第十一章 D/A 和 A/D 转换电路

1. 第十一章 D/A和A/D转换电路 数字系统的特点： 输入、输出都是数字量。 自然界所存在的物理量大多数是模拟量，如温度、湿度、压力、流量、速度、时间等。数字系统不能直接处理模拟量，所以要把模拟量先转换为数字量（A/D)，然后送入数字系统中去处理。数字系统把处理的结果以数字量的形式送出，经过数模（D/A)转换电路再将数字信号转换为模拟信号送到控制执行元件，执行元件按照控制程序要求精确控制受控对象。 微处理器 ROM 4KX8 工业电炉 放大 A/D 显示 键盘 可控硅 D/A

2. 为了保证数据处理的准确性，A/D转换器和D/A转换器必须达到一定的转换精度。同时，为了适应快速过程的检测和控制，A/D转换器和D/A转换器必须有足够快的转换速度。为了保证数据处理的准确性，A/D转换器和D/A转换器必须达到一定的转换精度。同时，为了适应快速过程的检测和控制，A/D转换器和D/A转换器必须有足够快的转换速度。 在目前常见的D/A转换器中，有权电阻网络D/A转换器，梯形电阻网络、倒梯形电阻网络D/A转换器。A/D转换器的类型也很多，可以分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两大类。 直接A/D转换器：输入的模拟信号直接被转换成相应的数字信号。 间接A/D转换器：是将输入的模拟信号先转换成某个中间变量（如时间T、频率F等），然后再将中间变量转换为最后的数字量。 考虑到D/A转换器的工作原理比较简单，而有些A/D转换器需要用到D/A转换器作为内部反馈电路，所以首先讨论D/A转换器工作原理，再介绍A/D转换器。

3. D0 D1 Dn-1 第一节：D/A转换器 D/A转换器是将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，以电压（或电流）的形式输出。因此，D/A转换器可以看作是一个译码器。一般常用的线性D/A转换器，其输出的模拟电压V和数字量D成正比关系。V=KD,K为常数。 一、基本原理 位权值 D/A ≦ 1 0 ≦ 输入是n位二进制数 k:转换比例系数 输出模拟电压（或模拟电流）与输入数字量成正比关系。 假设：转换比例系数K=1,输入数字量n=3 输出模拟电压（或模拟电流）为：

4. VO/V 7 6 5 4 3 2 1 D 011 110 000 010 100 000 101 001 111 D/A转换特性 D/A输入、输出转换特性为： 从转换特性表中看出： ★每一个二进制代码的数字信号，通过位数（位权值）的计算，都可以对应一个相应的十进制数。 ★相邻两个数字信号转换出来的数值是不连续的，说明转换电路存在转换误差。这个误差也就是D/A转换电路所能分解的最小量，通常称为量化级。

5. 最小量化级（转换误差）和输入二进制位数有关。最小量化级（转换误差）和输入二进制位数有关。 （输入数字信号全1时的输出最大模拟电压） 转换误差＝ n = 3 n = 4 n = 10 n = 12 输入数字信号的位数越多，输出的模拟信号越接近连续模拟信号，转换的精度也就越高。

6. S0 S2 S1 S3 D2 D1 D0 D3 二、D/A 转换电路 1、权电阻D/A转换器 RF ★电路构成：（以4位D/A为例） - + 20R 23R 21R 22R ☆权电阻网络：是一个加权求和电路，通过它可以把输入数字量D中的各位1按位权变化为相应的电流，再经过运放求和，最终得到与D成正比的模拟电压VO。 + VREF 位权电阻分别为：20R、21R、22R、23R ☆基准电压：VREF通过模拟开关，按权关系加到电阻解码网络。 ☆模拟电子开关S： 模拟开关受二进制数码 D i 的控制。D3D2D1D0控制相应的模拟电子开关S3S2S1S0。 D i =1, S i = VREF D i = 0, S i = GND ☆求和放大器:由运放构成的反向放大器组成。作为求和权电阻网络的缓冲器，使输出模拟电压VO不受负载变化的影响。并且可以通过改变反馈电阻Rf的大小来调节转换比例系数。

7. 定量分析 （输出模拟电压和输入数字信号之间的关系） D3D2D1D0=1000时： RF i S3接VREF,其余接地 - + 20R 23R 21R 22R + I3 I2 I1 I0 D3D2D1D0=0100时： S0 S2 S1 S3 S2接VREF,其余接地 VREF D3D2D1D0=0010时： 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 D2 D1 D0 D3 S1接VREF,其余接地 D3D2D1D0=0001时： S0接VREF,其余接地 D3D2D1D0=1111时： D3D2D1D0全部接VREF 根据叠加原理求和放大器总输入电流为：

8. 对于n位权电阻网络D/A转换器总电流为： 求和放大器输出电压为： 输出模拟电压VO的大小与输入的二进制数码的数值大小成正比， 同时还与量化级有关。 ★输入二进制数码位数越多，量化级越小，D/A输出电压越接近模拟电压。 例1：设4位D/A转换器输入二进制数码D3D2D1D0=1101,基准电压VREF=-8V,Rf= R/2,求输出电压VO。

9. 权电阻D/A转换器优点： 电路结构简单，使用电阻数目少，n位有n个电阻。 权电阻D/A转换器缺点： 电阻取值范围大。 如果n=8,取R=10KΩ,那么27R=1.28MΩ 在10KΩ~1.28MΩ宽范围内要保证电阻的精度是十分困难的。 例2：设4位D/A转换器输入二进制数码为0000~1111,基准电压VREF=-8V,Rf= R/2,求输出电压VO。并画出输出VO波形。

10. S3 S0 S1 S2 2R 2R 2R VREF 2、R-2R T型电阻网络D/A转换器 R-2R T型电阻网络特点： RF 0 1 3 2 R R R 2R ★ T型网络中只有两种电阻R、2R - + 2R 2R 2R 2R 2R + ★ 从任何一个接点向左、右、下看进去的等效电阻均为2R。 VREF D1 D0 D2 D3 开关支路接点流进的电流等分为二，从左、右支路流出。

11. 输出模拟电压和输入数字信号之间的关系 D3D2D1D0=0001时： RF i S0接VREF,其余接地 0 1 2 3 R R R 2R - + 2R 2R 2R 2R 2R + I0 I1 I2 I3 S3 S2 该电流 每通过一个接点二等分一次，到求和电路输入端共通过0，1，2，3四个节点，所以: S1 S0 VREF 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 D1 D0 D2 D3 D3D2D1D0=0010时： D3D2D1D0=0100时： D3D2D1D0=1111时： D3D2D1D0=1000时：

12. 求和放大器输出电压： 对于n位R-2RT形电阻网络D/A转换器的输出电压为：

13. 1000 0111 0110 0100 0000 R-2R T型电阻网络D/A转换器的优点： 电阻种类少，只有R、2R两种。 （将两个R串连使用，只用一种电阻，电阻精度容易满足。） R-2R T型电阻网络D/A转换器的缺点： ★ 速度比较慢，过节点要分流，再到运放传输过程比较长。 ★ 动态时，假设数字量由1000→0111，会出现尖峰干扰脉冲。 由于R-2RT型D/A高位先到达求和放大器，其变化过程为高位先变，低位后变。 0100 0110 0111 1000 0000 ★ 要克服R-2RT型电阻网络D/A转换器速度慢，会出现尖峰干扰脉冲等缺点，应采用R-2R倒T型D/A转换器。 输出产生尖峰脉冲

14. RF D1 D2 D0 D3 - + VO + S1 S2 S0 S3 2R 2R 2R 2R 2R VREF R R R 3、R-2R倒T型电阻网络D/A转换器 ★倒T型电阻网络D/A转换器仍具有T型网络的特点，过一个接点电流二等分一次。 ★每条支路上的电流直接到运放输入端，减少了传输时间。 工作原理 ☆当输入数字信号任何一位为1时：对应电子开关将电阻接运放输入端。 ☆当输入数字信号任何一位为0时：对应电子开关将电阻接地。 ☆由于运放反向输入端的电位始终接近于“0”电位（虚地），所以无论开关接在那一边，都相当于接在“地”电位上。流过每条支路的电流始终不变。 画出R-2R倒T型电阻网络等效电路：

15. RF D1 D2 D0 D3 - 2R 2R 2R 2R 2R + VO + S2 S3 S0 S1 R R R 2R 2R 2R 2R 2R VREF R R R R 从等效电路向左看进去，其等效电阻都是R。 ★流入电阻网络的总电流为： ★电阻网络总电流每流经一个节点，就二等分一次。 ★流入运放输入端总电流为： 所以每条支路电流为：

16. 求和放大器的输出电压为： n位倒T型电阻网络D/A转换器的输出电压为：

17. RF D1 D2 D0 D3 - + VO + S2 S1 S0 S3 2R 2R 2R 2R 2R VREF R R R 倒T型D/A特点： ★ 每条支路电流直接流入运放输入端，不存在传输时间差，提高了工作速度。同时也有效防止动态过程中输出端可能出现的尖峰干扰脉冲。是目前D/A转换速度较快的一种，也是用的最多的一种D/A转换器。 三种D/A转换器输出表达式：

18. 三、D/A转换器的转换精度与转换速度 1、转换精度 在D/A转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。 ☆ 分辨率 分辨率是指输入数字量最低有效位为1时，对应输出可分辩的电压变化量△V与最大输出电压Vm之比： 即：最小输出电压与最大输出电压之比的百分数表示。 分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。 说明D/A转换器对输入信号的分辩能力。

19. ☆ 转换误差 由于D/A转换器中各元件参数的偏差，基准电压的波动，和运放的零点漂移都可以影响D/A的转换精度。主要误差包括： ⑴ 非线性误差 它是电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差产生的，常用满刻度的百分比表示。 要获得高精度的D/A转换器，不能仅依靠提高输入数字量的位数，（位数越高，其价格越贵）。还必须有高稳定度的基准电压VREF和低漂移的运放相配合，才能获得较高的转换精度。 ⑵ 比例系数误差 它是基准电压VERF偏离标准值所引起的误差，也用满刻度的百分比表示。 ⑶ 漂移误差 由集成运放的零点漂移所造成的误差。增益的改变也会引起增益误差。

20. 由于D/A转换器的各个环节在参数和性能上不可避免存在有误差，所以实际能达到的转换精度还要看转换误差的大小。由于D/A转换器的各个环节在参数和性能上不可避免存在有误差，所以实际能达到的转换精度还要看转换误差的大小。 转换精度取决于转换误差，转换误差常用输出电压满刻度FSR(满量程的1/2n)的百分数表示，也可以用最低有效位的倍数表示。 例如：转换误差为1/2LSB,表示输出模拟电压的绝对误差等于最低有效位输出模拟电压的一半。 2、 转换速度 从数字信号输入DAC起，到输出电流（或电压）达到稳定值所需的时间称为建立时间。建立时间的大小决定了转换速度的快慢。 目前10~12位单片集成D/A转换器（不包括运放）的建立时间可以在1μS以内。

21. 四、集成D/A转换器 集成D/A转换器种类很多，DAC0832是通用单片8位D/A转换器，直接可以和Z80、MCS51等微处理器相连。 锁 存 器 寄 存 器 D/A & & & 0832由一个八位输入锁存器、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转换器采用倒T型R-2R电阻网络。 DAC0832内部无运放，是电流输出，使用时须外加运放。 芯片内部已设置了反馈电阻R f ,如果运放增益不够，外部还要加反馈电阻。

22. 器件引脚和功能名称： 数字地 锁 存 器 寄 存 器 D/A 模拟地 VCC:电源（＋5V) 反馈电阻接线端 & 基准电压输入端 & 外加一个精确、稳定的基准电压源，（－10V~+10V) & D7~D0:八位输入数据信号 IOUT1、IOUT2满足如下关系：IOUT1＋IOUT2＝常数 片选信号，输入低电平有效。 输入锁存允许信号，高电平有效。 数据传送选通信号，输入低电平有效。 DAC输出电流1，作运放一个差分输入信号。当DAC寄存器全1时，电流最大，全0时，电流最小。 DAC输出电流2，作运放另一个差分输入信号（一般接地）。

23. 分析DAC内部控制逻辑： 锁 存 器 寄 存 器 D/A LE1为高电平，输入数据D7~D0进入锁存器。 1 1 1 & 0 & 0 0 & LE2为高电平，在此期间，锁存器中的数据进入DAC寄存器。 0 0832D/A转换器有双缓冲型、单缓冲型、和直通型等三种工作方式。 八位D/A转换电路随时将DAC寄存器的数据转换为模拟信号，由IOUT1、IOUT2输出。

24. ☆ 双缓冲型工作方式： 由于DAC0832芯片中有两个数据寄存器，可以通过控制信号将数据先锁存在输入锁存器中，当需要D/A转换时，再将锁存器中锁存的数据信号装入DAC 寄存器并进行D/A转换，从而达到两极缓冲工作方式。 0 0

25. ☆ 单缓冲型工作方式： 如果令DAC寄存器处于常通状态，则只控制输入数据锁存器，可以使两个寄存器同时选通和锁存，这就是单缓冲工作方式。 ☆ 直通型工作方式： 如果使两个寄存器都处于常通状态，这时两个寄存器的输出跟随数字输入变化而变化，D/A 转换器的输出也同时跟着变化，这种情况应用于连续反馈过程控制系统。 图中的电位器用于满量程调整。

26. 五、D/A转换器应用举例 ⑴ 数字系统和模拟系统的接口电路 ⑵ 任意波形产生器 ★锯齿波 n位 加法 计数 器 D/A LBF CP 波形的形状取决于ROM中的数据，改变ROM中的数据可以得到不同的波形。 三角波 ROM D/A 矩形波 彩条信号 方格信号

27. 例题1：对于一个8位D/A 转换器： ⑴ 若最小输出电压增量为0.02V,试问当输入代码为01001101时，输出电压VO为多少伏？ ⑵ 若其分辨率用百分数表示，则应是多少？ ⑶ 若某一系统中要求D/A转换的精度小于0.25%,试问这一D/A转换器能否应用？ 题意分析： 本例题涉及转换器几个参数，一是最小输出电压增量；二是分辨率；三是转换精度。 最小电压增量： 对应于输入最小数字量的输出模拟电压。即指数字量每增加一个单位输出模拟电压的增加量。 定义为对最小数字量的分辩能力。一般用输入数字量的位数表示，也可以用最小输出电压与最大输出电压之比的百分数表示。 分辨率：

28. 转换精度： 用最低有效位的倍数表示。转换误差为1/2LSB,表示输出模拟电压的绝对误差等于最低有效位输出模拟电压的一半。 解： ⑴ 当最小输出电压增量为0.02V时，输入代码为01001101时，所对应的输出电压VO为： VO=0.02X(26+23+22+20)=1.54V ⑵ 8位D/A转换器的分辨率百分数为： 1 / 28-1X100%=0.3922% ⑶ 若要求精度小于0.25%,其分辨率应小于0.5%。例题8位D/A的分辨率为0.3922%满足系统对精度的要求。

29. - + 20R 23R 21R 22R + S0 S2 S1 S3 & 例题2：D/A转换器电路如图所示： ⑴推导出VO和D3D2D1D0之间的关系表达式。 ⑵说明转换电路工作原理，画出VO和D0D1D2D3的工作波形图。 首先分析是那一种D/A转换电路？ 然后分析是模几计数器：