(7-1)
第 24章模拟量和数字量的转换
(7-2)
数 /模与模 /数变换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。
能将数字量转换为模拟量的装置称为数 /模变换器 ( 简称 D/A变换器 ); 能将模拟量转换为数字量的装置称为模 /数变换器
( 简称 A/D变换器 )。
(7-3)
由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量，
然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，
这就是构成 D/A变换器的基本思想。
D/A变换器的电路形式很多，这里只介绍两种。
24.1 数模转换器
(7-4)
24.1.1 T形 电阻 网络 D/A转换器 ( 以 4位为例 )
AB
+
+
-
A uo
S2S3 S1 S0
2R2R2R2R
R3 R2 R1 R0
RF
D3 D2 D1 D0
0 0 1 1
UR
2R
R R R
I3 I2 I1 I0
I
CD
(7-5)
UD = UR
UC = UR/ 2
UB = UR/4
UA = UR/8
即,因此，每个
2R支路中的电流也逐位减半。
AB
+
+
-
A uo
S2S3 S1 S0
2R2R2R2R
R3 R2 R1 R0
RF
D3 D2 D1 D0
0 0 1 1
UR
2R
R R R
I3 I2 I1 I0
I
CD
(7-6)
I = I3 + I2 + I1 + I0
UR
2R= D3
UR
16R D0
UR
8R D1
UR
4R D2+ + +
= UR16R ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )
= URRF16R ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )uo -
AB
+
+
-
A uo
S2S3 S1 S0
2R2R2R2R
R3 R2 R1 R0
RF
D3 D2 D1 D0
0 0 1 1
UR
2R
R R R
I3 I2 I1 I0
I
CD
(7-7)
24.1.2 D/A转换器 的主要技术指标指最小输出电压和最大输出电压之比。
1.分辨率
3.线性度用非线性误差的大小表示线性度。偏离理想的输入－输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义 为非线性误差。
4.输出电压 ( 电流 )的建立时间
2.精度输出模拟电压的实际值与理想值之差,
从输入数字信号起,到输出电压或电流到达稳定值所需时间
(7-8)
24.2 模数转换器
A/D转换的一般步骤由于 输入的模拟信号在时间上是连续量,所以一般的 A/D转换过程为：
取样,保持,量化和编码 。
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）
(7-9)
24.2.1 逐次逼近型工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重 15克，每个重量分别为 8,4,2,1克。设待秤重量 Wx = 13克，可以用下表步骤来秤量：
砝码重第一次第二次第三次第四次加 4克加 2克加 1克
8 克 砝码总重 < 待测重量 Wx,故保留砝码总重仍 <待测重量 Wx,故保留砝码总重 > 待测重量 Wx,故撤除砝码总重 ＝ 待测重量 Wx,故保留暂时结果
8 克
12 克
12 克
13 克结 论
(7-10)
转换框图
v IR E FV ＜169 V R E F10＜ 16设：
v
I
C
v
D / A 转换器移位寄存器数据寄存器
R E F
V
O
v
控制逻辑模拟量
0D 1D 2D D 3
Q QQ 2Q 1 30
31 Q0 Q 2Q Q
(7-11)
v IR E FV ＜169 V R E F10＜ 16设：
R
S
Q
C 1
R
S
Q
C 1
1D
S
1
R
C
Q 1D
S
1
R
C
Q 1D
S
1
R
C
Q 1D1
2 3 4
0
1D
R
QQQQQ ABCDE
S
CP
ABCDEF
移位寄存器
D D D D1 2 3
转换器D / A V
FF FF FF FF FF
0 1 2
3 4
数据寄存器
D
D
D
D
3
2
1
0
0
&
CP
Q 5
启动脉冲
+ 5 V + 5 V
+ 5 V
C 1
R E F
（ M S B ）
（ L S B ）
v
I
v
O
v
C
1G
G
1
2
FF 5
1
0 1
1
11
11 0
1000
0
REF16
8V
1
1
1 1
REF16
12
0
0
1
0
1
0
0
1111 1
10
1
01 0
)2(2' 3
04
O
i
i
iR E F D
Vv
101
0
0
(7-12)
24.2.2 A/D 变换器的主要技术指标
1.分辨率,以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，
转换精度越高。
2.转换速度,完成一次 A/D转换所需要的时间，即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。
3.相对精度,实际转换值和理想特性之间的最大偏差。
4.其它,功率 。 电源电压,电压范围 等。
第 24章模拟量和数字量的转换
(7-2)
数 /模与模 /数变换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。
能将数字量转换为模拟量的装置称为数 /模变换器 ( 简称 D/A变换器 ); 能将模拟量转换为数字量的装置称为模 /数变换器
( 简称 A/D变换器 )。
(7-3)
由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量，
然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，
这就是构成 D/A变换器的基本思想。
D/A变换器的电路形式很多，这里只介绍两种。
24.1 数模转换器
(7-4)
24.1.1 T形 电阻 网络 D/A转换器 ( 以 4位为例 )
AB
+
+
-
A uo
S2S3 S1 S0
2R2R2R2R
R3 R2 R1 R0
RF
D3 D2 D1 D0
0 0 1 1
UR
2R
R R R
I3 I2 I1 I0
I
CD
(7-5)
UD = UR
UC = UR/ 2
UB = UR/4
UA = UR/8
即,因此，每个
2R支路中的电流也逐位减半。
AB
+
+
-
A uo
S2S3 S1 S0
2R2R2R2R
R3 R2 R1 R0
RF
D3 D2 D1 D0
0 0 1 1
UR
2R
R R R
I3 I2 I1 I0
I
CD
(7-6)
I = I3 + I2 + I1 + I0
UR
2R= D3
UR
16R D0
UR
8R D1
UR
4R D2+ + +
= UR16R ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )
= URRF16R ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )uo -
AB
+
+
-
A uo
S2S3 S1 S0
2R2R2R2R
R3 R2 R1 R0
RF
D3 D2 D1 D0
0 0 1 1
UR
2R
R R R
I3 I2 I1 I0
I
CD
(7-7)
24.1.2 D/A转换器 的主要技术指标指最小输出电压和最大输出电压之比。
1.分辨率
3.线性度用非线性误差的大小表示线性度。偏离理想的输入－输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义 为非线性误差。
4.输出电压 ( 电流 )的建立时间
2.精度输出模拟电压的实际值与理想值之差,
从输入数字信号起,到输出电压或电流到达稳定值所需时间
(7-8)
24.2 模数转换器
A/D转换的一般步骤由于 输入的模拟信号在时间上是连续量,所以一般的 A/D转换过程为：
取样,保持,量化和编码 。
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）
(7-9)
24.2.1 逐次逼近型工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重 15克，每个重量分别为 8,4,2,1克。设待秤重量 Wx = 13克，可以用下表步骤来秤量：
砝码重第一次第二次第三次第四次加 4克加 2克加 1克
8 克 砝码总重 < 待测重量 Wx,故保留砝码总重仍 <待测重量 Wx,故保留砝码总重 > 待测重量 Wx,故撤除砝码总重 ＝ 待测重量 Wx,故保留暂时结果
8 克
12 克
12 克
13 克结 论
(7-10)
转换框图
v IR E FV ＜169 V R E F10＜ 16设：
v
I
C
v
D / A 转换器移位寄存器数据寄存器
R E F
V
O
v
控制逻辑模拟量
0D 1D 2D D 3
Q QQ 2Q 1 30
31 Q0 Q 2Q Q
(7-11)
v IR E FV ＜169 V R E F10＜ 16设：
R
S
Q
C 1
R
S
Q
C 1
1D
S
1
R
C
Q 1D
S
1
R
C
Q 1D
S
1
R
C
Q 1D1
2 3 4
0
1D
R
QQQQQ ABCDE
S
CP
ABCDEF
移位寄存器
D D D D1 2 3
转换器D / A V
FF FF FF FF FF
0 1 2
3 4
数据寄存器
D
D
D
D
3
2
1
0
0
&
CP
Q 5
启动脉冲
+ 5 V + 5 V
+ 5 V
C 1
R E F
（ M S B ）
（ L S B ）
v
I
v
O
v
C
1G
G
1
2
FF 5
1
0 1
1
11
11 0
1000
0
REF16
8V
1
1
1 1
REF16
12
0
0
1
0
1
0
0
1111 1
10
1
01 0
)2(2' 3
04
O
i
i
iR E F D
Vv
101
0
0
(7-12)
24.2.2 A/D 变换器的主要技术指标
1.分辨率,以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，
转换精度越高。
2.转换速度,完成一次 A/D转换所需要的时间，即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。
3.相对精度,实际转换值和理想特性之间的最大偏差。
4.其它,功率 。 电源电压,电压范围 等。
