第七章 D/A转换器和A/D转换器A/D转换器和D/A转换器是反馈控制系统中，不可缺少的集成电路器件，它在系统中起着“数字至模拟”或“模拟至数字”的桥梁性作用。

本章要求学生理解D/A转换器和A/D转换器的工作原理，掌握他们的主要性能指标和使用方法。

第一节 基本知识、重点与难点一、基本知识（一）D/A转换器和A/D转换器的基本原理D/A转换器和A/D转换器的主要技术参数有转换速度、转换精度、抗干扰能力等。

在选用D/A转换器和A/D转换器时，一般根据这几个性能指标综合考虑。

分辨率和转换误差影响D/A转换器的精度，转换时间影响转换器的转换速度。

A/D转换器是将模拟量转换成数字量，转换过程包括采样、保持、量化和编码4个步骤。

D/A转换器是将数字量转换成模拟量，它通过电阻网络、模拟开关和运算放大器将数字量转换成电流，再用加法器将各有效支路电流相加并转换成电压。

（二）D/A转换器1．权电阻网络权电阻网络由一组电阻组成，其中每个权电阻的阻值与该电阻所对应的权位成反比。

使流过每个接到基准电源U REF上电阻的电流和对应的权值成正比。

权电阻网络D/A转换器的优点是电路结构简单，所用元器件数量较少。

但当二进制数位较多时，权电阻值种类多，且阻值分散，使得转换精度较低。

2．R-2R网络R-2R网络D/A转换器中各支路的电流直接流入运算放大器的反相端，它们之间不存在传输误差，因而提高了转换速度，减小了动态过程中在输出端可能出现的尖峰脉冲。

由于只采用了R和2R两种阻值，因此能比较容易保证电阻网络的精度，也容易集成化。

3．集成D/A转换器目前市场集成D/A转换器的芯片种类较多，可根据电路系统要求的技术参数，参考数据手册，综合考虑选用集成D/A转换器。

（三）A/D转换器1．并行比较型A/D转换器并行比较型A/D转换器是高速A/D转换器，其转换不需要反复，在所有种类A/D转换器中转换速度最快。

然而这种A/D转换器的缺点是分辨率低，比较器的数量也随着数字量的增加而增加。

因此，并行比较型A/D转换器一般用在转换速度快而精度要求不高的场合。

2．串行比较型A/D转换器串行比较型A/D转换将模拟信号依时间顺序通过一连串的比较器，后面比较器的输入信号反映了前面比较器的剩余。

由于后一位的比较需要使用前一位的结果，所以这种转换器的转换速率不可能做得很高。

但相同分辨率的A/D转换器，串行比较法较并行比较法少用了大量的比较器。

3．逐次比较型A/D转换器逐次比较型A/D转换器首先从高位进行比较，直到最低位。

进行转换的至少需要几个周期，数字量的位数越多，转换的时间越长。

其转换速度较并行比较型A/D转换器低，属于中型A/D转换器。

逐次比较型A/D转换器只采用了一个比较器，当位数较多时，具有很明显的价值，因而是目前应用较多的一种A/D转换器。

它的主要特点是电路简单，速度、精度都较高。

4．双积分型A/D转换器双积分型A/D转换器就是先把电压转换成中间量—时间，再将时间转换为数字，这种转换方法属于间接转换。

由于采用了以输入信号为被积函数进行积分的方式，积分电路响应是输入信号的平均值，所以它具有较强的抗脉冲干扰能力。

另外，在两次积分内，只要RC元件参数不发生瞬时改变，转换结果就与RC值无关，因此它对元件的稳定性要求不高。

但也正是由于积分，转换时间相对就要长些，而且第二次积分时间还不能固定，故此方法只能用于低速场合。

5．集成A/D转换器及其应用根据A/D转换器在系统中的作用以及与系统中其他电路的关系，可依据转换速率、精度和功能来选用合适的A/D转换器，这样可以减少电路连接中的辅助环节，还可以避免出现一些不易发现的逻辑与时序错误。

二、重点与难点重点：1．理解A/D转换器和D/A转换器的主要技术指标；2．熟练掌握各种A/D转换器和D/A转换器工作原理；3．集成A/D转换器和集成D/A转换器的应用。

难点：1．A/D转换器和D/A转换器的主要技术指标；2．集成A/D转换器、集成D/A转换器和中规模组合、时序电路的综合应用。

三、考核题型与考核重点1．概念与简答题型为填空、判断和选择；分配的分数为2～4分。

2．综合与设计题型1为A/D转换器和D/A转换器工作原理分析题型；题型2为集成A/D转换器、集成D/A转换器和中规模组合、时序电路的综合分析、设计应用题型。

分配的分数为8～16分。

第二节典型题解例题7.1 某一D/A转换器电路如例题7.1图（a）所示，图中74290输出端Q i=1时，相应的模拟开关S i在位置1；Q i=0时，相应的模拟开关S i在位置0。

请解答如下问题。

（1） 该电路是哪一种D/A 转换器？ （2） 求u O 与数字量Q 3Q 2Q 1Q 0之间的关系式。

（3） 若U REF =1V ，求Q 3Q 2Q 1Q 0=0001和0101时的u O 值。

（4） 画出计数器输入连续计数脉冲CP 时的u O 波形，设计数器的初态为0。

解：（1）观察例题7.1图（a ），74290计数器是按8421BCD 码计数的方式连接，所以计数状态是10个，从0000～1001。

而图的右半部分是一个权电组D/A 转换器。

（2）u O =-U REF （23Q 3+22Q 2+21Q 1+20Q 0）（3）当U REF =1V ，Q 3Q 2Q 1Q 0=0001时，u O =-1V ；Q 3Q 2Q 1Q 0=0101时，u O =-5V 。

（4）输入连续计数脉冲CP 时，u O 为一阶梯波形，其波形如例题7.1图（b ）所示。

（a ）O（b ）CPO tu O Ot-8V -6V -4V -2V例题7.1图例题7.2 例题7.2图（a ）所示电路是10位D/A 转换器CB7520和4位右移移位寄存器74195组成的波形发生器电路。

已知CB7520的U REF =-10V ，试画出输出电压u O 的波形，并标出波形图上各点电压的幅度。

解：4位右移移位寄存器74195工作在扭循环状态，共有8个状态，在时钟信号CP 连续作用下，Q 3Q 2Q 1Q 0依此以此状态为0000、0001、0011、0111、1111、1110、1100、1000、0000…不断循环。

因此D 9D 8D 7D 6也按此8个状态不断循环。

D 9、D 8、D 7、D 6为1时在输出图（b ）所示。

u O例题7.3 例题7.3图所示电路是一种A/D转换器简略框图，且串行输出数字信号，试分析其工作原理，并说明该A/D转换器的优缺点。

u ICPCP例题7.3图解：(1) 例题7.3图虚线框中所示电路在转换开始之前，u C为低电平0，计数器无CP A/D 脉冲，不计数，计数器的初始状态为0，DAC的输出电压u O=0V，最右侧的并行数字输出也为0。

当u C为高电平1时，如果模拟输入电压u I＞0V，则u B为高电平1，与门开启，计数器开始计数，DAC的输出电压开始升高；只要u O＜u I，此计数过程就一直继续下去，直到u O≥u I，u B=0，与门关闭，计数器停止计数。

此时的并行数字输出即为A/D转换的结果。

(2) 74161的输出端接到或非门的输入端，或非门的输出信号控制A/D转换器是否转换。

当74161的输出全为低电平时，或非门的输出为高电平，使u C为高电平，控制A/D转换器开始工作，并使输出寄存器禁止输出。

当74161的输出不全为低电平时，或非门的输出为低电平，使u C为低电平，控制A/D转换器不能转换，并使输出寄存器使能。

此时数据选择器将输入端的数据串行送到输出。

(3) 要求A/D转换器的转换时间要快，即并转串电路脉冲CP使74161的输出为0000时，使u C为高电平，A/D转换器输入脉冲频率CP A/D就得使转换完毕。

因此A/D转换器输入脉冲频率CP A/D大于或远大于并转串电路的频率CP。

(4) 当转换一个模拟量时，最低位地址0000时的数据移到串行数据输出的最后一位，即输出的顺序是1、2、…最高位、0。

(5) 此电路的优点是构思简单，缺点是速度较慢。

例题7.4 试将一个0V～5V的模拟电压信号转换成8位数字信号，并将其先低位后高位串行输出。

若先高位后低位串行输出，如何修改电路？若将8位数字输出修改为10位数字输出，如何修改电路？S例题7.4图解：0V～5V的模拟电压转换成8位数字信号电路图如例题7.4图所示。

电路构成如下：（1） 用8位ADC芯片ADC0809将模拟电压转换成8位数字信号。

1）ADC0809的电源电压U DD、参考电压U REF（+）和OE端（允许输出）都接+5V，而U REF（-）、GND接地。

2）模拟输入信号接ADC0809的8个输入端IN7～IN0中的任一通道。

如IN0，并设定相应的通道地址ABC=000。

3）A/D转换时钟CP A/D（1MHz）接ADC0809的CLK端，A/D转换启动信号START和通道地址锁存信号ALE并接，用计数芯片74161的低3位Q2Q1Q0控制，当计数到000时或非门输出高电平，A/D变换开始，约10us转换结束，转换结果由D7～D0端并行输出。

（2）用8选1数据选择器将ADC0809并行送出的数字信号变为串行输出。

1）选用8选1数据选择器74151，ADC0809的D0～D7端分别接74151的0～7端，以便先低位后高位顺序输出。

2）74151的地址信号A2A1A0用74161的低3位Q2Q1Q0控制，随着脉冲CP的不断输入，74151将依此送出ADC0809输出的数字信号。

（3）将输出转换为串行脉冲码。

ADC0809从START的正边沿（CP的正边沿）开始转换，10us内转换结束。

74151也从START的正边沿开始选择输出，所以为防止10us转换期间内码位交错，将输出转换为脉冲码输出。

用74151的输出Y同CP（即CP的后半周期）经过与非门获得脉冲码输出S。

（4）若先高位后低位串行输出，将ADC0809的D0～D7端接到的74151的0～7端改为ADC0809的D7～D0端分别接到74151的0～7端即可。

（5） 若将8为数字输出修改为10位数字输出，可做如下修改：1）可将74161换为74290。

74290接成8421BCD码输出，且4个输出接到4输入或非门的4个输入端。

2）将8位ADC0809换成10位ADC电路。

3）将8选1数据选择器换成16选1数据选择器，其地址信号A3A2A1A0用74290的4位输出来控制。

第三节题解自我检测题解题7.1答：在D/A转换中，量化单位是指输入数字的一个最低有效位（Least Significant Bit，LSB）所对应的模拟量。

题7.2答：双积分式A/D转换器对RC元件的稳定性要求不高。

题7.3答：由于 A ，所以数字系统的精度较高。