第九章模拟信号和数字信号的转换.
数模转换讲解
本章的难点：
本章的难点在一些A/D转换器内部电路结构和详细工作 过程上，但这不是本章学习的重点。
1
第九章 数模和模数转换 第一节 概述
数模转换：将数字量 (Digital)转换为模拟量(Analog)。 简称D/A 转换。 模数转换：将模拟量(Analog)转换为数字量(Digital)。 简称A/D转换。 传感器 计算机 被控对象 A/D转换器
驱动电路
D/A转换器
2
主要指标：转换精度；转换速度。
分类：
权电阻网络D/A转换器 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 开关树型D/A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
D/A 转 换 器
间接转换型
双积分型（V－T变换型）
转换时间
TTR (max) ts
V0 (max) SRபைடு நூலகம்
输出模拟电 压最大值 运放输出转 换速率
17
第三节 A/D转换器 一、A/D转换的基本原理 在A/D转换器中，由于输入 模拟信号在时间上是连续的， 而输出数字信号是离散的，所 以转换只能在一系列选定的瞬 间对输入模拟信号采样，然后 再把这些采样值转换成输出数 字量。
公式化简过程请 同学自己解决。
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2.反馈比较型A/D转换器
思路：将一数字量加到D/A转换器上，再把D/A转换器输出的 模拟电压与输入模拟电压相比较。若不相等，则修改数字量，直 到两模拟电压相等，此时对应的数字量就是转换结果。
(1)计数型A/D转换器 数字量由计数 器提供。
B =
1 0
I O
I REF RB 2 2R
B
模拟信号和数字信号
什么是数字信号和模拟信号？数字信号和模拟信号是什么意思？根据信号方式的不同，通信可分为模拟通信和数字通信。
模拟数据(Analog Data)是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。
数字数据(Digital Data)则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。
目前，ASCII美国信息交换标准码(American Standard Code for Information Interchange)已为ISO国际标准化组织和CCITT国际电报电话咨询委员会所采纳，成为国际通用的信息交换标准代码，使用7位二进制数来表示一个英文字母、数字、标点或控制符号；图形、音频与视频数据则可分别采用多种编码格式。
数字信号与模拟信号的不同数字信号是一种离散的、脉冲有无的组合形式，是负载数字信息的信号。
电报信号就属于数字信号。
现在最常见的数字信号是幅度取值只有两种(用0和1代表)的波形，称为“二进制信号”。
“数字通信”是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。
数字通信与模拟通信相比具有明显的优点：首先是抗干扰能力强。
模拟信号在传输过程中和叠加的噪声很难分离，噪声会随着信号被传输、放大、严重影响通信质量。
数字通信中的信息是包含在脉冲的有无之中的，只要噪声绝对值不超过某一门限值，接收端便可判别脉冲的有无，以保证通信的可靠性。
其次是远距离传输仍能保证质量。
因为数字通信是采用再生中继方式，能够消除噪音，再生的数字信号和原来的数字信号一样，可继续传输下去，这样通信质量便不受距离的影响，可高质量地进行远距离通信。
此外，它还具有适应各种通信业务要求(如电话、电报、图像、数据等)，便于实现统一的综合业务数字网，便于采用大规模集成电路，便于实现加密处理，便于实现通信网的计算机管理等优点。
模拟信号和数字信号
2.3.1 模拟信号
模拟信号是用电流或电压值随时间的连续变化 来描述或代替信号源发出的信号。
特点是其电压和电流有无限多个值且随时间连 续地变化，并且可以由一个已知的值估计其前后的 值。
2.3.2 数字信号
数字信号是一种脉冲信号。 数字信号的特点是电压和电流只有有限个值。 每个值的出现是随机的，服从一定的概率 。数字 信号的每个电压值都对应一个数字 。
2.4⒉ 干扰
1. 同频干扰
无线电波信号同时到达接收点时将会产生叠加， 同相叠加产生有益干扰，反相叠加产生破坏干扰。
2.4⒉ 干扰
1. 同频干扰
为了避免不同发射台发射的无线电信号 之间产生同频干扰, 可以采取如下措施：
▪ 一是统一协调各无线发射台使用的发射频率， 尽量使各相邻无线电发射台发射的无线电信 号频率之间保持足够的间隔。
模/数转换和数/模转换
将模拟信号转换为数字信号叫做模/数 转换（A/D），反转换叫做数/模转换（D/A）。 最著名的A/D转换技术是脉冲编码调制（PCM） 技术。PCM通过对语音采样、量化和二进制数 字编码，将模拟语音信号转换为数字信号。 脉冲编码调制技术和增量调制技术（△M）， 以及它们的的各种改进技术都属于波形编码 技术。
2. 为什么数字通信系统的抗干扰能力 比模拟通信系统强得多？
3. 怎样避免无线通信中的同频干扰？
当不同频率信号输入同一设备时，出现的新的频 率信号叫做交调噪声。它是由设备中的非线性元器 件引起。 ⑶ 串音
一个信道中出现的其他信道的信号，叫做串音。 这是由信道之间的不良耦合造成的。 ⑷ 脉冲噪声
脉冲噪声是突发的短暂高电压或大电流。例如， 开关电器设备、汽车点火、雷电、电动机和发电机 运行等等产生的电火花都会在有用信号中引起脉冲 噪声。
第9章-DAC和ADC
图9.2.6
DAC——CB7520电路原理图
【例1】 下图是用CB7520和74LS161组成的波形发生器电路。已 知CB7520的VREF=-10V，试画出输出电压V0的波形，并标出波形图 上各点电压的幅度。
9.2.7
DAC——CB7520应用举例
§9.2.3 权电流型D/A转换器
在权电阻网络DAC和倒T形电阻网络DAC中的模拟开关在实 际应用中，总存在一定的导通电阻和导通压降，而且每个开关的 情况又不完全相同，所以它们的存在无疑会引起转换误差，影响 转换精度。 权电流型DAC可有效的解决这一问题。其示意图如下：
n
其中： X X n 2
n 1
X n 1 2
n2
X 1 2 Dn
0
一般的数模转换器的基本组成可分为四部分，即：电 阻译码网络、模拟开关、基准电压源和求和运算放大器。
图9.2.2 数模转换器原理图
目前使用最广泛的D/A转换技术有两种：权电阻网络 D/A转换和T形电阻网络D/A转换。
本章主要内容
第一节
概述
第二节
D/A转换器
第三节 A/D转换器
§9.1 概述
DAC和ADC的应用举例：
DAC和ADC的应用举例——MP3播放器：
DAC和ADC的应用举例——数字温度计：
DAC和ADC的应用举例——数字血压计：
在过程控制和信息处理中，经常会遇到一些连续变化的 物理量，如话音、温度、压力、流量等，它们的量值都是 随时间连续变化的。为了能使用数字电路处理模拟信号， 必须把模拟信号转换成相应的数字信号，方能送入数字系 统进行处理。同时，还往往要求将处理后得到的数字信号 再转换为相应的模拟信号作为最后的输出。 图9.1.1所示即为一个典型的数字控制系统框图：
模拟信号与数字信号之间的转换
模拟信号与数字信号之间的转换
模拟信号与数字信号之间的转换是通过模数转换（ADC）和数模转换（DAC）来实现的。
模拟信号转换成数字信号，首先通过ADC将模拟信号进行采样，即将连续的模拟信号按照一定的频率进行离散化，得到一系列的模拟采样值。
然后将模拟采样值通过量化处理，转换成对应的数字信号，即根据一定的量化规则，将模拟采样值映射到一系列离散的数字量级上。
数字信号转换成模拟信号，首先通过DAC将数字信号进行反量化，即将数字信号的离散量级映射回模拟信号的值。
然后通过重构滤波器将反量化后的数字信号进行平滑处理，得到模拟信号。
最后，通过模拟电路对模拟信号进行放大、滤波等处理，使之符合要求。
需要注意的是，模拟信号转换成数字信号和数字信号转换成模拟信号都会引入一定的误差，即量化误差和重构误差。
因此，在进行模拟信号与数字信号之间的转换时，要选择合适的采样频率、量化精度和重构滤波器等参数，以保证转换的精度和准确性。
模拟信号与数字信号的优缺点及之间的转化
模拟信号与数字信号之间的优缺点及两者之间的转换概述：信号数据可用于表示任何信息，如符号、文字、语音、图像等，从表现形式上可归结为两类：模拟信号和数字信号。
模拟信号与数字信号的区别可根据幅度取值是否离散来确定。
模拟数据(Analog Data)是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。
数字数据(Digital Data)则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。
目前，ASCII美国信息交换标准码(American Standard Code for Information Interchange)已为ISO国际标准化组织和CCITT国际电报电话咨询委员会所采纳，成为国际通用的信息交换标准代码，使用7位二进制数来表示一个英文字母、数字、标点或控制符号；图形、音频与视频数据则可分别采用多种编码格式。
模拟信号与数字信号：（1）模拟信号与数字信号：不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据一般采用模拟信号(Analog Signal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据则采用数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。
当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。
当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点数字信号，只要走了，则为有信号，不走则为无信号，走的时间越长则信号越强，脉冲宽度越短同样信号也越强。
模拟信号与数字信号的转换
模拟信号和数字信号可以实现相互转换。
模拟信号通常使用PCM（脉冲编码调制）方法量化并转换为数字信号。
PCM方法是使不同范围的模拟信号对应不同的二进制值。
例如，如果使用8位代码，可以将模拟信号量化为2^8 = 256个数量级。
在实践中，经常使用24位或30位代码。
通常，数字信号通过载波相移转换为模拟信号。
计算机，局域网，城域网都使用二进制数字信号。
目前，广域网的实际传输既有二进制数字信号也有数字信号转换的模拟信号。
但由于其更广泛的应用前景，数字信号更常用。
控制板（像Micro:bit，Arduino）指定的ADC接口，用于模拟量到数字量的转换。
第九章—模拟信号的数字传输
3 脉冲振幅调制
脉冲调制原理
脉冲调制的概念：脉冲调制是采用时间上离散的脉冲 串作为载波，用基带信号去改变脉冲参数（幅度、宽度、 时间位置）。脉冲调制传送的是基带信号的一系列抽样 值。由于脉冲序列的参数随模拟基带信号的抽样值连续 地变化，所以，脉冲调制仍属于模拟调制。 脉冲调制的分类：按基带信号改变脉冲参数的不同， 把脉冲调制又分为脉幅调制（PAM）、脉宽调制（PDM） 和脉位调制（PPM）等，其调制波形如下页图所示
4
2 抽样定理（续）
证明:低通抽样定理
) 假设采用周期性冲击函数 T (t，按抽样定理描述的抽样间 隔对 0, f H 赫内的模拟信号 m(t ) 进行抽样，则已抽样信号及其频 谱为
ms (t ) m(t ) T (t )
1 M ( ) T ( ) M s ( ) 2 1 2 M ( ) ( nS ) 2 T n
T , L H H ( ) 其他 0,
那么当已抽样信号的频谱不发生混迭时，用该滤波器即可滤 出原信号的频谱：即 M s ( ) H ( ) M ( ) 从而可恢复出原信号的频谱
9
2 抽样定理（续）
如何选取抽样频率 f s (或s） ？选取抽样率的原则是使已抽 样信号的频谱不发生重叠。 若要求 m(t ) 的频谱正向移动n个 s时不与原频谱相互混叠，则 应满足： H ns H 若要求 m(t ) 的频谱正向移动（n-1）个 s 时不与原频谱相互混叠，
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3 脉冲振幅调制（续）
m(t)
采样门
s(t) (a)
曲顶抽样 ms (t) M s ()
H() m(t)
采样门
δ T(t) (b)
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例1:已知R-2R梯形网络D∕A转换器中R=RF=20kΩ UR=10V，试分别求出4位和8位D∕A转换器的输出最 小电压、最大电压。
解：4位D∕A转换器d3～d0＝0001时输出最小电压 U0min；d3～d0＝1111时输出最大电压U0max 。
U Omin 10 R 4 1 0.63V 2 R
UCC ILE WR2 XFER D4 D5 D6 D7 Iout1
芯片工作电压 输入端 输入锁存允许信 号，高电平有效
Iout2
写入控制端 低电平有效，与 XFER 配合使用
DAC 0832 管脚分布图
CS WR1 AGND D3 D2 D1 D0 UREF RF DGND
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
二、 D/A转换器的主要参数
1.分辨率 指最小输出电压和最大输出电压之比。
1 1 例:十位D/A转换器 0.001 10 的分辨率为 2 1 1023 有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。 2.转换误差（转换精度）
转换误差是指输出模拟电压的实际值与理论值之差， 即最大静态转换误差。转换误差常用输出满刻度FSR 的百分数表示，也有用最低有效位的倍数来表示。
3.输出电压( 电流 )的建立时间 输入由全0变为全1或由全1变为全0起， 到输出稳定电压(电流)所需的时间。
三、集成D/A转换器 完整的集成D∕A转换器包括4个功能模块：
输入数据寄存器、 D∕A转换网络、模 拟输出放大器 及参考电压源。
按其组成结构(即功能模块)，集成D∕A转换 器可分为以下三种类型： 1.无锁存无放大器
早期的产品只包含D/A转换网络，如AD7520， 其电路和图9-2相似，但运算放大器是外接的。
2.有锁存无放大器 如：DAC0832
具有数字输入寄存器，使用时需外接运算放大器。
DAC0832结构图
UCC D7
. . . . . .
八位 输入 寄存器
八位 DAC 寄存器
八位
D/A 转换器
UREF Iout1 Iout2 RF AGND DGND
UCC ILE WR2 XFER D4 D5 D6 D7 Iout1 Iout2
13 12 11
数字地端
DAC 0832 管脚分布图
CS WR1 AGND D3 D2 D1 D0 UREF RF DGND
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
20 19 18 17 16 15 14 13 12 11
第九章 模拟量和数字量的转换
第一节 数模转换器
第二节 模数转换器
第九章 模拟量和数字量的转换
模数与数模转换器是计算机与外部设备的重 要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。 传感器 模拟控制
模 拟 信 号
ADC DAC
数 字 信 号
数字计算机 数字控制
将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器 (简称A/D转换器或ADC)； 将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器 (简称D/A转换器或DAC)
R3 2R S3 R2 2R S2
0 I3
0 I2
1
R1 2R S1 I1
1
R0 2R S0
RF
I0 I01
+
A +
uo
d3
d2
d1
d0
当二进制代码为1时，开关合到运算放大器输入一 侧，该支路电流成为运放输入电流 I O1 的一部分； 当二进制代码为0时，开关合到接地的一侧 。
+UR
IR
D R C R B R A 2R
(3)双缓冲器型方式
3.有锁存有放大型
近期生产的D/A转换器，包含了输入数据寄 存器、 D∕A转换网络、模拟输出放大器 及参 考电压源4部分功能电路，可实现模拟电压 的单极性或双极性输出。
例如DAC82： 是CMOS型有锁存有放大的8位D/A转换器。
第一节 数模转换器
一、R-2R梯形电阻网络D/A转换器 1、R-2R梯形电阻网络 由AA 、BB、CC、DD各点向右看的等效电阻都为R
电流:
IR UR / R
1 I3 I R 2 1 I2 I3 2 1 I1 I 2 2 1 I 0 I1 2
+UR
2、R-2R梯形电阻网络D/A转换电路 IR D R C R B R A 2R
D0 ILE CS WR1 WR2
≥ 1
&
≥1
XFER
DAC 0832 简化电路框图
片选信号， 低电平有效 CS WR1 AGND D3 D2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 19 18 17 16 15 14
UCC ILE WR2 XFER D4 D5 D6 D7
写入控制， 低电平有效
20 19 18 17 16 15 14 13 12 11
UCC ILE WR2 XFER D4 D5 D6 D7 Iout1
传送控制端 低电平有效，与
WR2 配合使用
电流输出端 单极性输出时。 Iout2接模拟地
Iout2
DAC 0832 管脚分布图
DAC0832工作方式
(1)直通方式
(2) 单缓冲方式
R3 2R S3 R2 2R S2 R1 2R S1 R0 2R S0 RF
0 I3
0 I2
1
I1
1
I0 I01
I 01 I 3 I 2 I1 I 0
d3 d2 d1 d0
A +
+
uo
UR UR UR UR d3 d2 d1 d0 2R 4R 8R 16 R UR 3 (2 d 3 2 2 d 2 2d1 d 0 ) 16 R U R RF 3 U O 4 (2 d 3 2 2 d 2 2d1 d 0 ) 2 R
U Omax 10 R 4 4 (2 1) 9.37V 2 R
同理8位D∕A转换器
U Omin
U Omax
10 R 8 1 0.08V 2 R
10 R 4 8 (2 1) 9.96V 2 R
在UR和RF相同条件下，D∕A转换器位数越多， 输出最小电压越小，输出最大电压越大。
模拟地端
D1 D0
UREF RF DGND数字量输入 参考电 Nhomakorabea 输入端
D0 ~ D7
13 12 11
Iout1
Iout2
DAC 0832 管脚分布图
反馈电阻 外接端
CS WR1 AGND D3 D2 D1 D0
UREF RF DGND
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
20
19 18 17 16 15 14