数字电子技术经典教程 数模及模数转换器
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0 t
vS
0 t
TS
vI’ (t)
0 t
A / D转换器
3.量化 量化：将采样—保持后的信号幅值转化成某个最小数量单 位（量化间隔，用表示）的整数倍。 量化过程分为以下两个步骤： （1）确定量化间隔：
模拟输入电压范围 VFSR N 分割数 2
设输入模拟信号的幅值范围为0~1V，要转化为3位二进 制代码，则其量化间隔 =1/8V 。
D/A和A/D转换器
概述
D/A转换器
A/D转换器
概 述
● D/A转换器和A/D转换器是连接数字世界和模拟世界 的桥梁，在现代信息技术中具有举足轻重的作用。
● D/A转换器（Digital Analog Convertor，ADC）
● A/D转换器（ Analog Digital Convertor，ADC）
乘法型D/A转换器
3.典型的集成乘法型D/A转换器——AD7520
VREF
R 2R S9 S8
R 2R S7
R 2R S6
R 2R S5
R 2R S4
R 2R S3
R 2R S2
R 2R S1
R 2R S0
AD7520 2R 2R R RF IOUT1 IOUT2
-A +
vO
D9
D8
D7
D6
D5
D4
倒T型电阻网络D/A转换器
2.工作原理（续）
i I 3 D3 I 2 D2 I1 D1 I 0 D0
I REF I I I D3 REF D2 REF D1 REF D0 2 4 8 16
VREF D3 23 D2 2 2 D1 21 D0 20 24 R
倒T型电阻网络D/A转换器
2.工作原理
VREF
I REF
R
R
R
I REF
VREF
2R
I3 S3
2R
I2 S2
2R
I1 2 R S1
I 0 2R S0
Rf R
R
I REF
V REF D3 R
i D2 D1
D0
A +
vO
同样分析可得：
I REF I3 2 I I 2 REF 4 I I1 REF 8 I REF I0 16
I REF
VREF
R R R
模拟开关
2R
I3 S3
2R
I2 S2
2R
I1 2 R S1
I 0 2R S0
Rf R
i
D3
D2
D1
D0
A +
vO
如果参考电压用模拟信号来代 替 Dn VREF 3 i
vO 2
4
D 2
i 0 i
2
4
vi
实现了模拟量和数字量的乘法运算 ——乘法型DAC
7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8 0
15/16 13/16 11/16 9/16 7/16 5/16 3/16 1/16 t
量化误差为1/2=1/16V 在实际的ADC中，大多采用舍入量化方式。
A / D转换器
4.编码
量化后的幅值用一个数值代码与之对应，称为编码，这 个数制代码就是A/D转换器输出的数字量。
A / D转换器
（2）将连续的模拟电压近似成离散的量化电平 方式一：只舍不入量化方式
0V≤vI＜1/8V 则量化为0=0V；
vI/V
1
7/8 1/8V≤vI＜2/8V 则量化为1=1/8V； 6/8 5/8 4/8 …… 3/8 2/8 1/8 7/8V≤vI＜1V 则量化为7=7/8V。 0
vO
R
I3 S3
2R
I2 S2
4R
I1 8R S1
I0 S0
VREF 3 vo 4 Di 2i 2 i 0
VREF
D3
D2
D1
D0
思考：DAC的精度与电路中的哪些参数有关？ 外加参考电源精度 权电阻精度 由于电阻网络中阻值范围太宽，很难保证每个电阻 均有很高精度，在集成DAC中很少采用。
R-2R网络型D/A转换器
1.电路结构 T型电阻网络
I REF
VREF
R R R
参考 电压
2R
I3 S3
2R
I2 S2
2R
I1 2 R S1
I 0 2R S0
Rf R
i
D3
D2
D1
D0
A +
vO
由于R-2R网络型D/A转换器只有两种阻值 的电阻，因此最适合于集成工艺，集成D/A转 换器普遍采用这种电路结构。
RD
vO输出一系列量化电平。 对于n位的计数型A/D转换器，其最大的转换时间可达 2n-1个时钟周期。
逐次逼近型A / D转换器
1.工作原理 逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平称重的过程。
逐次逼近型A / D转换器
1.电路原理框图
DAC
VREF
vO Dn
VREF 2n
通过放大器A把电流i∑转换成输出电压vO：
vO i R
VREF 2
4
D
3
23 D2 2 2 D1 21 D0 20
VREF 24
i 0
3
D i 2i
乘法型D/A转换器
1.什么是乘法型DAC（Multiplying DAC，MDAC）？
模拟 信号 采样
时间离散化
保持
量化
幅值离散化
编码
数字 信号
A / D转换器
1.采样保持 连续时间信号 vI(t)
S vI(t)
CH
0
t
vI’( t )
vS
0 t TS
vI’ (t) 离散时间信号
0
t
A / D转换器
采样定理：为了不失真地恢复原始信号，采样频率至 少应是原始信号最高有效频率的两倍。 vI(t)
D
DAC
vO
vO KD K
i 0
n 1
Di 2 i
D/A转换器
以三位DAC为例，设K=1，可得出vO和D的关系 D/A转换器的转换特性 D2D1D0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 vO 0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V
vI 2
10
i 0
Di 2
i
D 2
10
vI
210 vO vI D
增益小于1
增益大于1
A / D转换器
一、A/D转换的过程 模拟信号的特点：时间连续，幅值连续。 数字信号的特点：时间离散，幅值离散。 要把模拟量转化为数字量一般要经过四个步骤，分别 称为采样、保持、量化、编码。
D3
D2
D1
D0
权电流型D/A转换器
原理图
RF D0 D1 D2 D3 i∑ -A + S0
I 16
vO
S1
I 8
S2
I 4
S3
I 2
VREF(-)
I I I I v O i RF R F （ D3 D2 D1 D0） 2 4 8 16
RF I （D3 2 3 D2 2 2 D1 21 D0 2 0） 24
A / D转换器
二、几种常见的A/D转换器
1.基于DAC的A/D转换器
（1）计数型A/D转换器
（2）逐次比较型A/D转换器
2.并行比较型A/D转换器（闪烁ADC） 3.双积分型A/D转换器 4.Σ—Δ型A/D转换器
计数型A / D转换器
原理图
vI + C vC CP & X Q3 Q2 Q1 Q0 4位二进制 加法计数器 vO DAC VREF D3 D2 D1 D0
VREF
R
I3 S3
2R
I2 S2
4R
I1 8R S1
I0 S0
模拟开关
输入数 字量
输出 电压
D3
D2
D1
D0
流过各电阻的电流为多少？
VREF I3 D3 R VREF VREF D1 I2 D2 I1 4R 2R VREF I0 D0 8R
权电阻型D/A转换器
Rf R / 2
权电流型D/A转换器
实际的权电流D/A转换器
RF D3 D2 D1 D0 i∑ -A + 1
I REF VREF I RR
vO
S3 T3 8AE 2R R
S2
I 2 T2 I 4
S1 T1 2AE 2R R R
I 8
S0 T0 1AE 2R
I 16 TC I 16
VREF
RR -A 2 +
TR 16AE R
4AE 2R
1AE 2R IBB
-VEE
工作原理分析参考教材P268
D/A转换器的主要参数
1.最小输出电压增量VLSB 数字量变化一个单位时，输出电压的变化量。 2.满量程（Full Scale Range）输出电压VFSR 数字量为11…1时的输出电压值。 3.分辨率：最小输出电压增量与最大输出电压的比值来表 示。 V 1
i
A +
vO
R
I3 S3
2R
I2 S2
4R
I1 8R S1
I0 S0
VREF
D3
D2
D1
D0
VREF VREF VREF VREF i I 3 I 2 I1 I 0 D3 D2 D1 D0 R 2R 4R 8R VREF VREF 3 3 2 1 0 3 D3 2 D2 2 D1 2 D0 2 3 Di 2i 2 R 2 R i 0 3 R V vo i REF Di 2i 2 2 4 i 0
t
经量化后的信号幅值均为的整数倍。 在量化过程中会产生误差，称为量化误差。 思考：最大量化误差为多少？
A / D转换器
方式二：四舍五入量化方式 取两个离散电平中的相近值作为量化电平。
0V≤vI＜1/16V 则量化为0=0V；
vI/V
1
1/16V≤vI＜3/16V 则量化为1=1/8V；
……
13/16V≤vI＜15/16V 则量化为7=7/8V。
高速DAC的建立时间小于几微秒； 如MAXIM公司的MAX555为12位DAC，转换速度为 300MHz。
集成D/A转换器的选择
1.转换器的位数 转换器的位数取决于对信号分辨能力的要求。 2.数字信号接口特性
如是并行接口还是串行接口。
3.模拟信号接口特性 是电压输出还是电流输出？是单极性还是双极性？ 4.参考电压 是外置参考电压还是内置参考电压？ 5.动态特性 主要指转换速度。
-A 1 +
0~5V
+A 2 R2 R1
T vO 0~9.99V
D9 D8
„ D0
D/A转换器的典型应用
3.数字式可变成增益放大电路
Rf
VREF IOUT1 IOUT2
vI
VREF
AD7520
-A +
vO
vI
Rf
IOUT1 AD7520 IOUT2
-A +
vO
D9 D8
„
9
D0
D9 D8
„
D0
vO
D/A转换器的典型应用
1. 波形发生器
Rf 二 进 制 计 数 器 CP A0 A1 ROM 波 形 数 据 表 1 D0 D1 IOUTA AD9708 IOUTB
„
A7
„
-A +
vO
D7 RSET
D/A转换器的典型应用
2.数控稳压电源
PR1 Rf -5.000V VREF AD7520 +15V IOUT1 IOUT2
乘法型D/A转换器
2.乘法型DAC的一般结构
I R
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
VREF
R
R
反馈 电阻
2R 2R
2R
2R
2R
S1
S n-1
S n -2
S0
Rfb I O1 I O2
A +
vO
Dn1
Dn2
D1
D0
I O1
VREF n Dn 2 R
电流输出端
MDAC的输出电流正比于输入数据和基准电压的乘积。 思考：如何实现电压输出？
F
LSB
VFSR
2n 1
分辨率常用输入二进制数的有效位数表示。
例：求满量程输出电压VFSR=10V，输入数字位数n=10的 DAC的最小输出电压增量VLSB。 1 1 VLSB VFSR n 10 10 10 mV 2 1 2 1
D/A转换器的主要参数
4.转换精度
输出模拟电压的实际值与理想值之差。 5.转换速度 输入数据改变到输出进入规定的误差范围内所需要 的最大时间。 普通DAC的建立时间为几到几百微秒；
vo/V 7 6 5 4 3 2 1 0 000 001 010 011 100 101 110 111 D VLSB
最小分辨电压
1 1 1
7V
满量程输出电压VFSV=VLSB×（2n-1）
权电阻型D/A转换器
1.电路结构及工作原理 电阻网络
i
Rf R / 2
A +
I/V变换 电路
vO
参考 电压
概 述
● 典型应用系统之一——计算机DDC控制系统
给定
+
－
A/D
计算机
D/A
控制对象
传感器
概 述
● 典型应用系统之二——语音存储与回放系统
键盘和显示
麦 克 风
差分放 大电路
带通滤 波器
ADC
单片微 控制器
DAC
带通滤 波器
音频 功放
扬 声 器
SRAM
D/A转换器
一、D/A转换器的基本原理 将数字信号转化成与其成正比的模拟信号。 数字信号 模拟信号
权电阻型D/A转换器
vO VREF 24
i 0
Di 2i
3
结论： （1）输出电压与输入的数字量成正比；
（2）输出电压与参考电压极性相反；
（3）如果数字量为n位的二进制数，输出电压的变化范围：
2n 1 0 ~ n VREF 2
权电阻型D/A转换器
Rf R / 2
i
A +
vS
0 t
TS
vI’ (t)
0 t
A / D转换器
3.量化 量化：将采样—保持后的信号幅值转化成某个最小数量单 位（量化间隔，用表示）的整数倍。 量化过程分为以下两个步骤： （1）确定量化间隔：
模拟输入电压范围 VFSR N 分割数 2
设输入模拟信号的幅值范围为0~1V，要转化为3位二进 制代码，则其量化间隔 =1/8V 。
D/A和A/D转换器
概述
D/A转换器
A/D转换器
概 述
● D/A转换器和A/D转换器是连接数字世界和模拟世界 的桥梁，在现代信息技术中具有举足轻重的作用。
● D/A转换器（Digital Analog Convertor，ADC）
● A/D转换器（ Analog Digital Convertor，ADC）
乘法型D/A转换器
3.典型的集成乘法型D/A转换器——AD7520
VREF
R 2R S9 S8
R 2R S7
R 2R S6
R 2R S5
R 2R S4
R 2R S3
R 2R S2
R 2R S1
R 2R S0
AD7520 2R 2R R RF IOUT1 IOUT2
-A +
vO
D9
D8
D7
D6
D5
D4
倒T型电阻网络D/A转换器
2.工作原理（续）
i I 3 D3 I 2 D2 I1 D1 I 0 D0
I REF I I I D3 REF D2 REF D1 REF D0 2 4 8 16
VREF D3 23 D2 2 2 D1 21 D0 20 24 R
倒T型电阻网络D/A转换器
2.工作原理
VREF
I REF
R
R
R
I REF
VREF
2R
I3 S3
2R
I2 S2
2R
I1 2 R S1
I 0 2R S0
Rf R
R
I REF
V REF D3 R
i D2 D1
D0
A +
vO
同样分析可得：
I REF I3 2 I I 2 REF 4 I I1 REF 8 I REF I0 16
I REF
VREF
R R R
模拟开关
2R
I3 S3
2R
I2 S2
2R
I1 2 R S1
I 0 2R S0
Rf R
i
D3
D2
D1
D0
A +
vO
如果参考电压用模拟信号来代 替 Dn VREF 3 i
vO 2
4
D 2
i 0 i
2
4
vi
实现了模拟量和数字量的乘法运算 ——乘法型DAC
7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8 0
15/16 13/16 11/16 9/16 7/16 5/16 3/16 1/16 t
量化误差为1/2=1/16V 在实际的ADC中，大多采用舍入量化方式。
A / D转换器
4.编码
量化后的幅值用一个数值代码与之对应，称为编码，这 个数制代码就是A/D转换器输出的数字量。
A / D转换器
（2）将连续的模拟电压近似成离散的量化电平 方式一：只舍不入量化方式
0V≤vI＜1/8V 则量化为0=0V；
vI/V
1
7/8 1/8V≤vI＜2/8V 则量化为1=1/8V； 6/8 5/8 4/8 …… 3/8 2/8 1/8 7/8V≤vI＜1V 则量化为7=7/8V。 0
vO
R
I3 S3
2R
I2 S2
4R
I1 8R S1
I0 S0
VREF 3 vo 4 Di 2i 2 i 0
VREF
D3
D2
D1
D0
思考：DAC的精度与电路中的哪些参数有关？ 外加参考电源精度 权电阻精度 由于电阻网络中阻值范围太宽，很难保证每个电阻 均有很高精度，在集成DAC中很少采用。
R-2R网络型D/A转换器
1.电路结构 T型电阻网络
I REF
VREF
R R R
参考 电压
2R
I3 S3
2R
I2 S2
2R
I1 2 R S1
I 0 2R S0
Rf R
i
D3
D2
D1
D0
A +
vO
由于R-2R网络型D/A转换器只有两种阻值 的电阻，因此最适合于集成工艺，集成D/A转 换器普遍采用这种电路结构。
RD
vO输出一系列量化电平。 对于n位的计数型A/D转换器，其最大的转换时间可达 2n-1个时钟周期。
逐次逼近型A / D转换器
1.工作原理 逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平称重的过程。
逐次逼近型A / D转换器
1.电路原理框图
DAC
VREF
vO Dn
VREF 2n
通过放大器A把电流i∑转换成输出电压vO：
vO i R
VREF 2
4
D
3
23 D2 2 2 D1 21 D0 20
VREF 24
i 0
3
D i 2i
乘法型D/A转换器
1.什么是乘法型DAC（Multiplying DAC，MDAC）？
模拟 信号 采样
时间离散化
保持
量化
幅值离散化
编码
数字 信号
A / D转换器
1.采样保持 连续时间信号 vI(t)
S vI(t)
CH
0
t
vI’( t )
vS
0 t TS
vI’ (t) 离散时间信号
0
t
A / D转换器
采样定理：为了不失真地恢复原始信号，采样频率至 少应是原始信号最高有效频率的两倍。 vI(t)
D
DAC
vO
vO KD K
i 0
n 1
Di 2 i
D/A转换器
以三位DAC为例，设K=1，可得出vO和D的关系 D/A转换器的转换特性 D2D1D0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 vO 0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V
vI 2
10
i 0
Di 2
i
D 2
10
vI
210 vO vI D
增益小于1
增益大于1
A / D转换器
一、A/D转换的过程 模拟信号的特点：时间连续，幅值连续。 数字信号的特点：时间离散，幅值离散。 要把模拟量转化为数字量一般要经过四个步骤，分别 称为采样、保持、量化、编码。
D3
D2
D1
D0
权电流型D/A转换器
原理图
RF D0 D1 D2 D3 i∑ -A + S0
I 16
vO
S1
I 8
S2
I 4
S3
I 2
VREF(-)
I I I I v O i RF R F （ D3 D2 D1 D0） 2 4 8 16
RF I （D3 2 3 D2 2 2 D1 21 D0 2 0） 24
A / D转换器
二、几种常见的A/D转换器
1.基于DAC的A/D转换器
（1）计数型A/D转换器
（2）逐次比较型A/D转换器
2.并行比较型A/D转换器（闪烁ADC） 3.双积分型A/D转换器 4.Σ—Δ型A/D转换器
计数型A / D转换器
原理图
vI + C vC CP & X Q3 Q2 Q1 Q0 4位二进制 加法计数器 vO DAC VREF D3 D2 D1 D0
VREF
R
I3 S3
2R
I2 S2
4R
I1 8R S1
I0 S0
模拟开关
输入数 字量
输出 电压
D3
D2
D1
D0
流过各电阻的电流为多少？
VREF I3 D3 R VREF VREF D1 I2 D2 I1 4R 2R VREF I0 D0 8R
权电阻型D/A转换器
Rf R / 2
权电流型D/A转换器
实际的权电流D/A转换器
RF D3 D2 D1 D0 i∑ -A + 1
I REF VREF I RR
vO
S3 T3 8AE 2R R
S2
I 2 T2 I 4
S1 T1 2AE 2R R R
I 8
S0 T0 1AE 2R
I 16 TC I 16
VREF
RR -A 2 +
TR 16AE R
4AE 2R
1AE 2R IBB
-VEE
工作原理分析参考教材P268
D/A转换器的主要参数
1.最小输出电压增量VLSB 数字量变化一个单位时，输出电压的变化量。 2.满量程（Full Scale Range）输出电压VFSR 数字量为11…1时的输出电压值。 3.分辨率：最小输出电压增量与最大输出电压的比值来表 示。 V 1
i
A +
vO
R
I3 S3
2R
I2 S2
4R
I1 8R S1
I0 S0
VREF
D3
D2
D1
D0
VREF VREF VREF VREF i I 3 I 2 I1 I 0 D3 D2 D1 D0 R 2R 4R 8R VREF VREF 3 3 2 1 0 3 D3 2 D2 2 D1 2 D0 2 3 Di 2i 2 R 2 R i 0 3 R V vo i REF Di 2i 2 2 4 i 0
t
经量化后的信号幅值均为的整数倍。 在量化过程中会产生误差，称为量化误差。 思考：最大量化误差为多少？
A / D转换器
方式二：四舍五入量化方式 取两个离散电平中的相近值作为量化电平。
0V≤vI＜1/16V 则量化为0=0V；
vI/V
1
1/16V≤vI＜3/16V 则量化为1=1/8V；
……
13/16V≤vI＜15/16V 则量化为7=7/8V。
高速DAC的建立时间小于几微秒； 如MAXIM公司的MAX555为12位DAC，转换速度为 300MHz。
集成D/A转换器的选择
1.转换器的位数 转换器的位数取决于对信号分辨能力的要求。 2.数字信号接口特性
如是并行接口还是串行接口。
3.模拟信号接口特性 是电压输出还是电流输出？是单极性还是双极性？ 4.参考电压 是外置参考电压还是内置参考电压？ 5.动态特性 主要指转换速度。
-A 1 +
0~5V
+A 2 R2 R1
T vO 0~9.99V
D9 D8
„ D0
D/A转换器的典型应用
3.数字式可变成增益放大电路
Rf
VREF IOUT1 IOUT2
vI
VREF
AD7520
-A +
vO
vI
Rf
IOUT1 AD7520 IOUT2
-A +
vO
D9 D8
„
9
D0
D9 D8
„
D0
vO
D/A转换器的典型应用
1. 波形发生器
Rf 二 进 制 计 数 器 CP A0 A1 ROM 波 形 数 据 表 1 D0 D1 IOUTA AD9708 IOUTB
„
A7
„
-A +
vO
D7 RSET
D/A转换器的典型应用
2.数控稳压电源
PR1 Rf -5.000V VREF AD7520 +15V IOUT1 IOUT2
乘法型D/A转换器
2.乘法型DAC的一般结构
I R
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
VREF
R
R
反馈 电阻
2R 2R
2R
2R
2R
S1
S n-1
S n -2
S0
Rfb I O1 I O2
A +
vO
Dn1
Dn2
D1
D0
I O1
VREF n Dn 2 R
电流输出端
MDAC的输出电流正比于输入数据和基准电压的乘积。 思考：如何实现电压输出？
F
LSB
VFSR
2n 1
分辨率常用输入二进制数的有效位数表示。
例：求满量程输出电压VFSR=10V，输入数字位数n=10的 DAC的最小输出电压增量VLSB。 1 1 VLSB VFSR n 10 10 10 mV 2 1 2 1
D/A转换器的主要参数
4.转换精度
输出模拟电压的实际值与理想值之差。 5.转换速度 输入数据改变到输出进入规定的误差范围内所需要 的最大时间。 普通DAC的建立时间为几到几百微秒；
vo/V 7 6 5 4 3 2 1 0 000 001 010 011 100 101 110 111 D VLSB
最小分辨电压
1 1 1
7V
满量程输出电压VFSV=VLSB×（2n-1）
权电阻型D/A转换器
1.电路结构及工作原理 电阻网络
i
Rf R / 2
A +
I/V变换 电路
vO
参考 电压
概 述
● 典型应用系统之一——计算机DDC控制系统
给定
+
－
A/D
计算机
D/A
控制对象
传感器
概 述
● 典型应用系统之二——语音存储与回放系统
键盘和显示
麦 克 风
差分放 大电路
带通滤 波器
ADC
单片微 控制器
DAC
带通滤 波器
音频 功放
扬 声 器
SRAM
D/A转换器
一、D/A转换器的基本原理 将数字信号转化成与其成正比的模拟信号。 数字信号 模拟信号
权电阻型D/A转换器
vO VREF 24
i 0
Di 2i
3
结论： （1）输出电压与输入的数字量成正比；
（2）输出电压与参考电压极性相反；
（3）如果数字量为n位的二进制数，输出电压的变化范围：
2n 1 0 ~ n VREF 2
权电阻型D/A转换器
Rf R / 2
i
A +