第5章 数模和模数转换

数字电子技术湖南计算机高等专科学校 李中发 胡锦 制作

第5章 数模和模数转换

学习要点： 数模和模数转换的基本原理

第5章 数模和模数转换5.1 概述

5.2 D/A转换器5.3 A/D转换器 退出

5.1 概述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。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。

数 字 控 制 计 算 机

DAC

多 路 开 关 多 路 开 关

功率放大

执行机构

加热炉

…功率放大 信号放大

…执行机构 温度传感器

…加热炉

ADC

…信号放大

…温度传感器

5.2 D/A转换器5.2.1 D/A转换器的基本原理

5.2.2 D/A转换器的构成5.2.3 集成D/A转换器及其应用 退出

5.2.1 D/A转换器的基本原理1.D/A转换器的基本原理和转换特性基 本 原 理 将输入的每一位二进制代码按其权的大小转 换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟 量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比， 这样便实现了从数字量到模拟量的转换。d0 输入 d1 uo 或 io

…dn-1

D/A

输出

uo K u (d n 1 2n 1 d n 2 2n 2 d1 21 d 0 20 )

uo (V)

转 换 特 性

7 6 5 4 3 2 1 0

D

000 001 010 011 100 101 110 111

D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之 间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的 转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量 与输入数字量成正比。即：输出模拟电压 uo=Ku×D或输出模 拟电流io=Ki×D。其中Ku或Ki为电压或电流转换比例系数，D 为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制 数dn-1dn-2…d1d0,则输出模拟电压为：

uo K u (d n 1 2n 1 d n 2 2n 2 d1 21 d 0 20 )

2.D/A转换器的主要技术指标(1)分辨率 分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的 D/A转换器中，输出电压能区分2n 个不同的输入二进制代码状 态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。 分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压 的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：1 1 0.001 10 2 1 1023

(2)转换精度 D/A转换器的转换精度是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。 (3)输出建立时间 从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要 的时间，称为输出建立时间。

5.2.2 D/A转换器的构成

1.二进制权电阻网络 D/A转换器+VREF IREF R S3 I3 2R S2 I2 4R S1 I1 8R S0 i - uo + d3 d2 d1 d0 I0 iF RF

不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端(

虚地)还是接到地， 也就是不论输入数字信号是1还是0,各支路的电流不变的。

VREF I0 8R

VREF I1 4R

VREF I2 2R

VREF I3 R

+VREF

IREF R S3

I3

2R S2

I2

4R S1

I1

8R S0

I0 iF i -

设RF=R/2RF

uo + d3 d2 d1 d0

i I 0 d 0 I1d1 I 2 d 2 I 3 d 3 VREF VREF VREF VREF d0 d1 d2 d3 8R 4R 2R R VREF 3 (d 3 23 d 2 2 2 d1 21 d 0 20 ) 2 R R VREF uo RF iF i 4 (d3 23 d 2 22 d1 21 d 0 20 ) 2 2

2.倒 T 型电阻网络 D/A转换器A IREF +VREF 2R S3 I' 3 I3 R 2R S2 B I' 2 I2 R 2R S1 C I' 1 I1 R 2R S0 D I' 0 I0

2R iF - i + uo RF

d3

d2

d1

d0

①分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R。 ②不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端(虚地)还是接 到地，也就是不论输入数字信号是1还是0,各支路的电流不变。

从参考电压端输入的电流为： I REF

VREF R

A IREF +VREF 2R S3 I' 3 I3 R

B I' 2 I2 R

C I' 1 I1 R

D I' 0 I0

2R S2

2R S1

2R S0

2R iF - i + uo RF

d3

d2

d1

d0

I REFVREF 1 I 3 I REF 2 2R VREF 1 I 1 I REF 8 8R

VREF RVREF 1 I 2 I REF 4 4R VREF 1 I 0 I REF 16 16 R

A IREF +VREF 2R S3 I' 3 I3 R

B I' 2 I2 R

C I' 1 I1 R

D I' 0 I0

2R S2

2R S1

2R S0

2R iF - i + uo RF

d3

d2

d1

d0

i I 0 d 0 I 1 d1 I 2 d 2 I 3 d 3 V REF 1 1 1 1 ( d 0 d1 d 2 d 3 ) 16 8 4 2 R VREF 4 ( d 3 2 3 d 2 2 2 d 1 21 d 0 2 0 ) 2 R

VREF RF uo RF iF RF i 4 (d3 23 d 2 22 d1 21 d0 20 ) 2 R

5.2.3 集成D/A转换器及其应用VCC(+5V) NC GND VEE Io D7 D6 D5 D4 1 2 3 4 5 6 7 8 (a) DAC0808 16 15 14 13 12 11 10 9 引脚排列图 COP VREF(-) VREF(+) VCC D0 D1 D2 D3 (b) D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 2.4kΩ 5 13 6 7 8 DAC0808 9 10 11 12 3 14 15 2 4 16 Io RL +VREF(+5V) 2.4kΩ

0.1μ F VEE (-5V) D/A 转换电路

本节小结：

D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信 号转换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根 据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A 转换器和T型电阻网络D/A转换器两大类。由于T 型电阻网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻， 因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采 用这种电路结构。 如果输入的是n位二进制数，则D/A转换器 的输出电压为：

VREF u o n (d n 1 2 n 1 d n 2 2 n 2 d1 21 d 0 2 0 ) 2

5.3 A/D转换器5.3.1 A/D转换器的基本原理

5.3.2 A/D转换器的构成5.3.3 集成A/D转换器及其应用 退出