《数字电子技术》课程授课教案（讲义）第7章 DA与AD转换电路

数字电子技术 第7章D/A与A/D转换电路 【本章知识架构】 DA转换器的基 本原理 DIA转换器 进制权电阻网络D/A转换器 DA转换器的构成 倒T型电阻网络D/A转换器 数模与模数转换电路 D/A转换器的主要 权电流型DA转换器 技术指标 集成DIA转换器及 其向用 AD转换器的基 本原理 AD转换器 并行比较型AD转换器 AWD转换器的构成 逐次比较型AWD转换器 数字电压 AWD转换器的主要 双积分型AD转换器 表设计的 技术指标 案例分析 集成AWD转换器 ADC0804及其应用 【本章教学目标与要求】 ·熟悉D/A转换器和A/D转换器的主要技术指标及影响它们的主要因素： ·掌握D/A转换器（二进制权电阻网络、倒T型电阻网络、权电流型）的 电路结构及其工作过程： ·掌握A/D转换器的主要类型（并行比较型、逐次比较型型、双积分型）

数字电子技术 第 7 章 D/A 与 A/D 转换电路 【本章知识架构】 【本章教学目标与要求】 ·熟悉 D/A 转换器和 A/D 转换器的主要技术指标及影响它们的主要因素； ·掌握 D/A 转换器（二进制权电阻网络、倒 T 型电阻网络、权电流型）的 电路结构及其工作过程； ·掌握 A/D 转换器的主要类型（并行比较型、逐次比较型型、双积分型） D/A 转换器的基 本原理 二进制权电阻网络 D/A 转换器 D/A 转换器的构成 数字电压 表设计的 案例分析 集成D/A转换器及 其应用 倒 T 型电阻网络 D/A 转换器 D/A 转换器的主要 权电流型 D/A 转换器 技术指标 A/D 转换器的基 本原理 并行比较型 A/D 转换器 A/D 转换器的构成 集成 A/D 转换器 ADC0804 及其应用 逐次比较型 A/D 转换器 A/D 转换器的主要 双积分型 A/D 转换器 技术指标 A/D 转换器 数 模 与 模 数 转 换 电 路 D/A 转换器

数字电子技术 及其工作过程： ·掌握D/A转换器和AD转换器工作原理、输入与输出关系的定量计算： ·掌握D/A转换器与A/D转换器的使用方法。 7.1D/A与AWD转换电路的基本概念 1.D/A与A/D转换电路的概念与特点 随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通 信及检测领域中，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实 际处理对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计 算机或数字仪表能识别和处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数 字信号：而经计算机分析、处理后输出的数字量往往也需要将其转换成为相 应的模拟信号才能为执行机构所接收。这样，就需要一种能在模拟信号与数 字信号之间起桥梁作用的电路一一模数转换电路和数模转换电路。 能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换 器或ADC):而能把数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器（简称 D/A转换器或DAC),A/D转换器和D/A转换器已经成为计算机系统中不可缺 少的接口电路，是沟通模拟电路和数字电路的桥梁。 7.2DlA转换器 7.2.1D/A转换器的基本原理 数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一 定的权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其权的大小转 换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总 模拟量，从而实现了数字一模拟转换。这就是构成D/A转换器的基本思路。 图7.1所示是D/A转换器的输入、输出关系框图，D6~Da-1是输入的n 位二进制数，。是与输入二进制数成比例的输出电压。 图7.2所示是一个输入为3位二进制数时D/八转换器的转换特性，它具 体而形象地反映了DA转换器的基本功能

数字电子技术 及其工作过程； ·掌握 D/A 转换器和 A/D 转换器工作原理、输入与输出关系的定量计算； ·掌握 D／A 转换器与 A／D 转换器的使用方法。 7.1 D/A 与 A/D 转换电路的基本概念 1.D/A 与 A/D 转换电路的概念与特点 随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通 信及检测领域中，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实 际处理对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计 算机或数字仪表能识别和处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数 字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量往往也需要将其转换成为相 应的模拟信号才能为执行机构所接收。这样，就需要一种能在模拟信号与数 字信号之间起桥梁作用的电路——模数转换电路和数模转换电路。 能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称 A/D 转换 器或 ADC）；而能把数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器（简称 D/A 转换器或 DAC），A/D 转换器和 D/A 转换器已经成为计算机系统中不可缺 少的接口电路，是沟通模拟电路和数字电路的桥梁。 7.2 D/A 转换器 7.2.1 D/A 转换器的基本原理 数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一 定的权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每 1 位的代码按其权的大小转 换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总 模拟量，从而实现了数字—模拟转换。这就是构成 D/A 转换器的基本思路。 图 7.1 所示是 D/A 转换器的输入、输出关系框图，D0～Dn-1 是输入的 n 位二进制数，vo 是与输入二进制数成比例的输出电压。 图 7.2 所示是一个输入为 3 位二进制数时 D/A 转换器的转换特性，它具 体而形象地反映了 D/A 转换器的基本功能

数字电子技术 6 D/A转换器 g 43 输出 000001010011100101110111D 图7.1DA转换器的输入、输出关系框图 图7.23位DA转换器的转换特性 7.2.2 D/A转换器的构成 1.二进制权电阻网络D/A转换器 图7.3二进制权电阻网络D/A转换器 不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就 是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流是不变的。 8R 4R R i=1od。+ld,+I2d2+1d3 +4+景4+贤4 d2+42+42+42四

数字电子技术 0 1 2 3 4 5 6 7 001 010 011 100 101 110 111 D/A转换器 D D D 0 1 n-1 . . . vo 输入 输出 vo/V 000 D 图 7.1 D/A 转换器的输入、输出关系框图 图 7.2 3 位 D/A 转换器的转换特性 7.2.2 D/A 转换器的构成 1. 二进制权电阻网络 D/A 转换器 图 7.3 二进制权电阻网络 D/A 转换器 不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就 是不论输入数字信号是 1 还是 0，各支路的电流是不变的。 R V I R V I R V I R V I REF REF REF REF 0 = 1 = 2 = 3 = 2 4 8 ( 2 2 2 2 ) 2 8 4 2 0 0 1 1 2 2 3 3 3 0 1 2 3 0 0 1 1 2 2 3 3 =  +  +  +  = + + + = + + + d d d d R V d R V d R V d R V d R V i I d I d I d I d REF REF REF REF REF

数字电子技术 业=R=号要d2+42+d2+42刘 2.倒T型电阻网络D/A转换器 0 1 3 R R R 2R5 27 27 2R d 图7.4倒T型电阻网络D/A转换器 ①分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R ②不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也 就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。 从参考电压端输入的电流为：IF= R AR 8R 1o-16AEF-16R i=1od+1d1+12d2+13d =(信4+4+4+4 202+42+d2+429 队，=-R,=-R1=-'(d2+d-2+d-2+d29 24R 3.权电流型D/A转换器 尽管倒T形电阻网络D/A转换器具有较高的转换速度，但由于电路中

数字电子技术 ( 2 2 2 2 ) 2 2 0 0 1 1 2 2 3 o 4 3 = − = −  = − d  + d  + d  + d  V i R u R i REF F F 2. 倒 T 型电阻网络 D/A 转换器 图 7.4 倒 T 型电阻网络 D/A 转换器 ①分别从虚线 A、B、C、D 处向右看的二端网络等效电阻都是 R。 ②不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也 就是不论输入数字信号是 1 还是 0，各支路的电流不变。 从参考电压端输入的电流为： R V I REF REF = R V I I R V I I R V I I R V I I REF REF REF REF REF REF REF REF 16 16 1 8 8 1 4 4 1 2 2 1 1 0 3 2 = = = = = = = = ( 2 2 2 2 ) 2 ) 2 1 4 1 8 1 16 1 ( 0 0 1 1 2 2 3 4 3 0 1 2 3 0 0 1 1 2 2 3 3 =  +  +  +  = + + + = + + + d d d d R V R V d d d d i I d I d I d I d REF REF ( 2 2 2 2 ) 2 0 0 1 1 2 2 3 o 4 3 = − = − = − d  + d  + d  + d  R V R u R i R i REF F F F F 3. 权电流型 D/A 转换器 尽管倒 T 形电阻网络 D/A 转换器具有较高的转换速度，但由于电路中

数字电子技术 存在模拟开关电压降，当流过各支路的电流稍有变化时，就会产生转换误差。 为进一步提高DA转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。 1.原理电路。 这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为2、4、8、16。 (MSB) D So 2 S3 -VREF 图7.5权电流型D1A转换器的原理电路 当输入数字量的某一位代码D,=1时，开关S接运算放大器的反相输入 端，相应的权电流流入求和电路：当D0时，开关S接地。分析该电路可 得出 vo=iΣRy =RD++0+6D =2RD2+D2+D2+D20 RD.2 采用了恒流源电路之后，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压 降的影响，这就降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。 2.采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流D/A转换器 为了消除因各BJT发射极电压WE的不一致性对DA转换器精度的影 响，图中T3~T6均采用了多发射极晶体管，其发射极个数是8、4、2、1， 即T~T发射极面积之比为84：2：1。这样，在各BT电流比值为8：4：21的 情况下，T乃~6的发射极电流密度相等，可使各发射结电压'E相同。由于 T乃~T的基极电压相同，所以它们的发射极s、2、1、c就为等电位点。 在计算各支路电流时将它们等效连接后，可看出倒T形电阻网络与图87 中工作状态完全相同，流入每个2R电阻的电流从高位到低位依次减少1/2， 各支路中电流分配比例满足8：42：1的要求

数字电子技术 存在模拟开关电压降，当流过各支路的电流稍有变化时，就会产生转换误差。 为进一步提高 D/A 转换器的转换精度，可采用权电流型 D/A 转换器。 1．原理电路。 这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为 I/2、I/4、I/8、I/16。 D D D (LSB) (MSB) S S S S 0 0 1 1 2 2 3 3 R + A vo iΣ f I 2 4 I 8 I 16 I VREF D 图 7.5 权电流型 D/A 转换器的原理电路 当输入数字量的某一位代码 Di=1 时，开关 Si 接运算放大器的反相输入 端，相应的权电流流入求和电路；当 Di=0 时，开关 Si 接地。分析该电路可 得出 i i f i f f O f R D I R D D D D I D I D I D I D I R v i R 2 2 ( 2 2 2 2 ) 2 ) 2 4 8 16 ( 3 0 4 0 0 1 1 2 2 3 3 4 3 2 1 0 =   =   +  +  +  = + + + =  =  采用了恒流源电路之后，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压 降的影响，这就降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。 2．采用具有电流负反馈的 BJT 恒流源电路的权电流 D/A 转换器 为了消除因各 BJT 发射极电压 VBE 的不一致性对 D/A 转换器精度的影 响，图中 T3～T0 均采用了多发射极晶体管，其发射极个数是 8、4、2、1， 即 T3～T0 发射极面积之比为 8:4:2:1。这样，在各 BJT 电流比值为 8:4:2:1 的 情况下，T3～T0 的发射极电流密度相等，可使各发射结电压 VBE 相同。由于 T3～T0 的基极电压相同，所以它们的发射极 e3、e2、e1、e0 就为等电位点。 在计算各支路电流时将它们等效连接后，可看出倒 T 形电阻网络与图 8-7 中工作状态完全相同，流入每个 2R 电阻的电流从高位到低位依次减少 1/2， 各支路中电流分配比例满足 8:4:2:1 的要求

数字电子技术 (MSB) D2 I-REF-RI 3 D 图7.6权电流DA转换器的实际电路 基准电流REr产生电路由运算放大器A2、R1、T、R和一VE组成，k 和R、T的中结组成电压并联负反馈电路，以稳定输出电压，即T,的基极 电压。T,的cb结，电阻R到一V压为反馈电路的负载，由于电路处于深度 负反馈，根据虚短的原理，其基准电流为： 由倒T形电阻网络分析可知，E=2,E2=4,但=/8，E0=16,于是 可得输出电压为： Yo=isR _Re(D2+D,-22+D2+D2） 24R. 可推得n位倒T形权电流D/A转换器的输出电压 该电路特点为，基准电流仅与基准电压VREF和电阻R有关，而与BJT、 R、2R电阻无关。这样，电路降低了对BJT参数及R、2R取值的要求，对 于集成化十分有利。 由于在这种权电流D/转换器中采用了高速电子开关，电路还具有较

数字电子技术 D D D D (MSB) (LSB) S S S S 3 3 2 2 1 1 0 0 R + A vo iΣ f + A 1 2 16 I I 2 16 I I 4 I 8 I I REF I I I I I E3 E2 E1 E0 EC B B V R 2R 2R 2R R 2R R R 2R EE 偏置 电流 I=IREF= VREF R1 T T T T T T r 3 2 1 0 c 1 REF R V VR + VR— 图 7.6 权电流 D/A 转换器的实际电路 基准电流 IREF产生电路由运算放大器 A2、R1、Tr、R 和－VEE 组成，A2 和 R1、Tr 的 cb 结组成电压并联负反馈电路，以稳定输出电压，即 Tr 的基极 电压。Tr 的 cb 结，电阻 R 到－VEE 为反馈电路的负载，由于电路处于深度 负 反 馈 ， 根 据 虚 短 的 原 理 ， 其 基 准 电 流 为 ： 3 1 2 E REF REF I R V I = = 由倒 T 形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是 可得输出电压为： ( 2 2 2 2 ) 2 0 0 1 1 2 2 3 3 1 4 =  +  +  +  =  D D D D R R V v i R f REF O f 可推得 n 位倒 T 形权电流 D/A 转换器的输出电压 i n i i n REF f O D R R V v 2 2 1 0 1 =    − = 该电路特点为，基准电流仅与基准电压 VREF和电阻 R1 有关，而与 BJT、 R、2R 电阻无关。这样，电路降低了对 BJT 参数及 R、2R 取值的要求，对 于集成化十分有利。 由于在这种权电流 D/A 转换器中采用了高速电子开关，电路还具有较

数字电子技术 高的转换速度。采用这种权电流型D/A转换电路生产的单片集成D/A转换 器有AD1408、DAC08O6、DAC0808等。这些器件都采用双极型工艺制作， 工作速度较高。 7.2.3D/A转换器的主要技术指标 1.转换精度 DA转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。 (1)分辨率一一D1A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。 输入数字量位数越多，输出电压可分离的等级越多，即分辨率越高。在 实际应用中，往往用输入数字量的位数表示DA转换器的分辨率。此外， D/A转换器也可以用能分辨的最小输出电压（此时输入的数字代码只有最低 有效位为1，其余各位都是0)与最大输出电压（此时输入的数字代码各有 效位全为1)之比给出。N位D/A转换器的分辨率可表示 2”一它表示 D/A转换器在理论上可以达到的精度。 (2)转换误差 转换误差的来源很多，转换器中各元件参数值的误差，基准电源不够稳 定和运算放大器的零漂的影响等。 D/A转换器的绝对误差（或绝对精度）是指输入端加入最大数字量（全 1)时，D/A转换器的理论值与实际值之差。该误差值应低于LSB/2。 例如，一个8位的D/A转换器，对应最大数字量(FFH)的模拟理论输 出值为esB品 ,所以实际值不应超过（石士52。 2.转换速度 (1)建立时间(1)一一指输入数字量变化时，输出电压变化到相应 稳定电压值所需时间。一般用D/A转换器输入的数字量NB从全0变为全】 时，输出电压达到规定的误差范围（±LSB2)时所需时间表示。DA转换 器的建立时间较快，单片集成D/A转换器建立时间最短可达O.1μS以内。 (2)转换速率(SR)一一大信号工作状态下模拟电压的变化率。 3.温度系数 指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般 用满刻度输出条件下温度每升高1℃，输出电压变化的百分数作为温度系 数

数字电子技术 高的转换速度。采用这种权电流型 D/A 转换电路生产的单片集成 D/A 转换 器有 AD1408、DAC0806、DAC0808 等。这些器件都采用双极型工艺制作， 工作速度较高。 7.2.3 D/A 转换器的主要技术指标 1. 转换精度 D/A 转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。 （1）分辨率——D/A 转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。 输入数字量位数越多，输出电压可分离的等级越多，即分辨率越高。在 实际应用中，往往用输入数字量的位数表示 D/A 转换器的分辨率。此外， D/A 转换器也可以用能分辨的最小输出电压（此时输入的数字代码只有最低 有效位为 1，其余各位都是 0）与最大输出电压（此时输入的数字代码各有 效位全为 1）之比给出。N 位 D/A 转换器的分辨率可表示为 2 1 1 − n 。它表示 D/A 转换器在理论上可以达到的精度。 （2）转换误差 转换误差的来源很多，转换器中各元件参数值的误差，基准电源不够稳 定和运算放大器的零漂 的影响等。 D/A 转换器的绝对误差（或绝对精度）是指输入端加入最大数字量（全 1）时，D/A 转换器的理论值与实际值之差。该误差值应低于 LSB/2。 例如，一个 8 位的 D/A 转换器，对应最大数字量（FFH）的模拟理论输 出值为 REF 256 255 V , LSB 2 1 = REF 512 1 V 所以实际值不应超过 REF ) 512 1 256 255 (  V 。 2. 转换速度 （1）建立时间（tset）——指输入数字量变化时，输出电压变化到相应 稳定电压值所需时间。一般用 D/A 转换器输入的数字量 NB 从全 0 变为全 1 时，输出电压达到规定的误差范围（±LSB/2）时所需时间表示。D/A 转换 器的建立时间较快，单片集成 D/A 转换器建立时间最短可达 0.1μS 以内。 （2）转换速率（SR）——大信号工作状态下模拟电压的变化率。 3. 温度系数 指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般 用满刻度输出条件下温度每升高 1℃，输出电压变化的百分数作为温度系 数

数字电子技术 7.2.4集成D/A转换器及其应用 图7.7是权电流型DA转换器DAC08O8的电路结构框图，图中D~ D,是8位数字量输入端，6是求和电流的输出端。 LSB) (MSB) 0D12D3D45D6D7 模拟开关 I 倒T形电阻网络 偏置电路 GND +14 电源 1 -COMP 图7.7权电流型DA转换器DACO808的电路结构框图 和延-接基准电流发生电路中运算放大器的反相输入端和同相输入端。 COMP供外接补偿电容之用。VCC和VEE为正负电源输入端。 用DAC08O8这类器件构成的D/A转换器时需要外接运算放大器和产生 基准电流用的电阻R,如图8-11所示。 在VRE=10V、R1=5kQ、R=5Q的情况下，可知输出电压为 wgn2 当输入的数字量在全0和全1之间变化时，输出模拟电压的变化范围为 0~9.96V

数字电子技术 7.2.4 集成 D/A 转换器及其应用 图 7.7 是权电流型 D/A 转换器 DAC0808 的电路结构框图，图中 D0～ D7 是 8 位数字量输入端，IO 是求和电流的输出端。 A 基准 电流源 倒T形电阻网络 模拟开关 偏置电路 T D 7 D0 1 D3 D4 D 6 D 7 5 9 12 D 2 5 6 8 11 D 10 4 2 3 14 15 13 16 VR— VR+ VEE VCC COMP GND IO （ LSB） （ MSB） 图 7.7 权电流型 D/A 转换器 DAC0808 的电路结构框图 VREF+和 VRE F—接基准电流发生电路中运算放大器的反相输入端和同相输入端。 COMP 供外接补偿电容之用。VCC 和 VEE 为正负电源输入端。 用 DAC0808 这类器件构成的 D/A 转换器时需要外接运算放大器和产生 基准电流用的电阻 R1，如图 8-11 所示。 在 VREF=10V、R1=5kΩ、Rf=5kΩ的情况下，可知输出电压为   = = =  =  7 0 8 7 0 1 8 2 2 10 2 2 i i i i i i f REF O D D R R V v 当输入的数字量在全 0 和全 1 之间变化时，输出模拟电压的变化范围为 0～9.96V

数字电子技术 c-+5V 13 (LSB)Do- D16 155k D_ D38 D DAC0808 D510 D61 模拟量输出 (MSB)D7 16 数字量输入 =0.01F E=15V 图7.8DAC0808D/A转换器的典型应用 7.3AWD转换器 8.3.1A/D转换器的基本原理 四个步骤：采样、保持、量化、编码。 模拟电子开关S在采样脉冲CP的控制下重复接通、断开的过程。S接 通时，)对C充电，为采样过程：S断开时，C上的电压保持不变，为保 持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组 位的二进制数输出

数字电子技术 5 6 7 8 9 10 11 12 D D D D D D D D 0 1 2 3 4 5 6 7 vO + 5kΩ 5kΩ 5kΩ VREF 0.01μF 13 VCC=+5V VEE=-15V A 数字量输入 模拟量输出 DAC0808 （ LSB） （ MSB） 14 15 2 4 16 3 Rf R1 图 7.8 DAC0808 D/A 转换器的典型应用 7.3 A/D 转换器 8.3.1 A/D 转换器的基本原理 四个步骤：采样、保持、量化、编码。 模拟电子开关 S 在采样脉冲 CPS 的控制下重复接通、断开的过程。S 接 通时，ui(t)对 C 充电，为采样过程；S 断开时，C 上的电压保持不变，为保 持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组 n 位的二进制数输出

数字电子技术 u(1) ADC的数字 数字量输出 0S0 化编码电路 (n位) ADC 输入模拟电压深甜群保特电路！果样宽信号 图7.9模拟量到数字量的转换过程 1.取样定理 将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。 取样器 s(0 ( ·1输入模拟信号 s(t) 1取样脉冲 一1取样信号 图7.10对输入模拟信号的采样 取样定理：设取样脉冲s(t)的频率为5，输入模拟信号x(t)的最高频 率分量的频率为max,必须满足§≥2fmax,y(t)才可以正确的反映输入 信号（从而能不失真地恢复原模拟信号）。 通常取5=(2.5~3)max

数字电子技术 图 7.9 模拟量到数字量的转换过程 1. 取样定理 将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。 图 7.10 对输入模拟信号的采样 取样定理：设取样脉冲 s(t)的频率为 fS，输入模拟信号 x(t)的最高频 率分量的频率为 fmax，必须满足 fs ≥ 2fmax, y(t)才可以正确的反映输入 信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。 通常取 fs ＝（2.5～3）fmax