第11章 AD和DA转换器
《AD转换与DA转换》课件
AD转换器的误差及校准
1
非线性误差
由于元器件特性不同引起的误差。
增益误差
2
转换器增益与理论增益之间的偏差。
3
校准
使用标准信号对转换器进行调整和校 准。
DA转换的原理及应用
原理： 应用：
将数字信号转换为模拟信号的过程。 音频设备、通信系统、自动控制系统等领域。
DA转换器的分类
并行型
通过多个DAC芯片并联， 使输出电流或电压同步。
AD转换与DA转换
本PPT课件将介绍AD转换与DA转换的原理、应用、分类、性能指标、误差与 校准以及与比较分析。了解这些知识将使你对AD转换与DA转换有深入的理解。
AD转换的原理及应用
原理： 应用：
将模拟信号转换为数字信号的过程。 音频处理、传感器信号采集、图像处理等领域。
AD转换器的分类
1 逐次逼近型
串行型
使用移位寄存器进行逐位 转换。
增量型
通过逐位变换产生模拟输 出信号。
AD转换和DA转换的比较分析
AD转换器
将连续模拟信号转为离散数字信号。
DA转换器
将离散数字信号转为连续模拟信号。
采用逐次逼近法逼近输入信号。
3 逐次比较型
采用逐次比较法将输入信号逼近。
2 积分型
将输入信号积分后与参考电压比较。
4 并行型
使用多率
表示AD转换器可以识别的电 平数目，通常以位数表示。
采样率
指每秒采集的样本数，常用 单位是赫兹。
信噪比
表示转换器输出信号与噪声 的比值。
ad转换器和da转换器
电流输出型DA转换原理
总电流
•转换电流
分支电流
……
•I01转换电流与“逻辑开关”为1的各支路电流的总和成正比 ，即与D0～D7口输入的二进制数成正比。
•DAC0832
•反馈电 阻 •外接放大器
转换电压
•即，转换电压正比于待转换的二进制数和参考电压
DAC的性能指标： 1、分辨率 通常将DAC能够转换的二进制的位数称为分辨率。 位数越多分辨率也越高，一般为8位、10位、12位、16位等
•参考程序如下：
INIT1： SETB IT1
；选择外部中断1为跳沿触发方式
SETB EA
；总中断允许
SETB EX1 ；允许外部中断1中断
MOV DPTR，#7FF8H ；端口地址送DPTR
MOV A，#00H
MOVX @DPTR，A；启动ADC0809对IN0通道转换
………
；完成其他的工作
•电路分析
➢ 由P2.0形成高8位地址（0xfe），与WR信号合成START/ALE正脉冲启动 ADC，与RD信号合成OE正脉冲输出转换数据；
➢ 启动IN0～IN7通道AD转换的命令的地址为：0xfef8，……，0xfeff。
➢ 读取AD结果的命令的地址为：任何高8位为0xfe的地址均可。
•电路分析
DAC2第1级地址： 1111 1101 …（0xfdff） DAC1和2第二级地址：1110 1111 …（0xefff）
例3参考程序
•语句DAOUT = num的作用只是启动DAC寄存器，传输什么数据都没关 系。
例3 运行效果 （多路D/A同步输出 ）
•11.2 AT89S51与ADC的接口
数电实验报告11 DA、AD转换原理及应用
实验报告实验十一D/A、A/D转换原理及应用2.11.1实验目的（1）掌握D/A、A/D变换的工作原理。
（2）掌握D/A、A/D转换器DAC0832和A/D转换器ADC0809的使用方法。
2.11.2实验仪器与器件实验箱一个；双踪示波器一台；稳压电源一台；函数发生器一台。
D/A转换器DAC0832；A/D转换器ADC0809。
2.11.3实验原理1.D/A转换器D/A转换器可将输入的数字信号转变为与此数值成正比的模拟电压或电流。
（1）二进制加权电阻网络D/A转换器。
图示为4位加权电阻网络D/A转换器的原理图。
它由加权电阻网络、4个电子开关和1个求和放大器组成。
（2）倒T型电阻网络转换器。
加权电阻网络的缺点是阻值种类多，当转换位数较多时，阻值的变化范围很宽，难以准确选择。
采用倒T型网络可适当解决这个问题。
（3）D/A转换器DAC0832。
DAC0832是用CMOS工艺制成的单片式8位数模转换器。
2.A/D转换器A/D模数转换器可将模拟信号转换成数字信号。
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。
2.11.4实验任务（1）用DAC0832实现D/A转换。
按图2-11-8连接电路，改变DAC0832输入数据，将测得的输出电压填入表2-11-1中。
表2-11-1：数据输入仿真输出实验输出K8 K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 V OUT V OUT0 0 0 0 0 0 0 0 7mV 9mV0 0 0 0 0 0 0 1 21.5mV 21mV0 0 0 0 0 0 1 0 42.3mV 41mV0 0 0 0 0 1 0 0 83.5mV 81mV0 0 0 0 1 0 0 0 165.6mV 160.3mV0 0 0 1 0 0 0 0 330.1mV 319mV0 0 1 0 0 0 0 0 659mV 636mV0 1 0 0 0 0 0 0 1.371V 1.272mV1 0 0 0 0 0 0 0 2.634V 2.545mV（2）用ADC0809实现A/D转换。
《AD及DA转换》课件
《AD及DA转换》PPT课件
本PPT课件将深入介绍AD及DA转换的原理、分类、工作模式，以及采样率、 量化精度等关键概念。我们还会探讨信号处理技术、硬件实现和电路设计等 重要话题。
什么是AD和DA转换
AD（模数）转换将模拟信号转换为数字信号，DA（数模）转换将数字信号转换为模拟信号。这两种转换器 在许多电子系统中起着关键作用。
AD转换器可根据工作原理和特性进行分类，如逐次逼近型、积分型、双斜率 型和ΔΣ型等。每种类型都有其适用的应用场景和性能特点。
DA转换器的分类
DA转换器可以按照数字信号转换为模拟信号的方法进行分类，如加权电阻型、 串行型、并行型和PDM型等。不同类型的转换器适用于不同的应用需求。
AD转换器的工作模式
AD转换的原理和作用
AD转换器使用采样和量化技术将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。它 在信号处理、通信系统和传感器中都有广泛应用。
DA转换的原理和作用
DA转换器将数字信号转换为模拟信号，使其能够在模拟电路中进行进一步处 理和传输。它在音频、视频和通信等领域中扮演着核心角色。
AD转换器的分类
《AD及DA转换》课件
一、AD及DA转换简介1.1 AD转换概述模拟信号与数字信号的概念模拟信号转换为数字信号的意义1.2 DA转换概述数字信号转换为模拟信号的意义DA转换的基本原理1.3 AD及DA转换的应用领域电子秤工业控制音频处理二、AD转换器（模数转换器）2.1 AD转换器的工作原理采样保持量化和编码2.2 AD转换器的类型逐次逼近型（SAR）双积分型流水线型2.3 AD转换器的主要性能指标分辨率和量化误差转换时间和转换速率动态范围和线性范围三、DA转换器（数模转换器）3.1 DA转换器的工作原理数字到模拟的转换过程D/A转换器的类型及特点3.2 DA转换器的主要性能指标分辨率转换误差转换速度3.3 DA转换器的应用实例音频DAC视频DAC通信系统中的DA转换应用四、AD及DA转换器的选择与评估4.1 AD及DA转换器的选择依据精度要求转换速度要求成本和功耗考虑4.2 AD及DA转换器的评估方法测试转换特性分析转换误差对比不同转换器的性能4.3 AD及DA转换器的应用案例分析模拟信号采集与数字处理数字信号调节与模拟输出五、AD及DA转换技术的未来发展5.1 高速AD及DA转换技术亚微米和深亚微米工艺并行处理技术5.2 高精度AD及DA转换技术低噪声和低功耗设计温度补偿技术5.3 集成AD及DA转换技术片上系统（SoC）混合信号集成技术5.4 新型AD及DA转换技术展望生物医学信号处理领域无线通信和物联网应用领域六、模拟信号的采样与保持6.1 采样定理奈奎斯特采样定理采样频率的选择6.2 采样保持电路采样保持电路的工作原理采样保持电路的设计要点七、模拟信号的量化与编码7.1 量化过程量化的概念与过程量化误差7.2 编码方法二进制编码格雷码编码八、逐次逼近型AD转换器（SAR ADC）8.1 SAR ADC的工作原理转换过程解析转换速率与功耗8.2 SAR ADC的设计要点模拟开关的选择基准电压源的设计九、双积分型AD转换器9.1 双积分型ADC的工作原理转换过程解析转换时间与精度9.2 双积分型ADC的应用场景电流传感器压力传感器十、流水线型AD转换器10.1 流水线型ADC的工作原理转换过程解析转换速率与功耗10.2 流水线型ADC的设计要点级间匹配与补偿模拟开关的选择十一、DA转换器（数模转换器）的类型及原理11.1 权电阻网络DA转换器工作原理分辨率和线性度11.2 电压反馈型DA转换器工作原理特点和应用11.3 电流反馈型DA转换器工作原理特点和应用十二、DA转换器的性能指标及评估12.1 分辨率数字位数的含义分辨率与精度的关系12.2 转换误差静态误差动态误差12.3 转换速度转换时间更新速率十三、DA转换器的应用实例13.1 音频DAC音频信号的数字到模拟转换音频DAC芯片的选择13.2 视频DAC视频信号的数字到模拟转换视频DAC芯片的选择十四、AD及DA转换器的接口技术14.1 模拟接口差分信号传输阻抗匹配14.2 数字接口SPI接口I2C接口USB接口十五、AD及DA转换器的实际应用问题与解决方案15.1 噪声问题模拟噪声的来源数字噪声的来源降噪技术15.2 匹配问题内部组件匹配外部组件匹配匹配技术15.3 温度补偿温度对AD及DA转换器的影响温度补偿技术重点和难点解析本文主要介绍了AD及DA转换的相关概念、原理、性能指标、应用实例以及接口技术，重点内容包括：1. AD及DA转换的基本原理：理解模拟信号与数字信号的转换过程，掌握AD 及DA转换的意义和应用领域。
AD与DA转换器接口
24
1. ADC的主要参数
衡量一个ADC的性能的主要参数有： 1. 分辨率：指ADC能够转换成二 进制数的位数。 2. 转换时间：指从启动转换开始 到转换结束，得到稳定的数字输出量为 止的时间。 其它参数与DAC类似。
23
ADC按分辨率可分为：4位、6位、8位、10位、 12位、14度可分为： 超高速（转换时间≤330ns） 次高速（转换时间330ns～3.3us） 高速（转换时间＜20us） 中速（转换时间20us ～330us ） 低速（转换时间＞330us ） ADC按转换原理可分为 并行A/D、逐次逼近A/D、双积分A/D。
15
二、并行8位D/A转换芯片AD558及其接口
1、 AD558的内部结构框图
16
17
2、AD558与PC机的连接图
18
三、串行8位D/A转换器TLC5620
第一级缓冲 第二级缓冲
19
数据写入方式 (LDAC更新DAC输出)
数据写入方式 (LOAD更新DAC输出)
20
TLC5620 REFA REFB REFC DATA REFD CLK DACA LOAD DACB LDAC DACC DACD
13
MOV DX，300H MOV AL，0H L1：OUT DX，AL INC AL JNZ L1 MOV AL，0FFH L2：OUT DX，AL DEC AL JNZ L2 JMP L1
;8255A的A口 ;生成三角波
14
思考题： 1.编写完整的程序。 2.编写生成矩形波、三角波、梯形波、 正弦波以及锯齿波等程序
5
2、D/A转换器的连接特性 表示一个D/A 转换器连接特性的几个方面： 1. 数据缓冲能力。 2. 输入的数据宽度（分辨率）。 3. 输入码制。一般对单极性输出的DAC只能 接收二进制码或BCD码，而双极性输出的DAC只能 接收偏移二进制码或补码。 4. 输出模拟量的类型。有电流和电压两种类型 5. 输出模拟量的极性。有单极性和双极性两种
《AD和DA变换》课件
模拟信号采样
信号量化
连续的模拟信号通过采样器转换为离散的数字形式。
通过量化器将连续的信号转换为离散的数值，减小 信号的精度。
AD变换的应用
AD变换在许多领域中具有广泛的应用和重要的意义。
音频处理
AD转换用于音频设备中的声音 采集和处理，例如录音、音乐 制作和语音识别。
通信系统
AD转换用于将模拟信号转换为 数字信号，以便在通信系统中 传输和处理音频和视频数据。
Hale Waihona Puke 数字信号解码通过解码器将二进制信号解码为对应的数字数值。
信号重构
通过重构滤波器将数字信号转换为连续的模拟信号。
DA变换的应用
DA变换在各种设备和应用中发挥着至关重要的作用。
1
显示器
2
DA转换用于显示器中的数字信号解码和
模拟信号重建，以显示图像和视频。
3
音频设备
DA转换用于音频设备中的数字信号重建， 如扬声器和耳机。
关键的信号处理环节
AD变换将模拟信号转换为数字形式，DA变换将数字信号转换为模拟形式，促使数字设备和 模拟设备之间的互操作。
广泛的应用领域
AD和DA变换被广泛应用于音频设备、通信系统、数据采集、控制系统和测量仪器等领域。
AD变换的概念和原理
AD（模数转换）是将模拟信号转换为数字信号的过程。这涉及到信号采样、量化和编码。 • 信号采样：将连续的模拟信号在离散时间点上进行采样。 • 信号量化：将采样的信号转换为离散的数值。 • 信号编码：将量化的数值表示为二进制形式。
《AD和DA变换》PPT课件
本PPT课件介绍AD和DA变换的概念、原理、应用以及问题讨论，旨在向大家 分享我的专业知识和见解。
引言
AD和DA转换器的分类及其主要技术指标
AD和DA转换器的分类及其主要技术指标AD和DA转换器（Analog-to-Digital and Digital-to-Analog converters）是电子设备中常用的模数转换器和数模转换器。
AD转换器将连续的模拟信号转换成对应的离散数字信号，而DA转换器则将离散的数字信号转换成相应的连续模拟信号。
本篇文章将介绍AD和DA转换器的分类以及它们的主要技术指标。
一、AD转换器分类AD转换器主要分为以下几个类型：1.逐次逼近型AD转换器（Successive Approximation ADC）逐次逼近型AD转换器是一种常见且常用的AD转换器。
它采用逐渐逼近的方法逐位进行转换。
其基本原理是将模拟输入信号与一个参考电压进行比较，不断调整比较电压的大小，确保比较结果与模拟输入信号的差别小于一个允许误差。
逐次逼近型AD转换器的转换速度相对较快，精度较高。
2.模数积分型AD转换器（Sigma-Delta ADC）模数积分型AD转换器是一种利用高速和低精度的ADC与一个可编程数字滤波器相结合的技术。
它通过对输入信号进行高速取样并进行每个采样周期的累积和平均，降低了后续操作所需的带宽。
模数积分型AD转换器具有较高的分辨率和较好的线性度，适用于高精度应用。
3.并行型AD转换器（Parallel ADC）并行型AD转换器是一种通过多个比较器并行操作的AD转换器。
它的转换速度较快，但其实现成本相对较高。
并行型AD转换器适用于高速数据采集和信号处理。
4.逐渐逼近型AD转换器（Ramp ADC）逐渐逼近型AD转换器是一种通过线性递增电压与输入信号进行比较的转换器。
它利用逐渐逼近的方法寻找与输入信号最接近的电压值，然后以此电压值对应的时间来估计输入信号的值。
逐渐逼近型AD转换器转换速度较慢，但精度较高。
5.其他类型AD转换器除了上述几种常见的AD转换器类型外，还有其他一些特殊的AD转换器类型，如比例调制型AD转换器、索耳转换器等。
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取样—保持电路的基本形式
vL返回低电平后T截止，保持。 以上电路很不完善，取样速度受限制。
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第一节 数字-模拟转换器
集成取样-保持电路LF398
R1
VOS
2
D2
vI
VREF
3
A
L
D1
1
S
R2
CH
6
A
VOS V V
5
2
vO
2
1
vI
vL
4 6 5
3
LF398 8 7
CH
vO
五、V- F变换型A/D转换器
V-F （f out） 变换器
计数 脉冲 计 数 寄 存 器
并 行 数 字 输 出
vI
G
器
(MSB) (LSB)
RD
单稳态 触发器
CLK
vG
TG
V-F变换型A/D转换器的电路结构框图 上页 下页 返回
25
第一节 数字-模拟转换器
六、A/D转换器的转换精度与转换速度
1. A/D转换器的转换精度 单片集成的A/D转换器采用分辨率和转换误差来描述。 分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，
uo Ku (dn 1 2n 1 dn 2 2n 2 d1 21 d0 20 )
4
第一节 数字-模拟转换器
二、权电阻网络D/A转换器
RF ( R / 2)
i
V
2 R 2 R 2R
2
3
R
I2 S3
I3
AF (I 0 I1 I 2 I3 )
D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之 间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的 转换特性。理想的 D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量 与输入数字量成正比。即：输出模拟电压 uo=Ku×D或输出模 拟电流io=Ki×D。其中Ku或Ki为电压或电流转换比例系数，D 为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为 n 位二进制 数dn-1dn-2…d1d0，则输出模拟电压为：
（1）分辨率 分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为 n位的 D/A 转换器中，输出电压能区分 2n 个不同的输入二进制代码状 态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。 分辨率也可以用 D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压 的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：
1 1 0.001 10 2 1 1023
模拟输入
vI
C
vO
DAC
(MSB)
(LSB)
(MSB)
(LSB)
并 行 数 字 输 出
逐次渐近寄存器
控制逻辑
转换控制信号
CLK
脉冲源
vL
转换控制信号vL变为高电平时开始转换，时钟信号 首先将寄存器的最高位置成1，使寄存器的输出为 100…00。这个数字量被D/A转换器转换成相应的模 拟电压vO，并送到比较器与输入信号vI进行比较。
计数器
vL
转换开始前先用复位信号将计数器置零，
而且转换控制信号应停留在vL=0的状态。
20
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第一节 数字-模拟转换器
模拟输入
vI
vO
C
DAC
输 出 寄 存 器
(MSB)
vB G
脉冲源
(LSB)
CLK
(MSB)
(LSB)
并 行 数 字 输 出
计数器
vL
当vL变为高电平时开始转换，计数器开始计数， vO不 断增加。 当增至vO = vI时， vB=0将门封锁，计数器停止计数， 这时计数器中所存的数字就是所求的输出数字信号。 这种方案的明显缺点是转换时间太长。
vL 8
7
典型接法
电路结构
vL为高电平时S闭合，电路处于取样工作状态。 vL返回低电平后S 断开，电路进入保持状态。
18
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第一节 数字-模拟转换器
三、并联比较型A/D转换器
并联比较型A/D转换器 属于直接A/D转换器， 它能将输入的模拟电 压直接转换为输出的 数字量而不需要经过 中间变量。
(MSB)
d0
d1
d2
d3
R
i
V
V
A
vO
S0
2R
2R
I 2R 16
S1
I 8
S2
2R
I 2R 4
S3
I 2
I 16
I I I I i d 3 d 2 d1 d 0 2 4 8 16 VREF vO Ri 4 (d 3 23 d 2 22 d1 21 d 0 20 ) 2
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27
说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。
转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，
表示实际输出的数字量
和理论上应有的输出数字量之间的差别。
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第一节 数字-模拟转换器
2. A/D转换器的转换速度
A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，
不同类型的A/D转换器的转换速度相差悬殊。 并联比较型A/D转换器的转换速度最快。 逐次渐近型A/D转换器的转换速度次之。 间接A/D转换器的转换速度要低得多了。 高速A/D转换器应将取样-保持电路的获取时间 计入转换时间之内。
d3
R
i
V
V
A
vO
S0
2R
2R
I 2R 16
S1
I 8
S2
2R
I 2R 4
S3
I 2
I 16
倒T形电阻网络D/A转换器
I 8
I 4
I 2
I
VREF
di = 0时开关 Si 接至放大器的 V+ 。 di = 1时开关 Si 接至放大器的 V- 。
8
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第一节 数字-模拟转换器
A
2R 2R I / 16 R
S0
I0 S1
I1 S2
VREF
(LSB)
d0
各支路电流为
d1 d2
d3 (MSB)
权电阻网络D/A转换器
VREF V I3 d 3 (d 3 1时I 3 REF ，d 3 0时I 3 0） R R
VREF I2 d2 2R
VREF I 1 2 d1 2 R
5
VREF I0 3 d0 2 R
d0 输入 d1
…
dn －1
D/A
uo 或 io 输出
uo Ku (dn 1 2n 1 dn 2 2n 2 d1 21 d0 20 )
3
uo (V)
第一节 数字-模拟转换器
转 换 特 性
7 6 5 4 3 2 1 0
D
000 001 010 011 100 101 110 111
A( f )
0
f i (max)
fS fi (max)
f
还原取样信号所用滤波器的频率特性
15
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第一节 数字-模拟转换器
2. 量化和编码 量化： 进行A/D转换时， 所取最小数量叫做量化单位，用Δ表示。
取样电压表示为数字信号所取的最小数量单位的整数倍,
数字信号最低有效位的1所代表的数量大小就等于Δ。
对n位权电阻网络D/A转换器取RF = R/2 ，得
VREF VREF n 1 n 2 1 0 vO n （dn 1 2 d n 2 2 d1 2 d 0 2 ） n Dn 2 2
6
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第一节 数字-模拟转换器
RF ( R / 2)
i
V
2 R 2 R 2R
2
3
R
I2 S3
I3
A
V
vO
S0
I0 S1
I1 S2
VREF
(LSB)
d0
d1
d2
d3 (MSB)
权电阻网络D/A转换器
优点：结构比较简单，所用的电阻元件很少。
缺点：各个电阻的阻值相差较大。
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第一节 数字-模拟转换器
三. 倒T形电阻网络D/A转换器
(LSB)
(MSB)
d0
d1
d2
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第一节 数字-模拟转换器
vO RFi RF ( I 3 I 2 I1 I 0 )
VREF I3 d3 R
VREF I2 d2 2R
VREF I 1 2 d1 2 R
2
VREF I0 3 d0 2 R
3 2 1 0 取RF = R/2 ，得 vO VREF （ d 2 d 2 d 2 d 2 3 2 1 0 ） 4
编码：把量化的结果用代码表示出来，
这些代码是A/D转换的结果。
量化误差：量化过程引入的误差。
当输入的模拟电压在正、负范围内变化时，
一般要求采用二进制补码的形式编码。
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第一节 数字-模拟转换器
二、取样-保持电路
RF
动画
vI
模拟开关
RI
T
CH
A
vO
控制信号
vL
vL为高电平时T导通，取样。
（2）转换精度 D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值 之差，即最大静态转换误差。 （3）输出建立时间 从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要 的时间，称为输出建立时间。