模数（A/D）和数模（D/A）转换
11.1 模数转换和数模转换概述
11.1.1 一个典型的计算机自动控制系统
一个包含A/D和D/A转换器的计算机闭环自动控制系统如图11.1所示。
图11.1 典型的计算机自动控制系统
在图11.1中，A/D转换器和D/A转换器是模拟量输入和模拟量输出通路中的核心部件。在实际控制系统中，各种非电物理量需要由各种传感器把它们转换成模拟电流或电压信号后，才能加到A/D转换器转换成数字量。
一般来说，传感器的输出信号只有微伏或毫伏级，需要采用高输入阻抗的运算放大器将这些微弱的信号放大到一定的幅度，有时候还要进行信号滤波，去掉各种干扰和噪声，保留所需要的有用信号。送入A/D转换器的信号大小与A/D转换器的输入范围不一致时，还需进行信号预处理。
在计算机控制系统中，若测量的模拟信号有几路或几十路，考虑到控制系统的成本，可采用多路开关对被测信号进行切换，使各种信号共用一个A/D转换器。多路切换的方法有两种：一种是外加多路模拟开关，如多路输入一路输出的多路开关有：AD7501，AD7503，CD4097，CD4052等。另一种是选用内部带多路转换开关的A/D转换器，如ADC0809等。
若模拟信号变化较快，为了保证模数转换的正确性，还需要使用采样保持器。
在输出通道，对那些需要用模拟信号驱动的执行机构，由计算机将经过运算决策后确定的控制量（数字量）送D/A转换器，转换成模拟量以驱动执行机构动作，完成控制过程。
控制对象传感器传感器放大滤波放大滤波多路开关采样保持A/D转换计算机I/O
S/HMUXMUXD/A转换接口多路开关执行部件I/O
接口μV，mV几伏模数拟字模拟数字
287 第11章 模数（A/D）和数模（D/A）转换
11.1.2 模/数转换器（ADC）的主要性能参数
1. 分辨率
它表明A/D对模拟信号的分辨能力，由它确定能被A/D辨别的最小模拟量变化。一般来说，A/D转换器的位数越多，其分辨率则越高。实际的A/D转换器，通常为8，10，12，16位等。
复习思考题
第 章 模/数和数/模转换
1. 为什么要把A/D，D/A转换器与微机的接口作为专门问题来研究？它与前面所讲的并行接口有何异同点？
2. 在A/D、D/A转换器指标中，精度与分辨率有什么区别？
3. D/A转换器与微处理机接口中，最关键的问题是什么？应如何解决？
4. 参照教材中的锯齿波发生器例，自行设计一个三角波发生器，用8086汇编写出程序(地址自定)。如果要产生正弦波信号，在软件设计思想上有什么变化？
5. 电流输出型与电压输出型D/A转换器有什么不同？
6. 在D/A转换器输出端为什么总是要加平滑电路？试看为一个输出最高频率为3000Hz的转换器设计一个简单的平滑电路。
7. A/D转换器为什么先要对模拟信号采样？采取频率是如何确定的？如一个信号的最高频率为5KHz，采样频率应为多少？
8. ADC0808与AD574A都是A/D转换器，试比较它们的异同点。
9. A/D转换器与CPU相连时，关键问题是什么？如何保证CPU与A/D转换芯片的时间关系能实现正确的配合？
10. 有一个温度检测系统，在炉窖中设置了八个温度传感器。假设它们的温度变化范围为800℃～2800℃。请问：
(1)如用ADC0808进行转换，分辨率可达多少？
(2)如果觉得一片ADC0808的分辨率不够，用两片同时工作是否使分辨率提高，误差小？为什么？
(3)如果使温度检测的误差不超过1℃，应选用多少位的A/D转换芯片？
(4)如果选用16位的A/D转换芯片，测量误差可以减小到什么程度？
11. 根据教材上所画的AD574A与8086CPU连接的情况，请你：
(1)说明它占用地址的情况及每个控制信号所起的作用。
(2)用8086汇编语言设计程序，使从转换芯片中读入100组数据(每组数据12位)，并把它们存放在一个叫Buffer的缓冲区内。
(3)如果使用STS信号对CPU作中断控制，请修改硬件和软件设计。
第11章数模与模数转换——讲义
第一篇：第11章 数模与模数转换——讲义
第11章
数-模和模-数转换
【学时分配】
2学时，周二1~2节。
【教学目的与基本要求】
1、熟练掌握A/D与D/A转换的电路结构和工作原理。主要是倒梯形电阻网络、逐次逼近型、双积分A/D转换的工作特点及适用场合。
2、正确理解D/A转换器的主要参数和衡量它们的技术指标。
【教学重点与教学难点】
教学重点：
1、各种D/A转换器的电路结构特点和工作原理；
2、掌握D/A转换器的参数计算和主要性能指标。
3、各种A/D转换器的电路结构特点和工作原理；
4、掌握A/D转换器的参数计算和主要性能指标。教学难点：
权电阻型D/A转换器、倒T型D/A转换器的电路结构与工作原理
【教学内容与时间安排】
一、数/模（D/A）和模/数(A/D)转换的概述（约0.4学时）
1、数/模和模/数转换的定义
2、ADC和DAC的两个性能指标
转换速度和转换精度是衡量A/D转换器和D/A转换器性能优劣的主要标志。
3、ADC和DAC的常见类型
常见的D/A转换器有权电阻网络D/A转换器，倒梯形电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换器、权电容网络D/A转换器以及开关树形D/A转换器等几种类型。
常见的A/D转换器可以分为直接A/D转换器和间接A/D转换器，在直接A/D转换器中，输入的模拟电压信号直接被转换成相应的数字信号，而在间接A/D转换器中，输入的模拟信号首先被转换成某种中间变量，然后再将这个中间变量转换为输出的数字信号。
二、D/A转换器（约0.8学时）
1、权电阻网络D/A转换器
a.电路结构：由数码锁存器、电子开关、权电阻网络及求和电路构成 b.原理：
c.电路输出V0与数字输入成比例关系
d.电路特点：结构比较简单，所用的器件少，缺点是所用的各个电阻组织相差较
大，尤其在输入信号位数较多时，问题更为突出，难以保证每个电阻具有很高的精度，不利于制作集成电路。
复习思考题
8-1 常见的D/A转换器的电路结构有哪些类型？它们各有什么特点？
答：目前常用的有权电阻网络D/A转换器、倒T形电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换器和权电容网络D/A转换器等。权电阻网络D/A转换器结构简单，所用的元件数较少，但电阻阻值相差太大，精度不够高。倒T形电阻网络D/A转换器克服了阻值相差太大的缺点，但模拟开关存在导通电阻，容易引起误差。权电流型D/A转换器采用恒流源电路，不受模拟开关导通电阻的影响，但是电路较为复杂。
8-2 D/A转换器的输出量是与输入量一定相等吗？
答：一般情况下是不相等的，因为在转换的时候存在这样或那样的误差。
8-3 权电阻网络D/A转换器中的电阻值有什么关系？
答：权电阻网络D/A转换器中电阻值的选择应遵循一定原则：流过各电阻支路的电流Ii和对应Di位的权值成正比。例如，对四位权电阻网络D/A转换器来说，数码最高位D3，其权值为23，驱动开关S3连接的电阻R3=23-3=20R；最低位D0对应的驱动开关为S0，它连接的权电阻为R0=23-0=23R。因此，对于任意位Di，其权值为2i，驱动开关Si，连接的权电阻值为Ri=2n-1-iR，即位权越大,对应的权电阻值就越小。
8-4 影响倒T形电阻网络D/A转换器转换精度的因素有哪些？
答：首先，网络中两种电阻R和2R要保证严格的2倍关系。其次，模拟开关存在导通电阻，为了保证支路的电流大小关系，模拟开关导通电阻也要按照相应的2的整数倍关系递增或递减。在实际生产过程中，模拟开关导通电阻很难做到这一点。
8-5 D/A转换器的分辨率与A/D转换器的分辨率有何区别?
答：D/A转换器分辨率：表示D/A转换器对输入微小量变化的感应程度，是理论上可以达到的精度。其定义是指输入数字量最低有效位为1时，对应输出可分辨的电压变化量ΔU与最大输出电压Um之比。A/D转换器分辨率：表示A/D转换器在理论上能够达到的精度，以输出二进制(或十进制)数的位数表示，它描述对输入信号的分辨能力。
