数模和模数转换
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(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
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
2019/11/17
电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
2
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。
2019/11/17
电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
22
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
2019/11/17
电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
3
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
图12-1 数字控制系统框图
2019/11/17
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。
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
第八章数模和模数转换
n 1
R
D0 D1
2V REF 2 R 2V REF 2 R
i n n
(D0 2 )
0
V REF 2
n2
R
( D1 2 )
1
2V REF 2 R
n
(Di 2 )
I I 0 I 1 ... I n 1 2 V REF 2 R 2 V REF 2 R 2 V REF 2 R
模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平 模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平
1V
7/8
6/8 5/8 4/8 3/8
111
7= 7/ 8
6 = 6/8 5 = 5/8 4 = 4/0
1V 13/15 11/15 9/15 7/15 5/15
111 7 =14/15
二、转换速度 (一)建立时间 ts ts 为在大信号工作下（输入由全 0 变为全 1，或由 全 1 变为全 0）, 输出 电压达到某一规定值所需时间 。 不包含 UREF 和运放的单片 DAC 最短 ts < 0.1 s；包含 UREF 和运放的单片 DAC 最短 t s < 1.5 s。 (二)转换速率 SR 用大信号工作状态下模拟电压的变化率表示 完成一次转 上升时间 换所需时间 TTR = ts + tr （tf） 下降时间
I1
→I
－ ＋
A
模拟输出 VO
（2）工作原理
当输入数字D0=1时 I 0 当输入数字D1=1时 I 1 当输入数字Di=1时 I i
· · ·
Sn-1 VREF
Rn-1=20R
→In-1
V REF R0 V REF R1 V REF Ri
R
D0 D1
2V REF 2 R 2V REF 2 R
i n n
(D0 2 )
0
V REF 2
n2
R
( D1 2 )
1
2V REF 2 R
n
(Di 2 )
I I 0 I 1 ... I n 1 2 V REF 2 R 2 V REF 2 R 2 V REF 2 R
模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平 模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平
1V
7/8
6/8 5/8 4/8 3/8
111
7= 7/ 8
6 = 6/8 5 = 5/8 4 = 4/0
1V 13/15 11/15 9/15 7/15 5/15
111 7 =14/15
二、转换速度 (一)建立时间 ts ts 为在大信号工作下（输入由全 0 变为全 1，或由 全 1 变为全 0）, 输出 电压达到某一规定值所需时间 。 不包含 UREF 和运放的单片 DAC 最短 ts < 0.1 s；包含 UREF 和运放的单片 DAC 最短 t s < 1.5 s。 (二)转换速率 SR 用大信号工作状态下模拟电压的变化率表示 完成一次转 上升时间 换所需时间 TTR = ts + tr （tf） 下降时间
I1
→I
－ ＋
A
模拟输出 VO
（2）工作原理
当输入数字D0=1时 I 0 当输入数字D1=1时 I 1 当输入数字Di=1时 I i
· · ·
Sn-1 VREF
Rn-1=20R
→In-1
V REF R0 V REF R1 V REF Ri
数模和模数转换
分辨率= 0.1 1 450 4500
1
1
12位ADC的分辨率= 212 4096
故需选用13位A/D转换器。
转换时间= 1 62.5ms 16
3、 转换时间
指 ADC 完成一次转换所需要得时间,即从转换开 始到输出端出现稳定得数字信号所需要得时间。
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
利用DAC可实现任意波形(如锯齿波、三角波、 正弦波等)得输出,如输出锯齿波、三角波得程序 段如下:
TRG: MOV DX,234H MOV AL,0H
TN1: OUT DX,AL INC AL JNZ TN1 MOV AL,0FFH
TN2: OUT DX,AL DEC AL JNZ TN2
JMP TN1
0
AL全“1”输 出 产生
13、2 模数转换
• A/D转换得原理很多,常见得有双积分式、 逐次逼近式、计数式等。
• 输出码制有二进制、BCD码等。 • 输出数据宽度有8位、12位、16位、20位、
24位等(二进制)。
A /D 转换得基本原理和一般步骤
基本原理
模拟输 入信号
uI
ADC
…
Dn-1 Dn-2
11、1、3 DAC0832得接口设计---单缓冲方式
设D/A转换端口号为PORTA,设需转换得数据放在 1000H单元,则D/A转换程序为:
MOV BX,1000H MOV AL,[BX] MOV DX, PORTA OUT DX,AL
DAC0832得应用举例:
注:在DAC实际连接中,要注意区分“模拟地” 和“数字地”得连接,为了避免信号串扰, 数字量部分只能连接到数字地,而模所量 部分只能连接到模拟地。
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
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
数模和模数转换
详细ห้องสมุดไป่ตู้述
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。
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
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
• 常用的D/A转换器有T型(倒T型)电阻网络D/A转换器、权电阻网络D/A 转换器、权电流D/A转换器及电容型D/A转换器等等。这里只介绍一 下倒T型电阻网络D/A转换器。
• 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
• 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
数模和模数转换
υO = i∑ RF
I = RF ( 2 d 3 +
RF I = ( d 3 2 3 + d 2 2 2 + d 1 21 + d 0 2 0 ) 24
恒流源如图.但电阻 的种类多.因此,经常用倒T 恒流源如图.但电阻REi的种类多.因此,经常用倒 型电阻网络的分流作用来实现. 型电阻网络的分流作用来实现.
驱动电路
D/A转换器 转换器
2
主要指标:转换精度;转换速度. 主要指标:转换精度;转换速度. 分类: 分类: 权电阻网络D/A转换器 转换器 权电阻网络 型电阻网络D/A转换器 倒T型电阻网络 型电阻网络 转换器 权电流型D/A转换器 权电流型 转换器 权电容网络D/A转换器 权电容网络 转换器 开关树型D/A转换器 开关树型 转换器 并联比较型 A/D 转 换 器 直接转换型 反馈比较型 计数型 逐次渐进型
三位DAC 三位 的输出
当d2=1时,对应输出电压为 . 时 对应输出电压为4V. 因此: 因此: V V
B
RB
I REF = = 2 2R
υO =
VREF 8 D= D= D 23 8
11
五,D/A转换器的转换精度与转换速度 转换器的转换精度与转换速度 (一)转换精度 通常用分辨率和转换误差来描述. 通常用分辨率和转换误差来描述. 分辨率 来描述 1.分辨率:输出模拟电压应能区分0~2n-1共2n个输入数字量. 分辨率:输出模拟电压应能区分 分辨率 共 个输入数字量. 表示方法: 表示方法:
VREF n 2
(1)用输入二进制数的位数表示;如8位. 用输入二进制数的位数表示; 用输入二进制数的位数表示 位 (2)用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示. 用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示. 用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示 VREF n (2 1) n 2
模数和数模转换
1. 分辨率 DAC 指 的最小输出电压变化量， D/A 转换器模拟输出所能产生的最 也即 DAC 的最小输出电压值 小电压变化量与满刻度输出电压之比。
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。
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。
第12章 数模模数转换
模拟电压 二进制编码 代表的模拟电压电平
1V
111
7＝14/15 V
13/15 V
110
6＝12/15 V
11/15 V
101
5＝10/15 V
9/15 V
100
4＝8/15 V
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。
IOUT2：DAC输出电流2。它作为运算放大器的另一个差分输入 信号（一般接地）。满足 IOUT1+IOUT2 ＝
①D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数－－可用输 入数字量的位数n表示D/A转换器的分辨率；
②可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表 示分辨率。
分辨率
U
Um
1 2n 1
分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。 而分 辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。
2. )转换误差
为模拟信号（IOUT1+IOUT2）输出。
DAC0832 的使用有双缓冲器型、单缓冲器型和直通型三
种工作方式。
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：适合在不要求多片D/A同时输出时。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。 （c）直通方式：输出随输入的变化随时转换。
《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
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《数模和模数转换》 PPT课件
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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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u0
RF I
RFU REF 2n1 R
n1
Di 2i
i0
若RF=1/2R，代入上式后则得
u0
RFU REF 2n1 R
n1
Di 2i
i0
U REF 2n
n1
Di 2i
i0
U REF 2n
D
输出电压正比于输入的数字量D=Dn-1Dn-2 …D1=D0， 从而实现了从数字量到模拟量的转换。
当D=Dn-1…D0=0时, uo =0
（1）DAC0832电压输出电路
VREF
VREF
D7 D0 DI7
R fb
IOUT1
A
DI0
IOUT2
AGND
VREF
D7 VOUT
VREF
D0 DI7
R fb
IOUT1
DI0
IOUT2
AGND
R2
R3
R1
A1
VOUT1
A2
VOUT2
(a) 单极性电压输出
(b) 双极性电压输出
VOUT
I OUT1 Rfb
D 111
7.1.2 权电阻型D/A
MSB
权电阻 网络
LSB
求和放 大器 模拟开关，受Di控 制。 Di =1时，模拟开 关左拨； Di =0时，模 拟开关右拨。
运算放大器总的输入电流为
I
n1
Ii
i0
n1
i0
U REF 2n1 R
Di 2i
U REF 2n1 R
n1
Di 2i
i0
运算放大器的输出电压为
▪2. 数-模转换
➢ 定义：模拟信号到数字信号的转换称为模—数转换，或 称为A/D（Analog to Digital） ➢ 把实现D/A转换的电路称为D/A转换器（ Digital Analog Converter DAC）。
典型数字控制系统框图
▪3. 分类
网络DAC权电阻 倒梯形电阻网络DAC
WR1
IOUT1
WR 2
A
IOUT2 DI7 DI0
AGND
VOUT
7.1.6 D/A转换器的主要技术指标
1. 转换精度 （1）分辨率——D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。
1
n位D/A转换器的分辨率可表示为 2n 1 （2）转换误差
D/A转换器的绝对误差（或绝对精度）是指输入端加入最大数 字量（全1）时，D/A转换器的理论值与实际值之差。该误差值 应低于LSB/2。
【能力目标】理解并掌握D/A和A/D典型转换电路的基本工 作原理，掌握DAC和ADC的主要技术指标，了解集成DAC 和ADC芯片的功能及其应用。
概述
▪1. 模-数转换
➢ 定义：模拟信号到数字信号的转换称为模-数转换，或 称为A/D（Analog to Digital）。 ➢ 把实现A/D转换的电路称为A/D转换器（Analog Digital Converter ADC）。
WR1 2 AGND 3
20 VCC
19 ILE 18 WR2
11 IO1
DI3 4
17 XFER
9 Rfb
DI2 5 DI1 6
DAC 0832
16 DI4 15 DI5
3 AGND
DI0 7
VREF 8
14 DI6 13 DI7
20 VCC
Rfb 9
DGND 10
12 IO2 11 IO1
10 DGND
2．转换速度 （1）建立时间 （2）转换速率 3．温度系数
7.2 A / D转换器
7.2.1 A/D
由于模拟量时间和（或）数值上是连续的，而数字量在 时间和数值上都是离散的，所以转换时要在时间上对模拟 信号离散化（采样），还要在数值上离散化（量化），一 般步骤为：
采样
保持
量化
编码
（1） 采样定理 模拟信号
第7章 D/A与A/D转换
【学习目标】目前D/A、A/D转换器的总类很多，本章只介 绍几种使用较多也比较典型的转换电路。在D/A转换器中， 介绍权电阻DAC电路、倒T型电阻网络DAC电路、权电流 DAC电路的工作原理和典型集成芯片DAC0832及其应用； 在A/D转换器中，介绍并行比较、反馈比较和双积分型ADC 电路的工作原理和典型集成芯片ADC0801及其应用。简单 介绍D/A、A/D转换器的主要技术指标。
d0
20 )
I 24
RF
3 i0
di
2i
7.1.5 集成DAC及其应用
…
(MSB) DI7
DI0 (LSB)
13 D
Q
14
15
8位
16 输入 4 寄存器 5
6
7D
Q
ILE 19 ＆
CS
1 2
＆
WR1
WR2
18 17
＆
XFER
D
Q
8位 DAC 寄存器
D
Q
8
VREF
CS 1
8位 DAC
12 IO2
n1
Di 2i
i0
UR 2n
D
可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。
7.1.4 权电流型D/A转换器
d0
d1
d2
d3
S0
S1
S2
S3
RF
iΣ
iF
-A
vO
+
I
I
16
8
-VREF
I
I
4
2
vO
iF RF
i RF
RF (d3
I 2
d2
I 4
d1
I 8
d0
I) 16
I 24
RF (d3
23
d2
22C
开关树型DAC
输入/输 出方式
并行 串行
ADC
直接ADC 间接ADC
7.1 D/A转换器
7.1.1 D/A转换器的基本原理
D0 D1
Dn-1 输入
D/A 转换器
vO
输出
vO / V
7 6 5 4 3 2 1 0 000 001
010 011 100
101 110
VREF Rfb
D
28
Rfb
D 28
VREF
VOUT2
(2VOUT1
VREF )
[2
D 28
VREF
VREF ]
D 128 ( 128 )VREF
（2）DAC0832与CPU的连接
A15 A0 CPU
IOW
D7 D0
5V
地址 译码器
5V ILE
VREF
CS DAC0832
XFER
R fb
流入运算放大器的电流为：
I
Dn1
I 21
Dn1
I 22
D1
I 2n1
D0
I 2n
I 2n
(Dn1 2n1
Dn2 2n2
D1 21
D0 20 )
I 2n
n1
Di 2i
i0
运算放大器的输出电压为：
U
I RF
IRF 2n
n1
Di 2i
i0
若RF=R，并将I=UR/R代入上式， 则有
U
UR 2n
采样信 号
取样频率fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率
当D=Dn-1…D0=11…1时， 最大输出电压：
uo
Uom
2n 2n
1
U
Re
f
2n 1 因而uo 的变化范围是： 0 ~ 2n UR
特点：
电路简单，器件少。但精度由电阻的精度定，此电 路中阻值差别大，对集成不利。
7.1.3 倒T形电阻网络D/A
I
流入 2R 支路 的电流是依2 的倍速递减。
Di=1，Si将电阻接到运放反向输入端 都是虚地，各支路 Di=0，Si将电阻接到运放同向输入端 电流不会变化