数电-第七章 DA转换器和AD转换器
数电电子第7章 数模(DA)和模数(AD)转换
28
D7
27
D1
21
D0
20 )
VREF R 210
9
i0
Di
2i
VREF R 210
D
模拟输出电流（流入运算放大 器虚地）与10位二进制数的数 值（即数字量）成正比，实现 了数字/模拟电流的转换
式中Ｄ为输入二进制数的数值。
接入运算放大器后，则可 将数字量转换为模拟电压，运放 的输出电压：
（二）集成D/A转换器的结构及分类
各种类型的集成DAC器件多由参考电压源，电阻网络和电子开关三个 基本部分组成。
按电阻网络的结构不同，可将DAC分成T形R-2R电阻网络DAC、倒T 形R-2R电阻网络DAC及权电阻求和网络DAC等几类。由于权电阻求和网 络中电阻值离散性太大，精度不易提高，因此在集成DAC中很少采用。T 形R-2R电阻网络DAC、倒T形R-2R电阻网络DAC中只有两种阻值的电阻， 因此最适用于集成工艺，集成DAC普遍采用这种电路结构。倒T形R-2R电 阻网络DAC在集成芯片中比T形R-2R网络DAC应用更广泛。
（二）集成Ａ/Ｄ转换器的主要参数 1．分辨率 其含义与DAC的分辨率一样，通 常也可用位数来表示，位数越多，分辨率（有时 也称分辨力）也越高。
2．量化编码电路
用数字量来表示采样信号时，必须把它转化成某个最 小数量单位的整数倍，这个转化过程叫量化，所规定的最 小数量单位叫作量化单位，用Ｓ表示。
将量化的数值用二进制代码表示，称为编码。这个二 进制代码便是Ａ/Ｄ转换器的输出信号。
量化的方法一般有两种形式：
1）舍尾取整法
2）四舍五入法
用舍尾取整法量化时，最大量化误差为1S，用四舍五 入法量化时，最大量化误差为S/2。所以，绝大多数ADC 集成电路均采用四舍五入量化方式。
数模(DA)和模数(AD)转换电路
第七章数/模（D/A）和模/数（A/D）转换电路教学目的：1．掌握权电阻D/A转换器和逐次逼近型A/D转换器的工作原理、特点，输入与输出之间的关系2．了解影响精度及速度的因素3．了解D/A转换器典型芯DAC0832的特点及应用。
4. 了解A/D转换器典型芯ADC0809的特点及应用教学重点：倒T型电阻网络D/A转换器的工作原理； A/D转换的一般步骤；逐次逼近型A/D转换器的工作原理。
教学难点：D/A转换器的工作原理；A/D转换器内部电路结构、工作原理教学方法：教学过程采用理论讲解方式。
学时分配：4学时教学内容：D/A转换器及A/D转换器的种类很多，本章介绍常用的权电阻网络D/A转换器，倒T 型电阻网络D/A转换器等几种类型；逐次逼近型A/D转换器，双积分型A/D转换器。
并介绍了D/A转换器和A/D转换器的技术指标及应用。
第一节数/模转换器DAC一、数/模转换器的基本概念把数字信号转换为模拟信号称为数－模转换，简称D/A（Digital to Analog）转换，实现D/A转换的电路称为D/A转换器，或写为DAC（Digital –Analog Converter）。
随着计算机技术的迅猛发展，人类从事的许多工作，从工业生产的过程控制、生物工程到企业管理、办公自动化、家用电器等等各行各业，几乎都要借助于数字计算机来完成。
但是，计算机是一种数字系统，它只能接收、处理和输出数字信号，而数字系统输出的数字量必须还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制。
数－模转换是数字电子技术中非常重要的组成部分。
把模拟信号转换为数字信号称为模－数转换，简称A/D（Analog to Digital）转换；。
实现A/D转换的电路称为A/D转换器，或写为ADC（Analog–Digital Converter）；。
D/A 及A/D转换在自动控制和自动检测等系统中应用非常广泛。
D/A转换器及A/D转换器的种类很多，这里主要介绍常用的权电阻网络D/A转换器，倒T型电阻网络D/A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
电子教案数字电子技术第七章AD与DA转换器
技
（1）采样、保持
到底采多少个点或者说隔多长时间采样一次，应 术 以采样后的信号能不失真地反映原来的信号。对于一
个频率有限的模拟信号，可以由采样定理确定采样频 率为 fS 2fimax
中北大学电子信息工程系
第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)
数
其中fs为采样频率，fimax为输入模拟信号的上限值。通
7.1 概述
数
A/D：模拟信号转换成数字信号，实现A/D转换的电路称
字
为A/D转换器。
电
D/A：数字信号转换成模拟信号，实现D/A转换的电路称 为A/D转换器。
子
7.2 D/A转换器
技
7.2.1 D/A转换器及主要参数
1、D/A转换器的输入是数字量，输出是模拟量，输出
术 模拟量与输入数字量之间应有这样的关系：数字量大，
换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的vI值。
术
采样保持电路的电路图如下所示：
中北大学电子信息工程系
第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)
数 字 电 子 技 术
中北大学电子信息工程系
第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)
中北大学电子信息工程系
第七章 A/D 与 D/A转换器(A/D and D/A converter)
3.CMOS 模拟电子开关
数
字
电
子
技
术 若d1=1，则VN1 截止，VN2导通，流过2R的电阻流入反馈电阻。 若d1=0，则 VN2 截止，VN1导通，流过2R的电阻流入地。 中北大学电子信息工程系
《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和da的原理
ad和da的原理
ad和da分别是模拟信号和数字信号之间的转换过程中使用的
缩写词。
AD转换过程，即模拟信号（Analog Signal）转换为数字信号（Digital Signal）。
在AD转换中，模拟信号首先通过采样（Sampling）将连续的模拟信号转换为离散的信号，然后通过
量化（Quantization）将离散信号的幅值转换为一系列离散的
数值，最后通过编码（Encoding）将这些数值转换为二进制数，以便在计算机系统中传输和处理。
DA转换过程，则是数字信号转换为模拟信号。
在DA转换中，数字信号通过解码（Decoding）将二进制数转换为一系列离散的数值，然后通过数字到模拟转换器（DAC，Digital-to-Analog Converter）将这些离散数值转换为连续的模拟信号，
最终得到模拟信号。
AD和DA的原理是基于模拟信号和数字信号的不同特性来实
现的。
模拟信号是连续的，在时间和幅值上都可以取任意值；而数字信号是离散的，只能取有限个数值。
AD转换将模拟信
号的连续性转换为离散性，通过采样和量化将模拟信号离散化为数字信号。
DA转换则将数字信号的离散性转换为连续性，
通过解码和DAC将数字信号还原为模拟信号。
AD和DA的应用广泛，例如在音频设备中，AD转换将模拟
声音信号转换为数字信号进行处理和存储，然后DA转换将数
字信号转换回模拟信号输出。
这样的转换能够实现高质量的音频处理和传输，在音乐、广播等领域发挥重要作用。
电路中的AD转换与DA转换
电路中的AD转换与DA转换在当今信息时代，电子设备已经渗透到我们生活的方方面面。
而这些电子设备的运作离不开AD转换（模数转换）和DA转换（数模转换）这两个关键环节。
本文将介绍AD转换和DA转换的原理、应用以及相关技术发展。
一、AD转换AD转换是模拟信号转换为数字信号的过程。
在电子设备中，传感器等设备输出的信号多为模拟信号，需要通过AD转换将其转换成数字信号，才能由电子器件进行处理和存储。
AD转换器通常由采样器、量化器和编码器组成。
采样器的作用是将模拟信号在一定的时间间隔内取样，量化器将取样的模拟信号分成有限个离散值进行量化，编码器将量化后的离散值转换成二进制数字信号。
通过这一过程，AD转换器能够将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号。
AD转换器广泛应用于各个领域，如音频、视频、电力系统等。
在音频领域，AD转换器用于将声音等模拟信号转换为数字信号，实现录音、播放等功能。
在电力系统中，AD转换器用于电能计量、监测等方面。
二、DA转换DA转换是数字信号转换为模拟信号的过程。
数字信号由计算机或其他数字系统处理和存储，而大部分外围设备如音箱、显示器等则需要模拟信号进行驱动。
DA转换器通常由数字信号输入端和模拟输出端组成。
数字信号输入端接收来自计算机或其他数字系统的数字信号，将数字信号按照一定的波形进行放大、滤波等处理后，经过模拟输出端输出为模拟信号。
这样，数字系统生成的数字信号便可以控制外围设备的模拟输出。
DA转换器广泛应用于音频设备、显示设备等领域。
在音频设备中，DA转换器用于将计算机中存储的音频文件转换为模拟信号，通过音箱输出高质量的音乐。
在显示设备中，DA转换器则将计算机生成的数字图像信号转换为模拟信号，驱动显示器显示各种图像。
三、技术发展随着科技的不断进步，AD转换与DA转换技术也得到了快速的发展与创新。
目前，高速、高精度、低功耗、小型化是AD转换与DA转换技术的发展方向。
在AD转换技术方面，新型的Delta-Sigma调制技术、超大规模集成电路技术等被广泛应用，提高了AD转换器的精度和信噪比。
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A/D转换类
A
A/D转换器
D 似用天平
测量质量
A/D转换
mmXXX 质量天平仪
mmin
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
mmin称为量化单位。无论mmin多小，总不能是无穷小， 由mmin不能是无穷小而带来的误差称为量化误差。
量化误差是不能消除的。
D
但A/D转换得出的数字量可以
提供较模拟量更多的有效数字，
C3
0
uI
5FFU3 REF
14 1 Q3
C2
1
0 uI
3FF2UREF 14 Q2
LSB
C1
1
uI
1FFU1 REF
LS1B4 /2Q10
模0R1拟10转方输换案入电器中压0 范差会u的是I 0围都超转最内是过换高1，一(1速的/它样14率。的的)采DU0在最 ，0R用E大即所F有二。量永有进舍制化远A有数误不/入输D出转的量换
001
但0 需要使用化把方标大式准量，电的利压比用U较R电EF器阻分分。成压8
段（量化阶梯）编，码位器数
000
越多，精度越高。
CP
第三节 A/D转换器 取并行比较型速度快与串行
四、串行比较型比A较/D型转结换构器简单之优点，构成了
串行比较型A折/D中转方换案器—让—模并拟-信串号比依较时型间A/顺D转序通过一连 串比较器，后面比换较器器。的输入信号反映了前面比较器的剩余。
使得数据处理的总体精度大大
提高。
LSB
O
A
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
五、 A/D转换器的主要技术参数
分辨力：A/D转换器分辨最小模拟量的能力。 分辨率：A/D转换器的二进制位数。
量化误差：量化误差通常是指1个LSB的输出变化所 对应模拟量的范围。
转换精度：A/D转换器的转换精度不仅仅取决于量化 误差，而是由多种因素决定的。 A/D转换器的转换精度一 般表示为γ±nLSB。
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
四、 A/D转换的基本原理
A/D转换的过程，是一个将模拟信号变换为数字信号 的编码过程。 数字D永远不能精确地表
若模拟参示一被个考测最量物小为体 砝R质 码，m量m则minx的输，精而出度只数去能字逼以量D和输入模拟量A之 间的关系为近D。≈ A/R
R（UREF）
分辨率：通常指D也/A就转是换最低器有输效入位数LS字B所的对二进制位数。
应的模拟量 ，记作RLSB 。
满量程：D/A转换器可输出模拟量的最大值。
显然位数越多，D/A转换器所能输出
大值非称线为性非误线差性误：差在的 分。辨最满率小量是模程统拟范一量围的值。也内有越偏时小离对，理二因想者而不分转加辨换区力特分与性。的最
第二节 D/A转换器
一、权电阻型D/A转换器
UREF
R
R
R
R
2n1
2n2
2i
2
R
Sn-1
Sn-2
Si
S1
S0
Rf
1
01
01
0 1 01
0
i
uO
Dn-1
Dn-2
Di
D1
D0
uO i iiRininnf0121Di UD2RRiEnRF1f2URUURUR2R2EERRnFFRnREE1niF2niF0101DDi 2ii,2i , Di D(0,i1) (0, 1)
D1
D0
uO
放大器输出电压是多少？
解：
3
u O
Rf U REF R
Di 2i
810 (23 100
21
1)V
8.8V
i 0
权电阻型D/A转换器中的解码网络所用的阻值范围很大, 特别是当分辨率较高时, 电阻值的范围会大得难以实现。
第二节 D/A转换器
二、R-2R 网络型D/A转换器
∞
10
压比较器就成了A/D转换器中重要 uX
D
部件。
UREF
+
比较器的输出为
D
0 1
uX UREF uX UREF
uI
UURREEFF
R
UR7=
1133 1144
2
UURREEFF
R
UR6=
1111 1144
UURREEFF
R
UR5=
99 1144
UURREEFF
R
UR4= 174174UURREEFF
数字量是不能连续取值的。
模拟量
处理后的数
被控对象
执 字信息
行
传
机
感
构
电压、电电数流的字或模信频拟号量
器
率等电量
数字系统
D/A
A/D
转
转
换
换
实际场景
照片
模拟信号
A/D转换
数字信号
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
二、D/A转换的基本原理
要将模拟量A转换为数字量D，需要一个模拟参考量
R ，使得
A = DR
第二节 D/A转换器
右图所示的电路中，设 UREF
n=4, UREF =－10V, R=100kΩ, Rf=8kΩ, 输 入 二 进 制 数 码
R
R
R
R
2n1
2n2
2i
2
R
Rf
Sn-1
Sn-2
Si
S1
S0
1
01
01
01
01
0
S3S2S1S0 为 1011 。 试 问 运 算
Dn-1
Dn-2
Di
R R
5 UR3= 14154UURREEFF
R 3R
UR2= 11434UURREEFF
R
1R
UR1=
141 14
UREF UREF
R
R2
2
C7
0
0 FF7 Q7
111
uI uI
第三节 A/D转换D器0 D1 D2
uI
三、并行比较型A/D转换器
C6
0
C5
0
C4
0
0 FF6 Q6
分压器组 FF5 比较器组 1 Q5
若max{A}=R 则0≤D≤1
即数字量D是一个不大于1的n位二进制数。这里将D按权 展开成多项式：
D = a-12－1 + a-22－2 + … + a-n2－n , ai∈(0, 1)
实际中通常用一个参考电压UREF作模拟参考量。
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
A
DR
R 2n
(a1 2n1
CP
第三节 A/D转换器
六、逐次比较型A/D转换器
补偿电压=（1/2）LSB=0.5V
第第二三 4.5.V5V 56V
个冲个 冲时到时到钟来钟来脉时脉 时。。
CO 1 uI < uO 0 uI > uO
uO
CO
uI(t)
CO
001
1
Q3
4.9V
3位码DAC电路
10
01
Q2
Q1
G4 D012 G5 D01 G6 D010
时间上和量值上都连续
模拟信号
时间上和量值上都离散
数字信号
取 样 时间上离散的信号
保持、量化
编 码 量值上也离散的信号
A/D转换过程：取样、保持、量化及编码。
第三节 A/D转换器
一、取样—保持电路
模拟信号
f(t)
所谓取样就是将一个时间上连 续变化的模拟量转换为时间上离散 的模拟量。
根据取样定理，每经过一定时 O
1
Rd
G3
G2
G1
FF1 Q0A
FF2 QB10
FF3 QC01
FF4
QD
0
FF5
QE
01
第五 个时钟脉 冲到来时。
这种暂时保持由瞬时取样 得到的模拟信号的电路，就是 取样—保持电路。下图是一种 常用的取样—保持电路。
第三节 A/D转换器
一、取样—保持电路 R2
在取样脉冲S（t）持续时间
tw内 ，T导通。输入信号uI经开
关T对电容C进行充电。只要充 电时间常数远小于取样信号S uI
R1
T
+-
C
∞
（t）的持续时间tw，则输出信 号uO就能跟踪输入信号uI的变 化。 当取样脉冲结束，即在TS-tw
t
间间隔TS取出信号的一个值，只要 f *(t)
T率S≤），2这1（fm些fm取为样信值号就频可带以中无的损最失高频地
7 6 5 4 3
2
表达原模拟信号。
1
O 1TS 2TS 3TS 4TS 5TS 6TS 7TS 8TS
t
取样信号
第三节 A/D转换器
一、取样—保持电路
由于对模拟量进行量化的 过程需要一定的时间，所以为 保证转换精度，在转换（即量 化）时间内应使取样点的函数 值保持不变。
D3
D2
D1
D0
UREF C3
C2
C1
DAC
DAC
DAC
UR3
uY3
UR2
uY2
UR1
uY1
uI
uX3
uX2
uX1
由于后一位的比较需要使用前一位的结果，所以这种方 案的转换速率不可能做得很高。但相同分辨率的A/D转换器， 串行比较法较并行比较法少用了大量的比较器。
第三节 A/D转换器