数模转换与模数转换
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)第7章数模与模数转换
第7章 数/模与模/数转换
7.1 概述 7.2 数/模转换 7.3 模/数转换 7.4 本章小结 7.5 例题精选 7.6 自我检测题
第7章 数/模与模/数转换
7.1 概 述
随着以数字计算机为代表的各种数字系统的广泛普及和 应用，模拟信号和数字信号的转换已成为电子技术中不可或 缺的重要组成部分。数/模转换指的是把数字信号转换成相 应的模拟信号，简称D/A转换，同时将实现该转换的电路称 为D/A转换器，简称DAC；模/数转换指的是把模拟信号转 换为数字信号，简称A/D转换，并将实现该转换的电路称为 A/D转换器，简称ADC。
当Rf=R时
uo＝
uR 2n
n-1
di zi
i＝ 0
由上式可以看出，此电路完成了从数字量到模拟量的转 换，并且输出模拟电压正比于数字量的输入。
第7章 数/模与模/数转换
2. 集成DAC电路AD7524 AD7524(CB7520)是采用倒T型电阻网络的8位并行D／A 转换器，功耗为20 mW，供电电压UDD为5～15 V。 AD7524典型实用电路如图7.2.5所示。
第7章 数/模与模/数转换
7.3.4 常见的ADC电路
1. 逐次逼近型ADC 逐次逼近型ADC是按串行方式工作的，即转换器输出 的各位数码是逐位形成的。图7.3.6为原理框图，该电路由电 压比较器、逻辑控制器、D/A转换器、逐次逼近寄存器等组 成。
第7章 数/模与模/数转换
图 7.3.6 பைடு நூலகம்次逼近型ADC原理图
第7章 数/模与模/数转换
(2) 四舍五入法：取最小量化单位Δ＝2Um/(2n－1－1)， 量化时将0～Δ/2之间的模拟电压归并到0·Δ，把Δ/2～3·Δ/2之 间的模拟电压归并到1·Δ，依此类推，最大量化误差为Δ/2。 例如，需要把0～+1 V之间的模拟电压信号转换为3位二进制 代码，这时可取Δ＝(2/15)V，那么0～(1/15)V之间的电压就 归并到0·Δ，用二进制数000表示；数值在(1/15)～(3/15)V之 间的电压归并到1·Δ，用二进制数001表示，并依此类推，如 图7.3.5(b)
模数(A／D)和数模(D／A)转换
模数(A／D)和数模(D／A)转换模数（A/D）和数模（D/A）转换11.1模数转换和数模转换概述11.1.1一个典型的计算机自动控制系统一个包含A/D和D/A转换器的计算机闭环自动控制系统如图11.1所示。
传感器μV，mV控制传感器放大滤波几伏放大滤波多路开关MU某采样保持S/H模拟A/D数字I/O转换接口计算机对象执行部件多路开关MU 某模拟D/A数字I/O转换接口图11.1典型的计算机自动控制系统在图11.1中，A/D转换器和D/A转换器是模拟量输入和模拟量输出通路中的核心部件。
在实际控制系统中，各种非电物理量需要由各种传感器把它们转换成模拟电流或电压信号后，才能加到A/D转换器转换成数字量。
一般来说，传感器的输出信号只有微伏或毫伏级，需要采用高输入阻抗的运算放大器将这些微弱的信号放大到一定的幅度，有时候还要进行信号滤波，去掉各种干扰和噪声，保留所需要的有用信号。
送入A/D转换器的信号大小与A/D转换器的输入范围不一致时，还需进行信号预处理。
在计算机控制系统中，若测量的模拟信号有几路或几十路，考虑到控制系统的成本，可采用多路开关对被测信号进行切换，使各种信号共用一个A/D转换器。
多路切换的方法有两种：一种是外加多路模拟开关，如多路输入一路输出的多路开关有：AD7501，AD7503，CD4097，CD4052等。
另一种是选用内部带多路转换开关的A/D转换器，如ADC0809等。
若模拟信号变化较快，为了保证模数转换的正确性，还需要使用采样保持器。
在输出通道，对那些需要用模拟信号驱动的执行机构，由计算机将经过运算决策后确定的控制量（数字量）送D/A转换器，转换成模拟量以驱动执行机构动作，完成控制过程。
第11章模数（A/D）和数模（D/A）转换28711.1.2模/数转换器（ADC）的主要性能参数1.分辨率它表明A/D对模拟信号的分辨能力，由它确定能被A/D辨别的最小模拟量变化。
一般来说，A/D转换器的位数越多，其分辨率则越高。
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。
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。
【精品】数模转换与模数转换
【关键字】精品第7章数-模转换与模-数转换第1讲数-模转换一、教学目的：1、数模转换的基本原理。
2、理解常见的数模转换电路。
3、掌握数模转换电路的主要性能指标。
二、主要内容：1、数模转换的定义及基本原理2、权电阻D/A转换器、倒T型D/A转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数3、DAC主要性能指标三、重点难点：权电阻D/A转换器、倒T型D/A转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数。
四、课时安排：2学时五、教学方式：课堂讲授六、教学过程设计复习并导入新课：新课讲解：[重点难点]权电阻D/A转换器、倒T型D/A转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数，逐次逼近型A/D转换器、双积分型A/D转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数。
[内容提要]本章介绍数字信号和模拟信号相互转换的基本原理和常见转换电路。
必要性与意义：自然界中，许多物理量是模拟量，电子系统中的输入、输出信号多数也是模拟信号。
而数字系统处理的数字信号却具有抗干扰能力强、易处理等优点；利用数字系统处理模拟信号的情况也越来越普遍。
由于数字系统只能对数字信号进行处理，因此要根据实际情况对模拟信号和数字信号进行相互转换。
随着计算机技术和数字信号处理技术的快速发展，在通信、自动控制等许多领域，常常需要将输入到电子系统的模拟信号转换成数字信号后，再由系统进行相应的处理，而数字系统输出的数字信号，还要再转换为模拟信号后，才能控制相关的执行机构。
这样，就需要在模拟信号与数字信号之间建立一个转换接口电路—模数转换器和数模转换器。
A/D转换定义：将模拟信号转换为数字信号的过程称为模数转换（Analog to Digital），或A/D转换。
能够完成这种转换的电路称为模数转换器（Analog Digital Converter），简称ADC。
D/A转换定义：将数字信号转换为模拟信号的过程称为数模转换（Digital to Analog），或D/A转换。
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7.1.3 DAC的转换特性
对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模 拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从 而实现数字/模拟转换。当输入的数字量是由n位8421BCD码 表示的数字信号X时，其从高位到最低位的权依次为依次为 2n-1、2n-2 … 21、20等，其大小可表示为：
基准电压
数 字 量 输 入
数 据 锁 存 器
电 子 开 关
电 阻 网 络
求 和 放 大
模 拟 量 输 出
DAC组成框图
图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号。n位锁存器的并行 输出分别控制n个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，将参考电压按 权关系加到电阻解码网络。 2018/11/11 6
7.1.2 DAC的功能
从上式可看出：DAC输入数字量的位数n越多，电路的分 辨能力越高。因此，有时也用输入数字量的有效位数来表 示分辨率的高低。
2018/11/11 10
2、绝对精度(或绝对误差)和非线性度 绝对精度是指输入端加对应满刻度数字量时，DAC输
出的实际值与理论值之差。一般绝对误差应低于uLSB/2。
在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。 非线性误差与满刻度值之比称非线性度，常用百分比表示。
3、建立时间 指输入变化后，输出值稳定到距最终输出量±uLSB所需 的时间。建立时间反映了DAC电路转换的速度。 除此之外，在选用DAC器件时，还需要考虑其电源电压、 输出方式、输出值范围及输入逻辑电平等参数。
2018/11/11 11
7.1.5 DAC的转换原理
1、 权电阻网络DAC
UR Xn-1 Xn-2
X xn1 2n1 xn2 2n2 x1 21 x0 20
i 0
n 1
xi 2i
DAC电路的输出模拟电压u0（或模拟电流i0）为：
u0 (或i0 ) R（或 Ri） X R（或 Ri） u u
电流转换系数 电压转换系数
2018/11/11
将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重
”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加 ，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A变 换器的基本思想。
2018/11/11 5
2、DAC的结构组成
DAC电路的作用是将输入的数字量转换成与输入数字量 成正比输出模拟量。在转换过程中，将输入的二进制数字信号 转换成模拟信号，以电压或电流的形式输出。
如上图所示，DAC的n位数字输入量，以串行或并 行方式输入并存储在数码寄存器中；数码寄存器输出 的各位二进制代码分别控制对应各位的模拟电子开关 ，使数码为１的位在位权网络上产生与其权值成正比 的电压（或电流）量，再由求和放大电路将各位权值 所对应的电压（或电流）量相加，即可输出与输入数 字量成正比的模拟量。 2018/11/11 7
因此，数模转换器和模数转换器是沟通模拟电路和数 字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口，是数字电子 技术的重要组成部分。
2018/11/11 4
7.1.1 DAC的基本概念和结构组成
1、DAC的基本概念
数/模转换器中的文字D代表数字量，A代表模拟量，转 换器用C表示。目前常见的D/A转换器中，有权电阻网络D/A 转换器，倒梯形电阻网络D/A转换器等。 构成数字代码的每一位都具有一定的“权重”。为了
模拟开关S受输入数字信号控制，若d=0，相应的S合向同 相输入端（地）；若d=1，相应的S合向反相输入端。 i 正比于输入的二进制数，所以实现了数字量到模拟量的 转换。
13
2018/11/11
(2) 工作原理 二进制权电阻网络的电阻值是按4位二进制 数的位权大小取值的，最低位电阻值最大，为23R， 然后依次减半，最高位对应的电阻值最小，为20R。 不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚 地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1 还是0，各支路的电流是不变的。
n位二进制 数字输入
Sn-1 Sn-2
20 R 21 R
-
RF
∞
反馈网络
X2 X1 X0
S2
· · · · ·
+
2n-2 R 2n-1 R 2n-0 R
+
u0
集成运放
S1 S0
权电阻，从最低位到 最高位，每一个位置上 的电阻都是相邻高位电 阻值的2倍。
模拟 电子开关
2018/11/11 12
(1) 四位二进制权电阻网络D/A转换电路
1、分辨率：用来说明D/A转换器最小输出电压(此时输入的 数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是 0 )与最大输出 电压 (此时输入的数字代码所有各位全是 1 )之比。 一个8位和一个10位的两个DAC，其分辨率分别为： 1 1 10位DAC分辨率 10 0.001 2 1 1023 1 1 8位DAC分辨率 8 0.004 2 1 255
第 7章
专题1 专题2
数/模和模/数转换
数/模转换器（DAC） 模/数转换器（ADC）
任务 数模转换器应用电路测试
2018/11/11
1
第7章
专题1
数/模和模/数转换
数/模转换器（DAC）
7.1.1 DAC的基本概念和结构组成
7.1.2 DAC的功能
7.1.3 DAC的转换特性
7.1.4 DAC的主要技术指标
7.1.5 DAC的转换原理
7.1.6 集成D/A转换器
2018/11/11 2
教学目的: 掌握数/模转换的基本概念和工作原
理， 了解D/A转换器的技术指标。
重点： 掌握数/模转换的工作原理。
难点： 数/模电路的组成及电路特点。
2018/11/11 3
导入新课
在电子系统中，经常用到数字量与模拟量的相互转换。 如工业生产过程中的湿度、压力、温度、流量，通信过程 中的语言、图像、文字等物理量需要转换为数字量，才能 由计算机处理；而计算机处理后的数字量也必须再还原成 相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制，如数字音像 信号如果不还原成模拟音像信号就不能被人们的视觉和听 觉系统接受。
i 0
n 1
xi 2i
8
当Ru（或Ri）为1、n＝３时，根据上式可得DAC的转 换特性曲线如下图所示：
模拟输出
u0/V
7 6 5 4 3 2 1
理ห้องสมุดไป่ตู้特性
0 000 001
010
011
100 101
110
111
D
数字输入
DAC的转换特性曲线
2018/11/11 9
7.1.4 DAC的主要技术指标