2005年元月制作 曾令琴第二篇第二篇
12.1.1 DAC的基本概念
12.1.2 DAC的工作原理
12.1.3 集成数 /模转换器 DAC0832
第二篇为了能用数字技术来处理模拟信号,必须把模拟信号转换成数字信号,才能送入数字系统进行处理 。
同时,往往还需把处理后的数字信号转换成模拟信号,
作为最后的输出 。 我们把前一种从模拟信号到数字信号的转换称为模 /数转换,或简称为 ADC；把后一种从数字信号到模拟信号的转换称为 DAC转换 。 同时,把实现模 /数转换的电路称为 A/D转换器；把实现数 /模转换的电路称为 D/A转换器 。
第 2页在目前常见的 D/A转换器中,有权电阻网络 D/A
转换器,倒梯形电阻网络 D/A转换器等 。 A/D转换器的类型也有多种,可以分为直接 A/D转换器和间接
A/D转换器两大类 。 在直接 A/D转换器中,输入的模拟信号直接被转换成相应的数字信号；而在间接
A/D转换器中,输入的模拟信号先被转换成某种中间变量 （ 如时间,频率等 ）,然后再将中间变量转换为最后的数字量 。
第 2页
12.1 数 /模转换器（ DAC）
12.1.1 DAC
数 /模转换器中的文字 D代表数字量,A代表模拟量,转换器用 C表示 。
1,DAC的转换特性
DAC电路的作用是将输入的数字量转换成与输入数字量成正比输出模拟量。 DAC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
DAC可以看作是一个译码器。 一般常用的线性 DAC，
其输出模拟电压 U和输入数字量 D之间成正比关系，即
U=KD，式中 K为常数。
第 2页
D/A转换器的一般结构如下图所示,图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号。 n位锁存器的并行输出分别控制 n个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，
将参考电压按权关系加到电阻解码网络。
电子开关电阻网络数据锁存器基 准 电 压求和放大数字量输入模拟量输出
DAC组成框图第 2页对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字 /模拟转换。
当输入的数字量是由 n位 8421BCD码表示的数字信号：
1
0
0
0
1
1
2
2
1
1 22222
n
i
i
i
n
n
n
n xxxxxX?
DAC电路的输出模拟电压 u0（或模拟电流 i0）为：
1
0
00 2)(
n
i
i
iiuiu xRRXRRiu ）（或）（或或电流转换系数电压转换系数第 2页
0
1
2
3
4
5
6
7
001 010 011 100 101 110 111
v o /V
D000
DAC的转换特性曲线理想特性数字输入模拟输出当 Ru（或 Ri）为 1,n＝３时，根据上式可得 DAC的转换特性曲线如下图所示。
2,DAC的主要参数
（ 1）分辨率,指最小输出电压（对应输入的数字量最低位为 1，
其他位均为 0）与最大输出电压（对应输入的数字量各位全为 1）之比。
12
1/
mL S B nuu分辨率第 2页
12
1/
mL S B nuu分辨率由上式可看出，当 um一定时，输入数字量的位数
n越多，分辩能力也就越高 。
（ 2）绝对精度（或绝对误差）和非线性度：
绝对精度 是指输入端加对应满刻度数字量时,DAC输出的实际值与理论值之差。一般绝对误差应低于 uLSB/2。
在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。非线性误差与满刻度值之比称 非线性度,常用百分比表示。
（ 3）建立时间,指输入变化后，输出值稳定到距最终输出量
± uLSB所需的时间。 建立时间反映了 DAC电路转换的速度 。
除此之外，在选用 DAC器件时，还需要考虑其电源电压、
输出方式、输出值范围及输入逻辑电平等参数。
第 2页
Xn-1
Xn-2
X2
X1
X0
Sn-1
Sn-2
S2
S1
S0
In-1
In-2
I2
I1
I0
20R
21R
2n-3R
2n-2R
2n-1R
IF RF
∞-
++··
·
·
·
u0
1,权电阻网络 DAC
12.1.2 DAC
权电阻网络 DAC的电路结构图n位二进制数字输入模拟电子开关权电阻 2R从最低位到最高位
，每一个位置上的电阻都是相邻高位电阻值的 2倍
UR
集成运放 和权电阻网络构成一个加法电路第 2页
Xn-1
Xn-2
X2
X1
X0
Sn-1
Sn-2
S2
S1
S0
In-1
In-2
I2
I1
I0
20R
21R
2n-3R
2n-2R
2n-1R
IF RF
∞-
++··
·
·
·
u0
第 2页
IF
权电阻网络 DAC的工作原理电阻 2R和运算放大器构成一个加法电路，电路图中 S0～ Sn-1为模拟电子开关，其位置状态由输入数字量
Xi 控制。 Xi=1时，电子开关向上闭合，与基准电压 UR
接通；当 Xi=0时，电子开关向下闭合，与“地”相接
。 当 Xi=1时,Si接通，通过电阻上的电流 Ii流向运算放大器的反相输入端，即流入求和电路。
由于集成运放的反相输入端为“虚地”，因此相当于权电阻 2R与,地”相接；
当 Xi=0时,Si将权电阻 2R直接与“地”相连；
所以，无论 Si处于何种位置，与 Si相连的权电阻 2R
总是与“地”相通。
第 2页权电阻网络流入集成运放的总电流为各开关支路电流之和：
各开关支路的电流依次为 Ii=UR/(2i·R) …
上式反映了权电阻网络的电流转换特性,根据运算放大器求和运算公式,可得出电路输出电压 u0为：
XRRURiu 1-n FRFF0 2
X
R
U
x
R
U
x
R
U
x
R
U
x
R
U
x
R
U
i
n
i
i
i 1-n
R
1
0
1-n
R
1-n0
R
2n1
R
12-n
R
01-n
R
2
)2(
2
2222
。此时，电压转换系数为
，则
2
22
R
n
R
0F
U
X
U
u
R
R
若令：
当 X0=“1”时，基准电流 I0=UR/(2n-1·R)分析讨论电流转换系数第 2页例,在权电阻求和网络 DAC电路中，设基准电源 UR=－ 10V,
反馈电阻 RF＝ R/2，输入二进制数 X的位数 n＝ 6，试求：
解：
（ 1）当最低位输入码由 0变为 1时，输出电压 u0的变化量为何值？
（ 2）当 X=110101时，输出电压 u0为何值？
（ 3）当 X=111111时，输出电压值（最大满刻度电压） u0＝？
① 当最低位输入码由 0变为 1时，输出电压 u0的变化量就是输入 X=000001所对应的输出电压，其数值为：
V156.02 2/)10()12(2 1601-n FR0 RRRRUu
V84.96364 )10()12(2 66R0 Uu
② 当 X=110101时：
V28.8)21212121(2 )10(2 02456nR0 XUu
③ 当 X=111111时：
第 2页
2,倒 T形电阻网络 DAC
图 12.3 R— 2R倒 T形电阻网络 DAC
u0+
+
_
2R
2R
2R
2R
2R
2R
xn—1
xn—2
x2
x1
x0
Sn—1
Sn—2
S2
S1
S0
In—1
In—2
I2
I1
I0
RFR
结点 B
R
结点 C
R
结点 D
R
结点 E
结点
A
IF
UR
基准电压该网络虽然也是由电阻网络、电子开关、基准电压及运放组成，但其电阻网络与权电阻网络完全不同。
第 2页倒 T形电阻网络 DAC的工作原理倒 T形电阻网络中有 n个节点，由电阻构成梯形结构，从每个节点向左和向下看，每个支路的等效电阻均为 2R。从基准电压源 UR中流出的电流由节点 A→ 节点 B→……→ 节点 E→ 地的过程中，每经过一个节点，
就产生 1/2的分流流入模拟电子开关，所以流入各模拟电子开关的电流比例关系和二进制数各位的权所对应的相同，流入运算放大器的电流和输入数码的值呈线性关系，实现数 /模的转换。另外，无论输入数字信号是,0”还是,1”，模拟电子开关的右边均为,0”电位
，所以电路在工作的过程中，流过电阻网络的电流大小始终不变。
第 2页
R—2R倒 T形电阻网络 DAC的输出电压为：
XUu nR0
2
当 RF=R时，输出电压为：
XRRURiu n FRFF0 2
第 2页
1,逻辑框图
12.1.3 集成数 /模转换器 ——DAC083
DAC0832是目前国内用得较普遍的数模转换器。它采用 CMOS
工艺制成的双列直插式单片 8位数模转换器，以电流形式输出。当转换为电压输出时，可外接运算放大器 。
DAC0832由一个八位输入寄存器、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转换器采用了倒 T
型 R-2R电阻网络。
第 2页
2,管脚排列图及功能片选信号输入端
CS
WR1
XFER
WR2
UCC
ILE
DGND IO1
AGND
IO2
D1
D0
D3
D2
UR
RF
D6
D7
D4
D5
输入锁存允许信号端输入数据选通信号数据传送选通信号写信号 2
基准电源输入端反馈电阻
D为数字量输入端电流输出端 1和 2
电源 5～ 15V输入端模拟“地
”
数字“地
”当 DAC0832的控制端恒处于有效电平时，芯片为直通工作方式。
DAC0832中无运算放大器，且是电流输出，使用时须外接运算放大器。芯片中已设置了 RF，只要将 9 脚接到运算放大器的输出端即可。若运算放大器增益不够，还须外加反馈电阻。
第 2页讨论题绝对精度是指输入端给定数字量时,DAC输出的实际值与理论值之差；非线性指在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值与满刻度之比；转换速度则是指从数字量输入到模拟电压稳定输出之间所需要的时间 。
什么是 DAC的绝对精度、非线性及转换速度？
DAC0832数模转换器是采用什么制造工艺？
DAC电路转换特性的含义是什么？
请写出其表达式。
DAC电路转换特性是指它能将输入的数字量转换成与其成正比的模拟量。表达式为：
1
0
00 )2()()(
n
i
iiiu xRRiu
已知某 DAC电路的最小分辨电压为 40mV，最大满刻度输出电压为 10.2V,试求该电路输入二进制数字量的位数 n=？,
因为,=
所以：将已知数据代入公式可求得 n= 8。
uLSB
um
1
2n-1
DAC0832数模转换器采用的是 CMOS工艺制成的双列直插式单片 8位数模转换器，以电流形式输出。
第 2页
12.2.1 ADC的基本概念
12.2.2 ADC的电路的形式和工作原理
12.2.3 集成 ADC0809简介第 2页
12.2.1 ADC
A/D 转换器的作用就是将输入的模拟电压数字化。转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。
CP
S
S
A D C
取样保持电路
ADC 的量化编码电路
.
.
.
D
D
D
n- 1
1
0
v
I（ t ）
v
I（ t ）
输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n 位）
第 2页
1,采样保持电路采样就是将时间连续的信号变成时间不连续的离散信号。这个过程是通过模拟开关来实现的。模拟开关每隔一定的时间间隔
T(称为采样周期）闭合一次，一个连续信号通过这个开关，转换成一系列脉冲信号，称为采样信号。采样过程如下图所示。
CP＝ 1时，采样开关 S接通,ui信号被采样，并送到电容 C中暂存。
CP＝ 0时，采样开关 S断开，前面采样得到的电压信号在电容 C上保持，直到下一个 CP＝ 1信号到来，再对新的电压信号进行采样。
ui u0S
CP
ui u0
ADC采样保持电路第 2页
2,量化编码电路输入的模拟电压经过采样保持后,得到的是一个一个的阶梯波 。 由于阶梯的幅度是任意的,将会有无限个数值,因此该阶梯形采样信号仍可看作是一个可以连续取值的模拟量 。 另一方面,
由于数字量的位数有限,只能表示有限个数值 (n位数字量只能表示 2n个数值 )。 因此,用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题 。 必须将采样后的样值电压归化到与之接近的离散电平上,这个过程称为 量化 。 指定的离散电平称为量化电压 。 用二进制数码来表示各个量化电压的过程称为 编码 。
两个量化电压之间的差值称为 量化间隔 S,位数越多,量化等级越细,S就越小 。 取样保持后未量化的 uo值与量化电压 uq值通常是不相等的,其差值称为 量化误差 ε,即 ε =uo-uq。 量化的方法一般有两种,舍尾取整法 和 四舍五入法 。
第 2页对采样值量化的方法有舍尾取整法、四舍五入法，
通常采用四舍五入法 。当最小量化间隔（亦称为“量化当量”）为 S时，若采样电压的尾数不足 S/2，则舍尾取整得其量化值；若采样电压的尾数等于或大于 S/2，则舍尾入整，在原整数加 1。
例如：已知 S＝ 1V，若采样电压等于 2.1V时，量化电压等于 2V；若采样电压等于 2.5V时，量化电压等于 3V。
舍尾取整法四舍五入法不论何种量化方式，量化过程中必然存在被测输入量与量化值之间的误差。若要减小 ε，就应在测量范围内减小量化间隔 S，即增加数字量 X的位数和模拟电压的最大值 um。
四舍五入量化方式的量化当量 S应按下式选取：
12
2
1n
Im
US
第 2页
3,集成 ADC的主要参数分 辨 率通常用 ADC输出的二进制位数来表示。 位数越多,误差越小,转换精度越高。
转换时间指 ADC完成一次对模拟量的测量到数字量的转换完成所需的时间。 它反映了 ADC转换的快慢速度。
绝对精度指 ADC转换拍所得数字量所代表的模拟量与实际模拟输入值之差,通常以数字量最低位所代表的模拟输入值 ULSB来衡量。
第 2页
12.2.2 ADC
1,逐次比较型 ADC
CP
转换开始前寄存器清零。转换后，在 CP
作用下，逻辑控制器首先使寄存器中最高有效位置,1”
。
输出数字量经 DAC转换后产生相应的模拟电压 uF，送到比较器中与输入信号 ui进行比较,ui大时比较器输出,1”，否则为,0”。
电压比较器输出数字量模拟信号输入基准电压逐次逼近寄存器
D/A
转换器逻辑控制器数码寄存器
uF
反馈电压第 2页逐次比较型 ADC是集成 ADC芯片中使用较多的一种，它通过对输入量的多次比较，最终得到输入模拟电压量化编码输出。
当 ui≥uF时，比较器输出 0，控制器控制寄存器保留最高位的
1，次高位置,1”；当 ui≤uF时，比较器输出,1”，控制器控制寄存器最高位置,0”，次高位置,1”。寄存器内数据经 DAC电路后输出反馈信号到比较器，进行第二次比较，并将比较结果送入逻辑控制器，送入,0”时保留寄存器中高两位的值，并将第三位置,1”，若送入 1保留最高位，次高位置,0”，第三位置
,1”，寄存器内数据经 DAC电路后输出反馈信号到比较器，
…… 经过逐次比较，直至得到寄存器中最低位的比较结果。比较完毕，寄存器中的状态（即产生的数码）就是所要求的 ADC
输出的数字量。
第 2页
2,双积分型 ADC
双积分型 A/D转换器原理图
－ UR
Ui S1 R
S2
C
Uo
积分器
0比较器
CP
数字量输出
n位计数器
_
+
+A1 _
+ +A2
逻辑控制器双积分型 ADC的基本原理是对输入模拟电压
Ui和参考电压各进行一次积分，先将模拟电压 Ui转换成与其大小相对应的时间间隔 T，再在此时间间隔内用计数率不变的计数器进行计数，计数器所计下的数字量正比于输入的模拟电压 Ui。
双积分型 ADC的转换速度较慢，但是它的电路不复杂，在数字万用表等对速度要求不高的场合，常使用双积分型 ADC。
第 2页双积分型 ADC的工作原理积分前，计数器清零，开关 S2先闭合，后打开，使 C上的电压为零。
在采样阶段,S1接被测电压,S2打开。被测电压被送入积分器进行积分，积分器输出电压小于 0，比较器输出高电平 1，逻辑控制器控制计数器开始计数，对被测电压的积分持续到计数器由全 1变为全 0的瞬间。当计数器为 n位时，计数时间为 T1=2nTC,TC是时钟脉冲的周期。
这时积分器的输出电压为：
i
T i u
RC
Tdt
R
u
Cu 1001 1
1
当计数器由全 1变为全 0时，进入比较阶段，控制器使 S1接参考电压－ UR，这时积分器对－ UR反向积分，电压 U0逐渐上升，计数器又从 0开始计数。当积分器积分至 U0=0时，比较器输出低电平 0，控制器封锁 CP脉冲，使计数器停止计数，若计数器的输出数码为 D，此时积分器的输出电压与计数器的输出数码之间的关系为：
011 1201 2 iRT Ri uTUTRCdtRUCuRCT
而 T2=DTC，所以：
iR
n
RC
i uUUT uTD 21
以用来表示模拟量的采样值。
即计数器输出的数码与被测电压成正比，可第 2页
12.2.3 集成 ADC0809
ADC0809集成电路结构组成图第 2页
ADC0809通过 IN0~IN7可输入八路单端模拟电压。 ALE将三位地址线 ADDC,ADDB和 ADDA进行锁存，然后由译码电路选通八路模拟输入中的某一路进行 A/D转换。
ADC0809内部由树状开关和 256R电阻网络构成八位 D/A转换器，
其输入为逐次近似寄存器 SAR的八位二进制数据，输出为 UST，变换器的参考电压为 UR(+)和 UR(-)。
在比较前,SAR为全 0，变换开始，先使 SAR的最高位为 1，其余仍为 0，此数字控制树状开关输出 UST,UST和模拟输入 UIN送比较器进行比较。若 UST＞ UIN，则比较器输出逻辑 0,SAR的最高位由 1 变为 0；若 UST≤UIN，则比较器输出逻辑 1,SAR的最高位保持 1。此后
,SAR的次高位置 1，其余较低位仍为 0，而以前比较过的高位保持原来值。再将 UST和 UIN进行比较。此后的过程与上述类似，直到最低位比较完为止。
转换结束后,SAR的数字送三态输出锁存器，以供读出。
第 2页
ADC0809集成电路管脚排列图
ADC
0809
左图是 ADC0809集成芯片的引脚图。它是一个 28脚的芯片，采用
CMOS工艺制成的 8位 ADC，内部采用逐次比较结构形式。各引脚的作用如下：
IN0～ IN7 8个模拟信号输入端。
由地址译码器控制将其中一路送入转换器进行转换。
ADDA,ADDB,ADDC 是模拟信道的地址选择。
ALE是地址锁存允许信号，高电平时可进行模拟信道的地址选择；
START是启动信号。上升沿将寄存器清零，下降沿开始进行转换。
CP是时钟脉冲输入端；
EOC为模数转换结束，高电平有效； D0～ D7 是数字量输出端口；
UR（ +）,正参考电压输出； UR（ —）,负参考电压输出；
UCC,电源； GND,地端。 第 2页
1,A/D和 D/A转换器是现代数字系统的重要部件,应用日益广泛 。
5,A/D转换器和 D/A转换器的主要技术参数是转换精度和转换速度,在与系统连接后,转换器的这两项指标决定了系统的精度与速度 。 目前,
A/D与 D/A转换器的发展趋势是高速度,高分辨率及易于与微型计算机接口,用以满足各个应用领域对信号处理的要求 。
2,倒 T型电阻网络 D/A转换器中电阻网络阻值仅有 R和 2R两种,各 2R支路电流 Ii与 Di数码状态无关,是一定值 。 由于支路电流流向运放反相端时不存在传输时间,因而具有较高的转换速度 。
3,在权电流型 D/A转换器中,由于恒流源电路和高速模拟开关的运用使其具有精度高,转换快的优点,双极型单片集成 D/A转换器多采用此种类型电路 。
4,不同的 A/D转换方式具有各自的特点,并行 A/D转换器速度高；双积分
A/D转换器精度高；逐次比较型 A/D转换器在一定程度上兼有以上两种转换器的优点,因此得到普遍应用 。
本章小结第 2页练习题在 ADC0809电路中，若输入电位为 7.286V,经逐次比较转换，这个 ADC
电路输出的 8位二进制数字量 D应为何值？
ADC电路可分为哪两类？并行输出
ADC电路由哪几部分组成？
ADC电路可分为逐次比较型
ADC和双积分型 ADC两类。并行输出的 ADC电路由电压比较器、
寄存器和编码器三大部分组成。
ADC有哪两种量化方式？
它们的量化当量 S各按什么公式选取？它们的量化误差各在什么范围内？哪种量化方式好些？,
ADC的量化方式有舍尾取整法和四舍五入法两种。若采样电压的尾数不足 S/2,则舍尾取整得其量化值；若采样电压的尾数等于或大于 S/2则四舍五入，在原数上加 1取整。四舍五入法好一些。
多看！多练！
勤思考第 2页第 2页
12.1.1 DAC的基本概念
12.1.2 DAC的工作原理
12.1.3 集成数 /模转换器 DAC0832
第二篇为了能用数字技术来处理模拟信号,必须把模拟信号转换成数字信号,才能送入数字系统进行处理 。
同时,往往还需把处理后的数字信号转换成模拟信号,
作为最后的输出 。 我们把前一种从模拟信号到数字信号的转换称为模 /数转换,或简称为 ADC；把后一种从数字信号到模拟信号的转换称为 DAC转换 。 同时,把实现模 /数转换的电路称为 A/D转换器；把实现数 /模转换的电路称为 D/A转换器 。
第 2页在目前常见的 D/A转换器中,有权电阻网络 D/A
转换器,倒梯形电阻网络 D/A转换器等 。 A/D转换器的类型也有多种,可以分为直接 A/D转换器和间接
A/D转换器两大类 。 在直接 A/D转换器中,输入的模拟信号直接被转换成相应的数字信号；而在间接
A/D转换器中,输入的模拟信号先被转换成某种中间变量 （ 如时间,频率等 ）,然后再将中间变量转换为最后的数字量 。
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12.1 数 /模转换器（ DAC）
12.1.1 DAC
数 /模转换器中的文字 D代表数字量,A代表模拟量,转换器用 C表示 。
1,DAC的转换特性
DAC电路的作用是将输入的数字量转换成与输入数字量成正比输出模拟量。 DAC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
DAC可以看作是一个译码器。 一般常用的线性 DAC，
其输出模拟电压 U和输入数字量 D之间成正比关系，即
U=KD，式中 K为常数。
第 2页
D/A转换器的一般结构如下图所示,图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号。 n位锁存器的并行输出分别控制 n个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，
将参考电压按权关系加到电阻解码网络。
电子开关电阻网络数据锁存器基 准 电 压求和放大数字量输入模拟量输出
DAC组成框图第 2页对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字 /模拟转换。
当输入的数字量是由 n位 8421BCD码表示的数字信号：
1
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0
0
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2
2
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1 22222
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i
i
n
n
n
n xxxxxX?
DAC电路的输出模拟电压 u0（或模拟电流 i0）为：
1
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iiuiu xRRXRRiu ）（或）（或或电流转换系数电压转换系数第 2页
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001 010 011 100 101 110 111
v o /V
D000
DAC的转换特性曲线理想特性数字输入模拟输出当 Ru（或 Ri）为 1,n＝３时，根据上式可得 DAC的转换特性曲线如下图所示。
2,DAC的主要参数
（ 1）分辨率,指最小输出电压（对应输入的数字量最低位为 1，
其他位均为 0）与最大输出电压（对应输入的数字量各位全为 1）之比。
12
1/
mL S B nuu分辨率第 2页
12
1/
mL S B nuu分辨率由上式可看出，当 um一定时，输入数字量的位数
n越多，分辩能力也就越高 。
（ 2）绝对精度（或绝对误差）和非线性度：
绝对精度 是指输入端加对应满刻度数字量时,DAC输出的实际值与理论值之差。一般绝对误差应低于 uLSB/2。
在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。非线性误差与满刻度值之比称 非线性度,常用百分比表示。
（ 3）建立时间,指输入变化后，输出值稳定到距最终输出量
± uLSB所需的时间。 建立时间反映了 DAC电路转换的速度 。
除此之外，在选用 DAC器件时，还需要考虑其电源电压、
输出方式、输出值范围及输入逻辑电平等参数。
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Xn-1
Xn-2
X2
X1
X0
Sn-1
Sn-2
S2
S1
S0
In-1
In-2
I2
I1
I0
20R
21R
2n-3R
2n-2R
2n-1R
IF RF
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1,权电阻网络 DAC
12.1.2 DAC
权电阻网络 DAC的电路结构图n位二进制数字输入模拟电子开关权电阻 2R从最低位到最高位
，每一个位置上的电阻都是相邻高位电阻值的 2倍
UR
集成运放 和权电阻网络构成一个加法电路第 2页
Xn-1
Xn-2
X2
X1
X0
Sn-1
Sn-2
S2
S1
S0
In-1
In-2
I2
I1
I0
20R
21R
2n-3R
2n-2R
2n-1R
IF RF
∞-
++··
·
·
·
u0
第 2页
IF
权电阻网络 DAC的工作原理电阻 2R和运算放大器构成一个加法电路，电路图中 S0～ Sn-1为模拟电子开关，其位置状态由输入数字量
Xi 控制。 Xi=1时，电子开关向上闭合，与基准电压 UR
接通；当 Xi=0时，电子开关向下闭合，与“地”相接
。 当 Xi=1时,Si接通，通过电阻上的电流 Ii流向运算放大器的反相输入端，即流入求和电路。
由于集成运放的反相输入端为“虚地”，因此相当于权电阻 2R与,地”相接；
当 Xi=0时,Si将权电阻 2R直接与“地”相连；
所以，无论 Si处于何种位置，与 Si相连的权电阻 2R
总是与“地”相通。
第 2页权电阻网络流入集成运放的总电流为各开关支路电流之和：
各开关支路的电流依次为 Ii=UR/(2i·R) …
上式反映了权电阻网络的电流转换特性,根据运算放大器求和运算公式,可得出电路输出电压 u0为：
XRRURiu 1-n FRFF0 2
X
R
U
x
R
U
x
R
U
x
R
U
x
R
U
x
R
U
i
n
i
i
i 1-n
R
1
0
1-n
R
1-n0
R
2n1
R
12-n
R
01-n
R
2
)2(
2
2222
。此时，电压转换系数为
，则
2
22
R
n
R
0F
U
X
U
u
R
R
若令：
当 X0=“1”时，基准电流 I0=UR/(2n-1·R)分析讨论电流转换系数第 2页例,在权电阻求和网络 DAC电路中，设基准电源 UR=－ 10V,
反馈电阻 RF＝ R/2，输入二进制数 X的位数 n＝ 6，试求：
解：
（ 1）当最低位输入码由 0变为 1时，输出电压 u0的变化量为何值？
（ 2）当 X=110101时，输出电压 u0为何值？
（ 3）当 X=111111时，输出电压值（最大满刻度电压） u0＝？
① 当最低位输入码由 0变为 1时，输出电压 u0的变化量就是输入 X=000001所对应的输出电压，其数值为：
V156.02 2/)10()12(2 1601-n FR0 RRRRUu
V84.96364 )10()12(2 66R0 Uu
② 当 X=110101时：
V28.8)21212121(2 )10(2 02456nR0 XUu
③ 当 X=111111时：
第 2页
2,倒 T形电阻网络 DAC
图 12.3 R— 2R倒 T形电阻网络 DAC
u0+
+
_
2R
2R
2R
2R
2R
2R
xn—1
xn—2
x2
x1
x0
Sn—1
Sn—2
S2
S1
S0
In—1
In—2
I2
I1
I0
RFR
结点 B
R
结点 C
R
结点 D
R
结点 E
结点
A
IF
UR
基准电压该网络虽然也是由电阻网络、电子开关、基准电压及运放组成，但其电阻网络与权电阻网络完全不同。
第 2页倒 T形电阻网络 DAC的工作原理倒 T形电阻网络中有 n个节点，由电阻构成梯形结构，从每个节点向左和向下看，每个支路的等效电阻均为 2R。从基准电压源 UR中流出的电流由节点 A→ 节点 B→……→ 节点 E→ 地的过程中，每经过一个节点，
就产生 1/2的分流流入模拟电子开关，所以流入各模拟电子开关的电流比例关系和二进制数各位的权所对应的相同，流入运算放大器的电流和输入数码的值呈线性关系，实现数 /模的转换。另外，无论输入数字信号是,0”还是,1”，模拟电子开关的右边均为,0”电位
，所以电路在工作的过程中，流过电阻网络的电流大小始终不变。
第 2页
R—2R倒 T形电阻网络 DAC的输出电压为：
XUu nR0
2
当 RF=R时，输出电压为：
XRRURiu n FRFF0 2
第 2页
1,逻辑框图
12.1.3 集成数 /模转换器 ——DAC083
DAC0832是目前国内用得较普遍的数模转换器。它采用 CMOS
工艺制成的双列直插式单片 8位数模转换器，以电流形式输出。当转换为电压输出时，可外接运算放大器 。
DAC0832由一个八位输入寄存器、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转换器采用了倒 T
型 R-2R电阻网络。
第 2页
2,管脚排列图及功能片选信号输入端
CS
WR1
XFER
WR2
UCC
ILE
DGND IO1
AGND
IO2
D1
D0
D3
D2
UR
RF
D6
D7
D4
D5
输入锁存允许信号端输入数据选通信号数据传送选通信号写信号 2
基准电源输入端反馈电阻
D为数字量输入端电流输出端 1和 2
电源 5～ 15V输入端模拟“地
”
数字“地
”当 DAC0832的控制端恒处于有效电平时，芯片为直通工作方式。
DAC0832中无运算放大器，且是电流输出，使用时须外接运算放大器。芯片中已设置了 RF，只要将 9 脚接到运算放大器的输出端即可。若运算放大器增益不够，还须外加反馈电阻。
第 2页讨论题绝对精度是指输入端给定数字量时,DAC输出的实际值与理论值之差；非线性指在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值与满刻度之比；转换速度则是指从数字量输入到模拟电压稳定输出之间所需要的时间 。
什么是 DAC的绝对精度、非线性及转换速度？
DAC0832数模转换器是采用什么制造工艺？
DAC电路转换特性的含义是什么？
请写出其表达式。
DAC电路转换特性是指它能将输入的数字量转换成与其成正比的模拟量。表达式为：
1
0
00 )2()()(
n
i
iiiu xRRiu
已知某 DAC电路的最小分辨电压为 40mV，最大满刻度输出电压为 10.2V,试求该电路输入二进制数字量的位数 n=？,
因为,=
所以：将已知数据代入公式可求得 n= 8。
uLSB
um
1
2n-1
DAC0832数模转换器采用的是 CMOS工艺制成的双列直插式单片 8位数模转换器，以电流形式输出。
第 2页
12.2.1 ADC的基本概念
12.2.2 ADC的电路的形式和工作原理
12.2.3 集成 ADC0809简介第 2页
12.2.1 ADC
A/D 转换器的作用就是将输入的模拟电压数字化。转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。
CP
S
S
A D C
取样保持电路
ADC 的量化编码电路
.
.
.
D
D
D
n- 1
1
0
v
I（ t ）
v
I（ t ）
输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n 位）
第 2页
1,采样保持电路采样就是将时间连续的信号变成时间不连续的离散信号。这个过程是通过模拟开关来实现的。模拟开关每隔一定的时间间隔
T(称为采样周期）闭合一次，一个连续信号通过这个开关，转换成一系列脉冲信号，称为采样信号。采样过程如下图所示。
CP＝ 1时，采样开关 S接通,ui信号被采样，并送到电容 C中暂存。
CP＝ 0时，采样开关 S断开，前面采样得到的电压信号在电容 C上保持，直到下一个 CP＝ 1信号到来，再对新的电压信号进行采样。
ui u0S
CP
ui u0
ADC采样保持电路第 2页
2,量化编码电路输入的模拟电压经过采样保持后,得到的是一个一个的阶梯波 。 由于阶梯的幅度是任意的,将会有无限个数值,因此该阶梯形采样信号仍可看作是一个可以连续取值的模拟量 。 另一方面,
由于数字量的位数有限,只能表示有限个数值 (n位数字量只能表示 2n个数值 )。 因此,用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题 。 必须将采样后的样值电压归化到与之接近的离散电平上,这个过程称为 量化 。 指定的离散电平称为量化电压 。 用二进制数码来表示各个量化电压的过程称为 编码 。
两个量化电压之间的差值称为 量化间隔 S,位数越多,量化等级越细,S就越小 。 取样保持后未量化的 uo值与量化电压 uq值通常是不相等的,其差值称为 量化误差 ε,即 ε =uo-uq。 量化的方法一般有两种,舍尾取整法 和 四舍五入法 。
第 2页对采样值量化的方法有舍尾取整法、四舍五入法，
通常采用四舍五入法 。当最小量化间隔（亦称为“量化当量”）为 S时，若采样电压的尾数不足 S/2，则舍尾取整得其量化值；若采样电压的尾数等于或大于 S/2，则舍尾入整，在原整数加 1。
例如：已知 S＝ 1V，若采样电压等于 2.1V时，量化电压等于 2V；若采样电压等于 2.5V时，量化电压等于 3V。
舍尾取整法四舍五入法不论何种量化方式，量化过程中必然存在被测输入量与量化值之间的误差。若要减小 ε，就应在测量范围内减小量化间隔 S，即增加数字量 X的位数和模拟电压的最大值 um。
四舍五入量化方式的量化当量 S应按下式选取：
12
2
1n
Im
US
第 2页
3,集成 ADC的主要参数分 辨 率通常用 ADC输出的二进制位数来表示。 位数越多,误差越小,转换精度越高。
转换时间指 ADC完成一次对模拟量的测量到数字量的转换完成所需的时间。 它反映了 ADC转换的快慢速度。
绝对精度指 ADC转换拍所得数字量所代表的模拟量与实际模拟输入值之差,通常以数字量最低位所代表的模拟输入值 ULSB来衡量。
第 2页
12.2.2 ADC
1,逐次比较型 ADC
CP
转换开始前寄存器清零。转换后，在 CP
作用下，逻辑控制器首先使寄存器中最高有效位置,1”
。
输出数字量经 DAC转换后产生相应的模拟电压 uF，送到比较器中与输入信号 ui进行比较,ui大时比较器输出,1”，否则为,0”。
电压比较器输出数字量模拟信号输入基准电压逐次逼近寄存器
D/A
转换器逻辑控制器数码寄存器
uF
反馈电压第 2页逐次比较型 ADC是集成 ADC芯片中使用较多的一种，它通过对输入量的多次比较，最终得到输入模拟电压量化编码输出。
当 ui≥uF时，比较器输出 0，控制器控制寄存器保留最高位的
1，次高位置,1”；当 ui≤uF时，比较器输出,1”，控制器控制寄存器最高位置,0”，次高位置,1”。寄存器内数据经 DAC电路后输出反馈信号到比较器，进行第二次比较，并将比较结果送入逻辑控制器，送入,0”时保留寄存器中高两位的值，并将第三位置,1”，若送入 1保留最高位，次高位置,0”，第三位置
,1”，寄存器内数据经 DAC电路后输出反馈信号到比较器，
…… 经过逐次比较，直至得到寄存器中最低位的比较结果。比较完毕，寄存器中的状态（即产生的数码）就是所要求的 ADC
输出的数字量。
第 2页
2,双积分型 ADC
双积分型 A/D转换器原理图
－ UR
Ui S1 R
S2
C
Uo
积分器
0比较器
CP
数字量输出
n位计数器
_
+
+A1 _
+ +A2
逻辑控制器双积分型 ADC的基本原理是对输入模拟电压
Ui和参考电压各进行一次积分，先将模拟电压 Ui转换成与其大小相对应的时间间隔 T，再在此时间间隔内用计数率不变的计数器进行计数，计数器所计下的数字量正比于输入的模拟电压 Ui。
双积分型 ADC的转换速度较慢，但是它的电路不复杂，在数字万用表等对速度要求不高的场合，常使用双积分型 ADC。
第 2页双积分型 ADC的工作原理积分前，计数器清零，开关 S2先闭合，后打开，使 C上的电压为零。
在采样阶段,S1接被测电压,S2打开。被测电压被送入积分器进行积分，积分器输出电压小于 0，比较器输出高电平 1，逻辑控制器控制计数器开始计数，对被测电压的积分持续到计数器由全 1变为全 0的瞬间。当计数器为 n位时，计数时间为 T1=2nTC,TC是时钟脉冲的周期。
这时积分器的输出电压为：
i
T i u
RC
Tdt
R
u
Cu 1001 1
1
当计数器由全 1变为全 0时，进入比较阶段，控制器使 S1接参考电压－ UR，这时积分器对－ UR反向积分，电压 U0逐渐上升，计数器又从 0开始计数。当积分器积分至 U0=0时，比较器输出低电平 0，控制器封锁 CP脉冲，使计数器停止计数，若计数器的输出数码为 D，此时积分器的输出电压与计数器的输出数码之间的关系为：
011 1201 2 iRT Ri uTUTRCdtRUCuRCT
而 T2=DTC，所以：
iR
n
RC
i uUUT uTD 21
以用来表示模拟量的采样值。
即计数器输出的数码与被测电压成正比，可第 2页
12.2.3 集成 ADC0809
ADC0809集成电路结构组成图第 2页
ADC0809通过 IN0~IN7可输入八路单端模拟电压。 ALE将三位地址线 ADDC,ADDB和 ADDA进行锁存，然后由译码电路选通八路模拟输入中的某一路进行 A/D转换。
ADC0809内部由树状开关和 256R电阻网络构成八位 D/A转换器，
其输入为逐次近似寄存器 SAR的八位二进制数据，输出为 UST，变换器的参考电压为 UR(+)和 UR(-)。
在比较前,SAR为全 0，变换开始，先使 SAR的最高位为 1，其余仍为 0，此数字控制树状开关输出 UST,UST和模拟输入 UIN送比较器进行比较。若 UST＞ UIN，则比较器输出逻辑 0,SAR的最高位由 1 变为 0；若 UST≤UIN，则比较器输出逻辑 1,SAR的最高位保持 1。此后
,SAR的次高位置 1，其余较低位仍为 0，而以前比较过的高位保持原来值。再将 UST和 UIN进行比较。此后的过程与上述类似，直到最低位比较完为止。
转换结束后,SAR的数字送三态输出锁存器，以供读出。
第 2页
ADC0809集成电路管脚排列图
ADC
0809
左图是 ADC0809集成芯片的引脚图。它是一个 28脚的芯片，采用
CMOS工艺制成的 8位 ADC，内部采用逐次比较结构形式。各引脚的作用如下：
IN0～ IN7 8个模拟信号输入端。
由地址译码器控制将其中一路送入转换器进行转换。
ADDA,ADDB,ADDC 是模拟信道的地址选择。
ALE是地址锁存允许信号，高电平时可进行模拟信道的地址选择；
START是启动信号。上升沿将寄存器清零，下降沿开始进行转换。
CP是时钟脉冲输入端；
EOC为模数转换结束，高电平有效； D0～ D7 是数字量输出端口；
UR（ +）,正参考电压输出； UR（ —）,负参考电压输出；
UCC,电源； GND,地端。 第 2页
1,A/D和 D/A转换器是现代数字系统的重要部件,应用日益广泛 。
5,A/D转换器和 D/A转换器的主要技术参数是转换精度和转换速度,在与系统连接后,转换器的这两项指标决定了系统的精度与速度 。 目前,
A/D与 D/A转换器的发展趋势是高速度,高分辨率及易于与微型计算机接口,用以满足各个应用领域对信号处理的要求 。
2,倒 T型电阻网络 D/A转换器中电阻网络阻值仅有 R和 2R两种,各 2R支路电流 Ii与 Di数码状态无关,是一定值 。 由于支路电流流向运放反相端时不存在传输时间,因而具有较高的转换速度 。
3,在权电流型 D/A转换器中,由于恒流源电路和高速模拟开关的运用使其具有精度高,转换快的优点,双极型单片集成 D/A转换器多采用此种类型电路 。
4,不同的 A/D转换方式具有各自的特点,并行 A/D转换器速度高；双积分
A/D转换器精度高；逐次比较型 A/D转换器在一定程度上兼有以上两种转换器的优点,因此得到普遍应用 。
本章小结第 2页练习题在 ADC0809电路中，若输入电位为 7.286V,经逐次比较转换，这个 ADC
电路输出的 8位二进制数字量 D应为何值？
ADC电路可分为哪两类？并行输出
ADC电路由哪几部分组成？
ADC电路可分为逐次比较型
ADC和双积分型 ADC两类。并行输出的 ADC电路由电压比较器、
寄存器和编码器三大部分组成。
ADC有哪两种量化方式？
它们的量化当量 S各按什么公式选取？它们的量化误差各在什么范围内？哪种量化方式好些？,
ADC的量化方式有舍尾取整法和四舍五入法两种。若采样电压的尾数不足 S/2,则舍尾取整得其量化值；若采样电压的尾数等于或大于 S/2则四舍五入，在原数上加 1取整。四舍五入法好一些。
多看！多练！
勤思考第 2页第 2页
