11 模数和数模转换
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。
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
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。
《模数和数模转换》幻灯片PPT
D7～D 0
ISA 总线
IOW AEN
A9 A8 A7 A6
74LS138
G2A
Y0
G2B
Y1
G1
C
B
A
Y7
… …
DI7～D0I
VCC ILE
WR1
RFB
DAC0832
IOUT1
CS
IOUT２
＋5 V
RF RW
－ ＋
VOUT
XFER WR2
DGND AGND
1〕如果要求图示系统的VOUT端输出方波，可编程如下：
n = 4位数据: 0000 1111
0V 分辨率:
5V/15=0.333V/
每1个最低有效
5V
位
例如：0101 数字量
22+20=5 × 0.333V=1.67V 模拟量
n = 8位数据: 00000000 11111111
0V 分辨率:
5V/255=0.0196 V/每1个最低有 5V 效位
根本原理：
1、直通工作方式
是指两个存放器的有关控制信号都预先置为有效， 两个存放器都开通。只要数字量送到数据输入端，就 立即进入D/A转换器进展转换。这种方式应用较少。
例：DAC0832与CPU的接口。如下图，由于DAC0832内部 有数据锁存器，其数据输入引脚可直接与CPU的数据总 线相连。图中XFER和WR2接地，即DAC0832内部的第2级 存放器接成直通式，只由第1级存放器控制数据的输入， 当CS和WR1同时有效时(ILE始终为有效的高电平)， DI7 DI0的数据被送入其内部的D/A转换电路进展转换。
译码器
DAC
0832 IOUT1
-
V0
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；
数模转换和模数转换
Ii 2nU 1 RiR2U n1RR2iDi
运算放大器总的输入电流为
In i 0 1Iin i 0 12 U n 1 R RD i2i2 U n 1 R Rn i 0 1D i2i
运算放大器的输出电压为
URfI2 Rnf U 1R Rn i 01Di2i
若Rf=1/2R，代入ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ式后则得
在目前常见的D/A转换器中，有权电阻网络D/A转换 器，倒梯形电阻网络D/A转换器等。A/D转换器的类型也 有多种，可以分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两大 类。在直接A/D转换器中，输入的模拟信号直接被转换成 相应的数字信号；而在间接A/D转换器中，输入的模拟信 号先被转换成某种中间变量（如时间、 频率等），然后 再将中间变量转换为最后的数字量。
它由一个八位输入寄存器、一个八位DAC寄存器和一 个八位D/A转换器三大部分组成，D/A转换器采用了倒T 型R-2R电阻网络。由于DAC0832有两个可以分别控制的 数据寄存器，所以，在使用时有较大的灵活性， 可根据 需要接成不同的工作方式。DAC0832中无运算放大器， 且是电流输出，使用时须外接运算放大器。芯片中已设 置了Rfb，只要将 9 脚接到运算放大器的输出端即可。若 运算放大器增益不够， 还须外加反馈电阻。
图 10-5 漂移误差
3.
从数字信号输入DAC起，到输出电流（或电压）
达到稳态值所需的时间为建立时间。 建立时间的大小
决定了转换速度。目前 10~12
D/A 转换
器（不包括运算放大器）的建立时间可以在 1 微秒以
内。
10.2.4 八位集成DAC0832
图 10-6 集成DAC0832框图与引脚图
10.2.3 D/A转换器的主要技术指标
数字电子数电11数-模和模-数转换PPT课件
02 数-模转换器（DAC）
DAC工作原理
数字信号输入
将二进制数字信号输入到DAC中。
权重电压选择
根据数字信号的每一位，选择相应 的权重电压。
模拟信号输出
将权重电压相加，输出模拟信号。
DAC的分类
01
02
03
并行DAC
具有多个模拟开关，能够 同时输出多个权重电压， 转换速度快，但电路复杂。
串行DAC
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控制系统
在控制系统中，ADC用于将 模拟传感器信号转换为数字信 号，便于控制系统分析和控制
。
04 数-模和模-数转换器的比 较
性能比较
精度
数-模转换器的精度通常高于模-数转换器，因为模-数转换器在将 模拟信号转换为数字信号时可能会引入量化误差。
速度
模-数转换器的转换速度通常更快，适用于需要高速数据采集和处 理的场景。
逐位输出模拟信号，电路 简单，但转换速度较慢。
权电阻DAC
通过改变权电阻的阻值来 实现模拟信号输出，精度 高，但温度稳定性较差。
DAC的应用
音频信号处理
用于将数字音频信号转换 为模拟音频信号，实现音 频播放。
控制系统
用于将数字控制信号转换 为模拟控制信号，实现模 拟控制。
仪器仪表
用于将数字测量数据转换 为模拟信号，实现模拟显 示。
功耗
数-模转换器的功耗相对较高，因为它们需要更多的计算和比较操 作。
应用场景比较
数-模转换器
适用于需要将数字信号转换为模 拟信号的场景，如音频播放、视 频显示等。
模-数转换器
适用于需要将模拟信号转换为数 字信号的场景，如数据采集、信 号处理、控制系统等。
数模转换和模数转换原理
8.2 数模转换器
当Dn=Dn-1…D0=0时，uO=0
2n 1 当Dn=Dn-1…D0=11…1时， uO 2n U REF 。
因而uO的变化范围是
0
~
2n 2n
1 U REF
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。
U REF 2n-1 R
n-1
di 2i
i0
虚断 运算放大器输出电压为
uO
RF I
RF
U REF 2n1 R
n1
di 2i
i0
令 RF=R/2 ，则
uO
U REF 2n
n1
di 2i
i0
U REF 2n
Dn
即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现
8.3 模数转换器
一、A/D转换器的基本工作原理 A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通
过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。
模拟量输入
数字量输出
VI 采样 保持 量化 编码 DO
8.3 模数转换器
1.取样和保持
取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时 间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列 等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。
WR1：输入数据选通信号，低电平有效。（
上升沿锁存）
XFER：数据传送选通信号，低电平有效。 WR2：数据传送选通信号，低电平有效。（
上升沿锁存）
IOUT1：DAC输出电流1。当DAC锁存器中为全1时，IOUT1最大（满 量程输出）；为全0时，IOUT1为0。
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。
《数模和模数转换》课件
量化
将采样得到的样值进行量 化处理，将连续的模拟量 转化为离散的数字量。
编码
将量化后的数字量转换成 二进制或多进制的数字代 码。
ADC的分类
逐次逼近型ADC
逐次逼近型ADC采用逐次比较的 方法，将输入模拟信号与内部参 考电压进行比较，逐步逼近输入 信号的电压值。
并行比较型ADC
并行比较型ADC采用多个比较器 ，将输入模拟信号与多个参考电 压进行比较，以得到输入信号的 数字代码。
此外，新型封装技术的采用也将有助于减小转换器的尺寸。例如 ，采用球栅阵列封装(BGA)和晶片级封装(WLP)等新型封装技术 ，可以减小封装体积并提高集成度。
PART 05
总结
数模和模数转换的重要性和应用领域
01
重要性和应用领域
数模和模数转换是数字信号处理中的关键技术，广泛应用于通信、雷达
、音频处理、图像处理等领域。通过数模和模数转换，可以实现信号的
2023-2026
END
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2023-2026
ONE
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《数模和模数转换》 PPT课件
REPORTING
CATALOGUE
目 录
• 数模转换器（DAC） • 模数转换器（ADC） • 数模和模数转换的应用 • 数模和模数转换的未来发展 • 总结
PART 01
数模转换器（DAC）
DAC工作原理
数字信号输入
将数字信号输入到DAC中。
PART 03
数模和模数转换的应用
音频处理
数字音频播放
将模拟音频信号转换为数字信号，通 过数字音频播放器进行播放，可以实 现更高质量的音频输出。
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复习思考题
第章模/数和数/模转换
1. 为什么要把A/D，D/A转换器与微机的接口作为专门问题来研究？它与前面所讲的并行接口有
何异同点？
2. 在A/D、D/A转换器指标中，精度与分辨率有什么区别？
3. D/A转换器与微处理机接口中，最关键的问题是什么？应如何解决？
4. 参照教材中的锯齿波发生器例，自行设计一个三角波发生器，用8086汇编写出程序(地址自
定)。
如果要产生正弦波信号，在软件设计思想上有什么变化？
5. 电流输出型与电压输出型D/A转换器有什么不同？
6. 在D/A转换器输出端为什么总是要加平滑电路？试看为一个输出最高频率为3000Hz的转换器
设计一个简单的平滑电路。
7. A/D转换器为什么先要对模拟信号采样？采取频率是如何确定的？如一个信号的最高频率为
5KHz，采样频率应为多少？
8. ADC0808与AD574A都是A/D转换器，试比较它们的异同点。
9. A/D转换器与CPU相连时，关键问题是什么？如何保证CPU与A/D转换芯片的时间关系能实
现正确的配合？
10. 有一个温度检测系统，在炉窖中设置了八个温度传感器。
假设它们的温度变化范围为
800℃～2800℃。
请问：
(1)如用ADC0808进行转换，分辨率可达多少？
(2)如果觉得一片ADC0808的分辨率不够，用两片同时工作是否使分辨率提高，误差小？
为什么？
(3)如果使温度检测的误差不超过1℃，应选用多少位的A/D转换芯片？
(4)如果选用16位的A/D转换芯片，测量误差可以减小到什么程度？
11. 根据教材上所画的AD574A与8086CPU连接的情况，请你：
(1)说明它占用地址的情况及每个控制信号所起的作用。
(2)用8086汇编语言设计程序，使从转换芯片中读入100组数据(每组数据12位)，并把
它们存放在一个叫Buffer的缓冲区内。
(3)如果使用STS信号对CPU作中断控制，请修改硬件和软件设计。
12. 什么叫分辨率？什么叫相对转换精度？
13. 在 T型电阻网络组成的D/A转换器中，设开关K0, K1, K2, K3, K4分别对应一位二进制数，
当二进制数据为10110时，流入运算放大器的电流为多少？画出这个T型网络。
14. 用带两极数据缓冲器的D/A转换器时，为什么有时要用3条输出指令才完成16位或12位数
据转换？
15. 使用 DAC0832进行数/模转换时，有哪两种方法可对数据进行锁存？
16. 在数字量和模拟量并存的系统中，地线连接时要注意什么问题？
17. 设计一个电路和相应程序完成一个锯齿波发生器的功能，使锯齿波呈负向增长，并且锯齿波
周期可调。
18. 什么叫模/数转换精度？什么叫转换率？什么叫分辨率？
19. 参考《微型计算机技术及应用》一书中图7.12说明计数式A/D转换的工作原理。
20. 双积分式A/D转换的原理是什么？
21. 参考《微型计算机技术及应用》一书中图7.14说明逐次逼近式A/D转换的工作原理。
22. 比较计数式、双积分式和逐次逼近式A/D转换的优缺点。
23. 设计一个电路并画出软件流程以实现A/D转换，软件流程中要体现逐次逼近法思想。
24. 什么叫采样保持电路的采样状态和保持状态？用示意图进行说明。
25. 在实时控制和实时数计处理系统中，当需要同时测量和控制多路信息时，常用什么方法解
决？
26. 参考教材讲解的工作原理，说明图7.21 。