第9章D/A转换器和A/D转换器内容提要：本章介绍D/A、A/D转换器的概念、基本工作原理和集成D/A、A/D转换器的应用。
9.1 概述导读:在这一节中，你将学习：⏹D/A、A/D转换器的概念⏹D/A、A/D转换器的实际举例1．D/A、A/D转换器的概念能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。
ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。
2．D/A、A/D转换器的实际举例ADC和DAC是数字系统中不可缺少的一个部分，在实际中应用非常广泛，下面举两个实际应用的例子：如图9-1为一个锅炉加热信号采集和控制系统，ADC将温度传感器送来的锅炉温度信号转换为数字信号送给数字控制计算机，而DAC则将数字控制计算机发出的控制信号转换成模拟信号送往执行机构来控制锅炉的加热工作。
图9-1 锅炉加热信号采集和控制系统图9-2所示为一个CD播放机的方框图。
激光头将CD上的数字信号读取并通过放大器进行放大，经数字信号处理器后形成二进制代码并送入DAC中，经DAC转换成的模拟电信号，分别经左、右声道放大器放大后输出。
图9-2 CD播放机框图自测练习1．将数字量转换成模拟量的电路称为（），简称（）。
2．将模拟量转换成数字量的电路称为（），简称（）。
3．传感器传送过来的信号要经过（）转换为数字信号才能被数字系统所识别，数字系统发出的信号要经过（）转换为模拟信号才能被执行机构所识别。
9.2 D/A转换器导读:在这一节中，你将学习：⏹D/A转换器的电路结构框图⏹二进制权电阻网络D/A转换器⏹倒T型电阻网络D/A转换器⏹D/A转换器的模拟输出与数字输入之间的关系⏹D/A转换器的3个主要技术参数⏹集成ADC0832及其应用239.2.1 D/A 转换器的电路结构1.D/A 转换器的基本原理和转换特性首先介绍D/A 转换器的基本原理和转换特性：基本原理：将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。
转换特性：D/A 转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。
图9-3所示是输入为3位二进制数时的D/A 转换器的转换特性。
理想的D/A 转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。
即：输出模拟电压 v o =K v ×D 或输出模拟电流i o =K i ×D 。
其中K v 或K i 为电压或电流转换比例系数，D 为输入二进制数所代表的十进制数。
如果输入为n 位二进制数d n -1d n -2…d 1d 0，则输出模拟电压为：)2222(00112211o ⋅+⋅++⋅+⋅=----d d d d K v n n n n v (9-2-1)图9-3 输入为3位二进制数时的D/A 转换器的转换特性2．D/A 转换器的电路结构框图n 位D/A 转换器的电路结构框图如图9-4所示。
图9-4 n 位D/A 转换器的结构框图4D/A 转换器由数码寄存器、模拟电子开关、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。
数字量以串行或并行方式输入并存储于数码寄存器中，寄存器输出的每位数码驱动对应的数位上的电子开关将在电阻解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路。
求和电路将各位权值相加便得到与数字量对应的模拟量。
目前常见的D/A 转换器有二进制权电阻网络D/A 转换器、倒T 型电阻网络D/A 转换器、权电流型D/A 转换器、权电容网络D/A 转换器、以及开关树型D/A 转换器等几种类型。
本书仅介绍权电阻网络D/A 转换器和倒T 型电阻网络D/A 转换器。
9.2.2 二进制权电阻网络D/A 转换器1．电路结构 二进制权电阻网络D/A 转换器如图9-5所示。
集成运放反相输入端为“虚地”，每个开关可以切换到两个不同的位置，切换到哪个位置由相应位数字量控制。
当数字量为“1”时，开关接集成运放反向输入端，有支路电流I i 流向求和放大电路；当数字量为“0”时，开关接地, 支路电流I i 为零。
图9-5二进制权电阻网络D/A 转换器2．权电阻网络D/A 转换电路的工作原理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。
RVI R V I R V I R V I REF REF REF REF ====3210 2 4 8)2222(224800112233332103210D D D D RV D RVD R V D R V D R V I I I I i REF REF REF REF REF ⋅+⋅+⋅+⋅=+++=+++=∑ （9-2-2）设R F ＝R/2，由式（9-2-2）可得5)2222(22001122334o D D D D V i R i R v REF F F ⋅+⋅+⋅+⋅-=⋅-=-=∑（9-2-3） 由式（9-2-3）可得输出的模拟电压正比于输入的二进制数，故实现了数字量与模拟量的转换。
且当输入的数字量为n 位时，输出电压的最大变化范围是0～REF nn V 212--。
这种类型的D/A 转换器有一个缺点，就是各个电阻的阻值相差较大，尤其在输入信号的位数比较多时，这个问题更加突出。
如：一个8位转换器需要8个电阻，阻值范围从R 到128R 递增变化。
而且要保证每个电阻都有很高的精度，以便精确地转换输入。
这使得这种类型的D/A 转换器难以大量生产。
例9-1 4位二进制权电阻网络DAC 如图9-5所示，设基准电压V REF =-8V ，R F = R/2，试求输入二进制数D 3D 2D 1D 0=1001时的输出电压值。
解：将D 3D 2D 1D 0=1101代入式（9-2-3）得VVD D D D V v REF 5.4)12020212(28)2222(201234001122334o =⋅+⋅+⋅+⋅--=⋅+⋅+⋅+⋅-= 例9-2 接例9-1，求出输入二进制数D 3D 2D 1D 0为0000～1111时的输出电压值，并绘制出输出与输入之间的关系曲线。
解：输入二进制数D 3D 2D 1D 0为0000～1111时的输出电压值见表9-1，其输出与输入之间的关系曲线如图9-6所示。
表9-1 例9-2图9-6 例9-2图9.2.3 倒T型电阻网络D/A转换器R－2R倒T形电阻网络D/A转换器如图9-7所示。
由图可知，电阻网络中只有R和2R两种阻值的电阻，这就给集成电路的设计和制作带来了很大的方便。
当数字量为“1”时，开关接集成运放反向输入端，有支路电流I i流向求和放大电路；当数字量为“0”时，开关接地, 支路电流I i为零。
图9-7 R－2R倒T形电阻网络D/A转换器R－2R倒T形电阻网络的特点为：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67数字信号是1还是0，各支路的电流不变。
由图9-7可知，从参考电压端输入的电流为：RV I REFREF =R V I I R V I I RV I I R V I I REF REF REF REF REF REF REF REF 16161881441 2210123========求和运算放大器的输出电压为)2222(2001122334o D D D D RR V i R i R v F REF F F F ⋅+⋅+⋅+⋅-=-=-=（9-2-4）当R F ＝R 时，)2222(2001122334o D D D D V v REF ⋅+⋅+⋅+⋅-= （9-2-5）上式说明，输出的模拟电压正比于输入的二进制数，故实现了数字量与模拟量的转换。
而且式（9-2-5）和（9-2-3）具有相同的形式。
例9-3 4位R －2R 倒T 形电阻网络DAC 如图9-7所示，设基准电压V REF =-8V ，R F = R ，试求其最大输出电压值。
解：将D 3D 2D 1D 0=1111代入式（9-2-5）得VVD D D D V v REF 5.7)12121212(28)2222(201234001122334o =⋅+⋅+⋅+⋅--=⋅+⋅+⋅+⋅-= 故其最大输出电压值为7.5V 。
9.2.4 D/A 转换器的主要技术参数1．分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示。
在分辨率为n 位的D/A 转换器中，输出电压能区分2n 个不同的输入二进制代码状态，能给出2n 个不同等级的输出模拟电压。
8分辨率也可以用D/A 转换器的最小输出电压V LSB （输入数字只有最低位为1）与最大输出电压V FSR （输入数字全为1）的比值来表示。
如：10位D/A 转换器的分辨率为：001.01023112110≈=-=FSR LSB V V 。
位数n 越大，其输出模拟电压的取值个数越多（2n 个）或取值间隔（2n －1个）越多，则D/A 转换器输出模拟电压的变化量越小，就越能反映出输出电压的细微变化。
2．转换精度D/A 转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。
通常要求D/A 转换器的误差小于V LSB /2。
3．转换时间（输出建立时间）从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为转换时间（或输出建立时间）。
9.2.5 集成D/A 转换器及应用举例市场上的单片集成D/A 转换器有很多种，DAC0832是采用CMOS 工艺制成的单片电流输出型8位数 / 模转换器。
DAC0832的逻辑符号和引脚图如图9-8所示。
DAC0832的引脚功能说明如下：ILE ： 输入锁存允许信号， 输入高电平有效。
CS ：片选信号，输入低电平有效。
1WR ：输入数据选通信号，输入低电平有效。
2WR ：数据传送选通信号，输入低电平有效。
XFER ：数据传送选通信号，输入低电平有效。
D 7~D 0：8位输入数据信号。
V REF ：参考电压输入。
一般此端外接一个精确、稳定的电压基准源。
V REF 可在-10V 至+10V 范围内选择。
R fb ：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。
I OUT1：DAC 输出电流1。
此输出信号一般作为运算放大器的一个差分输入信号。
当DAC 寄存器中的各位为1时，电流最大；为全0时，电流为0。
I OUT1：DAC 输出电流2。
它作为运算放大器的另一个差分输入信号（一般接地）。
I OUT1和I OUT2满足如下关系： I OUT1+I OUT2=常数。
V CC ：电源输入端（+5 ~ +15V ，一般取+5V ）。
