武汉职业技术学院电信学院　　黄洁

数字电子技术与应用 武汉职业技术学院电信学院　　黄洁

项目六 D/A与A/D转换 • 6.1 概述 • 6.2 D/A转换器 • 6.3 A/D转换器 • 6.4 D/A转换器和A/D转换器应用举例

6.1 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。

DAC、ADC的作用

模拟量 被测参量数字量数字量模拟量 D/A 转换器被控制对象 A/D 转换器参量/电压转换数字电子计算机模－数转换数－模转换数字控制系统框图模拟量数字量数字量模拟量

6.2 D/A转换器 6.2.1 概述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。基本原理

R U F R E F  - d n - 1 d D / A n - 2 + A 转换器 U O + d 0 D/A 转换示意图输入：d0～dn-1： n 位二进制数字量 d0:最低位（LSB） dn-1:最高位（MSB）输出：U0：模拟输出量参考电压：UREF 上面三者应满足下式：

' ' ' ' 1 1 1 1 6.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器 ½分支由图可知：

当d3d2d1d0=1111 时，则有 （6.2.1）推广到n位，则有：（6.2.2）若R=RF ，则运算放大器的输出为：（6.2.3）

1 0 k Ω 1 0 k Ω 1 0 k Ω U R E F 2 0 k Ω 2 0 k Ω 2 0 k Ω 2 0 k Ω 2 0 k Ω 0 1 2 3 4 5 R U U 2 2 2 2 2 2 F R E F C C S S S S 1 1 1 0 0 9 A D 7 5 4 1 I O U T 2 I I 1 1 6 1 0 9 8 7 地 2 2 2 2 2 2 O U T 1 O U T 2 I O U T 1 R F 1 1 1 0 9 0 2 2 2 2 1 0 k Ω M S B L S B 运用时外接运放 6.2.3 集成D/A转换器AD7541 (a) (b) 在图中，R=RF =10kΩ ,由式(6.2.3)可得AD7541的输出电压表达式为： (6.2.4)

AD7541 假设UREF = -10V，d0~d11均为1，则由式（6.2.4）可算得如下图所示电路的满度输出电压为： AD7541型D/A转换器连接图

集成D/A转换器0808及其应用 数字输入端（8位）基准电压端（双极性）模拟输出端

（1）分辨率R：反映D/A转换器分辨最小输出电压的能力。（1）分辨率R：反映D/A转换器分辨最小输出电压的能力。输入数字量仅最低有效位（LSB）为1时的输出电压 6.2.4 D/A 转换器主要技术指标最小输出电压 R= 最大输出电压输入数字量各有效位全为1时的输出电压 n位D/A转换器，其分辨率为若输出模拟电压的满量程为mV，n位D/A转换器能分辨的最小电压则为：

（2）线性度 理论值: 输入数码最低位发生变化时引起的模拟量的变化量线性误差:实际值与理想值的最大偏差线性度＝典型值即

（4）建立时间：指从数字信号输入至D/A转换器到输出的模拟电压接近于稳定值所需要的时间。一般将输入数字量从“全0”变为“全1”时，输出uO从0V变到满量程输出电压（误差范围为 LSB或）所需的时间定义为建立时间tset. （3）转换精度：表示实际输出的模拟电压与理想输出的模拟电压相差的程度。例如：一个D/A转换器的精度为1％，若对应某一个数字量的理论输出模拟电压为10V，则实际的输出电压是在 9.9～10.1V 范围内的某个值。分辨率愈高的D/A转换器，因其误差范围窄，建立时间愈长。例如，8位D/A转换器的tset＝1μs（典型值），而16位D/A转换器的tset＝ 50μs（典型值）。

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。由于倒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：

6.3 A/D转换器 采样量化编码保持步骤：采样就是将连续变化的模拟量转换为时间上断续的模拟量的过程。 6. 3. 1 A/D转换的基本原理一．采样保持输入模拟电压采样控制电压采样电压采样器

采样信号US（t）的重复频率 输入信号UI（t）的最高频率１．采样定理即通常选择

２．采样－保持电路 T↓时Ｃ上电压不变，即保持 T↑时uI对Ｃ充电，即采样采样保持电路和采样保持信号

量化：取整量的过程。 编码：用二进制表示量化值的过程。量化单位△ ：量化过程中采用的测量单位。二．量化和编码电平量化的两种方法 “只舍不入” 的最大误差为△, “有舍有入” 法的最大误差为1/2 △

VREF R/2 13VREF/14 - ∞ ● + A7 + R - ∞ 11VREF/14 编码器 + ● A6 + R ● ● ∞ 9VREF /14 - + D2 ● A5 + ● ● R ∞ 7VREF /14 D1 - + ● A4 + ● ● R ∞ 5VREF /14 - D0 + ● A3 + ● ● R ∞ - 3VREF /14 + ● A2 + ● ● R VREF /14 ∞ - + ● A1 + ● ● R/2 uI CP Q Q Q Q Q Q Q D D D D D D D 6.3.2 A/D转换器的类型 n位并行A/D比较器，需要2n个电阻，2n-1个比较器。适用范围：n≤4、速度快、精度要求不高。一.并行比较型A/D转换器有舍有入法输出数字量 ∆=2/14VREF 输入模拟量

3位并行比较型A/D转换器真值表

二.逐次逼近型A/D转换器 逐次逼近型A/D转换器速度较快，在集成单元中用得最多。 Q3消除，令Q2为1 Q3保留，令Q2为1 1 0 01 1 0 10 1 1 00 1 0 01 0 1 00 1 0 0 0

三.双积分型A/D转换器 基本原理：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。

u I O t U R E F u O I T T 1 2 O t t t 1 2 C P T C P O t N T C P 双积工作原理 uI 0 1 1 1 0 0 0 1 2nTCP 积分器对uI进行固定时间（0～T1）的积分。当 t＝T1时，积分器的输出电压为：分型 A / D 转换器的工作波形 0～T1这段时间的积分称为第一次积分。由上述过程可知第一次积分时间为：

因为： 亦即：所以： T2这段时间的积分为第二次积分由此可知，二次积分后计数器中的数字（Qn－1Qn－2…Q0）与输入的模拟信号值UＩ成正比，从而实现了A/D转换。即：应用：数字测量仪器、数字式直流电压表、数字式温度计。优点：精度高。缺点：数度慢。

U A U G 1 2 4 D D U Q 2 2 3 R E F 3 u 3 2 2 Q I 2 R 4 2 1 Q 1 1 5 2 0 R / C Q 1 1 0 6 1 9 C D S 1 1 7 1 8 C D S 0 1 2 8 1 7 C D S 0 2 9 1 6 3 D U D S 1 0 1 5 4 C P OR I 1 1 1 4 C P E O C 1 2 1 3 O U U E E S S （ b ）外引线排列图 6.3.3 集成A/D转换器CC14433 正电源输入端模拟地千、百、十、个位输出选通端溢出信号输出端，溢出时为0 模拟电压输入端基准电压端负电源输入端补偿电容接线端时钟输入、输出端外接积分元件端ＢＣＤ码输出端电源公共端转换结束输出端控制转换结果输出端 CC14433原理框图和外引线排列图

DS1~DS4：千、百、十、个输出 位选通信号端； R1、R1/C1、C1：外接积分元件端；：溢出信号输出端,溢出时为0; DU：控制转换结果的输出端； EOC：A/D转换结束、正脉冲信号输出端。 OR （1）CMOS线性电路用来提高A/D转换器的输入阻抗，100MΩ以上与外接R1、C1构成积分器，对UＩ、VREF进行积分。 CC14433模拟部分等效电路过零比较器，检测0电平输出 UDD：正电源电压； USS：接地端电压； UAG：模拟地端电压； UEE：负电源电压； Q0~Q3：BCD码输出端，接显示译码器； UREF：基准电压； UI：输入模拟电压； CPI、CP0：时钟脉冲输入、输出端； C01、C02：接补偿电容端,通常取C=0.1μF

（2）数字电路 该电路地作用是将线性电路送来的积分信号转换为时间间隔编码后输出。它由以下几部分组成。（一）4位十进制计数器：每位为BCD码，用来计数0000～1999。（二）锁存器：用来存放A/D转换结果。（三）多路开关：输出存储器存储的8421BCD码Q0~Q3，并输出多路调制选通脉冲信号DS1~DS4。（四）控制逻辑部分：产生一系列控制信号，以协调各部分的工作。例如,极性判别控制、时钟控制信号等。（五）时钟电路：外接电阻RC可产生时钟信号，并经过CP0端输出，采用外部输入时钟信号，不得接RC。（六）极性检测：显示输入电压uI的正、负极性。（七）溢出部分：当输入电压 uI超出量程范围时，溢出标志输出信号，平时。 CC14433 的优点是功耗低，抗干扰能力强，精度要求高，功能完备，使用灵活；缺点是转换速度较低（3～10次/S）

控制电路 8位A/D转换器（逐次逼近型） 8位数字输出集成 A/D 转换器0809 梯形电阻网络产生量化电平 3条地址线确定选择哪一个模拟输入通道 8个模拟信号输入通道三态输出

地址 输入通道 A2 A1 A0 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 IN4 1 0 0 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 IN7 1 1 1 A/D转换器0809的地址与输入通道关系（1）8通道多路转换器（2）8位 A/D 转换器（3）控制逻辑电路由三部分组成

② 精度：A/D转换器精度决定于量化误差及系统内其他误差之和。一般的精度指标为满量程的，高精度指标为满量程的。 ① 分辨率：反映A/D转换器对输入模拟量微小变化的分辨能力。是指引起A/D转换器的输出数字量变动一个二进制数码的最低有效位（LSB）（例如，从00H变到01H）时输入模拟量的最小变化量。例如，A/D转换器输入模拟电压变化范围为0～10V，输出为 10位码，则分辨率R为： 6. 3. 4 A/D 转换器的主要技术指标 ③转换时间或转换速率：从输入模拟量到转化完毕输出数字量所需要的时间称为转换时间，转换时间越短，速率越高，价格也越高。 A/D转换器转换时间的典型值为50μs，高速 A/D转换器的转换时间为50ns。

6.4 应用举例 一、 D/A转换器 0832 8位数字输入端 1 0 1 锁存器使能端 1 0 片选端 0 0 1 输出端 0 1 1 0 0 传输使能端写控制端，控制数据能否从锁存器传到寄存器写控制端，控制数据能否输入

R R FB FB I I OUT1 OUT1 I CS I OUT2 CS OUT2 WR 1 XFER WR (I/O) 1 W WR (I/O) 2 WR 2 W XFER R FB I OUT1 I CS OUT2 WR 1 WR 2 XFER DAC0832的三种工作方式 D D ~ D 0 D 0 7 D ~ D 0 0 7 D _  7 D _  ＋ 5 V L E 7 + ＋ 5 V L E D A C + u + D A C O u 地址地址 0 8 3 2 + O 0 8 3 2 译码译码 A ~ A A ~ A 0 7 0 7 ( b ) 双级缓冲式锁存器处于受控状态，寄存器处于直通状态 ( a ) 单级缓冲式 D ~ D 0 7 D 0 锁存器、寄存器均处于受控状态接 D _  7 口 L E ＋ 5 V + 电 D A C u + O 路 0 8 3 2 锁存器、寄存器处于直通状态 ( c ) 直接驱动式

二. A/D转换器CC14433 构成数字电压表 3-9端接数码管阳极,最高位可只接b、c端锁存译码驱动器CC4511作译码驱动用 2端接小数点阳极,1端接负号的阳极负号、小数点的阴极和最高位的阴极连在一起达林顿晶体管驱动器5G1413驱动各位数码管的阴极基准电压源5G1403向CC14433提供基准电压双积分型A/D转换器的总体电路图

本节小结 A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。不同的A/D转换方式具有各自的特点。并行比较型A/D转换器转换速度快，主要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分型A/D转换器的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低，适用于对转换精度要求较高，而对转换速度要求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中。得到了广泛应用的逐次逼近型A/D转换器的分辨率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。

本章小结 ①D/A转换器和A/D转换器是数字系统和模拟系统之间的桥梁，描述它们好坏的主要性能指标是转换精度和转换时间。　　 ② 倒T型DAC是目前应用最广泛的一种电路。　 ③ADC有并行比较型、逐次逼近型、双积分型三种电路，它们有各自的特点和适用范围。

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