器的输入范围不一致时，还需进行信号预处理。
在计算机控制系统中，若测量的模拟信号有几路或几十路，考虑到控制系统的成本，可采用多路开关对被测信号进行切换，使各种信号共用一个A/D转换器。
多路切换的方法有两种：一种是外加多路模拟开关，如多路输入一路输出的多路开关有：AD7501，AD7503，CD4097，CD4052等。
另一种是选用内部带多路转换开关的A/D转换器，如ADC0809等。
若模拟信号变化较快，为了保证模数转换的正确性，还需要使用采样保持器。
在输出通道，对那些需要用模拟信号驱动的执行机构，由计算机将经过运算决策后确定的控制量（数字量）送D/A转换器，转换成模拟量以驱动执行机构动作，完成控制过程。
287第11章 模数（A/D ）和数模（D/A ）转换 11.1.2 模/数转换器（ADC ）的主要性能参数1. 分辨率它表明A/D 对模拟信号的分辨能力，由它确定能被A/D 辨别的最小模拟量变化。
一般来说，A/D 转换器的位数越多，其分辨率则越高。
实际的A/D 转换器，通常为8，10，12，16位等。
2. 量化误差在A/D 转换中由于整量化产生的固有误差。
量化误差在±1/2LSB （最低有效位）之间。
例如：一个8位的A/D 转换器，它把输入电压信号分成28=256层，若它的量程为0~5V ，那么，量化单位q 为： q = 2电压量程范围 = 2560.5V≈0.0195V=19.5mVq 正好是A/D 输出的数字量中最低位LSB=1时所对应的电压值。
因而，这个量化误差的绝对值是转换器的分辨率和满量程范围的函数。
3. 转换时间转换时间是A/D 完成一次转换所需要的时间。
一般转换速度越快越好，常见有高速（转换时间<1us ）、中速（转换时间<1ms ）和低速（转换时间<1s ）等。
4. 绝对精度对于A/D ，指的是对应于一个给定量，A/D 转换器的误差，其误差大小由实际模拟量输入值与理论值之差来度量。
5. 相对精度对于A/D ，指的是满度值校准以后，任一数字输出所对应的实际模拟输入值（中间值）与理论值（中间值）之差。
例如，对于一个8位0~+5V 的A/D 转换器，如果其相对误差为1LSB ，则其绝对误差为19.5mV ，相对误差为0.39%。
11.1.3 数/模转换器（DAC ）的主要性能参数1. 分辨率分辨率表明DAC 对模拟量的分辨能力，它是最低有效位（LSB ）所对应的模拟量，它确定了能由D/A 产生的最小模拟量的变化。
通常用二进制数的位数表示DAC 的分辨率，如分辨率为8位的D/A 能给出满量程电压的1/28的分辨能力，显然DAC 的位数越多，则分辨率越高。
2. 线性误差D/A 的实际转换值偏离理想转换特性的最大偏差与满量程之间的百分比称为线性误差。
n288微型机原理及应用3. 建立时间这是D/A的一个重要性能参数，定义为：在数字输入端发生满量程码的变化以后，D/A 的模拟输出稳定到最终值±1/2LSB时所需要的时间。
4. 温度灵敏度它是指数字输入不变的情况下，模拟输出信号随温度的变化。
一般D/A转换器的温度灵敏度为±50PPM/℃。
PPM为百万分之一。
5. 输出电平不同型号的D/A转换器的输出电平相差较大，一般为5V~10V，有的高压输出型的输出电平高达24V~30V。
11.2 ADC0809模/数转换器A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。
模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。
但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。
A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。
11.2.1 模/数转换器原理A/D转换器的工作原理实现A/D转换的方法很多，常用的有逐次逼近法、双积分法及电压频率转换法等。
逐次逼近法：速度快、分辨率高、成本低，在计算机系统得到广泛应用。
逐次逼近法原理电路类同天平称重。
在节拍时钟控制下，逐次比较，最后留下的数字砝码，即转换结果。
289第11章模数（A/D）和数模（D/A）转换图11.2 逐次逼近法A/D转换器采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图10.14所示。
它的基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。
逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖi进行比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。
然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的Ｖo再与Ｖi比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。
重复此过程，直至逼近寄存器最低位。
转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。
逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。
11.2.2 ADC0809的内部结构与引脚图ADC0809是一种普遍使用且成本较低的、由National半导体公司生产的CMOS材料A/D转换器。
它具有8个模拟量输入通道，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，得到8位二进制数字量。
其主要技术指标如下：①电源电压：5V②分辨率：8位③时钟频率：640kHZ④转换时间：100us⑤未经调整误差：1/2LSB和1LSB⑥模拟量输入电压范围：0-5V⑦功耗：15mW图11.3给出了ADC0809转换器的内部结构图。
290微型机原理及应用图11.3 ADC0809内部结构图Array图11.4 ADC0809引脚图图11.3中ADC0809内部各单元的功能如下：①通道选择开关八选一模拟开关，实现分时采样8路模拟信号。
②通道地址锁存和译码通过ADDA、ADDB、ADDC三个地址选择端及译码作用控制通道选择开关。
③逐次逼近A/D转换器包括比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近寄存器。
转换的数据从逐次逼近寄存器传送到8位锁存器后经三态门输出。
④8位锁存器和三态门当输入允许信号OE有效时，打开三态门，将锁存器中的数字量经数据总线送到CPU。
由于ADC0809具有三态输出，因而数据线可直接挂在CPU数据总线上。
图11.4给出了ADC0809转换器的引脚图，各引脚功能如下：291第11章模数（A/D）和数模（D/A）转换IN0~IN7：8路模拟输入通道。
D0~D7：8位数字量输出端。
START：启动转换命令输入端，由1→0时启动A/D转换，要求信号宽度>100ns。
OE：输出使能端，高电平有效。
ADDA、ADDB、ADDC：地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路进入A/D转换。
其中ADDA是LSB位，这三个引脚上所加电平的编码为000~111，分别对应IN0~IN7，例如，当ADDC=0，ADDB=1，ADDA=1时，选中IN3通道。
ALE：地址锁存允许信号。
用于将ADDA~ADDC三条地址线送入地址锁存器中。
EOC：转换结束信号输出。
转换完成时，EOC的正跳变可用于向CPU申请中断，其高电平也可供CPU查询。
CLK：时钟脉冲输入端，要求时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：基准电压，一般与微机接口时，REF（-）接0V或-5V，REF（+）接+5V或0V。
11.2.3 ADC0809与CPU的连接及其应用ADC 0809的接口设计需考虑的问题如下：(1)DDA、ADDB、ADDC三端可直接连接到CPU地址总线A0、A1、A2三端，但此种方法占用的I/O口地址多。
每一个模拟输入端对应一个口地址，8个模拟输入端占用8个口地址，对于微机系统外设资源的占用太多，因而一般ADDA、ADDB、ADDC分别接在数据总线的D0、D1、D2端，通过数据线输出一个控制字作为模拟通道选择的控制信号。
(2) ALE信号为启动ADC0809选择开关的控制信号，该控制信号可以和启动转换信号START同时有效。
(3) ADC0809芯片只占用一个I/O口地址，即启动转换用此口地址，输出数据也用此口地址，区别是启动转换还是输出数据用IOR，IOW信号来区分。
硬件电路接线如图11.5所示。
图11.5 ADC0809和PC机系统总线的接线图。
当A/D转换结束，ADC输出一个转换结束信号数据。
CPU可有多种方法读取转换结果：①查询方式；②中断方式；③延时方式；④ DMA 方式；⑤时钟的提供；⑥参考电压的接法；⑦无条件传送方式下面举例说明如何编写A/D转换程序。
例11.1利用图11.5，采用无条件传送方式，编写一段轮流从IN0~IN7采集8路模拟信号，并把采集到的数字量存入0100Ｈ开始的8个单元内的程序。
MOV DI,0100H ；设置存放数据的首址MOV BL,08H ；采集8次计数器微型机原理及应用292 MOV AH,00H ；选0通道AA1∶ MOV AL ，AHMOV DX ，ADPORT ；设置ADC0809芯片地址OUT DX ，AL ；使ALE 、START 有效，选择模拟通道，见图11.5MOV CX,0050HWAIT ∶ LOOP WAIT ；延时，等待A/D 转换IN AL,DX ；使OUTPUTENABLE 有效，输入数据，见图11.5MOV [DI],AL ；保存数据INC AH ；换下一个模拟通道INC DI ；修改数据区指针DEC BLJNZAA1图11.5 ADC0809和PC 机系统总线的连接图例11.2设某系统对8路模拟量分时进行数据采集，选用ADC0809芯片进行A/D 转换，转换结果采用查询方式传送，所以除了一个传送转换结果的输入端口外，还需要传送8个模拟量的选择信号和A/D 转换的状态信息。
因此，可以采用8255A 作为ADC0809和CPU的293第11章模数（A/D）和数模（D/A）转换连接接口，如图11.6 ADC0809与总线的连接图。