第9章 AD、DA转换
第九章 DA、AD转换器及其与CPU的接口
第九章 D/A、A/D转换器
9.3 A/D转换器芯片
1、采样过程：将时间上连续变化的模拟量转变为时间上断续变化的模拟量。 采样频率f0大于等于输入信号最高频率fm的2倍。 2、保持过程：将采样得到的模拟量的值保持下来。为保证采样精确度，要求 在A/D转换期间，保持输入模拟量的信号不变。 3、量化过程：以一定的量化单位，把离散的模拟信号转化为离散的阶跃量的
二、D/A的主要技术指标
第九章 D/A、A/D转换器
分辨率:
• 是指最小输出电压（ 对应的输入二进制数为1 ）与最大
输出电压(对应的输入二进制数的所有位全为1)之比。
分辨率=1/（2n-1） 例如十位数模转换器的分辨率为： 2110-1≈0.001
• 可用输入数字量的位数来表示，如8位、10位等。
二、应用举例
第九章 D/A、A/D转换器
例1 对模拟通道IN0进行A/D转换，采样一个点。
采用查询方式的程序如下：
OUT 50H，AL ；选通IN0，
；启动A/D转换
NOP；避开刚开始的EOC状态
W：IN AL，40H ；输入EOC标志
TEST AL，01H
JZ W
；未结束，返回等待
IN AL，48H ；结束，
第九章 D/A、A/D转换器
9.3.1 A/D工作原理
原理：类似天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的 累积重量去逼近被称物。
逐次变换
寄存…器SAR …
时序及控制逻辑
Vi
+
┇
D/A
VC
比较器
-
} ┇
数字量输出
9.3.2 A/D的技术指标
分辨率 量化误差 转换速度 精度
9.3.3 ADC0809 一、原理框图
《AD及DA转换》课件
《AD及DA转换》PPT课件
本PPT课件将深入介绍AD及DA转换的原理、分类、工作模式，以及采样率、 量化精度等关键概念。我们还会探讨信号处理技术、硬件实现和电路设计等 重要话题。
什么是AD和DA转换
AD（模数）转换将模拟信号转换为数字信号，DA（数模）转换将数字信号转换为模拟信号。这两种转换器 在许多电子系统中起着关键作用。
AD转换器可根据工作原理和特性进行分类，如逐次逼近型、积分型、双斜率 型和ΔΣ型等。每种类型都有其适用的应用场景和性能特点。
DA转换器的分类
DA转换器可以按照数字信号转换为模拟信号的方法进行分类，如加权电阻型、 串行型、并行型和PDM型等。不同类型的转换器适用于不同的应用需求。
AD转换器的工作模式
AD转换的原理和作用
AD转换器使用采样和量化技术将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。它 在信号处理、通信系统和传感器中都有广泛应用。
DA转换的原理和作用
DA转换器将数字信号转换为模拟信号，使其能够在模拟电路中进行进一步处 理和传输。它在音频、视频和通信等领域中扮演着核心角色。
AD转换器的分类
AD-DA信号转换
1、A/D: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,analog to digital converter），A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。
在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的;
2、模拟量转换成数字量的过程被称为模数转换，简称A/D(Analog to
Digital)转换；完成模数转换的电路被称为A/D 转换器，简称ADC(Analog to Digital Converter)。
数字量转换成模拟量的过程称为数模转换，简称D/A(Digital to Analog)转换；完成数模转换的电路称为D/A转换器，简称DAC(Digital to Analog Converter)。
模拟信号由传感器转换为电信号，经放大送入AD 转换器转换为数字量，由数字电路进行处理，再由DA转换器还原为模拟量，去驱动执行部件。
为了保证数据处理结果的准确性，AD转换器和DA转换器必须有足够的转换精度。
同时，为了适应快速过程的控制和检测的需要，AD转换器和DA转换器还必须有足够快的转换速度。
因此，转换精度和转换速度乃是衡量AD转换器和DA转换器性能优劣的主要标志。
3、由于计算机只能处理数字信号，故对于接收的模拟量信号必须要转化
才能处理；反之，输出模拟量信号也是类似；
4、信号转换的方式有很多，常见的有逐次逼近法、双积分法、电压频率
转换法；主要技术标准：分辨率、转换误差、转换时间；。
《AD及DA转换》课件
一、AD及DA转换简介1.1 AD转换概述模拟信号与数字信号的概念模拟信号转换为数字信号的意义1.2 DA转换概述数字信号转换为模拟信号的意义DA转换的基本原理1.3 AD及DA转换的应用领域电子秤工业控制音频处理二、AD转换器（模数转换器）2.1 AD转换器的工作原理采样保持量化和编码2.2 AD转换器的类型逐次逼近型（SAR）双积分型流水线型2.3 AD转换器的主要性能指标分辨率和量化误差转换时间和转换速率动态范围和线性范围三、DA转换器（数模转换器）3.1 DA转换器的工作原理数字到模拟的转换过程D/A转换器的类型及特点3.2 DA转换器的主要性能指标分辨率转换误差转换速度3.3 DA转换器的应用实例音频DAC视频DAC通信系统中的DA转换应用四、AD及DA转换器的选择与评估4.1 AD及DA转换器的选择依据精度要求转换速度要求成本和功耗考虑4.2 AD及DA转换器的评估方法测试转换特性分析转换误差对比不同转换器的性能4.3 AD及DA转换器的应用案例分析模拟信号采集与数字处理数字信号调节与模拟输出五、AD及DA转换技术的未来发展5.1 高速AD及DA转换技术亚微米和深亚微米工艺并行处理技术5.2 高精度AD及DA转换技术低噪声和低功耗设计温度补偿技术5.3 集成AD及DA转换技术片上系统（SoC）混合信号集成技术5.4 新型AD及DA转换技术展望生物医学信号处理领域无线通信和物联网应用领域六、模拟信号的采样与保持6.1 采样定理奈奎斯特采样定理采样频率的选择6.2 采样保持电路采样保持电路的工作原理采样保持电路的设计要点七、模拟信号的量化与编码7.1 量化过程量化的概念与过程量化误差7.2 编码方法二进制编码格雷码编码八、逐次逼近型AD转换器（SAR ADC）8.1 SAR ADC的工作原理转换过程解析转换速率与功耗8.2 SAR ADC的设计要点模拟开关的选择基准电压源的设计九、双积分型AD转换器9.1 双积分型ADC的工作原理转换过程解析转换时间与精度9.2 双积分型ADC的应用场景电流传感器压力传感器十、流水线型AD转换器10.1 流水线型ADC的工作原理转换过程解析转换速率与功耗10.2 流水线型ADC的设计要点级间匹配与补偿模拟开关的选择十一、DA转换器（数模转换器）的类型及原理11.1 权电阻网络DA转换器工作原理分辨率和线性度11.2 电压反馈型DA转换器工作原理特点和应用11.3 电流反馈型DA转换器工作原理特点和应用十二、DA转换器的性能指标及评估12.1 分辨率数字位数的含义分辨率与精度的关系12.2 转换误差静态误差动态误差12.3 转换速度转换时间更新速率十三、DA转换器的应用实例13.1 音频DAC音频信号的数字到模拟转换音频DAC芯片的选择13.2 视频DAC视频信号的数字到模拟转换视频DAC芯片的选择十四、AD及DA转换器的接口技术14.1 模拟接口差分信号传输阻抗匹配14.2 数字接口SPI接口I2C接口USB接口十五、AD及DA转换器的实际应用问题与解决方案15.1 噪声问题模拟噪声的来源数字噪声的来源降噪技术15.2 匹配问题内部组件匹配外部组件匹配匹配技术15.3 温度补偿温度对AD及DA转换器的影响温度补偿技术重点和难点解析本文主要介绍了AD及DA转换的相关概念、原理、性能指标、应用实例以及接口技术，重点内容包括：1. AD及DA转换的基本原理：理解模拟信号与数字信号的转换过程，掌握AD 及DA转换的意义和应用领域。
第9章AD与DA转换
例如，满量程值为10V时，n位D/A转换器的 精度为±1/2 LSB，则其最大可能误差为：
精度为±0.05%表示最大可能误差为：
（3）转换速率 转换速率是指大信号工作时，模拟输出电压 的最大变化速度，单位为V/μs （4）建立时间 建立时间指的是，当输入数值满量程后，输 出模拟值稳定到最终值的±1/2LSB时所需要 的时间。该时间是表征D/A转换器性能的重要 指标，显然建立时间越大，转换速率越低。
DI7~ DI0：8位数据输入端，与CPU数据总线 相连。 CS：片选信号，输入，低电平有效，与ILE 配合决定WR1是否起作用。 ILE：输入锁存允许信号，输入，高电平有 效。
WR1 ：写信号1，将数据8位输入数据锁存到输入寄 存器中，低电平有效。此信号必须同CS、ILE同时 有效，即当CS和WR1同时为低电平、ILE为高电平时， 输入数据不锁存；当WR1变为高电平、ILE变为低电 平时，输入数据被锁存在输入寄存器中。 WR2 ：写信号2将锁存在输入寄存器中的数据送到8 位DAC寄存器中进行锁存，低电平有效。当WR2与传 送控制信号XFER同时为低电平时，DAC寄存器中的 数据不锁存；当WR2 或XFER变为高电平时，输入寄 存器中的数据被锁存在DAC寄存器中。
1．ADC0809引脚
ADC0809是28引脚的双列直插式芯片，如 图9-15所示。各引脚的定义及功能如下。
IN7~IN0：8路模拟电压输入端。 D7~D0：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB和ADDC：地址输入端， 它们的不同组合可用来选择不同的模拟 输 入 通 道 ， 编 码 000~111 分 别 对 应 IN0~IN7，如表9-1所示。 START：启动转换的控制信号，输入， 高电平有效。
ad和da的原理
ad和da的原理
ad和da分别是模拟信号和数字信号之间的转换过程中使用的
缩写词。
AD转换过程，即模拟信号（Analog Signal）转换为数字信号（Digital Signal）。
在AD转换中，模拟信号首先通过采样（Sampling）将连续的模拟信号转换为离散的信号，然后通过
量化（Quantization）将离散信号的幅值转换为一系列离散的
数值，最后通过编码（Encoding）将这些数值转换为二进制数，以便在计算机系统中传输和处理。
DA转换过程，则是数字信号转换为模拟信号。
在DA转换中，数字信号通过解码（Decoding）将二进制数转换为一系列离散的数值，然后通过数字到模拟转换器（DAC，Digital-to-Analog Converter）将这些离散数值转换为连续的模拟信号，
最终得到模拟信号。
AD和DA的原理是基于模拟信号和数字信号的不同特性来实
现的。
模拟信号是连续的，在时间和幅值上都可以取任意值；而数字信号是离散的，只能取有限个数值。
AD转换将模拟信
号的连续性转换为离散性，通过采样和量化将模拟信号离散化为数字信号。
DA转换则将数字信号的离散性转换为连续性，
通过解码和DAC将数字信号还原为模拟信号。
AD和DA的应用广泛，例如在音频设备中，AD转换将模拟
声音信号转换为数字信号进行处理和存储，然后DA转换将数
字信号转换回模拟信号输出。
这样的转换能够实现高质量的音频处理和传输，在音乐、广播等领域发挥重要作用。
电路中的AD转换与DA转换
电路中的AD转换与DA转换在当今信息时代，电子设备已经渗透到我们生活的方方面面。
而这些电子设备的运作离不开AD转换（模数转换）和DA转换（数模转换）这两个关键环节。
本文将介绍AD转换和DA转换的原理、应用以及相关技术发展。
一、AD转换AD转换是模拟信号转换为数字信号的过程。
在电子设备中，传感器等设备输出的信号多为模拟信号，需要通过AD转换将其转换成数字信号，才能由电子器件进行处理和存储。
AD转换器通常由采样器、量化器和编码器组成。
采样器的作用是将模拟信号在一定的时间间隔内取样，量化器将取样的模拟信号分成有限个离散值进行量化，编码器将量化后的离散值转换成二进制数字信号。
通过这一过程，AD转换器能够将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号。
AD转换器广泛应用于各个领域，如音频、视频、电力系统等。
在音频领域，AD转换器用于将声音等模拟信号转换为数字信号，实现录音、播放等功能。
在电力系统中，AD转换器用于电能计量、监测等方面。
二、DA转换DA转换是数字信号转换为模拟信号的过程。
数字信号由计算机或其他数字系统处理和存储，而大部分外围设备如音箱、显示器等则需要模拟信号进行驱动。
DA转换器通常由数字信号输入端和模拟输出端组成。
数字信号输入端接收来自计算机或其他数字系统的数字信号，将数字信号按照一定的波形进行放大、滤波等处理后，经过模拟输出端输出为模拟信号。
这样，数字系统生成的数字信号便可以控制外围设备的模拟输出。
DA转换器广泛应用于音频设备、显示设备等领域。
在音频设备中，DA转换器用于将计算机中存储的音频文件转换为模拟信号，通过音箱输出高质量的音乐。
在显示设备中，DA转换器则将计算机生成的数字图像信号转换为模拟信号，驱动显示器显示各种图像。
三、技术发展随着科技的不断进步，AD转换与DA转换技术也得到了快速的发展与创新。
目前，高速、高精度、低功耗、小型化是AD转换与DA转换技术的发展方向。
在AD转换技术方面，新型的Delta-Sigma调制技术、超大规模集成电路技术等被广泛应用，提高了AD转换器的精度和信噪比。
数字电子技术基础第九章DA和AD转换电路
D2
VREF 22 R
D1
VREF 23 R
D0
VREF 23 R
(D3 23
D2 22
D1 21
D0 20 )
VREF
23 R
3 i0
Di 2i
i (0,1,2,3)
11
对于n位权电阻网络D/A转换器总电流为：
i
VREF 2n1 R
n1 i0
Di 2i
求和放大器输出电压为：vo iR f
数字量D成正比关系。V=KD，K为常数。
6
一、基本原理
输入是 n位二
D0 D1
进制数
Dn-1
n1
vO (iO ) k Di 2i 位权值
D/A
i (0,1,2,3i0 n 1)
k:转换比例系数
输出模拟电压（或模拟电流）与输入数字量
成正比关系。
假设：转换比例系数K=1,输入数字量n=3
输出模拟电压（或模拟电流）为：
进制数码为0000~1111,基准电压
00000
VREF=-8V,Rf = R/2,求输出电压VO。 并画出输出VO波形。
0 0 0 1 0.5 00101 0 0 1 1 1.5
VREF R f 2n1 R
n1
Di 2i
i0
输出模拟电压VO的大小与输 入的二进制数码的数值大小
成正比。
－ 2Rf
R
VREF 2n
n1
Di 2i
i0
同时还与量化级有关。
量化级
★ 输入二进制数码位数越多，量化级越小，D/A输 出电压越接近模拟电压。
12
例1：设4位权电阻D/A转换器输入二进制数 码D3D2D1D0=1101,基准电压VREF=-8V,Rf = R/2,求输出电压VO。
第九章 AD、DA转换
采样、保持、 采样、保持、量化和编码
一般前两步由采样保持电路完成，量化编码由ADC来完成。 来完成。 一般前两步由采样保持电路完成，量化编码由ADC来完成
对于n位输出二进制码，并行ADC就需要个比较器 显然， 对于n位输出二进制码，并行ADC就需要个比较器。显然， 就需要个比较器。 随着位数的增加所需硬件将迅速增加， >4时 并行ADC较 随着位数的增加所需硬件将迅速增加，当n>4时，并行ADC较 复杂，一般很少采用。因此并行ADC适用于速度要求很高 适用于速度要求很高， 复杂，一般很少采用。因此并行ADC适用于速度要求很高，而 输出位数较少的场合。 输出位数较少的场合。
与之接近的离散数字电平，这个过程称作量化 与之接近的离散数字电平，这个过程称作量化。 量化。 由 零 到 最 大 值 （ MAX ） 的 模 拟 输 入 范 围 被 划 分 为 1/8 ， 2/8……7/8共23-1个值，称为量化阶梯。 ……7 个值，称为量化阶梯 量化阶梯。 而相邻量化阶梯之间的中点值1 16， 16……13/16称为 称为比较 而相邻量化阶梯之间的中点值 1/16 ， 3/16……13/16 称为 比较 电平。 电平。
采样后的模拟值同比较电平相比较，并赋给相应的量化阶梯值。例如， 采样后的模拟值同比较电平相比较， 并赋给相应的量化阶梯值 。例如， 采样值为7 32MAX，相比较后赋值为2 MAX。 采样值为7/32MAX，相比较后赋值为2/8MAX。 把量化的数值用二进制数来表示称作编码 把量化的数值用二进制数来表示称作编码。 编码有不同的方式。例如上述的量化值2/8MAX，若将其用三位自然加权 编码有不同的方式。例如上述的量化值2/8MAX， 二进制码编码，则为010。 二进制码编码，则为010。
AD_DA转换
MOV DX, oe_port
IN
AL, DX
;读入结果
……
12
1. ADC0809 多通道数据采集系统
A/D转换
(1)用定时中断控制采样率,用地址信号选择通道的方案
在PC/XT（以8088为CPU）机上采用ADC0809 设计一块8通道的数据采集卡。
要求：以200Hz的速率对每个通道均采集1024个数据， 也就是每隔5ms对各通道轮流采集一个数据， 然后将它们存放到以DBUFF开始的数据缓冲区 中。
4
1. ADC0809
A/D转换
ADC0809与PC总线的接口
需要考虑如下几方面
①输入通道号的确定：由地址线确定；由数据线确定
②数据线的连接：直接接CPU；由并行接口芯片8255接至
CPU
③启动转换信号Start的连接：由地址译码信号及写信号 ； 8255的引脚
④状态信号EOC端的连接：接至其中一根数据线；给 8259的中断源引脚
22
译
M/IO
码
RD
WR
器
A/D转换
ADC0809 D7-D0
IN0
EOC
OE
START
ALE ADDC ADDB ADDA
11
1. ADC0809
一用个延连时接 等实 待例 的方法：MOUOTV
…… DX, start_port DX, AL
A/D转换
;启动转换
CALL DELAY_1MS
;延时1ms
PB0
ADC0809
IN0 IN1 IN2 IN3 ADDC IN4 ADDB ADDA
7
1. ADC0809 数据输出线D0-D7
➢ 内部已接有三态门，故 可直接连到DB上。
AD和DA转换器
A/D 和D/A 转换器在数字系统的应用中，通常要将一些被测量的物理量通过传感器送到数字系统进行加工处理；经过处理获得的输出数据又要送回物理系统，对系统物理量进行调节和控制。
传感器输出的模拟电信号首先要转换成数字信号，数字系统才能对模拟信号进行处理。
这种模拟量到数字量的转换称为模-数(A/D)转换。
处理后获得的数字量有时又需转换成模拟量，这种转换称为数-模(D/A)变换。
A/D 变换器简称为ADC 和D/A 变换器简称为DAC 是数字系统和模拟系统的接口电路。
第一节 基本概念一、D/A 变换D/A 变换器一般由变换网络和模拟电子开关组成。
输入n 位数字量D （=D n-1…D 1D 0）分别控制这些电子开关，通过变换网络产生与数字量各位权对应的模拟量，通过加法电路输出与数字量成比例的模拟量。
（1）变换网络变换网络一般有权电阻变换网络、R-2RT 型电阻变换网络和权电流变换网络等几种。
ⅰ、权电阻变换网络权电阻变换网络如图8-1所示，每一个电子开关S i 所接的电阻R i 等于2n-1-i R （i=0～n-1），即与二进制数的位权相似，R 0=2n-1R ，R n-1=R 。
对应二进制位D i =1时，电子开关S i 合上，R i 上流过的电流 I i =V REF /R i 。
令V REF /2n-1R=I REF ，则有 I i =2i I REF ，即R i 上流过对应二进位权倍的基准电流，R i 称为权电阻。
权电阻网络中的电阻从R 到2n-1R 成倍增大，位数越多阻值越大，很难保证精度。
图8-1 权电阻D/A 变换器ⅱ、R-2R 电阻变换网络R-2R 电阻网络中串联臂上的电阻为R ，並联臂上的电阻为2R ，如图8-2所示。
从每个並联臂2R 电阻往后看，电阻都为2R ，所以流过每个与电子开关S i 相连的2R 电阻的电流I i 是前级电流I i+1的一半。
因此， I i =2i I 0=2i I REF /2n ，即与二进制i 位权成正比。
第9章AD与DA转换
数模与模数转换器9.1.1 10位倒T形电阻网络D/A转换器如图1所示。
(1) 试求输出电压的取值范围。
(2) 若要求电路输入数字量为200H时输出电压V o=5V，试问V REF应取何值？OREF图19.1.2 实际四位权电流D/A转换器如图2所示。
已知V REF = 6V，R1=48kΩ，当输入D3D2D1D0=1100时，υo=1.5V，试确定R f的值。
OV图29.1.3 在图4所示的倒T形电阻网络D/A转换器中，设R f = R，外接参考电压V REF = –10V ，为保证V REF 偏离标准值所引起的误差小于LSB/2，试计算V REF 的相对稳定度应取多少？O281642图49.1.4 由AD7533组成双极性输出D/A 转换器如图5所示。
(1) 根据电路写出输出电压υO 的表达式。
(2) 试问实现输入为2的补码时的双极性输出电路中V B 、R B 、V REF 和片内的R 应满足什么关系？V 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9υO图59.1.5 可编程放大器(数控可变增益放大器)电路如图6所示。
(1) 推导电路电压放大倍数A V =υO /υi 的表达式；(2) 当输入编码为(001H)和(3FF)时，电压放大倍数A v 分别为多少？(3) 试问当输入编码为(000H)时，运放A 1处于什么状态？υOυI图69.2.1 在图7所示并行比较型A/D 转换器中V REF = 7V ，试问电路的最小量化单位Δ等于多少？当υI = 2.4 V 时，输出数字量D 2D 1D 0=？R V V 13 15R V 11 15R R R V 3 15V 1 15R R R 0 12 (LSB)(MSB)图79.2.2 在图8所示的逐次比较A/D 转换器中，若n = 10，已知时钟频率为1MHz ，则完成一次转换所需时间是多少？如要求完成一次转换的时间小于100μs ，问时钟频率应选多大？υ模拟量输入数字 量输出D 0D 1 D 6 D 7图89.2.3 在图9所示逐次比较A/D 转换器中设V REF =10V ，υi = 8.26V ，试画出在时钟脉冲作用下，υO '的波形并写出转换结果。
第9章 DA和AD转换总结
第八章D/A和A/D转换基本内容：D/A转换和A/D转换的基础知识，D/A转换芯片0832和A/D转换芯片0809的应用。
基本要求：了解D/A转换的基础知识；掌握0832和0809的结构及使用重点内容：D/A转换和A/D转换的工作原理难点内容：0832和0809的工作方式。
在自动化领域中，常常通过微型计算机对客观事物的变化信息进行采集、处理、分析和实时控制。
客观事物变化的信息有温度、速度、压力、流量、电流、电压等一些连续变化的物理量。
而计算机只能处理离散的数字量，那么这些模拟信号如何变化才能被计算机接收并可进行处理的数字量呢？计算机输出的是数字量，但大多数被控设备不能直接接收数字信号，所以还需将计算机输出的数字信号转化成为模拟信号，去控制或驱动被控设备，那么这些数字信号又是如何变化成模拟信号的呢？对一个控制系统要从以下三方面考虑问题。
图1 一个包含A/D和D/A转换环节的控制系统1. 传感器温度、速度、流量、压力等非电信号，称为物理量。
要把这些物理量转换成电量，才能进行模拟量对数字量的转换，这种把物理量转换成电量的器件称为传感器。
目前有温度、压力、位移、速度、流量等多种传感器。
2. A/D转换器(Analog to Digital Converter, ADC)把连续变化的电信号转换为数字信号的器件称为模数转换器，即A/D转换器。
3. D/A转换器(Digital to Analog Converter, DAC)把经过计算机分析处理的数字信号转换成模拟信号，去控制执行机构的器件，称为数模转换器，即D/A转换器。
可见，D/A转换是A/D转换的逆过程。
这两个互逆的转换过程以及传感器构成一个闭合控制系统，如图1所示。
第一节数模转换一、D/A转换器的工作原理D/A转换器是指将数字量转换成模拟量的电路。
数字量输入的位数有8位、12位和16位等，输出的模拟量有电流和电压两种。
D/A转换器工作原理D/A转换器用于将数字量转换成模拟量。
第九章数模（DA）和模数（AD）转换电路
第九章 数模（D/A ）和模数（A/D ）转换电路一、 内容提要模拟信号到数字信号的转换称为模—数转换，或称为A/D （Analog to Digital ），把实现A/D 转换的电路称为A/D 转换器（Analog Digital Converter ADC ）；从数字信号到模拟信号的转换称为D/A （Digital to Analog ）转换，把实现D/A 转换的电路称为D/A 转换器（ Digital Analog Converter 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。
二、 重点难点本章重点内容有：1、D/A 转换器的基本工作原理（包括双极性输出），输入与输出关系的定量计算；2、A/D 转换器的主要类型（并联比较型、逐次逼近型、双积分型），他们的基本工作原理和综合性能的比较；3、D/A 、A/D 转换器的转换速度与转换精度及影响他们的主要因素。
三、本章习题类型与解题方法 DAC网络DAC 权电阻 ADC 直接ADC间接ADC权电流型DAC权电容型DAC开关树型DAC输入/输出方式 并行 串行 倒梯形电阻网络DAC这一章的习题可大致分为三种类型。
第一种类型是关于A/D 、D/A 转换的基本概念、转换电路基本工作原理和特点的题目，其中包括D/A 转换器输出电压的定量计算这样基本练习的题目。
第二种类型是D/A 转换器应用的题目，这种类型的题目数量最大。
第三种类型的题目是D/A 转换器和A/D 转换器中参考电压V REF 稳定度的计算，这种题目虽然数量不大，但是概念性比较强，而且有实用意义。
（一）D/A 转换器输出电压的定量计算【例9 -1】图9 -1是用DAC0830接成的D/A 转换电路。
DAC0830是8位二进制输入的倒T 形电阻网络D/A 转换器，若REF V =5 V ，试写出输出电压2O V 的计算公式，并计算当输人数字量为0、12n - (72)和2n -1(82-1)时的输出电压。
AD.DA转换
A是ANALOG，模拟；D是DIGITAL，数字D/A就好比一个可以自动调节电压的直流电源 A/D就像一个自动输出电压数值的电压表A/D和D/A还有一个重要指标是采样深度通俗的数字输入或输出端最大能输出多大的数字就像万用表的量程用1M欧姆的量程去量1欧姆的电阻肯定是量不出来的总之采样深度越大 A/D和D/A就越灵敏、越精细采样深度用“位（bit）”表示它数字端口表示可以处理的最大“数字”以二进制形式进行表述时的“位”数模数转换器(ADC)的基本原理模拟信号转换为数字信号,一般分为四个步骤进行,即取样、保持、量化和编码。
前两个步骤在取样-保持电路中完成,后两步骤则在ADC中完成。
通道有的单芯片内部含有多个AD/DA模块，可同时实现多路信号的转换；常见的多路AD器件只有一个公共的AD模块，由一个多路转换开关实现分时转换【博客大赛】MCU之心路分享--倾听你的改变--AD/DA转换（十一）用勇气来改变可以改变的事情，用胸怀来接受不可改变的事情，用智慧来分辨两者的不同-------李开复写到AD/DA转换的时候，突然想到了李开复老师这句语录，曾经确实也陪伴着自己走过了苦涩的时光！要么去改变自己，要么去随波逐流，然后淹没在丛流中！相信有很多人都是从郭天祥的《51单片机C语言教程》和视频入门单片机的，我也一样！同时，还有很多人在看着郭天祥的书入门的路上！记得自己当初大一看到他书的第五章AD/DA转换的时候，就放弃过学习单片机一段时间，为什么？因为书中讲了许多有关模电啊，数电以及转换原理等的东西，才大一完完全全看不懂呀！后来才发现，入门单片机根本不需要去懂这些，会用AD/DA转换芯片，学了数电模电后，慢慢也就了解了！可谓被书坑了啊！当然，直到今日我依然很敬佩和感谢郭天祥的啊！-----------------------------------------------------------------------------------------------------------本小节目录：11.1，简介PCF8591 引脚结构11.2，PCF8591芯片的地址字节和控制字节11.3，PCF8591的A/D及D/A转换模式协议及C语言程序11.4，PCF8591与单片机的原理图11.1）简述PCF8591许多单片机开发实验板都使用了PCF8591芯片，讲解AD/DA，其芯片能在IIC总线协议下，仅用时钟线SCL和数据线SDA就可以实现与单片机通信，同时具有程序较简单、可维护性好、易实现系统扩展、可靠性高等优点。
第9章 AD与DA转换器接口
9.2 D/A转换器的接口电路设计
DAC0832适合要求多片DAC同时进行转换的系统。
分别输入数据：利 用各自DAC0832的 CS与WR1先将各自 的数据输入到输入 寄存器； 同时触发转换：将 各片的XFER和WR2 连在一起，同时触 发，实现同时转换。
CS
WR1
WR2
微机接口技术
VREF D/A 转 换 器 A IOUT1 IOUT2 RFB AGND VCC DGND
；初始化8255A MOV DX，303H ；8255A的命令口， MOV AL，10000000B ；8255A的A、B组均为输出 OUT DX，AL ；写方式字 ；设置B口控制DAC的转换 MOV DX，301H ；8255A的B口地址 MOV AL，00010000B ；DAC0832为直通工作方式 OUT DX，AL
2. D/A转换器的连接特性
输入缓冲能力，表示能否与数据总线直接连接。
输入数据的宽度，即分辨率。 输入码制，表示能接受不同码制的数字量输入。 输出模拟量的类型，有电流型和电压型。 输出模拟量的极性，有正负电压极性。
8
9.1 D/A转换器的接口方法
二、D/A转换器与微处理器的接口方法
8
2
7
2 6 25 2 4 23 2 2 21 2 0 9.96 V 10 V
所以输出电压的范围是0~10V。
（4）当输入数字10010001B时：
V0 10 2
8
2
7
2 4 2 0 5.66V
7
9.1 D/A转换器的接口方法
微机接口技术
；第一个数据取入AL ；第一片0832输入寄存器地址送DX ；将第一个数据输出到第一片0832输入寄存器
AD_DA转换基本原理
AD_DA转换基本原理AD-DA转换是模拟信号与数字信号之间的转换过程，AD是模拟信号转换为数字信号的过程，DA是数字信号转换为模拟信号的过程。
模拟信号是连续变化的电信号，而数字信号是离散的电信号。
AD-DA转换器在很多领域中被广泛应用，如通信、音频处理、图像处理等。
AD转换的基本原理是使用采样和量化的方法将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号。
采样是指将连续的信号在时间上进行离散化，将信号在一定的时间间隔内进行采集。
量化是指对采样后的信号进行离散化处理，将连续的信号值映射到一组离散值。
采样和量化的间隔称为采样周期和量化间隔，采样周期越小，量化间隔越小，转换精度越高。
在AD转换过程中，首先需要选择一个足够高的采样率，以保证对原始信号的采样能够准确还原。
然后将连续的模拟信号用采样周期将其分为离散的信号样本，每一个样本对应一个离散时间点。
接下来，在每一个采样时间点，通过量化器将信号的幅度映射为一个离散的数字值。
量化的精度决定了数字信号的分辨率和动态范围，一般以位表示，如8位、16位等。
DA转换的基本原理是将离散的数字信号转换为连续变化的模拟信号。
在DA转换过程中，首先需要进行数字信号的解码，将离散的数字值转换为连续的数值。
然后使用保持电路（sample-and-hold）将这些连续的数值保持为恒定的电压信号。
接着，使用模拟滤波器对保持的数值进行平滑处理，去除高频分量和其他干扰。
最后，通过放大器将平滑后的信号放大到合适的幅度，得到模拟输出信号。
在DA转换过程中的重要环节是数字信号的解码和模拟滤波器的设计。
解码过程需要将离散的数字值映射为一组连续的数值，这通常通过查表或者插值的方式实现。
模拟滤波器的设计目的是对离散的数字信号进行平滑处理，去除不需要的高频分量和噪声。
滤波器的选择取决于系统的需求，可以是低通滤波器、带通滤波器等。
AD-DA转换器的性能主要由转换精度、抖动、信噪比和带宽等参数决定。
转换精度越高，代表着数字信号与模拟信号的差距越小。
数电--AD.DA转换器
因此，每个 2R支路中的 电流也逐位减 半。
I = I3 + I2 + I1 + I0
= UR D3 + UR D2 + UR D1 + UR D0
2R
4R
8R
16R
=
UR 16R
( 8D3
+
4D2
+
2D1
+ 1D0 )
uo = - URRF ( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )
16R
拟电流io=Ki×D。其中Ku或Ki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。
D/A 功能(续) 4位数据: 0000 1111
0V
分辨率:
5V/15=0.333V
5V
/每1个最低有效位
8位数据: 00000000 11111111
0V 分辨率: 5V/255=0.0196V
5V /每1个最低有效位
采样定理：fs >= 2 fmax
（理论计算）
fs >=（4~5）fmax （实际应用）
采样-保持：将采样后的值保存下来，并在采样脉冲
结束之后到下一个采样脉冲到来之前保持不变，保证
ADC在此期间将样值转换成数字量。其原理与峰值检
测电路相同，电路有LF198等。
量化与编码
一. 取样定理
（1）采样和保持
精度也不易做高
工作速度中等(转换时 间 几us ~100 us)，精度 也较高，成本较低
精度可以做得很高， 抗干扰性能很强，速 度很慢(转换时间 几百 us ~几ms)
中高速数据采集系统、 在线自动检测系统、动 态测控系统
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非电物理量（温度、压力、流量、速度等），须 经传感器转换成模拟电信号（电压或电流），必须转 换成数字量，才能在单片机中处理。
数字量，也常常需要转换为模拟信号。 A/D转换器（ADC）：模拟量→数字量的器件， D/A转换器（DAC）：数字量→模拟量的器件。 只需合理选用商品化的大规模ADC、DAC芯片，了 解引脚及功能以及与单片机的接口设计。
“8位D/A转换电路”由T型电阻网络和电子开关组成， T型电阻网络输出和数字量成正比的模拟电流。
单缓冲方式
由上图，WR2*和XFER*接地，故DAC0832的“8位DAC 寄存器” 处于直通方式。“8位输入寄存器”受CS*和 WR1*端控制，且由译码器输出端FEH送来（也可由P2口 的某一根口线来控制）。因此，8031执行如下两条指 令就可在WR1*和CS*上产生低电平信号，使0832接收 8031送来的数字量。
9.1
MCS-51与DAC的接口 D/A转换器概述
9.1.1
1. 概述
输入：数字量，输出：模拟量。 转换过程：送到DAC的各位二进制数按其权的大小 转换为相应的模拟分量，再把各模拟分量叠加，其和 就是D/A转换的结果。 使用D/A转换器时，要注意区分: * D/A转换器的输出形式;
* 内部是否带有锁存器。
DELAY1、DELAY2为两个延时程序，决定矩形波高、 低电平时的持续时间。频率也可采用延时长短来改变。
（2）双缓冲方式 多路同步输出，必须采用双缓冲同步方式。接口电 路如下图： 1#DAC0832因和译码器FDH相连，占有两个端口地址 FDH和FFH。
2#DAC0832的两个端口地址为FEH和FFH。其中，FDH 和FEH分别为1#和2#DAC0832的数字量输入控制端口地 址，而FFH为启动D/A转换的端口地址。
ORG 2000H addr1 DATA 20H ； 定义存储单元 addr2 DTOUT: MOV DATA 40H ； 定义存储单元 0区R1指向addr1 R1，#addr1 ；
MOV SETB MOV
CLR NEXT: MOV
R2，#20 ； 数据块长度送0区R2 RS0 ； 切换到工作寄存器1区 R1，#addr2 ； 1区R1指向addr2
RS0 R0，#0FDH ； 返回0区 ； 0区R0指向1#DAC0832数 ；字量控制端口
MOV
MOVX INC SETB
A，@R1
@RO，A R1 RS0
； addr1中数据送A
； addr1中数据送1#DAC0832 ； 修改addr1指针0区R1 ； 转1区。
R0，#0FEH ；1区R0指向2#DAC0832数字量 ；控制端口 MOV A，@R1 ；addr2中数据送A MOVX @R0，A ；addr2中数据送2#DAC0832 MOV INC INC R1 R0 ；修改addr2指针1区R1 ；1区R0指向DAC的启动D/A转换端口 ；启动DAC进行转换
* 内部无锁存器的D/A转换器 可与P1、P2口直接相接（因P1口和P2口的输出有锁存 功能）。但与P0口相接，需增加锁存器。 * 内部带有锁存器的D/A转换器 内部不但有锁存器，还包括地址译码电路，有的还 有双重或多重的数据缓冲电路，可与MCS-51的P0口直 接相接。
2.主要技术指标 (1)分辨率 输入给DAC的单位数字量变化引起的模拟量输出的 变化，通常定义为输出满刻度值与2n之比。显然，二 进制位数越多，分辨率越高。 例如，若满量程为10V，根据定义则分辨率为 10V/2n。设8位D/A转换，即n=8，分辨率为10V/2n =39.1mV，该值占满量程的0.391%，用1LSB表示。 同理：10位 D/A：1 LSB=9.77mV=0.1% 满量程 12位 D/A：1 LSB=2.44mV=0.024% 满量程 根据对DAC分辨率的需要,来选定DAC的位数。
(1) 输出形式
两种输出形式:电压输出形式与电流输出形式。 电流输出的D/A转换器，如需模拟电压输出，可在其 输出端加一个I-V转换电路。 （2）D/A转换器内部是否带有锁存器
D/A转换需要一定时间，这段时间内输入端的数字 量应稳定，为此应在数字量输入端之前设置锁存器， 以提供数据锁存功能。根据芯片内是否带有锁存器， 可分为内部无锁存器的和内部有锁存器的两类。
* 单一电源供电（+5～+15V）；
（2）DAC0832的引脚及逻辑结构 引脚：
DAC0832的逻辑结构：
引脚功能： பைடு நூலகம்I0～DI7：8位数字信号输入端
CS*： 片选端。
ILE： 数据锁存允许控制端，高电平有效。 WR1*：输入寄存器写选通控制端。当CS*=0、ILE=1、 WR1*=0时，数据信号被锁存在输入寄存器中。 XFER*：数据传送控制。
WR2* ：DAC寄存器写选通控制端。当XFER*=0，WR2* =0 时，输入寄存器状态传入DAC寄存器中。 IOUT1：电流输出1端，输入数字量全“1”时，IOUT1最 大， 输入数字量全为“0”时，IOUT1最小。
IOUT2：D/A转换器电流输出2端，IOUT2+IOUT1=常数。 Rfb：外部反馈信号输入端， 内部已有反馈电阻Rfb， 根据需要也可外接反馈电阻。 Vcc：电源输入端，可在+5V~+15V范围内。 DGND：数字信号地。 AGND：模拟信号地。 “8位输入寄存器”用于存放CPU送来的数字量，使输入 数字量得到缓冲和锁存，由LE1*控制； “8位DAC寄存器” 存放待转换的数字量，由LE2*控制；
图11-9中DAC输出的VX和VY信号要同步，控制X-Y 绘图仪绘制的曲线光滑，否则绘制的曲线是阶梯状。 控制程序如下：
例11-2 内部RAM中两个长度为20的数据块，起始地
址为分别为addr1和addr2，编写能把addr1和addrr2中 数据从1#和2#DAC0832同步输出的程序。addr1和addr2 中的数据，为绘制曲线的X、Y坐标点。 DAC0832各端口地址： FDH: 1#DAC0832数字量输入控制端口 FEH: 2#DAC0832数字量输入控制端口 FFH: 1#和2#DAC0832启动D/A转换端口 工作寄存器0区的R1指向addr1；1区的R1指向addr2； 0区的R2存放数据块长度；0区和1区的R0指向DAC端口 地址。程序为：
如用转换时间为100s的集成A/D转换器，其转换 速率为10千次/秒。根据采样定理和实际需要，一个周 期的波形需采10个点，最高也只能处理1kHz的信号。把
转换时间减小到10s，信号频率可提高到10kHz。
（3）是否加采样保持器 直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器。 其他情况都要加采样保持器。 根据分辨率、转换时间、信号带宽关系，是否要加 采样保持器：如果是8位ADC, 转换时间100ms,无采样保 持器，信号的允许频率是0.12Hz；如果是12位ADC，该 频率为0.0077Hz。如果转换时间是100s，ADC是8位时， 该频率为12Hz，12位时是0.77Hz。 （4）工作电压和基准电压 选择使用单一+5V工作电压的芯片，与单片机系统 共用一个电源就比较方便。
9.1.2
MCS-51与8位DAC0832的接口
1. DAC0832芯片介绍 (1)DAC0832的特性 美国国家半导体公司产品，具有两个输入数据寄存 器的8位DAC,能直接与MCS-51单片机相连。主要特性如 下： * 分辨率为8位； * 电流输出，稳定时间为1s； * 可双缓冲输入、单缓冲输入或直接数字输入；
（2）A/D转换器转换速率的确定
从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一 定的时间，这就是A/D转换器的转换时间。 低速：转换时间从几ms到几十ms 。
中速：逐次比较型的A/D转换器的转换时间可从几s~ 100s左右。
高速：转换时间仅20~100ns。适用于雷达、数字通讯、 实时光谱分析、实时瞬态纪录、视频数字转换 系统等。
MOV R0，#0FEH MOVX @R0，A ；DAC地址FEH→R0 ；WR*和译码器FEH输出端有效
现说明DAC0832单缓冲方式的应用。 例 DAC0832用作波形发生器。分别写出产生锯 齿波、三角波和矩形波的程序。
(1) 锯齿波的产生
ORG START:MOV MOV LOOP: MOVX INC SJMP 2000H R0，#0FEH ；DAC地址FEH→ R0 A，#00H ；数字量→A @R0，A A LOOP ；数字量→D/A转换器 ；数字量逐次加1
MOVX @R0，A
CLR RS0 ；返回0区 DJNZ R2，NEXT ；若未完，则跳NEXT LJMP DTOUT ；若送完，则循环 END
2. A/D转换器的主要技术指标 (1)转换时间和转换速率 完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转 换速率。 并行式：20~50ns，速率为50~20M次/s（1M=106）； 逐次比较式：0.4s，速率为2.5M次/s。 (2) 分辨率 用输出二进制位数或BCD码位数表示。例如AD574， 二进制12位，即用212个数进行量化，分辨为1LSB，百 分数表示1/212=0.24‰。 又如双积分式A/D转换器MC14433, 分辨率为三位半。 若满字位为1999，其分辨率为1/1999=0.05%。
量化过程引起的误差为量化误差，是由于有限位数
字对模拟量进行量化而引起的误差。量化误差理论上 规定为1个单位分辨率，提高分辨率可减少量化误差。 （3）转换精度
定义为一个实际ADC与一个理想ADC在量化值上的差 值。可用绝对误差或相对误差表示。
3. A/D转换器的选择 按输出代码的有效位数分:8位、10位、12位等。 按转换速度分为超高速（≤1ns）、高速（≤1s）
(3) 矩形波的产生
ORG START: MOV
LOOP: MOV MOVX
2000H R0，#0FEH