电路和电子技术 第7章 数模、模数转换.

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1、 电 工 教 研 室 北北 京京 理理 工工 大大 学学 信息科学技术学院信息科学技术学院 在检测、控制数字系统中，将模拟量转换为数字量和将数字量在检测、控制数字系统中，将模拟量转换为数字量和将数字量转换为模拟量是必不可少的环节，其系统方框图如下转换为模拟量是必不可少的环节，其系统方框图如下 被被控控对对象象微微处处理理器器ADCDAC系统方框图系统方框图检测信号检测信号控制信号控制信号放放大大被控对象如温度，压力等物理量，经传感器检测得到它们的模被控对象如温度，压力等物理量，经传感器检测得到它们的模拟信号，将其进行放大，然后送入模数转换器（拟信号，将其进行放大，然后送入模数转换器（ADC），

2、将模），将模拟信号转换为数字信号后由微处理器对信号进行处理。根据处拟信号转换为数字信号后由微处理器对信号进行处理。根据处理的结果，微处理器发出相应的数字控制信号，再经数模转换理的结果，微处理器发出相应的数字控制信号，再经数模转换器（器（DAC）将数字信号转换为模拟信号去控制被控对象。）将数字信号转换为模拟信号去控制被控对象。 数模转换器有多种电路类型，其中数模转换器有多种电路类型，其中T型电阻数模型电阻数模转换是较常用的一种。下图是四位转换是较常用的一种。下图是四位T型电阻转换器原型电阻转换器原理图，理图，R和和2R电阻构成电阻构成T形电阻网络。形电阻网络。S3、S2、S1、S0为模拟开关，其

3、开关状态分别受输入的二进制数为模拟开关，其开关状态分别受输入的二进制数字信号字信号D3、D2、D1、D0控制。如控制。如D01时，模拟开关时，模拟开关S0合向左边，支路电流合向左边，支路电流I0流向流向Ioutl；当；当D00时，时，S0合合向右边，支路电流向右边，支路电流I0流向流向Iout2。运算放大器。运算放大器A0为电流为电流求和放大器，它对各位数字所对应的电流求和，并求和放大器，它对各位数字所对应的电流求和，并转换成相应的模拟电压。转换成相应的模拟电压。UREF为高精度基准电源。为高精度基准电源。 A0 +UREFIIout2 1 D0 D2 D1 D3 0Rf2R2R2R2R2RR

4、RRS0S1S2S3UoI0I3I2I1Iout1四位四位T型电阻转换器原理图型电阻转换器原理图由于运算放大器的反由于运算放大器的反相输入端为相输入端为“虚地虚地”，所以无论模拟开关接所以无论模拟开关接向左边还是右边，电向左边还是右边，电阻阻2R接模拟开关一侧接模拟开关一侧的电位都为零，因此的电位都为零，因此从从UREF端看进去的等端看进去的等效电阻为效电阻为R。由此求。由此求得总电流得总电流IUREFR，各支路电流分别为各支路电流分别为343222 III2432222III1421222III0410222III即每位支路电流与二进制权值（即每位支路电流与二进制权值（23、22、21、20

5、）成正比。当每）成正比。当每位开关合向左边时，支路电流由位开关合向左边时，支路电流由Ioutl流出，开关合向右边时，支流出，开关合向右边时，支路电流由路电流由Iout2流出。因此输入不同的二进制数时，流过流出。因此输入不同的二进制数时，流过Rf的电流的电流Iout1的大小就不同，就可以得到大小不同的输出电压。对于输入的大小就不同，就可以得到大小不同的输出电压。对于输入的任意四位二进制数的任意四位二进制数D3、D2、D1、D0，流过，流过Rf的电流为的电流为Iout1I3D3I2D2I1D1I0D0 00411422433422222222DIDIDIDI=)2222(2001122334DDD

6、DI)2222(2001122334REFDDDDRU运算放大器的输出电压为运算放大器的输出电压为UoRfIout1 RURREF4f2(23D3+22D2+21D1+20D0)即每位支路电流与二进制权值（即每位支路电流与二进制权值（23、22、21、20）成正比。当每）成正比。当每位开关合向左边时，支路电流由位开关合向左边时，支路电流由Ioutl流出，开关合向右边时，支流出，开关合向右边时，支路电流由路电流由Iout2流出。因此输入不同的二进制数时，流过流出。因此输入不同的二进制数时，流过Rf的电流的电流Iout1的大小就不同，就可以得到大小不同的输出电压。对于输入的大小就不同，就可以得到大

7、小不同的输出电压。对于输入的任意四位二进制数的任意四位二进制数D3、D2、D1、D0，流过，流过Rf的电流为的电流为Iout1I3D3I2D2I1D1I0D0 00411422433422222222DIDIDIDI=)2222(2001122334DDDDI)2222(2001122334REFDDDDRU运算放大器的输出电压为运算放大器的输出电压为UoRfIout1 RURREF4f2(23D3+22D2+21D1+20D0)可见，输出的模拟电压与二进制数字信号成正比。同可见，输出的模拟电压与二进制数字信号成正比。同理对于理对于n位位DA转换器若取转换器若取RfR，则，则Uo 2(2nUn

8、-1Dn-1+2n-2Dn-2+-+21D1+20D0) 分辨率定义为最小输出电压（对应的输入二进制数分辨率定义为最小输出电压（对应的输入二进制数为为1）与最大输出电压（对应的输入二进制数全为）与最大输出电压（对应的输入二进制数全为1）之比，即之比，即121maxmin nUU显然位数越多，能分辨出的最小电压越小。有时也显然位数越多，能分辨出的最小电压越小。有时也直接用直接用DA转换器的位数表示分辨率，位数越多，分转换器的位数表示分辨率，位数越多，分辨率越高。辨率越高。 通常用非线性误差的大小表示通常用非线性误差的大小表示DA转换器的线性度。转换器的线性度。产生非线性误差的原因是模拟开关导通的

9、压降，电阻产生非线性误差的原因是模拟开关导通的压降，电阻网络各阻值不尽相等等。网络各阻值不尽相等等。 转换器的精度是指输出模拟电压的实际值与理想转换器的精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，其产生的原因是各模拟开关的压降不一定相值之差，其产生的原因是各模拟开关的压降不一定相等，各电阻阻值的偏差不可能做到完全一致。等，各电阻阻值的偏差不可能做到完全一致。 从输入数字信号起，到输出电压或电流达到稳定从输入数字信号起，到输出电压或电流达到稳定值所需时间称为建立时间。其建立时间主要取决于运值所需时间称为建立时间。其建立时间主要取决于运算放大器到达稳定状态所需时间。对于十位的单片集算放大器到达稳定状

10、态所需时间。对于十位的单片集成成DA转换器的转换时间一般不超过转换器的转换时间一般不超过1 s。 除以上参数外除以上参数外DA转换器还有功率消耗，温度系数转换器还有功率消耗，温度系数等技术指标。等技术指标。 DAC0832是分辨率为是分辨率为8位的数模转换器，它采用位的数模转换器，它采用20脚双列直插式封装结构，脚双列直插式封装结构，管脚排列如右图。管脚排列如右图。1234567891020191817161514131211DAC0832CSWR1AGNDDI1DI3DI2DI0DI4DI5DI6DI7UREFRfBDGNDUCCXFERIout2Iout1ILEDAC0832管脚排列图管脚

11、排列图WR1WR2 DAC0832是电流输出型是电流输出型芯片，其输出端要外接运芯片，其输出端要外接运算放大器，以便将输出模算放大器，以便将输出模拟电流转换为模拟电压。拟电流转换为模拟电压。它的电路原理框图如下图它的电路原理框图如下图所示。所示。 AGNDDGNDILE8位输入位输入寄存器寄存器（1）8位输入位输入寄存器寄存器（2）8位位DA转换器转换器111&UCCUREFIout2Iout1RfBCSDI0 DI7RDAC0832原理框图原理框图WR1WR2XFERDAC0832是由是由8位输入寄存器（位输入寄存器（1）、）、8位输入寄存器（位输入寄存器（2）及）及一个一个8位位D