微机原理第十一章模数和数模转换
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微机原理与接口技术第11章_模数和数模转换
VREF IOUT2
12
R1b 9 LE
11 I OUT1 RFB
3 A GND 20
Vcc
WR2 18 17 XFER
10 D GND DAC0832的内部结构与引脚图
双缓冲方式（单DAC）
输出电路 数 单极性输出 字
量 输 入
0832
i
R
+
VOUT
VOUT = - iR
数 字 量 输 入
i
0832
②单缓冲方式：
• ILE接高电平；CS、 WR1、WR2、 XFER接控制输出 端（连接方式有多 种形式）； • 当对DAC0832进行 写操作时（执行 OUT指令），数字 量直接被转换成模 拟量。
地址总线
地址 译码
Vcc WR2 WR1 CS IOUT1 XFER IOUT2
＋5V
WR IO/M D7-D0
典型的DA转换器
AD7524 DAC0832 DAC1210
AD7524
数 据 总 线
地 址 总 线
利用AD7524产生锯齿波、三角波、 方波和正弦波
编程实现输出从0到4.98V线形增长的周期性锯齿波 编程实现输出0.5V到2.5V的三角波 如何输出方波？ 如何输出正弦波？
DAC0832
主要参数 引脚图 工作方式
DA转换的基本原理 DA转换器的性能指标 典型的DA转换器
DA转换的基本原理
利用权电阻网络和运算放大器实现
输出电流Io的计算
I o d1 I1 d 2 I 2 d 3 I 3 d 4 I 4 VR VR VR VR d1 d2 d3 d4 R 2R 4R 8R 2VR 1 2 3 4 (d1 2 d 2 2 d 3 2 d 4 2 ) R
数模和模数转换
通过模数转换，将模拟信号转换为数字信号， 实现过程控制和反馈控制。
自动控制系统
通过模数转换，实现模拟信号与数字信号之 间的转换，构建自动控制系统。
05
数模和模数转换的挑战与未 来发展
精度和分辨率的提高
总结词
随着技术的发展，对数模和模数转换 的精度和分辨率的要求越来越高。
详细描述
为了满足高精度和分辨率的需求，需 要采用先进的工艺、算法和校准技术， 以提高转换器的性能。这涉及到对噪 声抑制、非线性校正等方面的深入研 究和技术创新。
重要性
实现数字信号和模拟信号之间的相互转换，使得数字系统和模拟系统能够进行有效 的信息交互。
在信号处理中，数模和模数转换是实现信号滤波、放大、调制解调等操作的基础。
在通信中，数模和模数转换是实现信号传输、编解码、调制解调等操作的关键环节。
历史背景
早期的数模和模数转换器主要依 赖于机械和电子元件，精度和稳
于长距离传输和低功耗应用。
Σ-Δ DAC
03
Σ-Δ DAC采用过采样和噪声整形技术，具有高分辨率和低噪声
的特点，适用于音频和其他高精度应用。
DAC的应用
音频处理
DAC可将数字音频信号转换为模拟音频信号，用 于音频播放和处理。
仪器仪表
DAC可用于将数字信号转换为模拟信号，实现各 种物理量的测量和输出。
测量仪器
ADC在测量仪器中应用广泛，如电压表、电 流表、温度计等。
控制系统
ADC在控制系统中用于实时监测和调节系统 参数，如工业控制、汽车电子等。
音频处理
ADC在音频处理中用于将模拟音频信号转换 为数字信号，便于存储、传输和处理。
04
数模和模数转换的应用场景
音频处理
自动控制系统
通过模数转换，实现模拟信号与数字信号之 间的转换，构建自动控制系统。
05
数模和模数转换的挑战与未 来发展
精度和分辨率的提高
总结词
随着技术的发展，对数模和模数转换 的精度和分辨率的要求越来越高。
详细描述
为了满足高精度和分辨率的需求，需 要采用先进的工艺、算法和校准技术， 以提高转换器的性能。这涉及到对噪 声抑制、非线性校正等方面的深入研 究和技术创新。
重要性
实现数字信号和模拟信号之间的相互转换，使得数字系统和模拟系统能够进行有效 的信息交互。
在信号处理中，数模和模数转换是实现信号滤波、放大、调制解调等操作的基础。
在通信中，数模和模数转换是实现信号传输、编解码、调制解调等操作的关键环节。
历史背景
早期的数模和模数转换器主要依 赖于机械和电子元件，精度和稳
于长距离传输和低功耗应用。
Σ-Δ DAC
03
Σ-Δ DAC采用过采样和噪声整形技术，具有高分辨率和低噪声
的特点，适用于音频和其他高精度应用。
DAC的应用
音频处理
DAC可将数字音频信号转换为模拟音频信号，用 于音频播放和处理。
仪器仪表
DAC可用于将数字信号转换为模拟信号，实现各 种物理量的测量和输出。
测量仪器
ADC在测量仪器中应用广泛，如电压表、电 流表、温度计等。
控制系统
ADC在控制系统中用于实时监测和调节系统 参数，如工业控制、汽车电子等。
音频处理
ADC在音频处理中用于将模拟音频信号转换 为数字信号，便于存储、传输和处理。
04
数模和模数转换的应用场景
音频处理
《数字电子技术基础》第11章_数模与模数转换讲解
如果Di=0，TN1截止，TN2导通，固定端A与P(与运放的同 相端)相连。
由于MOS管的导通电阻不相等，导致电阻网络不是准确的 R-2R网络，出现误差。
2．单片集成DAC
单片集成倒T形电阻网络DAC芯片有AD7520(10位DAC) 、 DAC1210H(12位DAC) 和AK7546(16位DAC)等。
根据变换网络的结构，DAC分为倒T形电阻网络DAC、权
电流型DAC、T形电阻网络DAC、权电阻网络DAC、权电容网
络DAC和开关树型DAC。 本节介绍倒T形电阻网络DAC和权电流型DAC。
11.2数模转换器(DAC)
11.2.1 倒T形电阻网络DAC 11.2.2 权电流型DAC *11.2.3 DAC的双极性输出 11.2.4 DAC的主要技术指标
第11章 数模与模数转换器
将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器 （DAC—Digital to Analog Converter），而将模拟 信号转换为数字信号的电路则称为模数转换器(ADC-Analog to Digital Converter)。
DAC和ADC是数字电路和模拟电路之间的接口电 路。
生产过程中 的物理量
数字执 行机构 工业控制计算（IPC）、单片机、数字信号处理器 和可编逻辑控制器，甚至可以扩展到计算机网络。 执行机构
各种物理量的测量和显示、手动控制和报警等功能
数模转换器、模数转换器是模拟系统与数字系统的桥梁，称为 接口电路。它们是用数字系统处理模拟信号所必须的电子电路。
11.2 数模转换器(DAC)
推广到一般情况，n位权电流型DAC的输出电压为
21 D1 20 D0 )
I 24
41
2i Di
i0
由于MOS管的导通电阻不相等，导致电阻网络不是准确的 R-2R网络，出现误差。
2．单片集成DAC
单片集成倒T形电阻网络DAC芯片有AD7520(10位DAC) 、 DAC1210H(12位DAC) 和AK7546(16位DAC)等。
根据变换网络的结构，DAC分为倒T形电阻网络DAC、权
电流型DAC、T形电阻网络DAC、权电阻网络DAC、权电容网
络DAC和开关树型DAC。 本节介绍倒T形电阻网络DAC和权电流型DAC。
11.2数模转换器(DAC)
11.2.1 倒T形电阻网络DAC 11.2.2 权电流型DAC *11.2.3 DAC的双极性输出 11.2.4 DAC的主要技术指标
第11章 数模与模数转换器
将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器 （DAC—Digital to Analog Converter），而将模拟 信号转换为数字信号的电路则称为模数转换器(ADC-Analog to Digital Converter)。
DAC和ADC是数字电路和模拟电路之间的接口电 路。
生产过程中 的物理量
数字执 行机构 工业控制计算（IPC）、单片机、数字信号处理器 和可编逻辑控制器，甚至可以扩展到计算机网络。 执行机构
各种物理量的测量和显示、手动控制和报警等功能
数模转换器、模数转换器是模拟系统与数字系统的桥梁，称为 接口电路。它们是用数字系统处理模拟信号所必须的电子电路。
11.2 数模转换器(DAC)
推广到一般情况，n位权电流型DAC的输出电压为
21 D1 20 D0 )
I 24
41
2i Di
i0
11 数模和模数转换
START CLOCK 启动 时钟 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 8位A/D转换器 逻辑控制 和定时电路 8路 模拟量 选通 开关 逐次逼近寄存器 SAR 三态 输出 数据 锁存器
8 路 模 拟 信 号 输 入
转换结束 EOC D0 (LSB) D1 D2 8位 D3 数据 D4 输出 D5 D6 D7 (MSB) 输出有效控制 OE
Байду номын сангаас
例如±（1/2）LSB。如果分辨率为8位，则它的精 度是： ±（1/2）（1/256）＝±1/512 ④线性误差 当数字量变化时,D/A转换器输出的模拟量按比例关 系变化的程度。 2. D/A和微机接口技术的关键 D/A转换器可视为微机的一种外围设备，实现D/A转 换器和微机接口技术的关键是数据锁存问题。 有些D/A芯片本身不带数据锁存器，而CPU向 D/A芯片输出一个数据只在DB上持续很短时间，所 以必须用外部芯片，如用74LS273或8255A作为D/A 转换的数据锁存器。
CALL L2：DEC OUT OUT CALL CMP JNZ OUT OUT CALL ┇
DELAY2 AL ；产生梯形波下降部分波形 80H，AL 88H，AL DELAY1 AL 00H L2 80H，AL 88H，AL DELAY3；产生梯形波下降部分波形
例：转换8位，若电压满量程为5V，则能分 辨的最小电压为：5V/256≈20mV； 转换10位，若电压满量程为5V，则能分辨 的最小电压为：5V/1024≈5Mv。 ② 转换时间： 指数字量输入到转换输出稳定为止所需的时 间； ③精度： 指D/A实际输出与理论值之间的误差，一般 采用数字量的最低有效位（LSB）作为衡量 单位；
数-模与模-数转换
4）转换时间。完成一次A/D所需的时间称为转换时间。各类A/D转换 器的转换时间有很大差别，取决于A/D转换的类型和转换位数。速度 最快的达到ns级，慢的约几百ms。
直接A/D型快，间接A/D型慢。并联比较型A/D最快，约几十ns；逐次 渐近式A/D其次，约几十μs；双积分型A/D最慢，约几十ms～几百ms 。
模拟电子开关的导通压降、导通电阻和电阻网络中电阻的误差等因素 有关。
2021/8/13
5
3）温度系数。在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度 变化而变化的量，称压变化的值。
4）建立时间。完成一次D/A转换所需时间。一般小于1μs 。
功能。当采样脉冲us到来后，采样管VT导通，输入的模拟 信号uA经过VT管向电容C充电。在采样脉冲结束后，采样 管VT截止，若电容和场效应管的漏电都很小，运算放大器
的输入阻抗又很高，那么两次采样之间的时间内，电容没
有泄漏电荷，其电压基本保持不变。
2021/8/13
10
3）量化与编码。所谓量化就是将采样/保持后得到的样本值在幅值上以一定的 级数离散化，用最小量化单位的倍数来表示采样保持阶梯波离散电平的过程。
例如，对于一个8位D/A转换器，其分辨率为：1/(281)=1/255≈0.00392=0.392%
2）转换精度。转换精度是指输出模拟电压实际值与理论值之差，即最 大静态误差。
转换精度与D/A转换器的分辨率、非线性转换误差、比例系数误差和温
度系数等参数有关。这些参数与基准电压UREF的稳定、运放的零漂、
电子技术基础与技能
数/模与模/数转换
2021/8/13
1. 数模转换和模数转换基本概念 数字电路和计算机只能处理数字信号，不能处理模拟信号。若
《模数数模转换》课件
详细描述
随着便携式设备和物联网设备的普及，低功耗的模数数模转换器成为研究的重点 。同时，低成本也是推动模数数模转换器广泛应用的关键因素之一。
集成化和智能化
总结词
集成化和智能化是模数数模转换器的未 来发展趋势，将为其带来更多的应用场 景。
VS
详细描述
集成化能够减小模数数模转换器的体积和 重量，便于集成到各种设备中。智能化则 能够提高模数数模转换器的自适应能力和 智能化水平，使其更好地适应各种复杂的 应用场景。
减小量化误差的方法包括增加量化级别和使用更 小的步长。
量化误差可以通过采用适当的量化方法和技术来 减小，例如使用非均匀量化或噪声成形技术。
分辨率和精度
01
分辨率是指数模转换器能够分辨的最小电压变化量，通常以位 数表示。
02
精度是指数模转换器的实际输出电压与理想输出电压之间的最
大偏差。
提高分辨率和精度的方法包括使用高精度的元件和电路设计，
流水线型ADC
将模拟信号转换为数字信号的过程中 ，采用多级流水线的方式进行，具有 高分辨率和高速的特性。
插值型ADC
通过插值算法提高转换精度，适用于 高精度的应用场景。
ADC的工作原理
采样
编码
将模拟信号转换为时间离散的信号。
将幅度离散的信号转换为数字信号。
量化
将时间离散的信号转换为幅度离散的 信号。
电流输出型
输出电流与数字输入量呈线性关系，适用于需要电流输出的场合。
电阻输出型
输出电阻与数字输入量呈线性关系，适用于需要电阻输出
权电阻型
通过改变权电阻的阻值来 模拟数字输入量的大小。
权电流型
通过改变权电流源的电流 值来模拟数字输入量的大 小。
随着便携式设备和物联网设备的普及，低功耗的模数数模转换器成为研究的重点 。同时，低成本也是推动模数数模转换器广泛应用的关键因素之一。
集成化和智能化
总结词
集成化和智能化是模数数模转换器的未 来发展趋势，将为其带来更多的应用场 景。
VS
详细描述
集成化能够减小模数数模转换器的体积和 重量，便于集成到各种设备中。智能化则 能够提高模数数模转换器的自适应能力和 智能化水平，使其更好地适应各种复杂的 应用场景。
减小量化误差的方法包括增加量化级别和使用更 小的步长。
量化误差可以通过采用适当的量化方法和技术来 减小，例如使用非均匀量化或噪声成形技术。
分辨率和精度
01
分辨率是指数模转换器能够分辨的最小电压变化量，通常以位 数表示。
02
精度是指数模转换器的实际输出电压与理想输出电压之间的最
大偏差。
提高分辨率和精度的方法包括使用高精度的元件和电路设计，
流水线型ADC
将模拟信号转换为数字信号的过程中 ，采用多级流水线的方式进行，具有 高分辨率和高速的特性。
插值型ADC
通过插值算法提高转换精度，适用于 高精度的应用场景。
ADC的工作原理
采样
编码
将模拟信号转换为时间离散的信号。
将幅度离散的信号转换为数字信号。
量化
将时间离散的信号转换为幅度离散的 信号。
电流输出型
输出电流与数字输入量呈线性关系，适用于需要电流输出的场合。
电阻输出型
输出电阻与数字输入量呈线性关系，适用于需要电阻输出
权电阻型
通过改变权电阻的阻值来 模拟数字输入量的大小。
权电流型
通过改变权电流源的电流 值来模拟数字输入量的大 小。
数电第十一章数模和模数转换详解演示文稿
数电第十一章数模和模数转换 详解演示文稿
第1页，共128页。
（优选）数电第十一章数模和 模数转换
第2页，共128页。
1.用途：
11.1 概述
一个计算机控制系统的框图如图11.1.1所示。
控制 对象
非电量
传感器
模拟量
模/数 转换器
数字量
计算机
数字量
数/模 转换器
执行 机构
模拟量
图11.1.1 计算机控制系统框图
第10页，共128页。
1.组成：
图11.2.2是4位权电阻网络D/A转换器的原理图，它是 由权电阻网络、4个电子模拟开关和1个求和放大器组成。
权电阻网络
模拟开关
求和放大器
图11.2.2
第11页，共128页。
（1）S3~S0:为电子开关， 其状态受输入数码d3~d0 的取值控制。当di＝1时 开关接到参考电压
值，可以将VREF取负值。
2. 此电路的优点是电路结构简单，所用的电阻元件少。缺点 是各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数越多，差别 就越大，故很难保证电阻的精确度。
第16页，共128页。
为了克服这个缺点，在输入数字量较多时可采用图 11.2.3所示的电路。
Rs=8R
23 R 22 R 21 R 20 R
第5页，共128页。
2.A/D转换器：
将模拟信号转换成数字信号的过程称为模/数转换 （Analog to Digital），实现的电路称为A/D转换器，简 写为ADC（Analog－Digital Converter）。
A/D转换器的类型可分成直接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（如时间、频率等），然后再将这个中间 量转换成输出的数字量。
第1页，共128页。
（优选）数电第十一章数模和 模数转换
第2页，共128页。
1.用途：
11.1 概述
一个计算机控制系统的框图如图11.1.1所示。
控制 对象
非电量
传感器
模拟量
模/数 转换器
数字量
计算机
数字量
数/模 转换器
执行 机构
模拟量
图11.1.1 计算机控制系统框图
第10页，共128页。
1.组成：
图11.2.2是4位权电阻网络D/A转换器的原理图，它是 由权电阻网络、4个电子模拟开关和1个求和放大器组成。
权电阻网络
模拟开关
求和放大器
图11.2.2
第11页，共128页。
（1）S3~S0:为电子开关， 其状态受输入数码d3~d0 的取值控制。当di＝1时 开关接到参考电压
值，可以将VREF取负值。
2. 此电路的优点是电路结构简单，所用的电阻元件少。缺点 是各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数越多，差别 就越大，故很难保证电阻的精确度。
第16页，共128页。
为了克服这个缺点，在输入数字量较多时可采用图 11.2.3所示的电路。
Rs=8R
23 R 22 R 21 R 20 R
第5页，共128页。
2.A/D转换器：
将模拟信号转换成数字信号的过程称为模/数转换 （Analog to Digital），实现的电路称为A/D转换器，简 写为ADC（Analog－Digital Converter）。
A/D转换器的类型可分成直接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（如时间、频率等），然后再将这个中间 量转换成输出的数字量。
第十章十一章数模及模数转换详解演示文稿
+4
+3
+2
+1 0
偏移码
+3 +2 +1 0 -1 -2
-3
-4
可见，单极性码是正数，偏移码是单极性码加上一 个偏移量而得(本例的偏移量为-4)。
10
目前十页\总数七十一页\编于七点
⑤输出模拟量的极性
有单极性输出、双极性输出。 对需要正负电压控制的设备，要使用双极性DAC，或在 输出电路中采取措施，使输出电压有极性变化。
另外，在系统中，D/A转换器也是一种微机的外 围设备，因此，在实际使用中，无论D/A转换器的 内部是否带有数据锁存器，都经常利用并行I/O接 口芯片与CPU相连，这样，在时序配合和驱动能力上 都容易和CPU一致，使设计简化和调试方便。并增 加系统的可靠性。
14
目前十四页\总数七十一页\编于七点
10.2 D/A转换器接口电路设计
11
目前十一页\总数七十一页\编于七点
二、D/A转换器与微处理器的接口方法
1. 接口的任务
主要任务是要解决CPU与DAC之间数据缓冲问题。
原因之一在于CPU的输出数据在数据总线上出现的时间 很短暂，只有几个时钟周期。因此，D/A转换器接口必
须能将数据保存起来供转换之用。
原因之二在于，若CPU的数据总线宽度与DAC的分辨
压，则它能分辨的最小电压=5V/1024=5mV。可见其分
辨率高于8位的D/A转换器。
4
目前四页\总数七十一页\编于七点
②转换时间
指数字量输入到完成转换．输出达到最终值并稳定 为止所需的时间。
电流型D／A转换较快。
电压型D/A转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。 一般在几ns到几百µs之内。
+3
+2
+1 0
偏移码
+3 +2 +1 0 -1 -2
-3
-4
可见，单极性码是正数，偏移码是单极性码加上一 个偏移量而得(本例的偏移量为-4)。
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目前十页\总数七十一页\编于七点
⑤输出模拟量的极性
有单极性输出、双极性输出。 对需要正负电压控制的设备，要使用双极性DAC，或在 输出电路中采取措施，使输出电压有极性变化。
另外，在系统中，D/A转换器也是一种微机的外 围设备，因此，在实际使用中，无论D/A转换器的 内部是否带有数据锁存器，都经常利用并行I/O接 口芯片与CPU相连，这样，在时序配合和驱动能力上 都容易和CPU一致，使设计简化和调试方便。并增 加系统的可靠性。
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目前十四页\总数七十一页\编于七点
10.2 D/A转换器接口电路设计
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目前十一页\总数七十一页\编于七点
二、D/A转换器与微处理器的接口方法
1. 接口的任务
主要任务是要解决CPU与DAC之间数据缓冲问题。
原因之一在于CPU的输出数据在数据总线上出现的时间 很短暂，只有几个时钟周期。因此，D/A转换器接口必
须能将数据保存起来供转换之用。
原因之二在于，若CPU的数据总线宽度与DAC的分辨
压，则它能分辨的最小电压=5V/1024=5mV。可见其分
辨率高于8位的D/A转换器。
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②转换时间
指数字量输入到完成转换．输出达到最终值并稳定 为止所需的时间。
电流型D／A转换较快。
电压型D/A转换较慢，取决于运算放大器的响应时间。 一般在几ns到几百µs之内。
什么是电路中的数模转换和模数转换
什么是电路中的数模转换和模数转换电路中的数模转换和模数转换是指将数字信号和模拟信号互相转换的过程。
在现代电子设备和通信系统中，这两种转换方式起着至关重要的作用。
1. 数模转换：数模转换是将数字信号转换为模拟信号的过程。
在数字电路中，所有信息都以二进制形式表示，通过数模转换可以将数字信号转换为模拟电压、电流或其他模拟形式的信号。
常见的数模转换器是数字到模拟转换器（DAC），它将数字信号转换为模拟信号的输出。
数模转换器通常由一个数字输入和一个模拟输出组成。
数模转换器的输入可以是数字编码、数字信号或数字数据，输出信号则是连续的模拟波形。
在数模转换的过程中，数字信号经过采样和量化，然后根据一定的规则转换为相应的模拟信号。
数模转换在诸多应用中发挥着重要的作用，如音频和视频处理、通信系统中的调制解调器等。
通过数模转换，数字信号能够在模拟电路中进行处理和传输，实现数字与模拟信号之间的无缝衔接。
2. 模数转换：模数转换是将模拟信号转换为数字信号的过程。
在大部分现代电子设备中，数字信号更易于处理和存储，因此需要将模拟信号转换为数字信号以进行后续处理。
模数转换器（ADC）是常见的模数转换设备，它将模拟信号转换为离散的数字化信号。
模数转换器通常包含一个模拟输入和一个数字输出。
在模数转换的过程中，连续的模拟波形被分段采样，然后经过量化，最终转换为离散的数字信号。
适当的采样频率和精度可以确保模拟信号在数字化后能够保持较高的还原度。
模数转换在许多领域中被广泛使用，如音频和视频编码、传感器信号处理、通信系统中的调制解调器等。
通过模数转换，模拟信号可以被数字电路准确地表示和处理，实现了数字系统对模拟信号的感知和操作。
总结：数模转换和模数转换是电路中常见的信号转换方式，它们相互补充，使得数字和模拟信号能够在电子设备和通信系统中相互转换。
数模转换将数字信号转换为模拟信号，模数转换则将模拟信号转换为数字信号。
这两种转换方式的应用广泛，并在现代电子技术中扮演着重要的角色。
第11章数模与模数转换——讲义
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。
2、倒T形电阻网络转换器a.电路构成：电阻网络中只有R和2R两种阻值。
微机原理第十一章 模数和数模转换
DI0~DI7： 8位数据输入端 ILE： 输入锁存允许信号，高电平有效，控制8位输入寄存 器的数据是否能被锁存 CS：片选信号，低电平有效，与ILE信号一起控制WR1信 号能否起作用
WR1：写信号1，低电平有效，在ILE和CS有效的条件下，控 制将输入数据锁存于输入寄存器中 WR2：写信号2，低电平有效，在XFER有效的条件下，控制将 输入寄存器中的数字传送到8位DAC寄存器中 XFER：传送控制信号，低电平有效，和WR2控制信号决定8 位DAC寄存器是否工作 8位D/A转换器接收被8位DAC寄存器锁存的数据，并把该数据 转换成相对应的模拟量 IOUT1：DAC电流输出1，是逻辑电平为1的各位输出电流之和 IOUT2：DAC电流输出2，是逻辑电平为0的各位输出电流之和
采样器相当于一个受控的理想开关，s(t)=1时，开关闭合， fs(t)=f(t)；s(t)=0时开关断开，fs(t)=0。fs(t)=f(t)· s(t) 在s(t)=1期间，输出跟踪输入变化，相当于输出把输入的“样 品”采下来了，采样电路也叫跟踪电路
保持：将采样得到的模拟量值保持下来，即是说，s(t)=0期 间，使输出等于采样控制脉冲存在的最后瞬间的采样值， 保持发生在s(t)=0期间
例：采用单缓冲方式，通过DAC0832输出产生三角波，三角波 最高电压5Ｖ，最低电压0Ｖ
分析： 为减少控制线条数，可使ILE一直处于高电平状态，一级输入 寄存器锁存，第二级直通，单极性电压输出 产生三角波电压范围为0V~5Ｖ，对应的输出数据00H~FFH。 三角波上升部分从00H起加1，直到FFH；三角波下降部分从 FFH起减1，直到00H
量化：把采样值取整为最小单位的整数倍，这个最小单位称为 量化单位Δ，它等于输入信号的最大范围/数字量的最大范围， 对应于数字量1 量化的方法通常有两种：只舍不入法和四舍五入法 量化误差：量化而产生的误差，直接影响转换器的转换精度。 量化误差是由于量化电平的有限性造成的，是原理性误差， 只能减小，无法消除 编码就是把已经量化的模拟数值(它一定是量化电平的整数倍) 用二进制数码、BCD码或其他码来表示
数字电路第11章数模与模数转换
VO=2013-8-5
VREF 24
(d323+ d222+ d121+ d020)
阜师院数科院
对于n位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取 R/2时，输出电压的计算公式可写成
VO=-
VREF
2n
(dn-12n-1+ dn-22n-2+… d121+ d020)
Dn 2n-1 当 Dn=0时VO=0，当Dn=11…11时VO=- n VREF
2R
+VREF
I
由于在倒T形电阻网络D/A转换器中，各支路 电流直接流入运算放大器的输入端，它们之间 不存在传输上的时间差；另外无论电子开关打 向上还是下电阻上端几乎全接同一电位。电路 的这一特点不仅提高了转换速度，亦减小了动
态过程中输出端可能出现的尖脉冲。
图11.2.5 CB7520（AD7520）的电路原理图
1 +1 0 0 1 -1 0 -2 1 -3 0 -4
1 0 1 +5V
1 0 0 +4V 0 1 1 +3V 0 1 0 0 0 1
阜师院数科院
+1V
0V -1V -2V -3V -4V
+2V +1V
2013-8-5 表11.2.1 P510
0 0 0 0V
偏
D0
D1
i T形电 阻网络 D/A转 换器
D3D2D1D0=0001时，UO= –VREF/16= –D0VREF/24
根据叠加原理:
UO= –(D3VREF/21+ D2VREF/22 + D1VREF/23 + D0VREF/24 )
= –(D3/21+ D2/22 + D1/23 + D0/24 ) VREF
第11章 数模-模数转换总结
论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。
1 LSB ，就表明实际输出的数字量和理 2
例：某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1s内对16个热电 偶的输出电压分数进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为0～25mV （对应于0～450℃温度范围），需分辨的温度为0.1℃，试问应选择 几位的A/D转换器？ 解： 分辨率= 0.1
任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的 “地”，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路， 由于噪声容限较高，通常是不需要考虑“地”的形式的，但对 于模拟电路而言，这个不同地方的“地”对测量的精度是构成 影响的，因此，通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分 开布线，只在板中的一点把它们连接起来（通过0欧姆电阻）。
二、D/A转换器的主要电路形式 1. 权电阻网络D/A转换器
(MSB) dn-1 dn-2
数字量输入
d2 d1
UREF
(LSB) d0
双向模拟开关
Sn-1 In-1 2R
0
Sn-2 In-2 2R
1
S2 … I2 2 R
n-3
S1 I1 2 R
n-2
S0 I0 2 R I － A +
n-1
RF (R/2)
13
11.2 数模转换器
DAC0832的三种工作方式
（a）双缓冲方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数 据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的 同步转换输出。 （b）单缓冲方式：此时只需一次写操作，就开始转换，提高了D/A的数 据吞吐量。 14 （c）直通方式：输出随输入的变化随时转换。
运算放大器输出电压为
n-1 n-1
电路中的模数转换与数模转换
电路中的模数转换与数模转换在电路中，模数转换和数模转换是非常重要的概念。
它们分别指的是将模拟信号转换为数字信号和将数字信号转换为模拟信号的过程。
首先，让我们来了解一下什么是模拟信号和数字信号。
模拟信号是连续变化的信号，可以取任何值，例如声音、光线、温度等。
而数字信号是离散的信号，只能取有限个特定的值，通常用0和1表示。
数字信号常用于计算机和通信系统中，因为它们易于处理和传输。
模数转换是指将模拟信号转换为数字信号的过程。
这个过程通常由模数转换器（ADC）完成。
ADC将连续的模拟信号按照一定的采样率进行采样，并将每个采样点的模拟值转换为对应的数字值。
这些数字值可以代表模拟信号的幅度、频率等信息。
模数转换的精度取决于ADC的位数，位数越高，转换精度越高。
模数转换在很多领域中发挥着重要作用。
例如，音频系统中的模数转换用于将声音信号转换为数字信号，以便在计算机中进行音频处理和存储。
在医疗设备中，模数转换被用来测量生理信号，如心电图、血压等。
在工业控制系统中，模数转换被用来监测和控制各种物理量，如温度、湿度、压力等。
接下来，让我们来谈谈数模转换，它是将数字信号转换为模拟信号的过程。
数模转换通常由数模转换器（DAC）完成。
DAC接收一串二进制数字，并将其转换为对应的模拟值。
数模转换的精度也取决于DAC的位数，位数越高，转换精度越高。
数模转换常用于数字系统与模拟设备之间的接口。
例如，在音频系统中，数模转换器将数字音频信号转换为模拟音频信号，以便输出到扬声器中。
在图像系统中，数模转换器将数字图像信号转换为模拟图像信号，以便输出到显示屏上。
除了模数转换和数模转换，还有一些相关的概念值得一提。
一个是采样率，它表示模拟信号的采样频率。
采样率越高，可以获取到更多的模拟信号细节，但也会增加处理和存储的成本。
另一个是量化误差，它表示模拟信号与转换后的数字信号之间的差异。
量化误差取决于ADC或DAC的精度，以及信号的动态范围。
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微机原理第十一章模数和数模转换
每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断 开， Vref为基准电压
V0
=
n
-
i=1
1 2i
SiVref
2R
Rf
S1 4R
S2 8R
S3
16R
S4
32R
S5
Vref
64R S6
VO
128R
S7
256R S8
微机原理第十一章模数和数模转换
R-2R T型电阻网络D/A转换器
建立时间：数字量输入到稳定输出的时间
微机原理第十一章模数和数模转换
内部无数据输入寄存器的D/A芯片的接口
微机原理第十一章模数和数模转换
D/A转换器的位数超过系统总线长度的接口
微机原理第十一章模数和数模转换
D/A转换器用两级数据缓冲器的接口
内部有数据输入寄存器的D/A芯片的是将D/A芯片直接和数据
第十一章 模数和数模转换
基本概念 模数转换技术 数模转换技术
微机原理第十一章模数和数模转换
模拟量I/O通道的组成 输入通道
工
传
感
业
器
放大 滤波
多路转换
& 采样保持
A/D 转换
输入 接口
微
型
生
物理量
产
变换
信号 处理
计
信号
I/O
变换
接口
算
过
执行
程
机构
放大 驱动
机
D/A
输出
转换
接口
输出通道 模拟电路的任务
微机原理第十一章模数和数模转换
No Image
DI0~DI7： 8位数据输入端 ILE： 输入锁存允许信号，高电平有效，控制8位输入寄存 器的数据是否能被锁存 CS：片选信号，低电平有效，与ILE信号一起控制WR1信号 能否起作用
微机原理第十一章模数和数模转换
WR1：写信号1，低电平有效，在ILE和CS有效的条件下，控 制将输入数据锁存于输入寄存器中 WR2：写信号2，低电平有效，在XFER有效的条件下，控制将 输入寄存器中的数字传送到8位DAC寄存器中 XFER：传送控制信号，低电平有效，和WR2控制信号决定8 位DAC寄存器是否工作 8位D/A转换器接收被8位DAC寄存器锁存的数据，并把该数据 转换成相对应的模拟量 IOUT1：DAC电流输出1，是逻辑电平为1的各位输出电流之和 IOUT2：DAC电流输出2，是逻辑电平为0的各位输出电流之和
线性误差和非线性误差用两个方法表示误差的大小
分辨率：反映D/A转换器对模拟量的分辨能力，是最小输出 电压与最大输出电压之比 N位转换器，其分辨率为满量程电压/2N
在实际使用中，一般用输入数字量的位数来表示分辨率大小。 例：8位D/A转换器，12位D/A转换器等 分辨率取决于D/A转换器的位数
微机原理第十一章模数和数模转换
输入数码 xp=a12-1+a22-2+…+ai2-i+…+anu2-n，则： Uo=UNxp=UN(a12-1+a22-2+…+an2-n)=UNi∑=a1i2-i
实现数/模（D/A）转换的方法比较多，常用的有两种 权电阻D/A：电路由权电阻、位切换开关、反馈电阻和运算放 大器组成 选用不同的权电阻网络，就可以得到不同编码的D/A转换器
微机原理第十一章模数和数模转换
单极性输出
微机原理第十一章模数和数模转换
双极性输出
微机原理第十一章模数和数模转换
D/A转换器的主要参数
线性误差：理想转换特性是线性的，实际特性总有一定的非线 性，用在满刻度范围内偏离理想特性的最大值表示线性误差
非线性误差： D/A转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲 线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程 的百分数度量。在转换器电路设计中，一般要求非线性误差不 大于±1/2LSB
微机原理第十一章模数和数模转换
D/A转换器的输出
D/A转换的结果与输入二进制码成比例的电流，称为电流DAC D/A转换的结果与输入二进制码成比例的电压，称为电压DAC
常用的D/A转换芯片大多属于电流DAC，在实际应用中，一 般需要电压输出，需要把电流转换为电压输出 转换一般采用运算放大器，输出可以是单极性电压或双极性 电压 单极性电压输出的电压正负值由参考电压极性而定 双极性电压输出是在单极性电压输出后再加一级运算放大器
UO=－U0Rf/Ri=－2/3UNxp×3R/2R=－Unxp 式中的输入取值xp为0或1：取0时开关与地相连，该位无电流 输入；取1时开关与参考电压VR接通，该位有电流输入
xp为全1，运算放大器输出为－(1－1/2K)UN xp为全0，则运算放大器输出为0 D/A转换器的输出在0~(1－1/2K)UN之间
实际应用的D/A转换器，普遍采用R-2R T 型电阻网络 电路由串联分路开关、R-2R电阻网络、运算放大器和一个反馈 电阻Rf组成。采用分流原理，实现对输入数字量的转换
微机原或向下看，等效电阻都是R，等 效输入电阻都是3R 若反馈电阻Rf＝3R，则输出电压UO：
绝对精度：在输入端加入给定数字量时，在输出端实测的模 拟量与理论值之间的偏差
相对精度：当满量程值校准后，输入的任何数字量所对应的 模拟输出值与理论值的误差 D/A转换器的转换精度与D/A转换器芯片和外接电路有关。外 接运算放大器，外接参考电源，都会影响D/A转换器的精度 在D/A转换过程中，影响转换精度的主要因素有失调误差、 增益误差、非线性误差和微分非线性误差 如果不考虑其他D/A转换误差时，D/A的转换精度就是分辨率 的大小
模拟接口电路的任务
微机原理第十一章模数和数模转换
运算放大器特点
特点 ：开环放大倍数非常高 、输入阻抗非常大和输出阻抗很小
Rf R1
Vin
…∑
Rn
VO
V0
=
-Rf
n i=1
1 Ri
Vin
微机原理第十一章模数和数模转换
数/模转换原理
D/A转换电路在内部基本都是并行结构，并行D/A转换器的转 换速度快，只要输入端加入数码信号，输出端立即有相应的模 拟电压输出。并行D/A转换器的位数与输入数码的位数相同， 对应输入数码的每一位都设有信号输入端，用以控制相应的模 拟切换开关
总线相连
微机原理第十一章模数和数模转换
DAC 0832
DAC 0832是美国数据公司的8位双缓冲D/A转换器，片内有数 据锁存器，电路有极好的温度跟随性，使用CMOS电流开关 和控制逻辑来获得低功耗和低输出泄漏电流误差 主要技术指标 建立时间1μs 单电源+5～+15V VREF输入端电压±25V 分辨率8位 功率能耗200mW 最大电源电压VDD17V 输入与TTL电平兼容 电流输出型D/A转换器
每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断 开， Vref为基准电压
V0
=
n
-
i=1
1 2i
SiVref
2R
Rf
S1 4R
S2 8R
S3
16R
S4
32R
S5
Vref
64R S6
VO
128R
S7
256R S8
微机原理第十一章模数和数模转换
R-2R T型电阻网络D/A转换器
建立时间：数字量输入到稳定输出的时间
微机原理第十一章模数和数模转换
内部无数据输入寄存器的D/A芯片的接口
微机原理第十一章模数和数模转换
D/A转换器的位数超过系统总线长度的接口
微机原理第十一章模数和数模转换
D/A转换器用两级数据缓冲器的接口
内部有数据输入寄存器的D/A芯片的是将D/A芯片直接和数据
第十一章 模数和数模转换
基本概念 模数转换技术 数模转换技术
微机原理第十一章模数和数模转换
模拟量I/O通道的组成 输入通道
工
传
感
业
器
放大 滤波
多路转换
& 采样保持
A/D 转换
输入 接口
微
型
生
物理量
产
变换
信号 处理
计
信号
I/O
变换
接口
算
过
执行
程
机构
放大 驱动
机
D/A
输出
转换
接口
输出通道 模拟电路的任务
微机原理第十一章模数和数模转换
No Image
DI0~DI7： 8位数据输入端 ILE： 输入锁存允许信号，高电平有效，控制8位输入寄存 器的数据是否能被锁存 CS：片选信号，低电平有效，与ILE信号一起控制WR1信号 能否起作用
微机原理第十一章模数和数模转换
WR1：写信号1，低电平有效，在ILE和CS有效的条件下，控 制将输入数据锁存于输入寄存器中 WR2：写信号2，低电平有效，在XFER有效的条件下，控制将 输入寄存器中的数字传送到8位DAC寄存器中 XFER：传送控制信号，低电平有效，和WR2控制信号决定8 位DAC寄存器是否工作 8位D/A转换器接收被8位DAC寄存器锁存的数据，并把该数据 转换成相对应的模拟量 IOUT1：DAC电流输出1，是逻辑电平为1的各位输出电流之和 IOUT2：DAC电流输出2，是逻辑电平为0的各位输出电流之和
线性误差和非线性误差用两个方法表示误差的大小
分辨率：反映D/A转换器对模拟量的分辨能力，是最小输出 电压与最大输出电压之比 N位转换器，其分辨率为满量程电压/2N
在实际使用中，一般用输入数字量的位数来表示分辨率大小。 例：8位D/A转换器，12位D/A转换器等 分辨率取决于D/A转换器的位数
微机原理第十一章模数和数模转换
输入数码 xp=a12-1+a22-2+…+ai2-i+…+anu2-n，则： Uo=UNxp=UN(a12-1+a22-2+…+an2-n)=UNi∑=a1i2-i
实现数/模（D/A）转换的方法比较多，常用的有两种 权电阻D/A：电路由权电阻、位切换开关、反馈电阻和运算放 大器组成 选用不同的权电阻网络，就可以得到不同编码的D/A转换器
微机原理第十一章模数和数模转换
单极性输出
微机原理第十一章模数和数模转换
双极性输出
微机原理第十一章模数和数模转换
D/A转换器的主要参数
线性误差：理想转换特性是线性的，实际特性总有一定的非线 性，用在满刻度范围内偏离理想特性的最大值表示线性误差
非线性误差： D/A转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲 线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程 的百分数度量。在转换器电路设计中，一般要求非线性误差不 大于±1/2LSB
微机原理第十一章模数和数模转换
D/A转换器的输出
D/A转换的结果与输入二进制码成比例的电流，称为电流DAC D/A转换的结果与输入二进制码成比例的电压，称为电压DAC
常用的D/A转换芯片大多属于电流DAC，在实际应用中，一 般需要电压输出，需要把电流转换为电压输出 转换一般采用运算放大器，输出可以是单极性电压或双极性 电压 单极性电压输出的电压正负值由参考电压极性而定 双极性电压输出是在单极性电压输出后再加一级运算放大器
UO=－U0Rf/Ri=－2/3UNxp×3R/2R=－Unxp 式中的输入取值xp为0或1：取0时开关与地相连，该位无电流 输入；取1时开关与参考电压VR接通，该位有电流输入
xp为全1，运算放大器输出为－(1－1/2K)UN xp为全0，则运算放大器输出为0 D/A转换器的输出在0~(1－1/2K)UN之间
实际应用的D/A转换器，普遍采用R-2R T 型电阻网络 电路由串联分路开关、R-2R电阻网络、运算放大器和一个反馈 电阻Rf组成。采用分流原理，实现对输入数字量的转换
微机原或向下看，等效电阻都是R，等 效输入电阻都是3R 若反馈电阻Rf＝3R，则输出电压UO：
绝对精度：在输入端加入给定数字量时，在输出端实测的模 拟量与理论值之间的偏差
相对精度：当满量程值校准后，输入的任何数字量所对应的 模拟输出值与理论值的误差 D/A转换器的转换精度与D/A转换器芯片和外接电路有关。外 接运算放大器，外接参考电源，都会影响D/A转换器的精度 在D/A转换过程中，影响转换精度的主要因素有失调误差、 增益误差、非线性误差和微分非线性误差 如果不考虑其他D/A转换误差时，D/A的转换精度就是分辨率 的大小
模拟接口电路的任务
微机原理第十一章模数和数模转换
运算放大器特点
特点 ：开环放大倍数非常高 、输入阻抗非常大和输出阻抗很小
Rf R1
Vin
…∑
Rn
VO
V0
=
-Rf
n i=1
1 Ri
Vin
微机原理第十一章模数和数模转换
数/模转换原理
D/A转换电路在内部基本都是并行结构，并行D/A转换器的转 换速度快，只要输入端加入数码信号，输出端立即有相应的模 拟电压输出。并行D/A转换器的位数与输入数码的位数相同， 对应输入数码的每一位都设有信号输入端，用以控制相应的模 拟切换开关
总线相连
微机原理第十一章模数和数模转换
DAC 0832
DAC 0832是美国数据公司的8位双缓冲D/A转换器，片内有数 据锁存器，电路有极好的温度跟随性，使用CMOS电流开关 和控制逻辑来获得低功耗和低输出泄漏电流误差 主要技术指标 建立时间1μs 单电源+5～+15V VREF输入端电压±25V 分辨率8位 功率能耗200mW 最大电源电压VDD17V 输入与TTL电平兼容 电流输出型D/A转换器