第8章 数模转换和模数转换

孙津平主编

第8章 数/模转换和模/数转换

第8章 数/模转换和模/数转换8.1 概述

8.2 数/模转换器(DAC)8.3 模/数转换器(ADC)

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第8章 数/模转换和模/数转换

第8 章 数/模转换和模/8.1 概从模拟信号到数字信号的转换称模/数转换(又称A/D转 换), 完成A/D转换的电路称A/D转换器(简称ADC);从数

字信号到模拟信号的转换称数/模转换(又称D/A转换),完成D/A转换的电路称D/A转换器(简称DAC)。 例如，要用计算机对生产过程进行实时控制，其控制过 程原理方框图如图8.1所示。可见，ADC和DAC是数字系统 和模拟系统相互联系的桥梁，是数字系统的重要组成部分。

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控制对象

非电量

传感器

电模拟量

ADC

数字量

计算机

数字量

DAC

电模拟量

执行元件

图8.1 计算机对生产过程进行实时控制原理示意图

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8.2 数/模转换器(DAC)8.2.1 DAC的基本工作原理 8.2.2 倒T型电阻网络DAC 8.2.3 DAC的主要技术指标 8.2.4 集成DAC举例

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8.2 数/模转换器(DAC)8.2.1DAC的基本工作原理DAC用于将输入的二进制数字量转换为与该数字量 成比例的电压或电流。 其组成框图如图8.2所示。图中， 数据锁存器用来暂时存放输入的数字量， 这些数字量控 制模拟电子开关， 将参考电压源UREF按位切换到电阻译

码网络中变成加权电流，然后经运放求和，输出相应的模拟电压，完成D/A转换过程。

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…

…

…

…

D0 D1 Dn - 1

数据 锁存器

模拟电 子开关

电阻译 码网络

求和 运放

U 模拟输出

参考电压源

图8.2 DAC方框图

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第8章 数/模转换和模/数转换 8.2.2 倒T型电阻网络DAC 如图8.3所示为一个四位倒T型电阻网络DAC(按同 样结构可将它扩展到任意位),它由数据锁存器(图中

未画)、模拟电子开关(S)、 R-2R倒T型电阻网络、运 算放大器(A)及基准电压UREF组成。 RFD0 D1 D2 D3 - + S0 I 16 2R 2R 2R S1 I 8 2R S2 I 4 2R I R R R UREF S3 I 2 ∞ + Uo

△

图8.3 倒T型电阻网络D/A转换器

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第8章 数/模转换和模/数转换 模拟电子开关S3、S2、S1、S0分别受数据锁存器输 出的数字信号D3、D2、D1、D0控制。当某位数字信号为 1时，相应的模拟电子开关接至运算放大器的反相输入端 (虚地);若为0则接同相输入端(接地)。开关S3~S0

是在运算放大器求和点(虚地)与地之间转换，因此不管数字信号D如何变化，流过每条支路的电流始终不变， 从参考电压UR输入的总电流也是固定不变的。

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第8章 数/模转换和模/数转换 图8.3所示电路从UREF向左看，其等效电路如图8.4所 示，等效电阻为R,因此总电流 I=UREF/R。

2R I 16

2R I 16

2R I 8

2R I 4

2R I 2

UREF

R

R

R

UREF I= R

图8.4

T型电阻网络简化等效电路

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第8章 数/模转换和模/数转换 流入每个2R电阻的电流从高位到低位依次为I/2、I/4、 I/8、 I/16, 流入运算放大器反相输入端的电流为

U REF 4 ( D3 23 D2 22 D1 21 D0 20 ) 2 R 所以运算放大器的输出电压为U 0 IΣ RF U REF RF 2 1 0 3 ( D 2 D 2 D 2 D 2 ) 3 2 1 0 4 2 R

I I I I IΣ D3 D2 D1 D0 2 4 8 16

若RF=R, 则有U0 U REF n 1 n 2 1 0 ( D 2 D 2 ... D 2 D 2 ) n 1 n 2 1 0 n 2

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第8章 数/模转换和模/数转换 推广到n位DAC,则有

U REF U 0 n ( Dn 1 2n 1 Dn 2 2n 1 ... D1 21 D0 20 ) 2例 1 如图8.3所示，若UR=10V,求对应D3D2D1D0分别为 1010、 0110和1100时输出电压值。(对应D3D2D1D0为0110和

1100时自行练习。)解当D3D2D1D0=1010时，

U REF U 0 4 ( D3 2 3 D2 2 2 D1 21 D0 20 ) 2 10 3 1 10 4 ( 2 2 ) 10 2 16

6 25V

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第8章 数/模转换和模/数转换 8.2.3 DAC的主要技术指标 1.

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： 1 分辨率= n 2 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的分辨率为 1 分辨率= n =0.0039 2 1

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第8章 数/模转换和模/数转换 2. 转换精度 DAC 实际输出模拟电压值与理论 输出模拟电压值之差。显然，这个差值越小，电路的转 换精度越高。

3. 建立时间(转换速度)建立时间是指, DAC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。

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8.2.4 集成DAC举例DAC0832 是常用的集成DAC,它是用CMOS工艺制成的双列直插式单片八位DAC,可以直接与Z80、8080、

8085、MCS51等微处理器相连接。其结构框图和管脚排列图如图8.5所示。

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第8章 数/模转换和模/数转换D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 ILE D7 8位 输 入 锁 存 器 LE1 & Q7 D7 DAC寄 存 器 Q7 UREF IO UT2 8位 DAC IO UT1

Rfb LE1 AGND

CS WR1 WR2 XF ER

&

VCC DGND

&

CS WR1 AGND D3 D2 D1 D0 UREF Rfb DGND

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

DAC 0 83 2

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

VCC ILE WR2 XF ER D4 D5 D6 D7 IO UT2 IO UT1

(a )

(b )

图8 .5

图8.5

DAC0832

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第8章 数/模转换和模/数转换 DAC0832由八位输入寄存器、八位DAC寄存器和八 位D/A转换器三大部分组成。 它有两个分别控制的数据

寄存器，可以实现两次缓冲，所以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中采用 的是倒T型R-2R电

阻网络，无运算放大器，是电流输出， 使用时需外接运算放大器。芯片中已经设置了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

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