8项目八 数模与模数转换电路
数字电子技术第8章数模和模数转换简明教程PPT课件
送到D/A寄存器中锁存。 WR 2 有效时，必须 XFER有效。
IOUT1：电流输出引脚1。随DAC寄存器的内容线性变化，当DAC寄存器输入全为1 时，输出电流最大，DAC寄存器输入全为0时，输出电流为0。
IOUT2：电流输出引脚2，与IOUT1电流互补输出，即IOUT1+ IOUT2=常数。 连。该运算放大器是将D/A芯片电流输出转换为电压输出VOUT。
DAC0832与80C51单片机的双缓冲方式接口电路
8.3 A/D转换器
8.3.1 A/D转换的基本原理
A／D转换过程包括采样、保持、量化和编码4个步骤。 1．采样和保持 (1) 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，即把时间上连续的模 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。 连续信号的采样过程如下图所示。
对于n位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻为R/2时，输出电压的计算公式可写成
vO －
VREF 2
n
2
0
d 0 21 d1 2 n -2 d n -2 2 n -1 d n -1 －
VREF 2
n
Dn
vO 0 。 当输入的数字量 Dn =0时，
n 1 当 Dn =11…11时，vO － 2 n VREF 。
D/A转换器的转换时间是由其建立时间 t set 来决定的，表示从输入的数字量发生突变 开始，到输出电压进入与稳态值相差 1 LSB范围内的这段时间，如下图所示。
2
除了上述指标外，在使用D/A转换器时，还必须知道工作电源电压、输出方式、输出 值的范围和输入逻辑电平等，这些都可以在使用手册中查到。
D/A转换器的方框图如下图所示。
数模与模数转换电路
数模与模数转换电路随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测领域中，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。
由于系统的实际处理对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别和处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量往往也需要将其转换成为相应的模拟信号才能为执行机构所接收。
这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路——模数转换电路和数模转换电路。
能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D 转换器）；而将能把数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器（简称D/A 转换器），A/D 转换器和D/A 转换器已经成为计算机系统中不可缺少的接口电路。
在本章中，将介绍几种常用A/D 与D/A 转换器的电路结构、工作原理及其应用。
1 D/A 转换器一． D/A 转换器的基本原理数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的权。
为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字—模拟转换。
这就是构成D/A 转换器的基本思路。
图9.1—1所示是D/A 转换器的输入、输出关系框图，D 0～D n-1是输入的n 位二进制数，v o 是与输入二进制数成比例的输出电压。
图9.1—2所示是一个输入为3位二进制数时D/A 转换器的转换特性，它具体而形象地反映了D/A 转换器的基本功能。
1234567001010*********110111D/A转换器D D D 01n-1...v o输入输出v o /VD 000图9.1—1 D/A 转换器的输入、输出关系框图 图9.1—2 3位D/A 转换器的转换特性二． 倒T 形电阻网络D/A 转换器在单片集成D/A 转换器中，使用最多的是倒T 形电阻网络D/A 转换器。
第八章 数模、模数转换器
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A/D转换器 8.2 A/D转换器
用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫做编码。 用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫做编码。 由于数字量的位数有限，一个n位的二进制数只能表示2 由于数字量的位数有限，一个n位的二进制数只能表示2n 个值，因而任何一个采样-保持信号的幅值， 个值，因而任何一个采样-保持信号的幅值，只能近似地逼近 某一个离散的数字量。 某一个离散的数字量。因此在量化过程中不可避免的会产生 误差，通常把这种误差称为量化误差。显然，在量化过程中， 误差，通常把这种误差称为量化误差。显然，在量化过程中， 量化级分得越多，量化误差就越小。 量化级分得越多，量化误差就越小。
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A/D转换器 8.2 A/D转换器
3．逐次逼近型模-数转换器 逐次逼近型模逐次逼近型模-数转换器一般由顺序脉冲发生器、 逐次逼近型模-数转换器一般由顺序脉冲发生器、逐次逼 近寄存器、 数转换器和电压比较器等几部分组成， 近寄存器、模-数转换器和电压比较器等几部分组成，其原理 框图如图 12所示 所示。 框图如图8-12所示。 一次转换过程如表 一次转换过程如表8-3和图8-15所示。 15所示。 所示
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D/A转换器 8.1 D/A转换器
8.1.3 T形电阻网络D/A转换器 T形电阻网络D/A转换器 形电阻网络D/A
为了克服权电阻网络D/A转换器中电阻阻值相差过大的缺 为了克服权电阻网络D/A转换器中电阻阻值相差过大的缺 D/A 点，又研制出了如图8-3所示的T形电阻网络D/A转换器，由R 又研制出了如图 所示的T形电阻网络D/A转换器， D/A转换器 和2R两种阻值的电阻组成T形电阻网络（或称梯形电阻网络） 2R两种阻值的电阻组成T形电阻网络（或称梯形电阻网络） 两种阻值的电阻组成 为集成电路的设计和制作带来了很大方便。网络的输出端接 为集成电路的设计和制作带来了很大方便。 到运算放大器的反相输入端。 到运算放大器的反相输入端。 提高转换速度和减小尖峰脉冲的有效方法是将图 提高转换速度和减小尖峰脉冲的有效方法是将图8-4电路 改成倒T形电阻网络D/A转换电路， D/A转换电路 所示。 改成倒T形电阻网络D/A转换电路，如图8-6所示。
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。
第8章数模转换器与模数转换器
R ∞
O1 O2
－
＋
uo
I /1 6
2R 2R
I /8
2R
I/4
2R
I/2
2R
I= V REF / R
R
A B
R
C
R
D
I/8
I/4
I/2
I
－VREF
1. 倒T形电阻网络DAC
（1）电阻译码网络
电阻译码网络由R及2R两种电阻接成倒T形构成。由于网络两个输出端O1，O2都处 于零电位（O1点为虚地），所以从A、B、C任一节点向左看等效电阻都是2R， 如图（b）所示，因此，基准源电流I为
数据总线 d0～d7 (CS1)① (CS2)② 数据1锁存到①输入锁存器 (WR1)① 数据1输入①输入锁存器 (WR1)② 数据2输入②输入锁存器 WR2(XFER) ILE＝1 D/A寄存器锁存 数据2锁存到②输入锁存器
刷新模拟输出
8.1 DAC
8.1.3 1.
DAC的主要参数
第8章 数模转换器与模数转换器
ADC与DAC在工业控制系统中的作用举例。
非电模拟量
传感器
模拟信号
ADC
数字信号
数字系统
数字信号
DAC
模拟信号
执行机构
8.1 DAC
8.1.1 D/A转换基本原理
数字量是用代码按数位组合起来表示的，每一位代码都有一定的 权值。例如，二进制数1010，第四位代码权是23，代码“1”表 示数值为“8”；第三位代码权是22 ，代码“0”表示这一位没有 数；第二位代码权是21 ，代码“1”表示数值为“2”；第一位代 码权是20，代码“0”表示这一位没有数，这样1010所代表的十 进制数是8×1＋4×0＋2×1＋1×0＝10。可见，数模转换只 要将数字量的每一位代码，按其权数值转换成相应的模拟量， 然后将各位模拟量相加，即得与数字量成正比的模拟量。
数字逻辑：数模与模数转换电路
模拟信号
连续的、时间上连续变化 的信号，如声音、光线等 。
转换方式
数字信号可以通过数模转 换器转换为模拟信号，模 拟信号也可以通过模数转 换器转换为数字信号。
数字逻辑的基本门电路
AND门
当所有输入都为高电平（1）时，输 出才为高电平（1）。
NOT门
对输入信号取反，输入为高电平（1 ）时输出为低电平（0），输入为低 电平（0）时输出为高电平（1）。
数字逻辑数模与模 数转换电路
目录
• 数字逻辑基础 • 数模转换电路（DAC） • 模数转换电路（ADC） • 数模与模数转换的应用 • 数模与模数转换的发展趋势
01
CATALOGUE
数字逻辑基础
数字信号与模拟信号的区别
01
02
03
数字信号
离散的、不连续的信号， 只有0和1两种状态，通常 用于表示二进制数。
集成化、微型化的电路设计
集成化
随着半导体工艺的进步，数模与 模数转换电路可以更加集成化， 减小电路体积，提高可靠性。
微型化
微型化设计可以减小电路板空间 占用，使得数模与模数转换电路 更加适用于小型化设备。
智能化的数据处理技术
数据校准
通过算法和校准技术，对数模与模数 转换电路的输出数据进行校准和修正 ，以提高转换精度。
权电阻型
根据输入数字码改变相应的权电阻的接 通或断开，从而改变输出电压。
权电容型
根据输入数字码改变相应的权电容的 充放电状态，从而改变输出电压。
权电流型
根据输入数字码改变相应的权电流源 的开关状态，从而改变输出电压。
权电压型
根据输入数字码改变相应的权电压源 的开关状态，从而改变输出电压。
DAC的性能参数
数字电子技术基础课件：数模与模数转换电路
数/模与模/数转换电路
8.2.2 典型的 D/A转换电路 1.权电阻网络 D/A转换器 图8.2.2是四位权电阻网络 D/A 转换器的原理图,它由权
电阻网络、模拟开关S0~S3和 I/U 转换电路组成。权电阻网 络中每一个电阻的阻值与对应位的位权成反比。图中模拟开 关 S0~S3由输入数码D0~D3控制,当Di=0时,模拟开关Si接地;当 Di=1时,模拟开关Si将电阻接到UREF上。这样流过每个电阻的 电流就和对应位的位权成正比,再将这些电流相 加,其结果就 会与输入的数字量成正比。
拟量电压或者电流输出。当采 用电压输出时,其输入、输出 关系可表示为
数/模与模/数转换电路
数/模与模/数转换电路
基于上述基本思想,一个 D/A 转换器应该由数码寄存器、 模拟电子开关、解码网络、求 和电路及基准电压等部分组 成,如图8.2.1所示。进行 D/A 转换时,先将数字量存于数码寄 存器中,由寄存器输出的数码驱动对应数位的模拟电子开关, 使解码网络获得相应数位的权 值,再送入求和电路,将各位的 权值叠加,从而得到与数字量对应的模拟量输出。
考虑到 D/A 转换器的工作原理比 A/D 转换器的工作原 理简单,而且在有些 A/D 转换 器中需要用 D/A 转换器作为内 部的反馈电路,所以本章我们先讨论 D/A 转换器,再介绍 A/D 转换器。
数/模与模/数转换电路
8.2 数/模转换电路
8.2.1 数/模转换的基本原理 数/模转换是将输入的数字量(如二进制数 NB)转换为模
数/模与模/数转换电路
数/模与模/数转换电路
图8.2.7 3位 D/A 转换器的比例系数误差
数/模与模/数转换电路
失调误差是由运算放大器的零点漂移所引起的,图8.2.8 是3位 D/A 转换器的失调误 差,由于运算放大器零点漂移的 影响会使输出电压的转移特性曲线发生平移,从而在输出端 产生误差电压 ΔuO2。失调误差电压 ΔuO2的大小与输入数字 量无关。
如何设计简单的模数转换器和数模转换器电路
如何设计简单的模数转换器和数模转换器电路在电子领域中，模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）是常见的电路设备，它们可以将模拟信号转换为数字信号或将数字信号转换为模拟信号。
本文将介绍如何设计一种简单但有效的模数转换器和数模转换器电路。
一、模数转换器（ADC）电路设计：ADC的作用是将模拟信号转换为数字信号。
以下是一个简单的ADC电路设计方案：1. 采样电路：ADC的第一阶段是采样，即对模拟信号进行定期的采样。
可以使用开关电容电路或样保持电路来实现这一功能。
这些电路可以将输入信号保持在一个电容中，然后在固定的采样时间内读取电容电压。
2. 量化电路：采样之后，接下来需要将模拟信号量化为数字信号。
使用比较器和计数器可以实现这一过程。
比较器将采样信号与一个参考电压进行比较，并产生高低电平的输出信号。
计数器用于计算比较器输出信号的个数，并将其转换为数字表示。
3. 数字处理电路：ADC的最后一步是数字处理，即将量化后的数字信号进行处理和滤波。
这个过程可以使用微处理器或数字信号处理器（DSP）来完成。
数字处理电路可以对信号进行滤波、平滑和放大等操作，以提高最终输出结果的质量。
二、数模转换器（DAC）电路设计：DAC的作用是将数字信号转换为模拟信号。
以下是一个简单的DAC电路设计方案：1. 数字信号处理：DAC的第一步是对数字信号进行处理。
这可以通过计算机、FPGA或其他数字处理设备来完成。
在这一步中，将数字信号转换为对应的数值表示。
2. 数字到模拟转换：将处理后的数字信号转换为模拟信号的常用方法是使用数字锯齿波发生器。
数字锯齿波发生器通过逐步增加或减小电压的值来产生连续的模拟输出信号。
可以使用操作放大器和运算放大器来实现这个功能。
3. 输出放大和滤波：模拟信号产生后，可能需要通过放大器进行放大以适应实际应用场景。
此外，还可以使用滤波器来去除模拟信号中的噪声和杂散成分，以提高输出信号的质量和稳定性。
总结：通过以上简单的电路设计方案，我们可以实现基本的模数转换器和数模转换器。
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一、项目分析 二、相关知识
（一）A/D与D/A转换电路概述 （二）转换关系和量化编码 （三）主要技术指标 （四）D/A转换器 （五）A/D转换器
三、拓展知识
（一）数字信号处理基础
一、项目分析
项目内容：
了解A/D、D/A的类型，理解其工作原理，掌握主要技术指标，掌 握DAC0832、ADC0809的使用。
1、工作原理 以T型权电阻网络为例。
2、DAC0832芯片
DAC0832引脚图
图8-5 DAC0Байду номын сангаас32功能测试
（五）A/D转换器
1、工作原理 以逐次逼近式A/D转换器为例
2、ADC0809芯片
ADC0809引脚图
图8-8ADC0809功能测试电路
本章到此结束 谢谢!
（二）转换关系和量化编码
1、采样
2、量化
3、编码
（三）主要技术指标
1、A/D转换器的主要技术指标 （1）分辨率 （2）量程 （3）转换精度 （4）转换时间 （5）工作温度范围
2、D/A转换器的主要技术指标
（1）分辨率 （2）稳定时间 （3）非线性误差 （4）输出方式和极性 （5）工作温度
（四）D/A转换器
知识点：
① A/D、D/A转换器的作用、分类和主要指标; ② D/A、A/D转换的工作原理； ③ DAC0832、ADC0809的使用。
能力点：
会选择A/D、D/A转换器的类型； 会仿真测试 A/D、D/A转换器的功能。
二、相关知识
（一）A/D与D/A转换电路概述 根据其工作原理不同，可以分为逐次逼近式、双积分 式、并行、Σ-Δ型等。要根据应用场合的不同，选择合 适的类型。 D/A转换电路根据输出信号的类型不同，分为电流输 出型和电压输出型。按内部结构的不同，又可分为： 电阻串型、乘法型、Δ-Σ型等。