第十章數模與模數變換器數字電子電路授課人：莊友誼1第十章數模與模數變換器§10.1D/A轉換器§10.2A/D轉換器2

數/模與模/數轉換器是計算機與外部設備的重要接口,也是數字測量和數字控制系統的重要部件。

能將數字量轉換為模擬量的裝置稱為數/模轉換器(簡稱D/A轉換器);能將模擬量轉換為數字量的裝置稱為模/數轉換器(簡稱A/D轉換器)。概述3

由于構成數字代碼的每一位都有一定的“權重”，因此為了將數字量轉換成模擬量，就必須將每一位代碼按其“權重”轉換成相應的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加，即可得到與該數字量成正比的模擬量，這就是構成D/A變換器的基本思想。§10.1D/A轉換器：410.1.2權電阻、權電流D/A轉換器：

這種變換器由“電子模擬開關”、“權電阻求和網絡”、“運算放大器”和“基準電源”等部分組成。

UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115kR=80

k00111、權電阻D/A轉換器：5電子模擬開關(S0-S3)由電子器件構成，其動作受二進制數D0-D3控制。當DK＝1

時，則相應的開關SK接到位置1上，將基準電源UR經電阻Rk引起的電流接到運算放大器的虛地點（如圖中S0、S1）；當Dk＝0時，開關Sk

接到位置0，將相應電流直接接地而不進運放（如圖中S2、S3）。

UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115kR=80

k00116T1T2SDa電子模擬開關的簡化原理電路當D=1時，T2

管飽和導通，T1管截止，則S與a點通；當D=0時，T1管飽和導通，T2

管截止，則S被接地。前者相當于開關S

接到“

1”端，后者則相當于開關S接到“0

”端。7根據反相比例運算公式可得：

顯然，輸出模擬電壓的大小直接與輸入二進制數的大小成正比，從而實現了數字量到模擬量的轉換。

UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115kR=80

k001182、權電流D/A轉換器：-UR+-AuoS2S3S1S0RFD3D2D1D0I16I8I4I2i910.1.1T形和倒T解碼網絡D/A轉換器：由于解碼網絡的電路結構和參數匹配，使得上圖中D、C、B、A四點的電位逐位減半.和權電阻網絡相比，T形解碼網絡中電阻的類型少，只有R、2R兩種，電路構成比較方便。AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011UR2RRRRI3I2I1I0ICD1、T形網絡D/A轉換器：10UD=URUC=UR/

2UB=UR/4UA=UR/8即：因此，每個2R支路中的電流也逐位減半。AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011UR2RRRRI3I2I1I0ICD11I=I3+I2+I1+I0UR2R=D3UR16RD0UR8RD1UR4RD2+++=UR16R(8D3+4D2+2D1+1D0)=URRF16R(8D3+4D2+2D1+1D0)uo

-AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011UR2RRRRI3I2I1I0ICD122、倒T形網絡D/A轉換器：UR+-AuoS2S3S1S0RFD3D2D1D0I16I8I4I2iI2I4I16I8RRR2R2R2R2R2R=URRF16R(8D3+4D2+2D1+1D0)uo

-1310.2.3D/A轉換器的輸出方式：

大部分的常用D/A轉換器是數字電流轉換器，輸出量是電流，需要變為電壓。輸出電壓有單極性（正、負極性），也有雙極性。1410.2.4D/A轉換器的主要技術指標指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。有時也用輸入數字量的有效位數來表示分辨率。1、分辨率2、轉換誤差：包括比例系數誤差、失調誤差和非線性誤差。二、轉換速度：一、轉換精度：三、溫度系數：n位的D/A轉換器的分辨率為

1510.1.5集成電路D/A轉換器及其應用

D/A變換器集成電路有多種型號。下面僅以DAC0832為例來介紹集成電路D/A變換器。

它是八位的D/A變換器,即在對其輸入八位數字量后，通過外接的運算放大器，可以獲得相應的模擬電壓值。16DAC0832簡化電路框圖八位寄存器(1)輸入八位寄存器(2)輸入八位變換器－＋＋URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0......11下圖是它的內部簡化電路框圖和管腳圖：17DAC0832管腳圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRfbDGNDILEXFERIout2Iout11234567891019181716151413121120CS：片選端WR1、WR2：寫入端D7--D0：數據輸入端XFER：轉移控制端ILE：所存使能端Iout2Iout1：電流輸出端UR：參考電壓端Rfb：內部反饋電阻輸出端18功能數據D7-D0輸入到寄存器1數據由寄存器1轉送寄存器2從輸出端取模擬量控制條件CSILEWR1WR2XFER說明01WR1=0時存入數據WR1=1時鎖定WR2=0時存入數據WR2=1時鎖定0無控制信號，隨時可取DAC0832功能表19例1.單步輸入操作-----適用于單個DAC工作ILEWR2WR1CSXFERRfbD0D7Iout2Iout1-++...1(a)D7

~D0CSWR1數據存入數據鎖定(b)20

A/D轉換器的任務是將模擬量轉換成數字量,它是模擬信號和數字儀器的接口。§10.2A/D轉換器A/D轉換器類型比較多，按其工作原理，可分為直接A/D轉換器和間接A/D轉換器。直接A/D轉換器有：逐次逼近型、并聯比較型；間接A/D轉換器有雙積分型、電壓頻率轉換型等2110.2.1A/D轉換的一般工作過程1、取樣與保持：2、量化和編碼：

取樣定理：輸入的模擬信號的最高頻率分量為fmax，取樣信號頻率為fs，如果fs>2fmax，則可以無失真地復現輸入信號。數字信號的大小是某個規定最小數量單位的整數倍，取樣得到的信號必須按某種近似地規化為某一數值電平，這個過程稱量化，而量化的結果必須經過編碼用一個代碼表示出來。由量化引起的誤差稱量化誤差。2210.2.2并聯比較型

電路由三部分組成:分壓器、比較器和編碼器。

這種A/D變換器的優點是轉換速度快，缺點是所需比較器數目多，位數越多矛盾越突出。uxERRRRRRRRD2D1D0數字輸出AGFECDB先碼器7E/86E/85E/84E/83E/82E/8E/8編優CP23比較器輸入E>ux

>7E/87E/8>ux

>6E/86E/8>ux>5E/85E/8>ux

>4E/84E/8>ux

>3E/83E/8>ux

>2E/82E/8>ux

>1E/81E/8>ux

>0ABCDEFGD2D0D1編碼器輸出輸入電壓ux11111111111111110000111110000000000000000000000000000000001111111111111111111000邏輯狀態關系表2410.2.3逐次逼近型

其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個砝碼共重15克，每個重量分別為8、4、2、1克。設待秤重量Wx=13克，可以用下表步驟來秤量：砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝碼總重<待測重量Wx，故保留砝碼總重仍<待測重量Wx，故保留砝碼總重>待測重量Wx，故撤除砝碼總重＝待測重量Wx，故保留暫時結果8克12克12克13克

結論25vi計數器D/A轉換器&CPdn-1dn-2d1d0控制信號vL并行數字輸出2610.2.4雙積分型

工作原理：對輸入的模擬電壓和參考電壓進行兩次積分，先將輸入電壓的平均值變換為與之成正比的時間間隔，再利用時鐘脈沖和計數器測出此時間間隔，從而得到與其相應的數字量。包括：積分器、過零比較器、計數器和定時器、時鐘脈沖控制器27+vi

n位二進制計數器開關控制電路&-VRS1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0積分器過零比較器vo1vo2vGNt1t2t1t22nvo1vo2vGviRCVRRC2810.2.5A/D轉換器的主要技術指標

用輸出數字量的有效位數來表示分辨率。1、分辨率2、轉換誤差：以輸出誤差的最大值的形式給出。二、轉換速度：一、轉換精度：并聯比較型：<50ns逐次逼近型:10-50us雙積分型:幾十-幾百ms2910.3.6集成電路A/D轉換器及其應用

ADC0804的分辨率為八位,工作原理為逐次逼近型。

A/D變換組件有多種型號可供選擇，如：高速的，高分辨率的，高速且高精度的等等。使用者可根據任務要求進行選擇。下面以ADC0804為例，介紹集成電路A/D變換器。30++-++-11控制邏輯時鐘CP電阻網絡及電子開關數據寄存器移位寄存器八位三態輸出鎖存器Uin(+)Uin(-)UccUR/2AGND......D7D0WRCSINTRRDCS