第13章 AD-DA转换
AD、DA转换
5V
/每1个最低有效位 个最低有效位
(2) D/A的组成 的组成 由三部分电路组成
电阻网络 模拟电子开关 求和运算放大器
1、权电阻D/A变换器 、权电阻 变换器
这种变换器由“电子模拟开关” 这种变换器由“电子模拟开关”、“权电阻求和网 运算放大器” 基准电源”等部分组成。 络”、“运算放大器”和“基准电源”等部分组成。
模－数转换：模拟信号→数字信号： 数字信号： 数转换：模拟信号 数字信号 A/D转换器 (ADC:Analog Digital Converter) 转换器 数－模转换：数字信号→模拟信号： 模拟信号： 模转换：数字信号 模拟信号 D/A转换器 (DAC:Digital Analog Converter) 转换器
uo 控 制 逻 辑
时钟 清 0、置数 、 “1”状态是否保留 状态是否保留 控制端 清 0、置数 、 CP、(移位命令 、 移位命令 移位命令)
D / A
1 0 0 0
数码寄存器
1 0 0 0
移位寄存器
原理框图
3、双积分型ADC 、双积分型
双积分型ADC是一种电压双积分型ADC是一种电压-时间间接型模数转换器 ADC是一种电压 主要有积分器、比较器、 主要有积分器、比较器、计数器和控制电路组成 工作过程由对基准源和样值两次积分完成。 工作过程由对基准源和样值两次积分完成。
∞ C - +
B A
这种A/D 这种A/D 变 D1 换器的优点是转 换速度快， 换速度快，缺点 D0 是所需比较器数 目多， 数字输出 目多，位数越多 矛盾越突出。 矛盾越突出。
逻辑状态关系表
输入电压
uxLeabharlann 比较器输入编码器输出
A B C D E F G D2 D1 D0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0
AD-DA原理
数字系统
D/A
A/D
转
转
换
换
1. 概述
典型数字控制系统框图
1. 概述
分类
网络权电阻DAC 倒梯形电阻网络DAC
DAC
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
ADC
直接ADC 间接ADC
2.D/A转换器原理
(1) D/A功能: 将数字量成正比地转换成模拟量
4位 数字量
入到寄存器1
WR1 = 0时存入数据 WR1 = 1时锁定
数据由寄存器 1转送寄存器 2从输出端取
模拟量
0
WR2 = 0时存入数据 WR2 = 1时锁定
无控制信号， 随时可取
例1. 单步输入操作 ----- 适用于单个DAC工作
D... 7
CS WR1
Rfb
Iout1 - +
D0
ILE WR2 XFER
一、权电阻型D/A转换器
UREF
R
R
R
R
2n1
2n2
2i
2
R
Sn-1
Sn-2
Si
S1
S0
Rf
1
01
01
0 1 01
0
i
uO
Dn-1
Dn-2
Di
D1
D0
uO i iiRininnf0121Di UD2RRiEnRF1f2U•R•UURUR2R2EERRnFFRnREE1niF2niF0101DDi 2ii,2i , Di D(0,i1) (0, 1)
n1
Di 2i
i0
运算放大器的输出电压为
《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转换实验报告
ad da转换实验报告AD-DA转换实验报告摘要：本实验旨在通过AD-DA转换器，将模拟信号转换为数字信号，然后再转换回模拟信号，以验证转换器的性能和精度。
实验结果表明，转换器具有较高的精度和稳定性，能够准确地将模拟信号转换为数字信号，并且能够将数字信号准确地转换回模拟信号，为数字信号处理提供了可靠的基础。
引言：AD-DA转换器是现代电子设备中常用的一种电子元件，它能够将模拟信号转换为数字信号，然后再将数字信号转换回模拟信号。
这种转换器在数字信号处理、通信系统、音频设备等领域具有广泛的应用。
本实验旨在通过实际操作，验证AD-DA转换器的性能和精度，以便更好地了解其工作原理和特点。
实验步骤：首先，我们使用函数发生器产生一个模拟信号，并将其输入到AD-DA转换器中。
然后，转换器将模拟信号转换为数字信号，我们将数字信号输入到计算机中进行处理。
接着，我们将处理后的数字信号再次输入到AD-DA转换器中，转换器将数字信号转换回模拟信号，并将其输出到示波器上进行观测和分析。
实验结果：经过实验操作和数据分析，我们发现AD-DA转换器具有较高的精度和稳定性，能够准确地将模拟信号转换为数字信号，并且能够将数字信号准确地转换回模拟信号。
在不同频率和幅度的模拟信号输入下，转换器都能够保持良好的性能，没有出现明显的失真和误差。
这表明，AD-DA转换器在实际应用中具有较高的可靠性和稳定性，能够为数字信号处理提供可靠的基础。
结论：通过本次实验，我们验证了AD-DA转换器的性能和精度，得出了转换器具有较高的可靠性和稳定性的结论。
这为我们更好地理解和应用AD-DA转换器提供了重要的实验数据和经验，也为数字信号处理和通信系统的设计和应用提供了可靠的支持。
希望通过本次实验，能够更好地推动AD-DA转换器的研究和应用，为电子技术的发展做出更大的贡献。
DA和 AD转换电路的讲解
李家虎编
20
片选
写入 1 模拟 地
数字 输入 参考电 压
电 源 输入锁 存允许
转移 控制
写入 2
数字输 入 电流输出 2
反馈 电阻 数字 地
2013-8-11
引脚图及说明
2007-5-20 李家虎编
电流输出 1
21
1）引脚说明 ILE：输入锁存选通（高电平有效），与CS组 合选通WR 。 WR ：写信号1（低电平有效），用来将输入数 据送到锁存器，当WR 为高电平时，输入到锁 存器的数据被锁定。 CS：片选信号（低电平有效），同ILE组合选 通WR 。 WR ：写信号2（低电平有效），与XFER组合 可以使输入到锁存器的8位数据传到D/A寄存器 中。 XFER：传送控制信号（低电平有效），它将选 通WR 。
模拟量输 出uA
图2
2013-8-11 2007-5-20 李家虎编 5
图中D是n位并行输入的数字量，uA 是输出模拟量，UREF是实现转换所 必须的参考电压。
u A KU REF
D
i 0
n 1
i
2
i
这个表达式反映了数字量与输出模 拟量的线性关系。
2013-8-11
2007-5-20
2013-8-11 2007-5-20 李家虎编 15
（6）馈送误差 馈送误差是指杂散信号通过D/A器件内部电 路耦合到输出端而造成的误差。 （7）线性误差 D/A转换的理想特征是线性的，但实际上存 在误差，模拟输出偏离理想输出的最大值 称为线性误差。 2）动态参数 （1）建立时间 输入数字从全“0”到全“1”时，建立时间 最长，因此将该时间称为建立时间。
D/A、A/D转换电路的讲解
AD_DA原理及主要技术指标
AD_DA原理及主要技术指标AD/DA原理是指模拟信号与数字信号之间的转换过程，其中AD （Analog to Digital）指模拟信号转换为数字信号的过程，DA（Digital to Analog）指数字信号转换为模拟信号的过程。
AD转换过程主要包括采样、量化和编码三个阶段。
首先，采样是将连续的模拟信号按照一定的时间间隔进行离散化处理，其中的模拟信号也被称为连续时间信号。
采样频率是指每秒对模拟信号进行采样的次数，常用单位为Hz。
接下来是量化，即将连续的模拟信号转换为离散的数字量，其精度由量化位数决定，量化位数越高，精度越高。
最后是编码，将量化后的数字信号通过编码器转换为二进制码，以便能够在数字系统中进行传输和处理。
DA转换过程主要包括解码和重构两个阶段。
首先，解码是将二进制码转换为离散的数字量，采用解码器进行解码。
接下来是重构，即将离散的数字量转换为连续的模拟信号，其精度由重构位数决定，重构位数越高，精度越高。
最后通过滤波器对重构后的模拟信号进行滤波处理，以去除可能产生的噪声和失真。
主要技术指标包括采样频率、量化位数、重构位数和信噪比等。
采样频率是指每秒对模拟信号进行采样的次数，频率越高，能够更准确地还原原始模拟信号，但也需要更高的系统性能和硬件成本。
常用的采样频率有8kHz、16kHz、32kHz、44.1kHz、48kHz等。
量化位数是指将模拟信号转换为数字信号时，对信号幅值的离散级数。
例如，8位的量化位数可以表示256个离散级数，12位的量化位数可以表示4096个离散级数。
量化位数越高，数字信号的分辨率越高，能够更准确地还原原始信号。
重构位数是指将数字信号转换为模拟信号时，对数字量的精度。
与量化位数类似，重构位数越高，模拟信号的分辨率越高，能够更准确地还原原始信号。
信噪比（SNR）是模拟信号与数字信号之间的噪声水平，表示了有效信号与噪声之间的相对强度。
信噪比越高，数字信号的质量越好，表示数字信号中噪声所占比例较小。
《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。
AD和DA转换器的分类及其主要技术指标
AD和DA转换器的分类及其主要技术指标AD和DA转换器（Analog-to-Digital and Digital-to-Analog converters）是电子设备中常用的模数转换器和数模转换器。
AD转换器将连续的模拟信号转换成对应的离散数字信号，而DA转换器则将离散的数字信号转换成相应的连续模拟信号。
本篇文章将介绍AD和DA转换器的分类以及它们的主要技术指标。
一、AD转换器分类AD转换器主要分为以下几个类型：1.逐次逼近型AD转换器（Successive Approximation ADC）逐次逼近型AD转换器是一种常见且常用的AD转换器。
它采用逐渐逼近的方法逐位进行转换。
其基本原理是将模拟输入信号与一个参考电压进行比较，不断调整比较电压的大小，确保比较结果与模拟输入信号的差别小于一个允许误差。
逐次逼近型AD转换器的转换速度相对较快，精度较高。
2.模数积分型AD转换器（Sigma-Delta ADC）模数积分型AD转换器是一种利用高速和低精度的ADC与一个可编程数字滤波器相结合的技术。
它通过对输入信号进行高速取样并进行每个采样周期的累积和平均，降低了后续操作所需的带宽。
模数积分型AD转换器具有较高的分辨率和较好的线性度，适用于高精度应用。
3.并行型AD转换器（Parallel ADC）并行型AD转换器是一种通过多个比较器并行操作的AD转换器。
它的转换速度较快，但其实现成本相对较高。
并行型AD转换器适用于高速数据采集和信号处理。
4.逐渐逼近型AD转换器（Ramp ADC）逐渐逼近型AD转换器是一种通过线性递增电压与输入信号进行比较的转换器。
它利用逐渐逼近的方法寻找与输入信号最接近的电压值，然后以此电压值对应的时间来估计输入信号的值。
逐渐逼近型AD转换器转换速度较慢，但精度较高。
5.其他类型AD转换器除了上述几种常见的AD转换器类型外，还有其他一些特殊的AD转换器类型，如比例调制型AD转换器、索耳转换器等。
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。
AD转换电路和DA转换电路
LE2
LE3
MSB
12位 相乘 型 D/A 转换 电路
LSB
10
14 UREF 13 Io2
Io1
11
Rf b
24 3
UCC
12
DAC1208
AD-DA转换器实例仿真
有一模数－数模转换电路如图，试根据不同转换频率， 仿真该电路
REF1=REF2=10V E Ovr
REF2
In 10sin4t
1
UR/2
+1
#
-1 N1
UR/4
d1
≥1
&
d0
AD转换器
集成A/D转换器ADC0809
启动 START CLK
IN7
8路 模拟 量输
入 IN0
3 位 ADDA 地址 ADDB
线 ADDC 地址锁 ALE 存允许
WR
8路 模拟 开关
地址 锁存 与 译码
控制逻辑与时序
-1
#
+1
SAR
开关树
三态输 出锁存 缓冲器
ADDA
UCC
+5V
ui7
IN7
REF(+)
…
……
REF(–)
ui0
IN0 GND
b)
DA转换器
D/A转换器的转换特性
对n位D/A转换器 ，设其输入是n位二进制数字输入信号 Din (d1,…dn), Din = d1x2-1+…+dnx2-n 如果D/A转换器的基准电压位UR,则理想D/A转换器的输 出电压U0可表示为 U0 = UR*Din
REF1
1
2
in Conv
AD_DA原理及主要技术指标
AD_DA原理及主要技术指标AD-DA（模拟-数字/数字-模拟）转换是现代电子设备中常见的基本电路和技术。
它负责将模拟信号转换为数字信号或将数字信号转换为模拟信号。
AD-DA转换在诸如音频处理、图像采集、仪器仪表等领域都有广泛应用。
AD转换即模拟到数字转换，它将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。
AD转换通常涉及样本化、量化和编码三个步骤。
样本化是指将连续的模拟信号离散化为一系列时序的采样值。
在样本化过程中，模拟信号将被周期性地采样，并将每个采样点的幅值记录下来。
量化是指将每个采样点的幅值映射到一组离散的量化级别。
通过将连续的幅值区间映射为有限的离散级别，量化将模拟信号的无限细节化为数字形式。
编码是指将每个量化级别映射到二进制代码。
编码将每个量化级别分配一个特定的二进制代码，使得每个样本点都能准确地表示为二进制形式的数字。
DA转换即数字到模拟转换，它将离散的数字信号转换为连续的模拟信号。
DA转换通常涉及解码和重构两个步骤。
解码是指将数字代码转换为对应的模拟量化级别。
解码使用逆编码来将二进制代码映射回量化级别。
重构是指使用一定的插值或滤波技术来重建连续的模拟信号。
由于数字信号是离散的，重构步骤有助于消除数字信号中的采样误差，并使其逼近原始模拟信号。
在AD-DA转换中，有几个重要的技术指标需要考虑：1. 分辨率：分辨率是指数字信号中能够表示的最小变化量。
它通常以比特（bit）来表示。
分辨率越高，表示数字信号可以更准确地表示模拟信号。
2.采样率：采样率是指单位时间内进行采样的次数。
它通常以赫兹（Hz）来表示。
采样率的选择要根据所采集信号的频率范围进行，以避免采样失真。
3.带宽：带宽是指AD-DA转换器能够有效处理的频带范围。
带宽通常以赫兹（Hz）表示。
带宽决定了AD-DA转换器的频率响应范围。
4.信噪比：信噪比是指信号的强度与背景噪声的强度之比。
它通常以分贝（dB）表示。
信噪比越高，表示信号与噪声的区别越大，传输的信号质量也就越好。
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 DA转换电路解析
uO
输入数字量分别控制D3、D2、D1、D0分别控制模拟开 关S3、S2、S1、S0 的工作状态。
数字逻辑电路电子教案 西北大学信息学院
当Di为“1”时，Si接通集成运放的反相输入端，当Di为 “0”时，Si接集成运放的同相输入端。集成运放的同相输入 端接地，由于虚地，则反相输入端也相当接地。这样，不 管开关SI接那边，流过各电阻支路的电流不变。根据电路的 连接关系，标出各支路电流方向及大小如图示：
数字逻辑电路电子教案 西北大学信息学院
输入4位数字量D3、D2、D1、D0分别控制模拟电子 开关S3、S2、S1、S0的工作状态。当Di为“1”时，开关 Si接通参考电压UREF，反之Di为“0”时，开关Si接地。 求和运算放大器的输出电压为：
LSB D0 I0 S0 2 3R S1 2 2R D1 I1 S2 2 1R D2 I2 S3 20R MSB D3 I3 R/2
传感器 A/D 数字控制系统 D/A 模拟控制器
数字逻辑电路电子教案 西北大学信息学院
可以看出， A/D 转换和 D/A 转换是现代数字化设备中不 可缺少的部分，是数字电路和模拟电路中间的接口电路。 为了保证数据处理结果的准确性，要求 A/D 、 D/A 转换 有一定的转换精度。同时，为了适应快速过程控制和检测的 需要， A/D 转换和 D/A 转换必须有足够快的转换速度。为此， 转换精度和转换速度乃是衡量 A/D 转换和 D/A 转换性能优劣 的主要标志。
+
uO
UREF
数字逻辑电路电子教案 西北大学信息学院
LSB D0 I0 S0 2 3R S1 2 2R
D1 I1 S2 2 1R
D2 I2
MSB D3 I3 S3 20R
《单片机原理与应用》AD和DA转换实验
《单片机原理与应用》AD和DA转换实验一、实验目的１、学习AD转换芯片PCF8591的基本共组原理。
２、掌握PCF8591的编程方法二、实验说明PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。
PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。
PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。
在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。
1、地址寄存器I2C总线系统中的每一片PCF8591通过发送有效地址到该器件来激活，该地址包括固定部分和可编程部分。
可编程部分必须根据地址引脚A0. A1和A2来设置。
在I2C总线协议中地址必须是起始条件作为第一个字节发送。
地址字节的最后一位是用于设置以后数据传输方向的读写位。
如图8-1所示。
图8-1 地址寄存器2 控制字寄存器发送到PCF8591的第二个字节将被存储在控制寄存器，用于控制器件功能，控制寄存器的高半字节用于容许模拟输出，和将模拟输入编程为单端或差分输入。
低半字节选择一个由高半字节定义的模拟输入通道。
如果自动增量（auto-increment）标志置1，每次AD转换后通道号将自动增加。
如果自动增量（auto-increment）模式是使用内部振荡器的应用中所需要的，那么控制字节中模拟输出容许标志应置1.这要求内部振荡器持续运行，因此要防止振荡器启动延时的转换错误结果。
模拟输出容许标志可以在其他时候复位以减少静态功耗。
选择一个不存在的输入通道将导致分配最高可用的通道号。
所以，如果自动增量（auto-increment）被置1，下一个被选择的通道将总是通道0.两个半字节的最高有效位（即第7位和第3位）是留给未来的功能，必须设置为逻辑0.控制寄存器的所有位在上电复位后被复位为逻辑0.DA转换器和振荡器在节能时被禁止。
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。
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一个DAC集成电路 ADC0804
Digital Fundamentals
sunwq@
A/D转换器的转换精度和转换速度
转换精度
取决于量化等级的数量 最终取决于二进制数的位数 例如，最大输入信号是5V，并且用1024个量化 等级，用10bit编码，那么精度是5/210V
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倒T形电阻网络DAC
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倒T形电阻网络DAC
0 0 0 1
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倒T形电阻网络DAC
数字量:0101010…，模拟量:电压，电流等 数字声音的播放，是将数字化的声音文件通过 模拟的通道（例如喇叭或者耳机）播放出来
如何完成转换
假设数字量是Dn=dn-1dn-2…d2d1d0 那么模拟量就是：Av=C×(dn-12n-1+ dn-22n2+…+d 20)，其中C取决于转换器的电路结构 0
对量化后的样点进行编码
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Flash ADC
阅读例13-3
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Stairstep-Ramp ADC
反馈比较型AD转换器
阅读图13-18
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采样 量化
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模拟信号的采样
对模拟信号进行一定间隔的采样，得到一组模拟的电压值
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对样点进行量化和编码
1V
7/8V 6/8V 5/8V 4/8V 3/8V 2/8V 1/8V
对纵轴进行量化电平划分，落在区间中的样点值 即被量化为该区间的电平值。
Digital Fundamentals
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两种量化方法
区间的电平值 标定为该区间的最大值
区间的电平值 标定为该区间的中间值
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DAC举例(CD播放器)
Digital Fundamentals
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ADC举例(空调温度控制)
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D/A转换器
将数据量转化为模拟量
Vout
Rf R1
Vin1
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权电阻网络(Weighted Resister Network) DAC
0
1
2
3
电阻值越大，权重越小。 Vout = -If×Rf=-(I0+I1+I2+I3)×Rf
(
V0 V V V R 21 1 2 0 3 ) R f f (V0 V1 V2 V3 ) 23 R 2 R 2 R 2 R R 23 22 21 20
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Digital Fundamentals
DAC举例
Vout
Rf R
(
V0 V1 V2 V3 2 1 0) 3 2 2 2 2
Rf 10K R 25K
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DAC举例
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运算放大器(Operational Amplifier)
Rf
Vin1 Vin2
A + Vout
Ri
Vin1 Vin2
A + Vout
Vout～A× (Vin2－ Vin1) 开环使用时可以做比较器。 闭环(Closed Loop)使用时，正相输入端接地。 由于负反馈的存在，反相输入端电压也接近于0
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Tracking ADC
阅读图13-20
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Successive-Approximation ADC
逐次渐进型AD转换器
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Digital Fundamentals
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DAC的性能
分辨率(Resolution)
输出离散电压点的数量 和DAC的输入个数有关系
精度(Accuracy)
通常不超过LSB的1/2 例如，对于8位的DAC，其精度是1/(281)/2=±0.2% 如果最大输出电压是10V，那么该DAC的最大 误差是10× 0.2%＝0.02V
转换速度
并联型比较快(<50ns)，逐次渐进型稍慢 (<1us)
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作业
第13章：1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，14
Digital Fundamentals
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第13章 数模/模数转换
Analog to Digital, Digital to Analog conversion (A/D, D/A conversion)
孙卫强
Digital Fundamentals sunwq@
内容提要
概述 D/A转换（DAC） A/D转换（ADC）
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一个DAC集成电路DAC0808
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A/D转换器
将一个模拟量转化为数字量
例如数字声音的采集，是将模拟的电流或者电 压转化为数字化的01序列
A/D转换的两个步骤