数模和模数转换器
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。
数模和模数转换器的应用
的内容在DAC 寄存器中锁存。
• (3) 进入DAC 寄存器的数据送入D/ A 转换器转换成模拟信号, 且随时 可读取。DAC0832 在不同信号组合的控制下可实现三种工作方式: 双缓冲器型、单缓冲器型和直通型, 如图8-6 所示。
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8. 2 数/ 模转换器(DAC)
• ①双缓冲器方式, 如图8-6 (a) 所示: 首先, 给
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8. 3 模/ 数转换器(ADC)
• 1. 取样和保持 • 取样(又称抽样或采样) 是将时间上连续变化的模拟信号转换为时间上
离散的模拟信号, 即转换为一系列等间隔的脉冲。其过程如图8-7 信 号, UO 为取样后输出信号。 • 取样电路实质上是一个受控开关。在取样脉冲CP 有效期τ 内, 取样开 关接通, 使UO =UI; 在其他时间(Ts -τ) 内, 输出UO =0。因此, 每经过一 个取样周期, 在输出端便得到输入信号的一个取样值。 • 为了不失真地用取样后的输出信号UO 来表示输入模拟信号UI, 取样频 率f s 必须满足fs≥2fmax (此式为取样定理)。其中, fmax 为输入信号UI 的 上限频率(即最高次谐波分量的频率)。
• 倒T 型电阻网络DAC 的组成框图如图8-2 所示, 数据锁存器用来暂时 存放输入的数字量, 这些数字量控制模拟电子开关, 将参考电压源UREF 按位切换到电阻译码网络中变成加权电流, 然后经运放求和输出相应 的模拟电压, 完成D/ A 转换过程。
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8. 2 数/ 模转换器(DAC)
输入寄存器直接存入DAC 寄存器中并进行转换。这种工作方式称为
单缓冲方式, 即通过控制一个寄存器的锁存, 达到使两个寄存器同时选
通及锁存。
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。
模数转换器的原理及应用
模数转换器的原理及应用模数转换器，即数模转换器和模数转换器，是一种电子器件或电路，用于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。
该器件在许多领域都有广泛的应用，包括通信、音频处理、图像处理等。
一、数模转换器的原理数模转换器的原理基于采样和量化的过程。
采样是指在一段时间间隔内对连续的模拟信号进行测量，将其离散化，得到一系列的样本。
量化是指将采样得到的模拟信号样本转换为对应的数字量。
1. 采样过程：通过采样器对连续的模拟信号进行采样，即在一段时间间隔内选取一系列点，记录其幅值。
采样频率越高，采样得到的样本越多，对原始信号的还原度越高。
2. 量化过程：将采样得到的模拟信号样本转换为数字量。
量化的目的是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，通常使用二进制表示。
量化过程中，将采样得到的模拟信号样本确定为离散的幅值值，并用数字表示。
二、模数转换器的原理模数转换器将数字信号转换为模拟信号，其原理与数模转换器相反。
它将数字信号的离散样本重新合成为连续的模拟信号，恢复出原始的模拟信号。
1. 数字信号输入：模数转换器接收来自数字信号源的离散数字信号样本。
2. 重构模拟信号：根据输入的数字信号样本，模数转换器重构出原始的模拟信号。
这需要根据离散样本的幅值重新合成出连续变化的模拟信号。
三、模数转换器的应用模数转换器在许多领域都有广泛的应用，下面列举几个常见的应用领域：1. 通信系统：在通信系统中，模数转换器用于将数字信号转换为模拟信号进行传输。
它将数字信号编码为模拟信号，便于在传输过程中传递。
2. 音频处理：在音频处理系统中，模数转换器用于将数字音频信号转换为模拟音频信号，以便于放音或其他音频处理操作。
3. 图像处理：在数字图像处理领域，模数转换器用于将数字图像信号转换为模拟图像信号，以便于显示或其他图像处理操作。
4. 控制系统：模数转换器在控制系统中用于将数字控制信号转换为模拟控制信号，以便于控制各种设备或系统的运行。
电路中的模数转换与数模转换的原理与应用
电路中的模数转换与数模转换的原理与应用在现代电子设备中，模数转换和数模转换是一些关键的技术，广泛应用于音频、视频和通信等领域。
这些转换技术允许我们将模拟信号和数字信号之间进行转换，并在电路设计中发挥重要作用。
本文将探讨模数转换和数模转换的原理和应用。
一、模数转换（ADC）模数转换（Analog-to-Digital Conversion，简称ADC）是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的过程。
它的原理基于量化和编码两个步骤。
首先，量化将连续的模拟信号分为不同的离散级别。
这个过程类似于将一个连续的信号映射到一组离散的数值上。
量化程度的精确度决定了数字信号的分辨率。
常见的量化方法有线性量化和非线性量化。
接下来，编码将量化后的数值转换为数字信号。
常见的编码方式包括二进制编码、格雷码和翻转码等。
其中，二进制编码是最常用的编码方式，它将每个量化级别与一个二进制码相对应。
模数转换器的应用非常广泛。
例如，在音频信号处理中，模数转换器将模拟音频信号转换为数字形式，使得我们可以进行数字信号处理，如音频编码和音频分析等。
此外，在通信系统中，模数转换器将模拟语音信号转换为数字信号，使得我们可以进行数字通信，如电话和移动通信等。
二、数模转换（DAC）数模转换（Digital-to-Analog Conversion，简称DAC）是将离散的数字信号转换为连续的模拟信号的过程。
它的原理与模数转换相反，包括解码和重构两个步骤。
首先，解码将数字信号转换为对应的离散数值。
解码过程与编码过程相反，常见的解码方式包括二进制解码和查找表解码等。
接着，重构将解码后的数值转换为模拟信号。
重构过程类似于对数字信号进行插值和滤波，以恢复出连续的模拟信号。
数模转换器在许多领域中也得到广泛应用。
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音频信号，供扬声器播放。
此外，在调制解调器中，数模转换器将数字通信信号转换为模拟信号，使其可以被传输和接收。
数电教材第章数模和模数转换
11.2.1 权电阻网络D/A转换器
2.输出电压旳计算： 输出电压为
v0 RF I RF (I3 I2 I1 I0 )
因为V－ ≈V＋＝0， 故各电流为
I3
VREF R
d3, I2
VREF 2R
d 2，I1
VREF 4R
d1, I0
VREF 8R
d0
11.2.1 权电阻网络D/A转换器
注：根据数字量旳输入输出方式能够将D/A转换器提成 并行输入和串行输入两种类型，将A/D转换器提成并行 输出和串行输出两种类型。因为D/A转换器电路旳工作 原理较A/D转换器简朴，且是A/D转换器电路旳构成部 分，故先简介D/A转换器。
11.2 D/A转换器
D/A转换器旳目旳为：
D 111101…
R R R R 图11.2.5
11.2.2 倒T形电阻网络D/A转换器
R R R R 图11.2.5
R
VREF I
总旳电流为
I VREF R
di di
1时，Ii流入i 0时，I i流入地端
i
I
I
I
I
d3
(
2
)
d
2
(
4
)
d1
(
8
)
d
0
( 16
)
11.2.2 倒T形电阻网络D/A转换器
因为 I VREF
图11.2.6为采用倒T型电阻网络旳单片集成D/A转换器 CB7520(AD7520)旳电路。
图11.2.6 其输入为10位二进制数，采用CMOS电路构成旳模拟 开关。
11.2.2 倒T形电阻网络D/A转换器
输出电压为
ADC和DAC有什么区别？
ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）是数字信号处理中常见的两种转换器，它们的主要区别如下：
1. 功能：ADC将连续的模拟信号转换为对应的数字表示，将模拟信号的电压、电流等连续变化转换为离散的数字编码。
而DAC则将数字信号转换为相应的模拟信号，将离散的数字编码转换为相应的模拟电压或电流。
2. 方向：ADC是模拟到数字的转换器，将模拟信号转换为数字数据；而DAC是数字到模拟的转换器，将数字数据转换为模拟信号。
3. 输入/输出：ADC的输入是模拟信号，通常是电压或电流等连续变化的信号；而输出是对应的数字编码。
DAC的输入是数字数据，通常是离散的二进制编码；而输出是相应的模拟信号，如电压或电流。
4. 应用领域：ADC广泛应用于从模拟传感器（如温度传感器、光传感器等）获取数据、音频信号处理、数字通信等领域。
DAC主要用于音频信号合成、数字音频处理、图像生成等领域。
5. 分辨率：ADC和DAC的性能指标包括分辨率，即数值表示的精确度。
ADC的分辨率表示数字输出的位数，通常以比特（bit）表示；而DAC的分辨率表示数字输入的位数，也通常以比特表示。
总的来说，ADC和DAC是互为逆过程的转换器，一个将模拟信号转换为数字信号，另一个将数字信号转换为模拟信号。
它们在信号处理和通信领域中发挥着重要的作用，并且经常一起应用于将模拟信号转换为数字形式、经过数字处理后再转换回模拟信号的过程中。
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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8. 2 D/A转换器
二、工作原理
运算放大器反向输入端“虚地”，该点电位总是近似为零。 当电子开关S0~Sn-1都接1端时，流入求和运算放大器的总电流 为：
第8章 数模和模数转换器
8. 1 概述 8. 2 D/A转换器 8. 3 A/D转换器
8. 1 概述
随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代 控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，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、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 字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所 接受。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—模数和数模转换器。
8. 2. 2 R-2R倒丁形电阻网络D/A转换器 一、电路组成 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。 四位倒T形电阻网络D/A转换器的原理图如图8.2.3所示。
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8. 2 D/A转换器
无沦模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均等效接 “地”(地或虚地)。这样流经2R电阻的电流与开关位置无关， 为确定值。
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8. 2 D/A转换器
倒T形电阻网络D/A转换器中各支路的电流恒定不变，直接流 入运算放大器的反相输入端，它们之间不存在传输时间差， 有效地减小了动态误差，因而提高了转换速度;并且，电阻只 有R , 2R两种，为集成电路的设计和制作带来了很大的方便。
8. 2. 3权电流型D/A转换器 上述两种DAL都为电压型，它们都是利用电子开关将基准电
二、工作原理
分析R-2R电阻解码网络不难发现，从A, B, C, D每个接点向
左看的二端网络等效电阻均为R，流入每个2R电阻的电流从
高位到低位按2的整倍数递减。设由基准电压源提供的总电流
为I ，
I3
I 2
,
I2
I3 2
, I1
I2 2
, I0
I1 2
,
可见流过各开关支路(从右到左)的电流分别为I/2, I/4 , I/8和 I/16。
压接到电阻网络中去的，由于电子开关存在导通电阻和导通 压降，而且各开关的导通电阻和导通压降值也各不相同，不 可避免要引起转换误差。为了提高转换精度，可采用权电流 型DAC。
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8. 2 D/A转换器
一、电路组成 图8.2.4所示为4位权电流型DAL，它主要由权电流恒流源、
运算放大器、电子开关和基准电压源组成。 二、工作原理 这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为I/2, I/4 , I/8和I/16。 当输入数字量的某一位代码di=1时，开关Si接运算放大器的
反相输入端，相应的权电流流入求和电路;当di=0时，开关Si 接地。 分析该电路可得出
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8. 2 D/A转换器
uo
i
RF
I RF ( 2 d3
将输入数字量扩展到n位，可得n位倒T形电阻网络D/A转换器 输出模拟量与输入数字量之间的一般关系式如下:
若 RF R 取，则
uo
RF R
U REF 2n
n 1
[ (di
i0
2i )]
uo
U REF 2n
n 1
(di
i0
2i )
可以看出:输出模拟电压与输入数字量成正比，完成了数模转 换。
21 d1
20 d0 )
U REF 2n1 R
n 1
di 2i
i0
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8. 2 D/A转换器
因运算放大器的输入偏置电流近似为0，则运算放大器输出电 压为
uo iF RF i RF
RF
U REF 2n1 R
(2n 1 d n 1
2n2 dn2
21 d1
20 d0 )
RF
U REF 2n1 R
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转换器或ADC);将数字信号转换为模拟信号的电路称为数 模转换器(简称D/A转换器或DAC)。显然，ADC和DAC是数 字系统的重要接口部件。
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8. 1 概述
随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合 集成型的A/D和D/A转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。
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8. 2 D/A转换器
D/A转换器将输入的二进制代码转换成相应的输出模拟电压。 它是数字系统和模拟系统的接口。图8. 2. 1为一个DAL的框 图，一般包括基准电压、输入寄存器、电子模拟开关、由数 字代码所控制的电阻网络和运算放大器等几部分。
8. 2. 1权电阻网络D/A转换器 一、电路组成 图8.2.2所示为n位权电阻型D/A转换器，它主要由电子模拟开
i In1 In2 I1 I0
U REF 20 R
U REF 21 R
U REF 2n2 R
U REF 2n1 R
模拟开关S i受d i控制，因此
i
U REF 20 R
U REF 21 R
U REF 2n2 R
U REF 2n1 R
U REF 2n1 R
(2n 1 d n 1
2n2 dn2
n 1
di 2i
i0
通常取则可简化为
uo
U REF 2n R
n 1 i0
di 2i
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8. 2 D/A转换器
权电阻网络D/A转换器的优点是电路简单，转换速度也比较 快，其转换精度取决于基准电压UREF以及模拟电子开关、运 算放大器和各权电阻值的精度。它的缺点是各权电阻的阻值 都不相同，位数多时，其阻值相差很大，这给保证精度带来 很大困难，特别是对于集成电路的制作很不利，因此在集成 的D/A转换器中很少单独使用该电路。
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8. 2 D/A转换器
于是可得总电流
i
U REF R
(
d0 24
d1 23
d2 22
d3 21
)
U REF 24 R
3 i压
uo iF RF i RF
RF
R
U REF 24
3
(di
i0
2i )
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8. 2 D/A转换器