在日常生活或生产实践中所接触到的声音、图像、温度、压力、速度、电压和电流等，都是模拟信号。而对这些信号进行测量处理和自动控制的电路一般都是数字电路、计算机。数字电路和计算机只能识别数字信号。所以要经过一定的电路将模拟信号转换成数字信号。这种将模拟信号转换成数字信号的过程称为模数转换（A／D），完成模数转换的电路称为模数转换器（ADC）。
经过数字电路、计算机处理后的数字量再经过一定的电路转换成模拟量以便实现控制或使用，这种将数字信号转换成模拟信号的过程称为数模转换（D／A）。完成数模转换的电路称为数模转换器（DAC）。图１４-１为ADC和DAC的应用框图（A代表模拟量，D代表数字量，C代表转换器）。
本章介绍几种常用的DAC和ADC的基本组成、工作原理和性能指标，并介绍几个数字电路的应用实例。
14-1数模转换器
DAC是将数字量输入转换成模拟量输出的电子线路，它是数字处理系统与模拟系统的接口电路。
１４-１-１权电阻网络DAC
1-电路组成
图１４-２是一个４位权电阻网络DAC。它主要由４个不同系数的电阻构成的权电阻网络、求和运算放大器、电子模拟开关S和基准电压UR的４个部分组成。
2-工作原理
权电阻网络是D／A转换的核心，其中的４个电阻之所以称为权电阻，是因为其阻值是按４位二进制数的位权大小取定的，最低位对应的电阻最大，为２３R，相邻低位减半，最高位对应的电阻值最小，为２０R。各电阻的上端都接在一起，连接到求和运算放大器的反相输入端上，各电阻的下端分别通过一个由电子元件构成的电子开关S，分别连接到１端或０端。开关S受输入数字信号D控制，如最低位数字信号D０＝１时，开关S０合向１端与基准电压UR连接，此时这条支路有电流I０流向A点；如D０＝０时，开关S０合向０端与地连接，此时这条支路没有电流流向A点，因此流向运算放大器A点的总电流可表示为。
由式（１４-１）可知I催正比于输入的二进制数D，故实现了数字量到模拟量的转换。式中二进制数的系数是按二进制权的规律排列的，所以称此电阻网络为权电阻网络。
求和运算放大器的作用是将求和后的电流I催转换成模拟电压输出，其输出电压为。
权电阻网络DAC可以做到n位，且Rf＝R／２，此时对应的输出电压为。
【例14-1】在图１４-２所示权电阻网络DAC中，设UR＝８V，Rf＝R／２，试求：
（１）当输入数字量D３D２D１D０＝０００１时，输出的电压值。
（２）当输入数字量D３D２D１D０＝１０００时，输出的电压值。
（３）当输入数字量D３D２D１D０＝１１１１时，输出的电压值。
解将输入数字量的各位数值代入到式（１４-３）即可求得各输出电压分别为权电阻网络DAC由数字量到模拟量转换的原理是简单易懂的，但因对电阻之间的数值要求相差较大、精度高，不便集成。
１４-１-２R－２R倒T形电阻网络DAC
1-电路组成
图１４-３是一个４位R－２R倒T形电阻网络DAC。它也是由电阻网络、求和运算放大器、电子模拟开关S和基准电压UR的４个部分组成。
2-工作原理
在R－２R倒T形电阻网络中，电阻网络是D／A转换的核心，当输入的数字量任意位，如D０＝１时，开关S０合向１端，将S０所在的２R支路连接到求和运算放大器的反相输入端，即虚地端A点上；当D０＝０时，S０合向０端，将S０所在的２R支路连接到地。由此可见，无论D＝１，还是D＝０，各２R支路上端经S都等效为接地，其等效电路如图１４-４所示。
图１４-４R－２R倒T形电阻网络的等效电路所以无论开关S合向１还是合向０，等效电路结构不变，各支路的电流大小不变。而开关的状态仅仅决定电流是流向运算放大器的虚地端还是流向地端。由图１４-４还可看出，从电路的A０、A１、A２、A３各节点向左侧看去，其对地的等效电阻均为２R，从基准电压源UR对地看进去的总的等效电阻为R，故基准电压UR输出的电流恒为I＝UR／R，并且每经过一个节点，电流就被分为两个部分流出，各为流入电流的１／２。因此从输入数字信号的高位（MSB）D３到低位（LSB）D０，流入４个节点的电流分别被分流为I３＝I／２，I２＝I／２２，I１＝I／２３，I０＝I／２４。
所以，在数字量的控制下流向求和运算放大器反相输入端A点的电流为由式（１４-４）可见，R－２R倒T形电阻网络实现了数字量到模拟量的转换，即D／A转换。
R－２R倒T形电阻网络DAC的电阻网络只有两种阻值，便于集成，而且由于流过各支路的电流恒定不变故在开关状态变化时，不需要电流建立时间，所以转换速度高，是目前应用最多的DAC集成电路，按输入的二进制数的位数分类有８位、１０位、１２位和１６位等。例如DA７５２０，它是一个１０位的数模转换器，内部采用R－２R倒T形电阻网络。但运算放大器是外接的，DA７５２０的外引脚排列及连接电路如图１４-５所示。
图１４-５中的１４脚VDD为电子模拟开关的电源接线端，求和运算放大器的负反馈电阻Rf＝R已集成在芯片内部。
１４-１-３DAC的主要技术指标
1-分辨率
数模转换器的分辨率是指最小输出电压与最大输出电压之比，也是最小输入数字量１与最大输入数字量２n－１之比。分辨率数值越小，分辨能力越高。
2-转换精度
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。这个误差是由于参考电压UR偏离标准值、运算放大器的零点漂移、模拟开关的压降及电阻值的偏差等原因所引起的。
要使DAC的转换精度高，除了DAC的内部质量之外，应选用位数多的DAC，其分辨率也高，还要选用稳定度高的参考电压源和低零漂的运算放大器与之相配合，使用时应查有关手册。
14-2模数转换器
ADC与DAC的作用相反，ADC是将输入的模拟量转换成数字量输出的电子线路，它是模拟系统与数字处理系统的接口电路。ADC的种类很多，现以常用的逐次逼近型ADC为例来说明ADC的基本原理。
１４-２-１电路组成
图１４-６是逐次逼近型ADC的组成框图。它由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器（DAC）和电压比较器４部分组成。
１４-２-２工作原理
ADC的基本原理是：先设定一个数字量DA，并将DA经DAC转换成模拟量UA后，与待转换的模拟量UX比较，如果比较结果UA＝UX，则可确定UX所转换成的数字量为DA。
如果初次比较UAUX，则修改所设定的数字量DA使其接近相等再比较，经多次修改、设定、比较逐次逼近直至UA＝UX或最接近UX为止。这时最后的设定量DA即是模拟量UX转换成对应的数字量DX，确定输出，完成模数转换过程。
图１４-７是４位逐次逼近型ADC的原理图。
顺序脉冲发生器：由５位环形计数器构成，输出５个在时间上有一定先后顺序的CP脉冲，送给逐次逼近寄存器。
逐次逼近寄存器由４个D触发器构成，在顺序脉冲CP１～CP５的推动下，记忆每次由电压比较器比较的结果，并进行修改设定向DAC提供新的二进制输入数码。待转换的模拟电压UX送到电压比较器的同相输入端，比较器的反相输入端为DAC输出的模拟电压UA，将最终比较结果经４个D触发器以数字量的形式输出，从而完成A／D转换。
如设DAC为４位R－２R倒T形，基准电压UR＝－１０V，待转换的模拟电压UX＝６-８８V，工作前各触发器清零。
工作时，首先由顺序脉冲发生器发出脉冲CP１＝１，经非门使D触发器F４直接置１，于是Q４＝１，Q３、Q２、Q１保持０态。这一设定数字量经DAC转换成模拟量UA，由式（１４-５），且Rf＝R，则可算出得UA＝５V，小于UX＝６-８８V，说明该设定量DA＝１０００太小，下次比较时，该位数Q４＝１应保留，同时应将第三位Q３增为１。
接着，由顺序脉冲分配器发出脉冲CP２，它供给F４作为时钟脉冲。由于UAUX，电压比较器输出高电平，使D４＝１，故F４状态不变，Q４仍保留为１。同时，CP２经非门使F３直接置１，故Q４＝１，Q３＝１，Q２＝０，Q１＝０，即DA＝１１００，经数模转换器转换后UA＝７-５V，大于UX＝６-８８V，说明该设定量DA又太大了，下次比较时，Q３＝１，应取消，变为０，同时将Q２由０增至１。
然后，发出CP３作为F３的时钟脉冲，由于UAUX，比较器输出为低电平，D３＝０，使得Q３＝０，同时，CP３经非门又使F２直接置１，故Q４＝１，Q３＝０，Q２＝１，Q１＝０，这时，UA＝６-２５V，小于UX＝６-８８V。
继之，发出CP４，作为F２的时钟脉冲，由于UAUX，比较器输出又是高电平，D２＝１，故Q２＝１保留，同时，CP４又使F１直接置１，故Q４＝１，Q３＝０，Q２＝１，Q１＝１，这时，UA＝６-８７５V，略小于UX。
最后，发出CP５作为F１的时钟脉冲，由于UAUX，D１＝１，Q４＝１，Q３＝０，Q２＝１，Q１＝１不变。误差小于数字量的最低位，所以DA＝１０１１即为由模拟量６-８８V转换而来的数字量DX。
１４-２-３ADC的主要技术指标
1-分辨率
以输出二进制数的位数表示分辨率，位数越多，误差越小，分辨率越高，转换精度也越高。
2-相对精度
相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。在理想的情况下，所有的转换点应当在一条直线上。
3-转换速度
它是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。采用不同的转换电路，其转换速度是不同的。
14-3数字电路应用举例
前几章所介绍的主要是数字电路的一些基本单元和基本元件。随着集成电路的大规模化和微型计算机的发展，数字电路的应用领域也越来越广泛。由于篇幅所限，本节仅简单介绍几个应用实例，目的在于加深对有关部件的了解和对数字系统有个初步的认识。
１４-３-１交通信号灯故障检测电路
交通信号灯在正常情况下：红灯（R）亮为禁止通行；黄灯（Y）亮为清空占道区；绿灯（G）亮为可以通行。正常时只有一个灯亮，否则均为故障现象。
由此式可画出交通信号灯故障检测电路，如图１４-８所示。发生故障时，晶体管导通，继电器KA通电，其触点闭合，故障指示灯H亮。将光电检测元件安装在交通信号灯旁，光电检测元件输出经放大器送到R、Y、G三端，交通信号灯亮则为高电平，不亮则为低电平。
１４-３-２数字万用表
图１４-９是数字万用表的原理框图。测量时，输入直流电压UX经过量程选择电路加到ADC上。将它转换为数字量，然后由译码显示电路显示出测量结果。
１４-３-３数字转速表
图１４-１０是一种转速测量系统的示意图。测量装置为数字转速表，它由光电脉冲转换电路、放大器、整形电路、基准时间脉冲发生器、计数器及译码器和数字显示器等组成，整个表组装在一起，体积很小。它的工作原理如下。
在电机轴的外侧贴一块反光纸。当转速表的发光管照射反光纸后，反射光使光敏二极管导通，在电阻R上产生一个电压降，形成一个脉冲信号。电动机每旋转一周，光电转换装置就产生一个脉冲。这些脉冲信号经过放大整形以后，送到与门电路。
测量转速需要的基准时间是由石英晶体振荡器和分频电路产生的。基准时间产生标准秒脉冲。将秒脉冲和被测的光电脉冲信号同时送到与门电路，这样就能测量出在每秒内送到计数器的脉冲数，当然就可以得出每分钟的脉冲数，然后再经译码器使数码显示管显示出转速来。
小结
（１）DAC是将数字量转换成模拟量。实现D／A转换有多种方式，其中以R－２R倒T形电阻网络转换速度快，性能好，便于集成而被广泛采用。D／A电阻网络是把输入的数字量转换为模拟电流，然后利用求和运算放大器转换成模拟电压输出。DAC的数字位数越多，分辨率和精度越高。
（２）ADC是将模拟量转换成数字量。逐次逼近型ADC转换速度较快，精度较高，价格适中，应用比较普遍。
随着微处理器和计算机的广泛应用，促进了D／A、A／D转换技术的发展和使用，本章只是初步地介绍了DAC和ADC的组成、工作原理及其应用。
习题
１４-１DAC是由几部分组成的，各部分的作用是什么？
１４-２权电阻网络和倒T形电阻网络各有哪些特点？
１４-３DAC的分辨率是怎样定义的？分辨率的数值大小，与分辨率的高低是什么关系？
１４-４要提高DAC的转换精度应考虑哪些因素？
１４-５举出你在日常生活和社会实践中所接触到的数字电路应用实例，并根据所学知识分析它的电路组成应分为几个部分。
１４-６在权电阻网络DAC电路中，输入数字量１０１０，若n＝４，UR＝－１０V，Rf＝R／２，试求转换的模拟电流和输出的模拟电压值。
１４-７有一数字信号为１１０１，采用４位R－２R倒T形DAC转换成模拟信号，试问当Rf＝R，基准电压为１０V时，其输出的模拟电压是多少？
１４-８已知某DAC电路输入的数字量为１０位，试求该电路的分辨率？
１４-９ADC由几部分组成，各部分的作用是什么？
１４-１０为什么要进行A／D转换？
１４-１１ADC分辨率高、低由什么确定？
１４-１２试分析图１４-１ADC和DAC应用框图的含意。
