第 23章 模拟量和数字量的转换
§ 23.1 数 —模转换器
§ 23.2 模 ― 数转换器
第 23章 模拟量和数字量的转换
本章要求
1,了解数 -模、模 -数转换的基本概念和转换原理。
2,了解数 -模、模 -数转换常用芯片的使用方法。
2,转换原理
分析输入数字量和输出模拟电压 Uo之间的关系
T型网络开路时的输出电压 UA即是反相比例运算电
路的输入电压。
反相比例
运算电路
T型电
子网络
2RA
+UR
S2S0 S1 S3
2R2R2R2R
d0 d1 d2 d3
0
R R R
110
Uo
?
+
+
-A
RF
2R
0 011
+
–
2,转换原理
用戴维宁定理和叠加定理计算 UA
A
+UR
S2S0 S1 S3
2R2R2R2R
d0 d1 d2 d3
0
R R R
110
2R
0 011
最低位
(LSB)
最高位
(MSB)1 0 0 0
对应二进制数为 0001
2,转换原理
对应二进制数为 0001时，
A
2R2R2RR
R R R
等效电路如右下图
04
R
A 2 d
U
U ??
开路电压
1
1?
2
2?
3
3?
2R2R2R2R
R R R
2R
UR
A
R
04
R
2 d
U ?
A
0
0?
2,转换原理
对应二进制数为 0001时，
等效电路如下
R
A
04
R
2 d
U ?
同理：对应二进制数
为 0010时，有
同理：对应二进制数
为 1000时，有
同理：对应二进制数
为 0100时，有
04
R
A 2 d
U
U ??
开路电压
13
R
A 2 d
U
U ??
开路电压
22
R
A 2 d
U
U ??
开路电压
31
R
A 2 d
U
U ??
开路电压
A
R
13
R
2 d
U ?
2,转换原理
04
R
13
R
22
R
31
R
EA 2222 d
UdUdUdUUU ?????????
T型网络开路时的输出电压 UA，即等效电源电压 UE 。
等效电阻为 R
等效电路如右图 R A
UE
)2222(2 001122334R ???????? ddddU
2,转换原理
E
F
ο 3 UR
R
U ???
输出电压
)2222(23 001122334RF ?????????? ddddR UR
若输入的是 n位二进制数，则
)222(23 002211RFo ????????? ???? dddR URU nnnnn ?
2R
Uo
?
+
+
-A
RF
+
–
R
UE+–
A
2,转换原理
若取 RF = 3R，则
)222(
2
0
0
2
2
1
1
R
o ????????
?
?
?
? ddd
UU n
n
n
nn ?
若输入的是 n位二进制数，则
2R
Uo
?
+
+
-A
RF
+
–
R
UE+–
A
)222(23 002211RFo ????????? ???? dddR URU nnnnn ?
倒 T型电阻网络 D?A转换器
分析输入数字量和输出模拟电压 uo之间的关系
转换原理
倒 T型解码网络
uo
2RABD+U
R
S2S3 S1 S0
2R2R2R2R
R3 R2 R1 R0
?
+
+
-A
RF
d3 d2 d1 d0
0
R R R
I3 I1 I0 I01
C
110I
2
IR
.
Uc = UR / 2
UB = UR /4
UA = UR /8
UD = UR 即：由于解码网络的电路结构
和参数匹配，则图中各点
(D,C,B,A) 电位逐位
减半。
uo
2RABD+U
R
S2S3 S1 S0
2R2R2R2R
R3 R2 R1 R0
?
+
+
-A
RF
d3 d2 d1 d0
0
R R R
I3 I1 I0 I01
C
110I
2
IR
因此，每个 2R支路
中的电流也逐位减半。
RUI RR /?
10 2
1 II ?
21 2
1 II ?
32 2
1 II ?
RII 2
1
3 ?
即：
uo
2RABD+U
R
S2S3 S1 S0
2R2R2R2R
R3 R2 R1 R0
?
+
+
-A
RF
d3 d2 d1 d0
0
R R R
I3 I1 I0 I01
C
110I
2
IR
0
R
1
R
2
R
3
R
16842 dR
Ud
R
Ud
R
Ud
R
U ????
)24(816 0123R ddddRU ????
012301 IIIII ????
)24(82 01234 FRO ddddRRUU ?????
uo
2RABD+U
R
S2S3 S1 S0
2R2R2R2R
R3 R2 R1 R0
?
+
+
-A
RF
d3 d2 d1 d0
0
R R R
I3 I1 I0 I01
C
110I
2
IR
23.1.2 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
2.线性度
通常用非线性误差的大小表示 D/A转换器的线性
度。把偏离理想的输入－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。
3.输出电压 ( 电流 )的建立时间
例,十位 D/A转换器
的分辨率为 0 0 101 0 2 3112 110,???
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
有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。
通常 D/A转换器的建立时间不大于 1?S
DAC0832是八位的 D/A转换器,即在对其输入
八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获
得相应的模拟电压值。
23.1.3 DAC0832 D/A转 换器。
1) 内部简化电路框图
DAC 0832 简化电路框图
八位
寄存器
输入
八位
寄存器
DAC
八位
转换器
UREF
RF
Iout1
Iout2
AGND
UCC
DGND
&ILE
CS
WR1
WR2
XFER
D/A
D7
D0
...
.
..
1
1
≥
≥
2) 芯片管脚
DAC 0832 管脚分布图
CS
WR1
WR2AGND
D4
D5
D6
D7
D0
D1
D2
D3
UCC
UREF
RF
DGND
ILE
XFER
Iout1
Iout2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
19
18
17
16
15
14
13
12
11
20
片选信号，
低电平有效
写入控制，
低电平有效
模拟地端
D0 ~ D7
数字量输入
参考电压
输入端 DAC 0832 管脚分布图
CS
WR1
WR2AGND
D4
D5
D6
D7
D0
D1
D2
D3
UCC
UREF
RF
DGND
ILE
XFER
Iout1
Iout2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
19
18
17
16
15
14
13
12
11
20
数字地端
反馈电阻
外接端
CS
WR1
WR2AGND
D4
D5
D6
D7
D0
D1
D2
D3
UCC
UREF
RF
DGND
ILE
XFER
Iout1
Iout2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
19
18
17
16
15
14
13
12
11
20
DAC 0832 管脚分布图
输入锁存允许信
号，高电平有效
芯片工作电压
输入端
写入控制端
低电平有效，与
配合使用XFER
CS
WR1
WR2AGND
D4
D5
D6
D7
D0
D1
D2
D3
UCC
UREF
RF
DGND
ILE
XFER
Iout1
Iout2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
19
18
17
16
15
14
13
12
11
20
DAC 0832 管脚分布图
电流输出端
单极性输出时。
Iout2接模拟地
传送控制端
低电平有效，与
WR2 配合使用
CS
WR1
WR2AGND
D4
D5
D6
D7
D0
D1
D2
D3
UCC
UREF
RF
DGND
ILE
XFER
Iout1
Iout2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
19
18
17
16
15
14
13
12
11
20
DAC 0832 管脚分布图
§ 23.2 模 –数转换器
模 –数 (A/D)转换器的任务是将模拟量转换成数
字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性
能不同，类型也比较多。
下面介绍逐次逼近式 A/D转换电路的原理和一
种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。
23.2.1 逐次逼近式 A/D转换器
其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。
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：
2 8 g + 4 g
3 8 g + 4 g + 2 g
4 8 g + 4 g + 1 g
1 8 g 8g < 13g,
12g < 13g,
14g > 13g，
13g ＝ 13g，
8 g
12 g
12 g
13g
暂时结果砝 码 重 比 较 判 断顺 序
保留
保留
撤去
保留
Q
F3S
R R
F2S
Q
R
F1S
Q
R
F0S
Q
& d3
& d2
& d1
& d0
读出“与门”
& & & &
≥1 ≥1 ≥1
d3
d0
E
读出控制端
U1 UA
－ ＋
∞
△
＋
电压
比较器
逐次逼近
寄存器
控制逻辑门
时钟脉冲 五位顺序脉冲发生器
四位逐次逼近型模 -数转换器的原理电路
四位 D/A转换器
C Q4 Q3 Q2 Q1 Q0
d2 d
1
1,转换原理
(待转换的模拟电压 )UI
数码寄存器
顺序脉冲发生器
?
－ ＋
＋
D/A转换器
u0
控
制
逻
辑
时钟
清 0、置数
清 0、置数
CP(移位命令 )
―1‖状态是否保留
控制端
UA试探电压
放哪一
个砝码
砝码是
否保存
2,转换过程
2
3
4
1 1 0 0 0 UA < UI
6V
UA < UI
5,5V
留
去
留
留
4V
UA > UI
5V
UA ? UI
―1‖留否d3 d2 d1 d0 UA(V)顺 序 比 较 判 断
1 1 0 0
1 0 1 0
1 0 1 1
例,UR= 8V,UI = 5.52V
)2222(2 8 001122334A ???????? ddddU
D/A转换器输出 UA为正值
转换数字量 1011 4+1+0.5 = 5.5V
转换误差为 –0.02V
例,UR= 8V,UI = 5.52V
若输出为 8位数字量
转换数字量 10110001
4+1+0.5+0.03125 = 5.53125V
转换误差为 +0.01125V
位数越多误差越小
)222(28 0066778 ??????? dddU A ?
逐次逼近转换过程示意图
6
VU /A
3D
2D
1D
0D
t0 t1 t3
1
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
0
1
0
1
1
t2
RUD 21,13 对应于时?
RUD 41,12 对应于时?
RUD 81,11 对应于时?
RUD 161,10 对应于时?
V,8R ?U设参考电压
5
4
3
2
1
0
。输入电压 V52.5I ?U
UA > UI
UA < UI
输出数字量转换完毕,
1 0 1 10123 ?dddd
V5.5?U对应模拟电压
(转换误差, –0.02V)
23.2.2 A/D 变换器的主要技术指标
1,分辨率
以输出二进制数的位数表示分辨率。
位数越多，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
接到转换控制信号起，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。
ADC0809八位 A/D转 换器
GND
C
BA
?
－
＋ ＋
8
通
道
模
拟
开
关
比较器 逻辑控制
逐次逼近
寄存器
D/A转换器地址锁存译 码 器
三
态
输
出
锁
存
器
UDD
UR(+) UR(-)
D7
D0
D6
D5
D4
D3
D2
D1
IN7
IN6
IN5
IN4
IN3
IN2
IN1
IN0
ALE
EOC
START CLOCK
EOUT
ADC 0809管脚分布图
UR(-)
B
D4
D0
D2
D7
D6
D5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 19
18
17
16
1514
13
12
11
20
25
24
23
22
21
26
27
28 IN2
IN1
IN0
GND
D1
ALEEOC
START
CLOCK
D3
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
EOUT
A
C
UR (+)
UDD
§ 23.1 数 —模转换器
§ 23.2 模 ― 数转换器
第 23章 模拟量和数字量的转换
本章要求
1,了解数 -模、模 -数转换的基本概念和转换原理。
2,了解数 -模、模 -数转换常用芯片的使用方法。
2,转换原理
分析输入数字量和输出模拟电压 Uo之间的关系
T型网络开路时的输出电压 UA即是反相比例运算电
路的输入电压。
反相比例
运算电路
T型电
子网络
2RA
+UR
S2S0 S1 S3
2R2R2R2R
d0 d1 d2 d3
0
R R R
110
Uo
?
+
+
-A
RF
2R
0 011
+
–
2,转换原理
用戴维宁定理和叠加定理计算 UA
A
+UR
S2S0 S1 S3
2R2R2R2R
d0 d1 d2 d3
0
R R R
110
2R
0 011
最低位
(LSB)
最高位
(MSB)1 0 0 0
对应二进制数为 0001
2,转换原理
对应二进制数为 0001时，
A
2R2R2RR
R R R
等效电路如右下图
04
R
A 2 d
U
U ??
开路电压
1
1?
2
2?
3
3?
2R2R2R2R
R R R
2R
UR
A
R
04
R
2 d
U ?
A
0
0?
2,转换原理
对应二进制数为 0001时，
等效电路如下
R
A
04
R
2 d
U ?
同理：对应二进制数
为 0010时，有
同理：对应二进制数
为 1000时，有
同理：对应二进制数
为 0100时，有
04
R
A 2 d
U
U ??
开路电压
13
R
A 2 d
U
U ??
开路电压
22
R
A 2 d
U
U ??
开路电压
31
R
A 2 d
U
U ??
开路电压
A
R
13
R
2 d
U ?
2,转换原理
04
R
13
R
22
R
31
R
EA 2222 d
UdUdUdUUU ?????????
T型网络开路时的输出电压 UA，即等效电源电压 UE 。
等效电阻为 R
等效电路如右图 R A
UE
)2222(2 001122334R ???????? ddddU
2,转换原理
E
F
ο 3 UR
R
U ???
输出电压
)2222(23 001122334RF ?????????? ddddR UR
若输入的是 n位二进制数，则
)222(23 002211RFo ????????? ???? dddR URU nnnnn ?
2R
Uo
?
+
+
-A
RF
+
–
R
UE+–
A
2,转换原理
若取 RF = 3R，则
)222(
2
0
0
2
2
1
1
R
o ????????
?
?
?
? ddd
UU n
n
n
nn ?
若输入的是 n位二进制数，则
2R
Uo
?
+
+
-A
RF
+
–
R
UE+–
A
)222(23 002211RFo ????????? ???? dddR URU nnnnn ?
倒 T型电阻网络 D?A转换器
分析输入数字量和输出模拟电压 uo之间的关系
转换原理
倒 T型解码网络
uo
2RABD+U
R
S2S3 S1 S0
2R2R2R2R
R3 R2 R1 R0
?
+
+
-A
RF
d3 d2 d1 d0
0
R R R
I3 I1 I0 I01
C
110I
2
IR
.
Uc = UR / 2
UB = UR /4
UA = UR /8
UD = UR 即：由于解码网络的电路结构
和参数匹配，则图中各点
(D,C,B,A) 电位逐位
减半。
uo
2RABD+U
R
S2S3 S1 S0
2R2R2R2R
R3 R2 R1 R0
?
+
+
-A
RF
d3 d2 d1 d0
0
R R R
I3 I1 I0 I01
C
110I
2
IR
因此，每个 2R支路
中的电流也逐位减半。
RUI RR /?
10 2
1 II ?
21 2
1 II ?
32 2
1 II ?
RII 2
1
3 ?
即：
uo
2RABD+U
R
S2S3 S1 S0
2R2R2R2R
R3 R2 R1 R0
?
+
+
-A
RF
d3 d2 d1 d0
0
R R R
I3 I1 I0 I01
C
110I
2
IR
0
R
1
R
2
R
3
R
16842 dR
Ud
R
Ud
R
Ud
R
U ????
)24(816 0123R ddddRU ????
012301 IIIII ????
)24(82 01234 FRO ddddRRUU ?????
uo
2RABD+U
R
S2S3 S1 S0
2R2R2R2R
R3 R2 R1 R0
?
+
+
-A
RF
d3 d2 d1 d0
0
R R R
I3 I1 I0 I01
C
110I
2
IR
23.1.2 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
2.线性度
通常用非线性误差的大小表示 D/A转换器的线性
度。把偏离理想的输入－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。
3.输出电压 ( 电流 )的建立时间
例,十位 D/A转换器
的分辨率为 0 0 101 0 2 3112 110,???
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
有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。
通常 D/A转换器的建立时间不大于 1?S
DAC0832是八位的 D/A转换器,即在对其输入
八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获
得相应的模拟电压值。
23.1.3 DAC0832 D/A转 换器。
1) 内部简化电路框图
DAC 0832 简化电路框图
八位
寄存器
输入
八位
寄存器
DAC
八位
转换器
UREF
RF
Iout1
Iout2
AGND
UCC
DGND
&ILE
CS
WR1
WR2
XFER
D/A
D7
D0
...
.
..
1
1
≥
≥
2) 芯片管脚
DAC 0832 管脚分布图
CS
WR1
WR2AGND
D4
D5
D6
D7
D0
D1
D2
D3
UCC
UREF
RF
DGND
ILE
XFER
Iout1
Iout2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
19
18
17
16
15
14
13
12
11
20
片选信号，
低电平有效
写入控制，
低电平有效
模拟地端
D0 ~ D7
数字量输入
参考电压
输入端 DAC 0832 管脚分布图
CS
WR1
WR2AGND
D4
D5
D6
D7
D0
D1
D2
D3
UCC
UREF
RF
DGND
ILE
XFER
Iout1
Iout2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
19
18
17
16
15
14
13
12
11
20
数字地端
反馈电阻
外接端
CS
WR1
WR2AGND
D4
D5
D6
D7
D0
D1
D2
D3
UCC
UREF
RF
DGND
ILE
XFER
Iout1
Iout2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
19
18
17
16
15
14
13
12
11
20
DAC 0832 管脚分布图
输入锁存允许信
号，高电平有效
芯片工作电压
输入端
写入控制端
低电平有效，与
配合使用XFER
CS
WR1
WR2AGND
D4
D5
D6
D7
D0
D1
D2
D3
UCC
UREF
RF
DGND
ILE
XFER
Iout1
Iout2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
19
18
17
16
15
14
13
12
11
20
DAC 0832 管脚分布图
电流输出端
单极性输出时。
Iout2接模拟地
传送控制端
低电平有效，与
WR2 配合使用
CS
WR1
WR2AGND
D4
D5
D6
D7
D0
D1
D2
D3
UCC
UREF
RF
DGND
ILE
XFER
Iout1
Iout2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
19
18
17
16
15
14
13
12
11
20
DAC 0832 管脚分布图
§ 23.2 模 –数转换器
模 –数 (A/D)转换器的任务是将模拟量转换成数
字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性
能不同，类型也比较多。
下面介绍逐次逼近式 A/D转换电路的原理和一
种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。
23.2.1 逐次逼近式 A/D转换器
其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。
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：
2 8 g + 4 g
3 8 g + 4 g + 2 g
4 8 g + 4 g + 1 g
1 8 g 8g < 13g,
12g < 13g,
14g > 13g，
13g ＝ 13g，
8 g
12 g
12 g
13g
暂时结果砝 码 重 比 较 判 断顺 序
保留
保留
撤去
保留
Q
F3S
R R
F2S
Q
R
F1S
Q
R
F0S
Q
& d3
& d2
& d1
& d0
读出“与门”
& & & &
≥1 ≥1 ≥1
d3
d0
E
读出控制端
U1 UA
－ ＋
∞
△
＋
电压
比较器
逐次逼近
寄存器
控制逻辑门
时钟脉冲 五位顺序脉冲发生器
四位逐次逼近型模 -数转换器的原理电路
四位 D/A转换器
C Q4 Q3 Q2 Q1 Q0
d2 d
1
1,转换原理
(待转换的模拟电压 )UI
数码寄存器
顺序脉冲发生器
?
－ ＋
＋
D/A转换器
u0
控
制
逻
辑
时钟
清 0、置数
清 0、置数
CP(移位命令 )
―1‖状态是否保留
控制端
UA试探电压
放哪一
个砝码
砝码是
否保存
2,转换过程
2
3
4
1 1 0 0 0 UA < UI
6V
UA < UI
5,5V
留
去
留
留
4V
UA > UI
5V
UA ? UI
―1‖留否d3 d2 d1 d0 UA(V)顺 序 比 较 判 断
1 1 0 0
1 0 1 0
1 0 1 1
例,UR= 8V,UI = 5.52V
)2222(2 8 001122334A ???????? ddddU
D/A转换器输出 UA为正值
转换数字量 1011 4+1+0.5 = 5.5V
转换误差为 –0.02V
例,UR= 8V,UI = 5.52V
若输出为 8位数字量
转换数字量 10110001
4+1+0.5+0.03125 = 5.53125V
转换误差为 +0.01125V
位数越多误差越小
)222(28 0066778 ??????? dddU A ?
逐次逼近转换过程示意图
6
VU /A
3D
2D
1D
0D
t0 t1 t3
1
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
0
1
0
1
1
t2
RUD 21,13 对应于时?
RUD 41,12 对应于时?
RUD 81,11 对应于时?
RUD 161,10 对应于时?
V,8R ?U设参考电压
5
4
3
2
1
0
。输入电压 V52.5I ?U
UA > UI
UA < UI
输出数字量转换完毕,
1 0 1 10123 ?dddd
V5.5?U对应模拟电压
(转换误差, –0.02V)
23.2.2 A/D 变换器的主要技术指标
1,分辨率
以输出二进制数的位数表示分辨率。
位数越多，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
接到转换控制信号起，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。
ADC0809八位 A/D转 换器
GND
C
BA
?
－
＋ ＋
8
通
道
模
拟
开
关
比较器 逻辑控制
逐次逼近
寄存器
D/A转换器地址锁存译 码 器
三
态
输
出
锁
存
器
UDD
UR(+) UR(-)
D7
D0
D6
D5
D4
D3
D2
D1
IN7
IN6
IN5
IN4
IN3
IN2
IN1
IN0
ALE
EOC
START CLOCK
EOUT
ADC 0809管脚分布图
UR(-)
B
D4
D0
D2
D7
D6
D5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 19
18
17
16
1514
13
12
11
20
25
24
23
22
21
26
27
28 IN2
IN1
IN0
GND
D1
ALEEOC
START
CLOCK
D3
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
EOUT
A
C
UR (+)
UDD
