优选第九章数模和模数转换
数模转换讲解
用二进制代码表示量化后的输入模拟电压。
量化和编码是在同一个电路中完成的。下图说明了两种量 化方法：
22
－1/15V
若用此范围表示
001会更准确
量化误差＝
量化误差＝
2
当输入电压不为 的整数倍时，必然产
23
生误差，称为量化误差。
输入为双极性时： 输出一般采用二进制补码表示。可用下图表示：
=1V
第一次积分:对输入模拟电压定 时积分，时间为T1,由控制逻辑 电路决定；
C
1 Idt I
C
CR
电容C上电压
dt
第二次积分:对参考电源VREF定
速积分， O的变化速度由
VREF,R和C决定。
31
t1时刻电容电压 c 即 o 值为：
o
权电阻网络D/A转换器
D/A 转 换
倒T型电阻网络D/A转换器 权电流型D/A转换器 权电容网络D/A转换器
器
开关树型D/A转换器
并联比较型 计数型
A/D
直接转换型 反馈比较型
转
逐次渐进型
换 器
间接转换型 双积分型（V－T变换型）
V—F变换型 3
第二节 D/A转换器 权电阻网络
一、权电阻网络D/A转换器 1.原理
非线性误差有时导致 转换特性局部非单调性， 从而引起系统不稳定。
注意：运放和参考 电源多为外接，电 阻网络和模拟开关 在集成DAC内部。
15
例：在10位倒T型电阻网络DAC中，VREF=-10V。为保证VREF偏离 标准值所引起的误差小于1/2LSB，计算VREF相对稳定度应取多少？ 解：
1.计算1/2LSB: 当输入数字量D=1时，输出电压为LSB。故：
数字电子技术基础第九章模数与数模转换
vo
+
I=IREF
=
VREF R1
S3
S2
S1
S0
I
I
I
I
I
VREF
R1 VR+
Tr A2
2
T3
T2
4
8
16
16
T1
T0
Tc
VR— +
IREF
IE3
IE2
IE1
IE0
IEC
R
2R
2R
2R
2R 2R
IBB
偏置 电流
VEE
R
R
R
IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16
电流的参 考方向
i0
二． 倒T形电阻网络D/A转换器（4位）
图中S0～S3为模拟电子开关，由输入数码Di控制， 当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路； 当Di=0时，Si将电阻2R接地。 所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）。
电流的参 考方向
电流的真 实方向也 如此
参考电压源VREF、运算放大器A2、R1、Tr、R与VEE组成基准电 流IREF产生电路，A2和R1、Tr的cb结组成电压并联负反馈电路 ，以稳定输出电压，即Tr的基极电压。Tr的集电结，电阻R到 VEE为反馈电路的负载，由于电路处于深度负反馈，根据虚短 的原理，其基准电流为：
I I REF
VREF R1
000 001 010 011 100 101 110 111 D
根据解码网络的不同，D/A转换器分不同类型，常见的 有： 倒T型电阻网络D/A转换 权电阻网络D/A转换 权电流型D/A转换等
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9章数模和模数转换
Vref 2n
i
1 LSB 2
~
Vref 2n
i
1 2
LSB
Xi
i = 0, 1, 2,…, n-1.
1 2
LSB
Vref 2n1
称为量化误差
9.3.1 ADC的工作过程
1. 采样与保持 采样：按一定的时间间隔取信号一瞬间的值。
输入信号 采样脉冲 采样信号
为采样时间
TS 为采样周期
x2 4
x3 8
Vref 23 R
x122 x2 21 x3 20
Vref 23 R
X
V0 iRf
Vref 23
Rf R
X
当 Rf
R
时， V0
Vref 23
X
9.1.4 R-2R倒梯形DAC
从每个节点(ABC)向右看，等效电阻都是2R。因
此每过一个节点，电流减小一半。
x1
Vref R
x2
Vref 2R
x3
Vref 4R
R f Vref 22 R
x122 x2 21 x3 20
Vref 23
X
其中取 R 2R f ，x1, x2 , x3 取值为0或1。
9.1.3 R-2R T形电阻网络DAC
(1) 当 x3 = x2 = 0, x1 = 1 时
普通电视图象信号，最高频率达 5.5MHz，用 24位真彩 色，采样频率用 11MHz，则转换输出码率为 264Mb ps，即 31.47MByte ps。用普通光盘可以存储约 20秒种。
大学电子技术基础课后习题答案第9章-数模与模数转换器
9 数模与模数转换器9.1 D/A 转换器9.1.1 10位倒T 形电阻网络D/A 转换器如图题9.1.1所示。
（1）试求出输出电压的取值范围。
（2）若要求电路输入数字量为200H 时输出电压v o =5V ，试问V REF 应取何值？解：（1）由式（9.1.6）可知，10位D/A 转换器输出电压O v 为910022f REFOii i R R v R D ==-⋅⋅∑当98D D …0D =00…0时 O v =0 V当98D D …0D =11…1时，REFO R v R=-，已知f R R =，所以O REF v R =-于是可得到输出电压的取值范围为：0REF V V -。
（2）根据式（1） 109212O REFifii R v V R D =⋅⋅=-⋅⋅∑将98D D …0D =1000000000代入上式，的REF V =﹣10V 。
9.1.2 在图9.1.8所示的4位权电流D/A 转换器中，已知REF V =6V ，1R =48k Ω，当输入3210D D D D =1100时，O v =1.5V ，试确定f R 的值。
解：n 位权电流D/A 转换器的输出电压为1122n fiREF O i n i R R v D R -==⋅⋅∑于是，有11022n O f n iREF i i R v R V D -=⋅⋅=⋅⋅∑依题意，已知n=4，REF V =6V ，1R =48k Ω，3210D D D D =1100，O v =1.5V,代入上式得f R =16k Ω。
9.1.5 可编程放大器（数控可变增益放大器）电路如图题9.1.5所示。
（1）推导电路电压放大倍数/V O I A v v =的表达式。
（2）当输入编码为（001H ）和（3FFH ）时，电压放大倍数V A 分别为多少？ （3）试问当输入编码为（000H ）时，运放1A 处于什么状态？解：（1）图题9.1.5中运放3A 组成电压增益为﹣1的反相比例放大器，O v =﹣REF V 。
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
第九章数模和模数转换优秀课件
9.2 D/A转模路拟组开成关 DD电＝ ＝源10时时组电接 接成路运 地。由放解码网络、模拟开关、求和放求 算大放和器大集和器成基运准
基准参 考电压
R－2R倒T 形电阻解 码网络
9.2 D/A转换器
2. 工作原理 由于集成运算放大器的电流求和点Σ为虚地，
所以每个2R电阻的上端都相当于接地，从网络的A、 B、C点分别向右看的对地电阻都是2R。
第9章
第九章数模和模数 转换
上页 下页 返回
9.1 概述
➢ 数字电路、计算机只能对数字信号进行处理，其 结果为数字量。然而，自然界中绝大多数的物理 量都是连续变化的模拟量。例如温度、速度、压 力等。这些模拟量经传感器转换后所产生的电信 号也是模拟信号。若要数字装置或计算机对这些 信号进行处理，就必须将其转换为数字信号。
9.2 D/A转换器
➢DAC的输入是数字信号。它可以是任何一种编码， 常用的是二进制码。输入可以是正数，也可以是负数， 通常是无符号的二进制数。由于输入数字量的位数是 有限的，所以输出的模拟量也是有限的。例如三位 DAC只能有八个，相应模拟量输出的大小也只有八个 不同值。
9.2 D/A转换器
一、D/A转换基本原理 数/模转换就是将数字量转换成与它成正
比的模拟量。
数字量： (D3D2D1D0)2＝(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10 (1101) 2 ＝(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10
模拟量： uo＝K(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10 uo＝K(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10
(K为比例系数)
例如，某D/A转换器满量程输出电压为10V，如 果 误 差 为 1% ， 就 意 味 着 输 出 电 压 的 最 大 误 差 为 ±0.1V。百分数越小，精度越高。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
双1.向电模路拟组开成关 DD电＝ ＝源10时时组电接 接成路运 地。由放解码网络、模拟开关、求和放求 算大放和器大集和器成基运准
基准参 考电压
R－2R倒T 形电阻解 码网络
9.2 D/A转换器
2. 工作原理 由于集成运算放大器的电流求和点Σ为虚地，
所以每个2R电阻的上端都相当于接地，从网络的A、 B、C点分别向右看的对地电阻都是2R。
第9章
优选第九章数模和模数转换
上页 下页 返回
9.1 概述
➢将模拟量转换为数字量的过程称为模/数转换简称 A/D转换。实现A/D转换的电路被称之为模/数转换器， 简称ADC（Analog to Digital Converter）。 ➢ADC转换所得到的数字信号经计算机处理，其输出 仍为数字信号。而过程控制装置往往需要模拟信号去 控制，所以经计算机处理后得到的数字信号必须转换 为模拟信号。把数字量转换为模拟量的过程称作数/模 转换器，简称DAC（Digital to Analog Converter）。
1.分辨率
分辨率是指输出电压的最小变化量与满量程输出
电压之比。
输出电压的最小变化量就是对应于输入数字量最
低位为1，其余各位均为0时的输出电压。
满量程输出电压就是对应于输入数字量全部为1
时的输出电压。
对于n位D/A转换器，分辨率可表示为：
分辨率
1 2n 1
位数越多，能够分辨的最小输出电压变化量就
越小，分辨率就越高。也可用位数n来表示分辨率。
vo
20R
21R
22R
23R
S3
S2
S1
S0
VREF
a3
a2
a1
a0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图9-1 二进制权电阻DAC原理图
9.2 D/A转换器
iI
a3
VREF 20 R
a2
VREF 21 R
a1
VREF 22 R
a0
VREF 23 R
VREF 23 R
(a3
23
a2
22
a1
21
a0
20)
VREF 23 R
3
9.2 D/A转换器
2. 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其转换速度也是不相同的，一般约 在几微秒到几十微秒的范围内。
9.2 D/A转换器
3. 转换精度
转换精度是指电路实际输出的模拟电压值和理论 输出的模拟电压值之差。通常用最大误差与满量程 输出电压之比的百分数表示。通常要求D/A转换器 的误差小于ULSB/2。
例如，某D/A转换器满量程输出电压为10V，如 果 误 差 为 1% ， 就 意 味 着 输 出 电 压 的 最 大 误 差 为 ±0.1V。百分数越小，精度越高。
转换精度是一个综合指标，包括零点误差、增益 误差等，它不仅与D/A转换器中元件参数的精度有 关，而且还与环境温度、集成运放的温度漂移以及 D/A转换器的位数有关。
9.2 D/A转换器
因此流过四个2R电阻的电流分别为I/2、I/4、 I/8、I/16。电流是流入地，还是流入运算放大器， 由输入的数字量Di通过控制电子开关Si来决定。故 流入运算放大器的总电流为：
I I D3 I D2 I D1 I D0 2 4 8 16
9.2 D/A转换器
由于从UREF向网络看进去的等效电阻是R，因 此从UREF流出的电流为：
9.2 D/A转换器
4. 非线性误差
通常把D/A转换器输出电压值与理想输出电压值 之间偏差的最大值定义为非线性误差。
D/A转换器的非线性误差主要由模拟开关以及 运算放大器的非线性引起。
5. 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，称为DAC的温度系数。
一般用满刻度的百分数表示温度每升高一度输 出电压变化的值。
9.2 D/A转换器
组成D/A转换器的基本指导思想：将数字量按 权展开相加，即得到与数字量成正比的模拟量。
n位D/A转换器方框图
D/A转换器的种类很多,主要有： 权电阻网络DAC、 T形电阻网络DAC 倒T形电阻网络DAC、 权电流DAC
9.2 D/A转换器
二、 二进制权电阻DAC
RF
_
iI
A +
9.2 D/A转换器
➢DAC的输入是数字信号。它可以是任何一种编码， 常用的是二进制码。输入可以是正数，也可以是负数， 通常是无符号的二进制数。由于输入数字量的位数是 有限的，所以输出的模拟量也是有限的。例如三位 DAC只能有八个，相应模拟量输出的大小也只有八个 不同值。
9.2 D/A转换器
一、D/A转换基本原理 数/模转换就是将数字量转换成与它成正
3、电路特点：
（1）解码网络仅有R和2R两种规格的电阻， 这对于集成工艺是相当有利的；
（2）这种倒T形电阻网络各支路的电流是直 接加到运算放大器的输入端，它们之间不存在传 输上的时间差，故该电路具有较高的工作速度。
因此，这种形式的DAC目前被广泛的采用。
9.2 D/A转换器
三、 DAC的主要技术参数
比的模拟量。
数字量： (D3D2D1D0)2＝(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10 (1101) 2 ＝(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10
模拟量： uo＝K(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10 uo＝K(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10
(K为比例系数)
9.2 D/A转换器
例: 若DAC的最大输出电压为10V，要想使转换误 差在10mV以内，应选多少位DAC？
解：要想转换误差在10mV以内，就必须能分辨出 10mV电压。就是说分辨率必须小于10/（10×103） =1/1000。根据分辨率可以表示DAC的精度这一结 论，至少需要10位DAC，若考虑其它因素，需选12 位DAC。
ai
i0
2i
9.2 D/A转换器
➢权电阻DAC的优点是简单直接，但当位数较多时， 电阻的值域范围太宽。这就使得阻值种类太多，制 成集成电路困难；对高位权电阻的精度和稳定性要 求很苛刻，这是因为各位电阻值与二进制数位成反 比，高位权电阻的误差对输出电流的影响比低位权 电阻大得多。
9.2 D/A转换器
I U REF R
9.2 D/A转换器
故：
I
UREF 24 R
(D323
D22 2
D121
D020 )
9.2 D/A转换器
因此输出电压可表示为 ：
9.2 D/A转换器
对于n位的倒T形电阻网络DAC，有 ：
由此可见，输出模拟电压uO与输入数字量D成 正比，实现了数模转换。
9.2 D/A转换器