模数和数模转换
(数字电子技术)第7章数模与模数转换
第7章 数/模与模/数转换
7.1 概述 7.2 数/模转换 7.3 模/数转换 7.4 本章小结 7.5 例题精选 7.6 自我检测题
第7章 数/模与模/数转换
7.1 概 述
随着以数字计算机为代表的各种数字系统的广泛普及和 应用，模拟信号和数字信号的转换已成为电子技术中不可或 缺的重要组成部分。数/模转换指的是把数字信号转换成相 应的模拟信号，简称D/A转换，同时将实现该转换的电路称 为D/A转换器，简称DAC；模/数转换指的是把模拟信号转 换为数字信号，简称A/D转换，并将实现该转换的电路称为 A/D转换器，简称ADC。
当Rf=R时
uo＝
uR 2n
n-1
di zi
i＝ 0
由上式可以看出，此电路完成了从数字量到模拟量的转 换，并且输出模拟电压正比于数字量的输入。
第7章 数/模与模/数转换
2. 集成DAC电路AD7524 AD7524(CB7520)是采用倒T型电阻网络的8位并行D／A 转换器，功耗为20 mW，供电电压UDD为5～15 V。 AD7524典型实用电路如图7.2.5所示。
第7章 数/模与模/数转换
7.3.4 常见的ADC电路
1. 逐次逼近型ADC 逐次逼近型ADC是按串行方式工作的，即转换器输出 的各位数码是逐位形成的。图7.3.6为原理框图，该电路由电 压比较器、逻辑控制器、D/A转换器、逐次逼近寄存器等组 成。
第7章 数/模与模/数转换
图 7.3.6 பைடு நூலகம்次逼近型ADC原理图
第7章 数/模与模/数转换
(2) 四舍五入法：取最小量化单位Δ＝2Um/(2n－1－1)， 量化时将0～Δ/2之间的模拟电压归并到0·Δ，把Δ/2～3·Δ/2之 间的模拟电压归并到1·Δ，依此类推，最大量化误差为Δ/2。 例如，需要把0～+1 V之间的模拟电压信号转换为3位二进制 代码，这时可取Δ＝(2/15)V，那么0～(1/15)V之间的电压就 归并到0·Δ，用二进制数000表示；数值在(1/15)～(3/15)V之 间的电压归并到1·Δ，用二进制数001表示，并依此类推，如 图7.3.5(b)
第12章 数模与模数转换
d0
d1
输入
…
dn－1
uo 或 io D / A 输出
uo Ku (dn1 2n1 dn2 2n2 d1 21 d0 20 )
2019/11/17
电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
9
普通高等教育“十二五”规划教材
机械工业出版社
§12.2.1 数/模转换电路的基本概念
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电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
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普通高等教育“十二五”规划教材
机械工业出版社
§12.1 数/模与模/数转换的基本概念
作用在被控对象上的信号通常也是模拟信号，这就需 要将计算机处理过的数字信号再转换为模拟信号，才能作 用于被控制对象，这种把数字量转换成相应的模拟量的过 程叫做数/模转换，其相应的转换电路叫做数/模转换器 （Digital-Analog Converter， DAC）。数字控制系统框图 如图12-1所示。
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电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
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普通高等教育“十二五”规划教材
机械工业出版社
§12.2.3 D/A转换器主要技术指标
3.转换速度 D/A转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所
需要的时间称为转换速度。 不同的DAC转换速度亦不同，一般约在几微秒到几十微秒
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电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
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普通高等教育“十二五”规划教材
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§12.1 数/模与模/数转换的基本概念
图12-1 数字控制系统框图
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电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
数模转换与模数转换
数模转换与模数转换数模转换（Digital-to-Analog Conversion，简称DAC）和模数转换（Analog-to-Digital Conversion，简称ADC）是数字信号处理中常用的两种信号转换方法。
数模转换将数字信号转换为模拟信号，而模数转换则将模拟信号转换为数字信号。
本文将就数模转换和模数转换的原理、应用以及未来发展进行探讨。
一、数模转换（DAC）数模转换是将数字信号转换为模拟信号的过程。
在数字系统中，所有信号都以离散的形式存在，如二进制码。
为了能够将数字信号用于模拟系统中，需要将其转换为模拟信号，从而使得数字系统与模拟系统能够进行有效的接口连接。
数模转换的原理是根据数字信号的离散性质，在模拟信号上建立相似的离散形式。
常用的数模转换方法有脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation，简称PAM），脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）和脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，简称PPM）等。
这些方法根据传输信号的不同特点，在转换过程中产生连续的模拟信号。
数模转换在很多领域有广泛应用。
例如，在音频领域，将数字音频信号转换为模拟音频信号，使得数字音频可以通过扬声器播放出来。
另外，在电信领域，将数字信号转换为模拟信号后，可以用于传输、调制解调、功率放大等过程。
二、模数转换（ADC）模数转换是将模拟信号转换为数字信号的过程。
模拟信号具有连续的特点，而数字系统只能处理离散的信号。
因此，当需要将模拟信号用于数字系统时，就需要将其转换为数字形式。
模数转换的原理是通过采样和量化来实现。
采样是将模拟信号在时间上进行离散化，而量化是将采样信号在幅度上进行离散化。
通过这两个过程，可以将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。
模数转换在很多领域都有应用。
例如，在音频领域，将模拟音频信号转换为数字音频信号，使得音频信号可以被数字设备处理和存储。
第8章模数及数模转换
D0
…
D/A 转换器
V(或I)
8.2 D/A转换器
❖ 8.2.1 权电阻网络D/A转换器
❖ 图是4位权电阻网络D/A转换器的原理图，由模拟电子开关阵列、权电阻网络、
运算放大器和基准参考电压源组成。
D3
D2
D1
D0
VREF
数字寄存器
Ｓ3
Ｓ2
Ｓ1
Ｓ0
RF
R
2R
4R
8R
—
V
＋
8.2 D/A转换器
❖ (1)数码寄存器：在锁存指令控制下，将输入数字量D3～D0存入寄存器中，使得 在一次完整的转换过程中输入的数字量保持稳定。
8.3 A/D转换器
❖ 8.3.1 A/D转换的基本原理
❖ A/D转换的功能就是将模拟信号转换为对应的数字信号。通常要求这种转换是线 性的，使得每次转换产生的若干位数字量可以真实地反映当前模拟量的大小。
采样
保持
量化
编码
Vi
S
Vs
Vo
C
S (t) ( a)
8.3 A/D转换器
❖ 通常采样和保持是由采样保持电路来实现的，
❖ 当第三个CP脉冲到达后，节拍脉冲CP2的下降沿使JK触发器FF1的输出Q1为0， FF0被直接置为l，Q2Q1Q0=D2D1D0=101，3位D/A转换器输出的比较电压为 VR=5V，此时因Vi>VR，故比较器输出仍为CO =l，各JK触发器的J=1，K=0。
8.2 D/A转换器
❖ 8.2.3 权电流型D/A转换器
❖ 上述两种D/C转换器都是利用电子开关将基准电压接到电阻网络中去，由于电子 开关存在导通电阻和导通压降，而且其值也各不相同，不可避免会引起转换误差； 而权电流型D/A转换器是将一系列的电流源通过控制开关引导到负载上，可以很 好地克服上述两种D/C转换器存在的缺陷。
数模和模数转换
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
【精品】数模转换与模数转换
【关键字】精品第7章数-模转换与模-数转换第1讲数-模转换一、教学目的：1、数模转换的基本原理。
2、理解常见的数模转换电路。
3、掌握数模转换电路的主要性能指标。
二、主要内容：1、数模转换的定义及基本原理2、权电阻D/A转换器、倒T型D/A转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数3、DAC主要性能指标三、重点难点：权电阻D/A转换器、倒T型D/A转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数。
四、课时安排：2学时五、教学方式：课堂讲授六、教学过程设计复习并导入新课：新课讲解：[重点难点]权电阻D/A转换器、倒T型D/A转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数，逐次逼近型A/D转换器、双积分型A/D转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数。
[内容提要]本章介绍数字信号和模拟信号相互转换的基本原理和常见转换电路。
必要性与意义：自然界中，许多物理量是模拟量，电子系统中的输入、输出信号多数也是模拟信号。
而数字系统处理的数字信号却具有抗干扰能力强、易处理等优点；利用数字系统处理模拟信号的情况也越来越普遍。
由于数字系统只能对数字信号进行处理，因此要根据实际情况对模拟信号和数字信号进行相互转换。
随着计算机技术和数字信号处理技术的快速发展，在通信、自动控制等许多领域，常常需要将输入到电子系统的模拟信号转换成数字信号后，再由系统进行相应的处理，而数字系统输出的数字信号，还要再转换为模拟信号后，才能控制相关的执行机构。
这样，就需要在模拟信号与数字信号之间建立一个转换接口电路—模数转换器和数模转换器。
A/D转换定义：将模拟信号转换为数字信号的过程称为模数转换（Analog to Digital），或A/D转换。
能够完成这种转换的电路称为模数转换器（Analog Digital Converter），简称ADC。
D/A转换定义：将数字信号转换为模拟信号的过程称为数模转换（Digital to Analog），或D/A转换。
数模模数转换
退，用计算机进行分析处理。第四步，因执行控 制器一般只认模拟量，例如，左转还是右转，它 主要取决于电感的极性(正电感、还是负电感？) 速度大小是由电感或电流大小决定，运动方向和 速度(例如是向前，还是退后，是向左进还是右 退，进多少尺寸？退多少尺寸？)主要取决于执 行电机的型号、规格、机械安装、机械传动等。 需要将数字量转为模拟量(即D/A变换)。最后一 步由执行机构去完成各种操作。将被加工件生产 出来。
常见的数/模和模/数转换系统有以下几种。 一、数字控制系统
以数控为例：首先对被加工件进行摄影、 测绘，这个过程可以说由传感器完成，然后进行 量化，将具体的尺寸、形状、加工顺序…，均由 数码表示，这个过程叫A/D转换成数字信息。第 三步，将加工顺序编写成计算机可以识别的程 序。例如进刀、退刀；前进、后退、左进、后
由图可见，T3、T2、T1、T0和Tc的基极 是接在一起的，只要这些三极管的发射结压降 VBE相等，则它们的发射极处于相同的电位。
图9-9 实用的权电流型DAC
在计算各支路的电流时，可以认为2R电阻 的上端都接到了同一个电位上，因而流过每个 2R电阻的电流自左至右依次减少了1/2。为保证 所有三极管的发射结压降相等，在发射结电流较 大的三极管中按比例加大了发射结的面积，在图 中用增加发射极的数目来表示。图中的恒流源 IB0用来给TR、TC、T0~T3提供必要的基极偏置 电流。
当Di=1时，对应的Ri支路与参考电位VBEF 接通，则该支路电流为：
Ii
VREF Ri
VREF 2n-1-i R
VREF 2i 2生的电流，写成通式 为：
Ii
VREF 2n-1 R
2i
Di
根据叠加原理，总的输出电流为：
第九章 数/模转换和模/数转换
模数(A／D)和数模(D／A)转换
模数（A/D）和数模（D/A）转换11.1 模数转换和数模转换概述11.1.1 一个典型的计算机自动控制系统一个包含A/D和D/A转换器的计算机闭环自动控制系统如图11.1所示。
图11.1 典型的计算机自动控制系统在图11.1中，A/D转换器和D/A转换器是模拟量输入和模拟量输出通路中的核心部件。
在实际控制系统中，各种非电物理量需要由各种传感器把它们转换成模拟电流或电压信号后，才能加到A/D转换器转换成数字量。
一般来说，传感器的输出信号只有微伏或毫伏级，需要采用高输入阻抗的运算放大器将这些微弱的信号放大到一定的幅度，有时候还要进行信号滤波，去掉各种干扰和噪声，保留所需要的有用信号。
送入A/D转换器的信号大小与A/D转换器的输入范围不一致时，还需进行信号预处理。
在计算机控制系统中，若测量的模拟信号有几路或几十路，考虑到控制系统的成本，可采用多路开关对被测信号进行切换，使各种信号共用一个A/D转换器。
多路切换的方法有两种：一种是外加多路模拟开关，如多路输入一路输出的多路开关有：AD7501，AD7503，CD4097，CD4052等。
另一种是选用内部带多路转换开关的A/D转换器，如ADC0809等。
若模拟信号变化较快，为了保证模数转换的正确性，还需要使用采样保持器。
在输出通道，对那些需要用模拟信号驱动的执行机构，由计算机将经过运算决策后确定的控制量（数字量）送D/A转换器，转换成模拟量以驱动执行机构动作，完成控制过程。
287第11章 模数（A/D ）和数模（D/A ）转换 11.1.2 模/数转换器（ADC ）的主要性能参数1. 分辨率它表明A/D 对模拟信号的分辨能力，由它确定能被A/D 辨别的最小模拟量变化。
一般来说，A/D 转换器的位数越多，其分辨率则越高。
实际的A/D 转换器，通常为8，10，12，16位等。
2. 量化误差在A/D 转换中由于整量化产生的固有误差。
量化误差在±1/2LSB （最低有效位）之间。
什么是数模转换和模数转换
什么是数模转换和模数转换1. 引言在现代科技和通信领域中，数模转换（Digital-to-Analog Conversion）和模数转换（Analog-to-Digital Conversion）是非常重要的概念。
它们在各种应用中起着至关重要的作用，如音频处理、图像处理、数据转换等。
本文将介绍数模转换和模数转换的定义、原理和应用。
2. 数模转换数模转换是将数字信号转换为模拟信号的过程。
数字信号是以离散的二进制形式表示的信号，而模拟信号是连续变化的信号。
通过数模转换，我们可以将数字信号转换为模拟信号，以便于在模拟领域进行进一步的处理和分析。
数模转换的原理是通过采样和保持、量化和编码三个步骤实现的。
首先，采样和保持将连续的模拟信号转换为离散的采样信号。
然后，量化将采样信号的幅度离散化为一系列的取值。
最后，编码将离散化后的采样信号转换为二进制代码，以便进行数字信号处理。
数模转换广泛应用于音频和视频领域。
例如，在音频播放器中，数模转换器将数字音频信号转换为模拟信号，使得我们可以聆听到高质量的音乐。
同时，在数字电视中，数模转换器将数字视频信号转换为模拟视频信号，使得我们可以观看高清晰度的电视节目。
3. 模数转换模数转换是将模拟信号转换为数字信号的过程。
模拟信号是连续变化的信号，而数字信号是以离散的二进制形式表示的信号。
通过模数转换，我们可以将模拟信号转换为数字信号，以便于在数字领域进行处理和存储。
模数转换的原理是通过采样和量化两个步骤实现的。
首先，采样将连续的模拟信号转换为离散的采样信号。
然后，量化将采样信号的幅度离散化为一系列的取值。
最终，将离散化后的采样信号转换为二进制代码，以表示数字信号。
模数转换在通信领域和数据存储领域得到广泛应用。
例如，在手机通信中，模数转换器将人的声音转换为数字信号，以便于在网络中传输。
同样地，在数字存储设备中，模数转换器将模拟数据（如声音、图像等）转换为数字数据，以便于存储和处理。
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
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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。
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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
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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
数模和模数转换
按位数分类，数模转换器可分为二进制数模转换器和十进制 数模转换器。按工作方式分类，数模转换器可分为静态数模 转换器和动态数模转换器。按输入/输出接口分类，数模转换 器可分为独立式和并联式数模转换器等。
02
模数转换器（ADC）
定义
模数转换器（ADC）是一种将模拟信 号转换为数字信号的电子设备。它通 过一系列的电子和逻辑电路，将连续 的模拟信号转换为离散的数字信号。
04
数模和模数转换的挑战与解 决方案
量化误差
要点一
总结词
量化误差是由于数模转换器（DAC） 或模数转换器（ADC）的有限分辨率 和动态范围引起的误差。
要点二
详细描述
量化误差是由于数模转换器或模数转 换器的有限分辨率和动态范围引起的 误差。在数模转换中，量化误差表现 为输出模拟信号的不连续性，而在模 数转换中，量化误差表现为输入模拟 信号的失真。
像。
图像识别与处理
02
通过数模转换将图像从模拟信号转换为数字信号，进行图像识
别、分析和处理。
图像压缩与传输
03
利用数模转换技术对图像数据进行压缩和传输，提高传输效率
和降低存储成本。
通信系统
01
02
03
数字信号传输
数模转换将数字信号转换 为模拟信号，用于调制解 调器进行数据传输。
频分复用
通过模数转换将不同频率 的模拟信号转换为数字信 号，实现频分复用，提高 通信容量。
逐次逼近型ADC
逐次逼近型ADC采用一个比较器和逐位逼近的方法，通过 逐步调整参考电压来逼近输入电压，最终得到数字输出。 它的分辨率较高，但转换速率相对较慢。
积分型ADC
积分型ADC通过测量输入电压引起的电容充电时间来得到 数字输出。它的分辨率较高，但受限于积分器的线性度和 稳定性。
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。
数模转换和模数转换
• 1.倒T型电阻网络D/A转换器 • 如图9-1-2所示为一个4位倒T型电阻网络D/A转换器(按同样结构可将
它扩展到任意位)，它由数据锁存器(图中未画)、模拟电子开关 (S0~S3) , R~ 2R倒T型电阻网络、运算放大器(A)及基准电压U REF组 成。
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9. 2 模数转换电路
• 3. ADC0809应用说明 • (1)ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 • (2)初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 • (3)送要转换的那一通道的地址到A,B,C端口上。 • (4)在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 • (5)是否转换完毕，可以根据EOC信号来判断。 • (6)当EOC变为高电平时，这时给GE为高电平，转换的数据就输出给
的取样频率由取样定理确定。 • 根据采样定理，用数字方法传递和处理模拟信号，并不需要信号在整
个作用时间内的数值，只需要采样点的数值。所以，在前后两次采样 之间可把采样所得的模拟信号暂时存储起来以便将其进行量化和编码。 • 2.量化和编码 • 经过采样、保持后的模拟电压是一个个离散的电压值。对这么多离散 电压直接进行数字化(即用有限个。
• 1.集成D/A转换器DA7520 • 常用的集成D/A转换器有DA7520,DAC0832,DA00808 , DA01230,
MC1408、AD7524等，这里只对DA7520做介绍。 • DA7520的外引线排列及连接电路如图9-1-3所示. • DA7520的主要性能参数如下: • (1)分辨率:十位; • (2)线性误差 • (3)转换速度
数模转换和模数转换原理
S0 I 2n 2R 2R
－A +
Байду номын сангаас
u0
I 2n
参考电压U 供出的总电流为： 参考电压 REF供出的总电流为： I = UREF
R
分流：流入求和点的各支路电流为： 分流：流入求和点的各支路电流为：
I UREF i di = 1时， i = n−i = n 2 I I UREF i 2 2 R Ii = di n−i = di n 2 2 2 R di = 0时， i = 0 I
8.2 数模转换器
一、D/A转换器的基本工作原理 D/A转换器的基本工作原理 D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量， D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量， 转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量 以电压或电流的形式输出。 以电压或电流的形式输出。 D/A转换器实质上是一个译码器 解码器） D/A 转换器实质上是一个译码器（解码器）。 一般常 转换器实质上是一个译码器（ 用的线性D/A转换器， 其输出模拟电压u D/A转换器 用的线性 D/A 转换器 ， 其输出模拟电压 O 和输入数字量 Dn 之间成正比关系 正比关系。 为参考电压。 之间成正比关系。UREF为参考电压。 uO
虚断，运算放大器的输出电压为： 虚断，运算放大器的输出电压为：
UREF n−1 uO = −RF I∑ = −RF n ∑di 2i 2 R i =0
8.2 数模转换器
令 RF=R ，则
UREF uO = − n 2
UREF ∑di 2 = − 2n Dn i =0
i
n−1
正比于输入的数字量 即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从 数字量到模拟量的转换。 数字量到模拟量的转换。 型电阻网络D/A转换器的特点： 转换器的特点： 倒T型电阻网络 型电阻网络 转换器的特点 ①优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而 优点：电阻种类少，只有 和 ，提高了制造精度； 且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。 且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。 ②应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用 应用：它是目前集成 转换器中转换速度较高且使用 较多的一种， 转换器DAC0832，就是采用倒 型电 较多的一种，如8位D/A转换器 位 转换器 ，就是采用倒T型电 阻网络。 阻网络。
模数和数模转换
U LSB 1 分辨率 n U FSR 2 - 1
表示满度输出电压值，FSR 即 Full Scale Range
UFSR = 例如，一个 uO|D = 11 1 = 10 ( 2n – 1 )DAC ULSB 位的 ，分辨率为 0.000 978。 DAC 的位数越多，分辨率值就越小， 能分辨的最小输出电压值也越小。
3. 转换时间 指 ADC 完成一次转换所需要的时间，即从转换 开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。
转换时间越小，转换速度越高。
转换速度比较：并联比较型 > 逐次逼近型 > 双积分型 数十 ns
数十 s
数十 ms
本章小结
D/A 转换是将输入的数字量转换为与之成正比
的模拟电量。常用的 DAC 主要有权电阻网络
[例] 右图为 CDA7524 的单极性 D7 输出应用电路。图 D6 中电位器 R1 用于调 D5 整运放增益，电容 D4 C 用以消除运放的 D3 D2 自激。已知 ULSB = D1 VREF / 256，试求满 D0 度输出电压及满度 CS 输出时所需的输入 WR 信号。
VDD VREF = 10V 4 14 15 2 k 5 R1 6 16 7 1 k 8 C 15 pF 9 CDA7524 OUT1 10 ∞ 1 11 OUT2 - + u O 12 2 + 13 3
n 位均为 1
2.
转换精度
指 DAC 实际输出模拟电压与理 想输出模拟电压间的最大误差。
它是一个综合指标，不仅与 DAC 中元件参数的精 度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂 移以及转换器的位数有关。 要获得较高精度的 D/A 转换结果，除了正确选用 DAC 的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放 大器。 通常要求 DAC的误差小于 ULSB / 2。
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图10-8 AD574的引脚图
各引脚定义如下 （1）REFOUT：内部基准电压输出端（+10V） （2）REFIN：基准电压输入端，该信号输入 端与REFOUT配合，用于满刻度校准 （3）BIP：偏置电压输入，用于调零 （4）DB11～DB0：12位二进制数的输出端 （5）STS：“忙”信号输出端，高电平有效。 当其有效时，表示正在进行A/D转换
一、传感器（Transducer）
传感器：能够把非电物理量转换成电量（电流 或电压）的器件，一般传感器由电容、电阻、 电感或敏感材料组成，在外加激励电流或电发生改 变，使得输出连续变化的电流或电压与非电物 理量的变化成正比
1．采样/保持器的基本原理
采样保持器是指在逻辑电平的控制下处于“采样”或 “保持”两种工作状态的电路,采样/保持示意图如图105所示，在采样状态下，电路的输出跟踪输入模拟信 号，在保持状态下，电路的输出保持着前一次采样结 束时刻的瞬时输入模拟信号，直到进入下一次采样状 态为止。从图10-5中可以看出，经过对Vi的采样，V0 的小平台电压值保持到下一次的采样开始，该稳定的 “小平台”电压供A/D转换器进行A/D转换
必须要将计算机输出的数字量转换成模拟的电 流或电压，这个任务主要由数/模转换器来完 成 数/模转换芯片一般内部设有输入锁存器，能 将计算机输入给它的数字量锁存下来 需要有一级功率放大电路，将D/A输出的电流 或电压放大到足以驱动执行机构
10.3 模/数与数/模转换器的主要技术指标
10.3.1 模/数转换器的主要技术指标 分辨率（Resolution） 精度（precision） 量程（满刻度范围——Full Scale Range） 转换时间（Conversion Time） 线性度误差（Linearity Error）
一、分辨率（Resolution） 分辨率是指转换器所能分辨的被测量 的最小值。通常用输出二进制代码的位 数来表示。例如称八位A/D转换器的分辨 率称为8位，它把模拟电压的变化范围分 成28-1级（255级）。位数越多，分辨率 越高
二、精度（precision） 精度是指转换的结果相对于实际的偏差， 精度有两种表示方法 （1）绝对精度：用最低位（LSB）的倍数来表 示，如±（1/2）LSB或±1LSB等 （2）相对精度：用绝对精度除以满量程值的 百分数来表示，例如±0.05%等 注意：分辨率与精度是两个不同的概念
10.4.2 A/D转换芯片AD574
一、AD574的引脚功能 AD574是一种逐次逼近型12位A/D转换芯片， 也可以用作8位A/D转换，转换时间为15～ 35μs，若转换成12位二进制数，可以一次读 出，也可分成两次读出，即先读出高8位后读出 低4位。AD574内部能自动提供基准电压，并具 有三态输出缓冲器，使用十分方便
ADC芯片的启动转换信号有电平和脉冲 两种形式。设计时应分别对待，对要求 用电平启动转换的芯片，如果在转换过 程中撤去电平信号，则将停止转换而得 到错误的结果
在ADC转换完成后，会发出转换结束信号， 以示主机可以从模/数转换器读取转换后的 数据。结束信号可以用来向CPU发出中断申 请，CPU响应中断后，在中断服务子程序中 读取数据。也可用查询转换是否结束的方法 来读取数据，通过延时等待的方法来读取数 据也是一种常用的简便方法，这是在采集速 度要求并不高的情况下，启动ADC转换后， 延时等待时间大于ADC的转换时间后便可以 读取转换数据
（6）12/8*：用于控制输出字长的选择输入端。当其为 高电平时，允许A/D转换并行输出12位二进制数；当其为 低电平时，A/D转换输出为8位二进制数 （7）R/C*：数据读出/启动A/D转换。当该输入脚为 高电平时，允许读A/D转换器输出的转换结果；当该输入 脚为低电平时，启动A/D转换 （8）A0：字节地址控制输入端。当启动A/D转换 时，若A0=1，仅作8位A/D转换；若A0=0，则作12位A/D转 换。当作12位A/D转换并按8位输出时，在读入A/D转换值 时，若A0=0，可读高8位A/D转换值，若A0=1，则读入低4 位A/D转换值
按通常习惯，转换器的模拟量范围总是用满 刻度表示。例如12位的A/D转换器，其满刻 度值为10V，而实际的最大输出值为
1 4095 10 − 10 × 12 = 10 × = 9.9976 (V ) 4096 2
四、转换时间（Conversion Time）
从启动转换开始直至转换出稳定的二进代码所 需的时间称为转换时间。转换时间与转换器工作原 理及其位数有关。同种工作原理的转换器，通常位 数越多，其转换时间则越长
五、线性度误差（Linearity Error）
理想的转换器特性应该是线性的，即模拟量输 入与数字量输出成线性关系。线性度误差是转换器 实际的模拟数字转换关系与理想直线不同而出现的 误差，通常用多少LSB表示
10.3.2 D/A转换器的主要技术指标
D/A转换器与A/D转换器的主要技术指标基 本相同，只是转换时间的概念略有不同， D/A转换器的转换时间也称建立时间，是指 当输入的二进制代码从最小值突然跳变到最 大值时，其模拟输出电压相应的满度跳跃并 达到稳定值所需的时间。一般而言，D/A比 A/D的转换时间要短得多
不同的芯片具有不同的连接方式，其中最主 要的是输入、输出以及控制信号的连接方式。 从输入端来看，有单端输入的，也有差动输入 的。差动输入有利于克服共模干扰。输入信号 的极性有单极性和双极性输入，这由极性控制 端的接法决定
从输出方式来看，主要有两种： （1）在ADC芯片内部，数据输出寄存器具有可 控的输出三态门，这类芯片输出线允许和计算机 系统的数据总线直接相连，并在转换结束后可以 利用输入输出读信号选通三态门，将转换成的数 据送到计算机系统的数据总线上 （2）在ADC芯片内部没有可控的输出三态门， 输出寄存器直接与芯片数据输出引脚相连，这种 芯片的数据输出引脚必须通过外加的三态门才能 连到计算机系统的数据总线
在A/D转换器进行采样期间，保持被转换输入信 号不变的电路称为采样保持电路 A/D转换器完成一次转换所需要的时间称为转换 时间 不同A/D转换芯片，其转换时间各异，对于连续 变化较快的模拟信号如果不采取采样保持措施， 将会引起转换误差 慢速变化的模拟信号，在A/D转换系统中，完全 可以不必采用采样保持电路，而且并不会影响 A/D转换的精度
由于传感器组成材料发生改变引起输出电流或 电压的变化十分微弱，容易受外界干扰，因此， 在市场上能买到的各种变送器，已将传感器与放 大电路制作在一起，输出统一标准的0～10mA或 4～20mA电流，或0～5V电压，以便传输或直接送 A/D转换器进行A/D转换，其中，4～20mA标准电 流输出的传感器较为普遍，常说的流量变送器、 压力变送器等一般输出4～20mA标准电流，内部 处于恒流输出结构，显然电流型传感器比电压型 传感器抗干扰能力强，易于远距离传输，因此， 电流型传感器被广泛用于生产过程的检测系统中
第10章
模/数和数/模转换
教学目的和教学要求
通过本章的学习，使学生掌握模/数和 数/模转换通道的基本组成、模/数与数/ 模转换器的主要技术指标，掌握A/D转换 芯AD574及D/A转换芯片DAC0832分别与 ISA总线的连接及应用编程 了解常用模/数转换芯片和常用数/模 转换芯片
重点与难点
重点 模/数转换接口技术 数/模转换接口技术 难点 A/D转换芯AD574与ISA总线连接的原理 D/A转换芯片DAC0832与ISA总线连接的 原理
三、量程（满刻度范围——Full Scale Range） 量程是指允许输入模拟电压的变化范围。例 如，某转换器具有0～10V的单极性输入模拟电压的 范围，或-5V～+5V的双极性范围，那么，它们的量 程都为10V 应当指出，实际上A/D、D/A转换器的最大输出 值总是比满刻度值小1/2n，n为转换器的位数，这 是因为模拟量的0值是2n个转换状态中的一个，在0 值以上，则有2n-1个梯级
3．通道的扩展
并接两片CD4051B，就可以扩展成为十六选一的模拟多 路开关，如图10-4所示
注意：两片连续扩展成十六选一模拟开关，同样可以实现 多传一或一传多的双向传输，类似的模拟多路开关，例如 CD4067B为十六选一模拟多路开关，也可以扩展成为三十二选 一的模拟多路开关
四、采样保持器（Sample Holder）
三、多路转换开关（Multiplexer）
一个数据采集系统（A/D转换）往往要采集多 路模拟信号 通常只用一片A/D转换芯片，轮流选择输入信 号进行采集，既节省了硬件开销，又不影响对 系统的监测与控制 许多A/D转换芯片内部具备多路转换开关，一 片A/D转换芯片可以轮流采集多路模拟输入信 号，如果A/D转换芯片不具有多路转换功能， 则在A/D转换之前外加模拟多路转换开关
二、信号放大处理
信号放大处理电路，接在A/D转换器与传感器之 间，用于解决以下存在问题 A/D转换器与传感器二者电压不匹配 如果是电流型输出传感器，要进行Ⅰ～Ⅴ变换与 放大处理，将电流信号对应变换成电压信号 传感器工作在现场，可能存在复杂的强电磁波的 干扰，通常采用RC低通滤波器，滤除叠加在传感器 输出信号上的高频干扰信号，也可采用有源滤波技 术，使得滤波特性更好
2．CD4051B与不同电平接口时的电源供电
CD4051B常用的两种电源供电方式 如图10-3所示 ①与TTL或NMOS逻辑器件接口， 如图10-3(a)所示，VDD=5V， VSS=0V，VSS作为数字信号的地， 与TTL及NMOS电源相容。由于VEE 接-5V，所以开关可以接通-5V～ +5V之间的模拟信号 ②与CMOS逻辑器件接口，如图 10-3(b)所示，VDD=7.5V， VSS=0V，可作为CMOS逻辑器件的 供电电源。而VEE=-7.5V，所以开 关可以接通-7.5V～+7.5V之间的 模拟信号
10.1
概述
模拟量——连续变化的物理量
DAC 数字/模拟转换器 模拟/数字转换器 ADC