数模转换和模数转换原理-PPT精选文档
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7章 模数转换及数模转换
一个完整的微机闭环实时控制系统示意图
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY
zhaohw@
2
7.2 传感器
• A/D转换器是将模拟的电信号转换成数字信号。所以将物理量 转换成数字量之前，必须先将物理量转换成电模拟量。传感 器是把非电量的模拟量（如温度、压力、流量等）转换成电 压或电流信号。 • 因此，传感器一般是指能够进行非电量和电量之间转换的敏 感元件。传感器的精度直接影响整个系统的精度，如果传感 器误差较大，则测量电路、放大电路以及A/D转换电路和微机 的处理都会受到影响。 • 物理量的多样性使得传感器的种类繁多，下面对几种常用的 传感器作以简单的介绍。
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY
zhaohw@
15
1．DAC 0832主要特性 ． 主要特性
• • • • • • • • • • 8位分辨率， 电流型输出， 外接参考电压-10V～+10V， 可采用双缓冲、单缓冲或直接输入三种工作方式， 单电源+5V～+15V， 电流建立时间1µs， R-2R T型解码网络， 线性误差0.2%FS（FS为满量程）， 非线性误差0.4%FS， 数字输入与TTL兼容。
COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY
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3
1．温度传感器 ．
• 热电偶是一种大量使用的温度传感器，它是利用热电势效应 来工作的，室温下的典型输出电压为毫伏数量级。温度测量 范围与热电偶的材料有关，常用的有镍铝-镍硅热电偶和铂铑铂热电偶。热电偶的热电势-温度曲线一般是非线性的，需要 采取措施进行非线性校正。 • 另一种温度传感器为热敏电阻，它是一种半导体新型感温元 件，具有负的电阻温度系数，当温度升高时，其电阻值减小， 在使用热敏电阻作为温度传感器时，将温度的变化反映在电 阻值的变化中，从而改变电压或电流值。
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。
第9章 数模转换和模数转换
。
数字电路与逻辑设计
Rf
（2）求和放大器A：为 一个接成负反馈的理想 运算放大器。即：AV＝ ∞，iI＝0，Ro＝0。由于 负反馈，存在虚短和虚 断，即V－≈V＋＝0， iI＝ 0。
I A vO
VREF
输入数字Di=1时，开关Si将电阻23-iR接到基准电压VREF上， 在23-iR上的电流为
Ii VREF VREF i D = D 2 i i 23 i R 23 R
2
i
VREF ()
注意：该电路转换精度较高，
虑的是恒流源特性问题。
RI f4 2
但电路结构较复杂，主要考 vo I Rf Rf4I (20 D0 21 D1 22 D2 23 D3 )
2 D
i 0
3
i
数字电路与逻辑设计
改进：采用具有电流负 反馈的BJT恒流源电路 的权电流D/A转换器：
数字电路与逻辑设计
第9章 数模转换和模数转换
本章要点 本章分别讲授了数模转换和模数转换的基本原理和常 见的典型电路。文中主要介绍数模转换的基本原理，数模 转换器的转换精度和转换速度，分别介绍了权电阻网络数 模转换器，倒 T型电阻网络数模转换器和权电流型数模转 换器；然后介绍了模数转换的一般原理和步骤，分别介绍 了并联比较型模数转换器，逐次逼近型和双积分型模数转 换器的工作原理。
Rf VREF 3 2Rf VREF 3 i i vO I Rf Rf I i ( D 2 ) ( D 2 ) i i 3 4 R 2 i 0 R 2 i 0 i 0
3
若取反馈电阻Rf=R/2，则输出模拟电压表达式为
VREF 3 vO I Rf 4 ( Di 2i ) 2 i 0
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
数字模拟电路-12数模与模数转换器
信号的压缩与解压缩
利用数模和模数转换器，可以对通信信号进行压缩和解压缩，提高 传输效率和接收质量。
无线通信与卫星通信
在无线通信和卫星通信中，数模和模数转换器用于信号的转换和处理， 实现远距离通信和高质量语音、视频传输。
05 数模与模数转换器的挑战 与未来发展
串行DAC
串行DAC采用R-2R梯形网络或电荷再分配技术，通过逐位转换实 现数字到模拟的转换。其精度高，但转换速度相对较慢。
Σ-Δ DAC
Σ-Δ DAC采用过采样技术和噪声整形技术，在较低的分辨率下实现 高精度转换。其抗噪声能力强，适用于高精度应用。
DAC的性能指标
分辨率
线性度
DAC的分辨率指输出模拟电压的最小单位 变化量，通常以位数表示。分辨率越高， 输出电压变化越细腻。
ADC的工作原理
01
02
03
采样
将连续的模拟信号转换为 离散的数字信号，通过一 个适当频率的时钟信号控 制。
量化
将连续的模拟信号转换为 离散的数字信号，通过一 个适当的量化器实现。
编码
将量化后的信号转换为二 进制代码，输出数字信号。
常见的ADC类型
并行比较型ADC 逐次逼近型ADC
积分型ADC 流水线型ADC
DAC的线性度指实际输出模拟电压与理想 输出之间的偏差。线性度越高，偏差越小 ，输出信号质量越好。
转换精度
建立时间
转换精度指DAC的实际输出模拟电压与理 论输出之间的误差。误差越小，精度越高 。
建立时间指DAC从数字输入到稳定模拟输 出的时间。建立时间越短，表明DAC的响 应速度越快。
03 模数转换器（ADC）
数模转换器与模数转换器基本原理
数模转换器与模数转换器基本原理数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）是现代电子设备中常见的模拟信号处理电路，它们用于将数字信号转换为模拟信号或将模拟信号转换为数字信号。
本文将详细介绍数模转换器和模数转换器的基本原理。
一、数模转换器（DAC）基本原理数模转换器将数字信号转换为模拟信号，通常用于将数字数据转换为模拟信号输出，如音频、视频等。
数模转换器的基本原理如下：1. 数字信号表示：数字信号由一系列离散的数值表示，通常用二进制表示。
比如，一个八位的二进制数可以表示0-255之间的数字。
2. 数字量化：数字量化是将连续的模拟信号离散化，将其转换为一系列离散的数值。
这可以通过将模拟信号分成若干个均匀的间隔来实现。
例如，将模拟信号分为256个等间隔的量化等级。
3. 数字到模拟转换：数字到模拟转换的过程是将离散的数字信号转换为连续的模拟信号。
这可以通过使用数字信号的离散值对应的模拟信号的电压值来实现。
比如，将一个八位的二进制数转换为0-5V之间的电压。
4. 输出滤波：为了减少转换过程中的噪声和失真，通常需要对转换器的输出信号进行滤波。
滤波器可以通过消除高频噪声、平滑信号等方式来实现，以获得更好的模拟输出信号。
二、模数转换器（ADC）基本原理模数转换器将模拟信号转换为数字信号，通常用于模拟信号的数字化处理，如传感器信号采集、音频信号编码等。
模数转换器的基本原理如下：1. 模拟信号采样：模拟信号是连续变化的信号，模数转换器需要将其离散化。
采样是指周期性地测量模拟信号的幅度。
采样频率越高，采样精度越高，对原始模拟信号的还原能力越强。
2. 量化和编码：量化是将采样后的模拟信号转换为离散的数字量，包括离散幅度和离散时间。
编码是将量化后的信号用二进制表示。
常用的编码方式有二进制编码、格雷码等。
3. 数字信号处理：模数转换器的输出是数字信号，可以通过数字信号处理进行后续的处理和分析。
例如，可以对采集到的传感器数据进行滤波、数学运算等。
数模与模数转换器介绍课件
功耗：数模转换器功耗低，模数转换器功耗高
精度：数模转换器精度高，模数转换器精度低
成本：数模转换器成本高，模数转换器换器：用于将数字信号转换为模拟信号，如音频、视频等信号处理领域。
2
模数转换器：用于将模拟信号转换为数字信号，如传感器、测量仪器等数据采集领域。
3
数模与模数转换器：用于实现信号的混合处理，如通信、控制系统等复杂信号处理领域。
数模与模数转换器介绍课件
演讲人
目录
数模转换器
01
模数转换器
02
数模与模数转换器的比较
03
数模与模数转换器的设计
04
1
数模转换器
基本原理
数模转换器是将数字信号转换为模拟信号的设备
基本原理是通过对数字信号进行采样、量化和编码，生成模拟信号
采样是将连续的时间信号离散化，量化是将离散的信号值量化为有限个离散值，编码是将量化后的信号值转换为模拟信号
4
更小体积：随着集成电路技术的进步，数模与模数转换器在减小体积方面不断取得突破，以满足便携式设备的需求。
4
数模与模数转换器的设计
设计原则
01
精度：保证转换的准确性和精度
02
速度：满足系统实时性要求
03
功耗：降低功耗，提高能源效率
04
成本：在保证性能的前提下，降低成本
设计方法
01
确定转换器的类型和参数
4
数模与模数转换器：用于实现信号的实时处理，如音频、视频等实时信号处理领域。
发展趋势
1
更高精度：随着技术的进步，数模与模数转换器的精度不断提高，以满足更高要求的应用需求。
2
更低功耗：随着节能环保理念的普及，数模与模数转换器在降低功耗方面不断取得突破，以满足便携式设备的需求。
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令 RF=R/2 ，则
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。
8.2 数模转换器
当Dn=Dn-1…D0=0时，uO=0
2 1 U 当Dn=Dn-1…D0=11…1时， u O REF 。 n 2
8.2 数模转换器
RF (R) (MSB) dn-1 dn-2 Sn-1 I 21 UREF 2R R I 21 Sn-2 I 22 2R R …… I I 22 I 2n- 2 I 2n-1 I 2n d2 S2 I 2 n- 2 2R R d1 (LSB) d0 S1 I 2n- 1 2R R S0 I 2n 2R 2R
数字量输入
d2 d1
Sn-1
Sn-2
S2
S1
S0
模 拟 量 输 出
U R EF
2R R
2R R … …
2R R
2R R
2R
2R
倒T型电阻网络D/A转换器原理图
电阻解码网络中，电阻只有R和2R两种，并构成倒T型电阻网 络。当di=1时，相应的开关Si接到求和点；当di=0时，相应的开 关Si接地。但由于虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转 向，电阻2R总是与地相连。这样，倒T型网络的各节点向上看和 向右看的等效电阻都是2R，整个网络的等效输入电阻为R。
第8章 数模和模数转换
8.1 概述 8.2 数模转换器 8.3 模数转换器
8.1 概述
ADC和DAC的应用：
传感器
(温度、压力、流 量等模拟量）
A/D
能够将模拟量转换为 数字量的器件称为模 数转换器，简称A/D转 换器或ADC。
显示器
计算机
（数字量）
打印机
执行部件
（模拟量控制）
D/A
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.
S1 I1 2n-2R
S0 I0 2n-1R I － A + u0 RF (R/2)
开关 Si的位置受数据锁存器输出的数码di控制：当di=1时，Si将对 集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲，并将电流 应的权电阻接到参考电压 UREF上；当di=0时，Si将对应的权电阻接地。 转换为电压输出。
n-1
RF (R/2)
权电阻
权电阻网络DAC原理图 权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。
模 拟 u0 量 输 出
运算放大器
8.2 数模转换器
权电阻网络DAC的原理分析
UREF (MSB) dn-1 dn-2 d2 d1 (LSB) d0
Sn-1 In-1 20R
Sn-2 In-2 21R …
S2 I2 2n-3R
(L S B ) d 0
输 入 d 1 D n d － n 1
u io o或
…
D /A
输 出
(M S B )
8.2 数模转换器
将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应 的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模 拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量 的转换。
n 1 n 2 1 0 i D d 2 d 2 d 2 d 2 d 2 n n 1 n 2 1 0 i i 0 n 1
n
因而uO的变化范围是
2n 1 0 ~ n U REF 2
权电阻网络D/A转换器的特点 ①优点：结构简单，电阻元件数较少； ②缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。
8.2 数模转换器
2. 倒T型电阻网络D/A转换器
(M SB) dn-1 dn-2
求和点
R ) F (R (L SB) d0 － A + u0
8.2 数模转换器
D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、 参考电压、解码网络和求和电路等组成。
参考电压 n位数字 量输入 模拟量 输出
数码缓冲 寄存器
n位数控 模拟开关
解码网络
求和电路
n 位D/A转换器方框图
数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄 存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开 关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路； 求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。
能够将数字量转换为 模拟量的器件称为数 模转换器，简称D/A转 换器或DAC。
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。 D/A转换器实质上是一个译码器（解码器）。一般常 用的线性 D/A 转换器，其输出模拟电压 uO 和输入数字量 Dn 之间成正比关系。UREF为参考电压。 uO＝DnUREF
运算放大器总的输入电流为
I I I I I I n 1 n 2 2 1 0
n 1 U U i REF REF I d d 2 i i n i 1 i n 1 2 R 2 R i 0 i 0 i 0 n 1 n 1
虚断 运算放大器输出电压为
n 1 U i REF u R I R d 2 O F F n i 1 2 R i 0
u D U o n REF
n 1 n 2 1 0 d 2 U d 2 U d 2 U d 2 U n 1 REF n 2 REF 1 REF 0 REF i d 2 i U REF i 0 n 1
即：D/A转换器的输出电压uO，等于代码为1的各位所对应 的各分模拟电压之和。
8.2 数模转换器
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 +
虚短
U U REF REF i d 1 时， I 2 i i n 1 i n 1 2 R 2 R d 0 时， I 0 i i
U U i REF REF I d d 2 i i n i 1 i n 1 2 R 2 R
8.2 数模转换器