高精度数模转换实现的技巧
模拟数字转换技术
模数转换是将模拟输入信号转换为 N 位二进制数字输出信号的技术。采用 数字信号处理能够方便实现各种先进的自适应算法，完成模拟电路无法实现的功 能应的是，作 为模拟系统和数字系统之间桥梁的模数转换的应用日趋广泛。
目前，模数转换器(ADC)的发展方向：低功耗，高速，高分辨率 一 模数转换技术
二 A/D 转换器的种类
A/D 转换器的种类很多，按其工作原理不同分为直接 A/D 转换器和间接 A/D 转换器两类。直接 A/D 转换器可将模拟信号直接转换为数字信号，这类 A/D 转 换器具有较快的转换速度，其典型电路有并行比较型 A/D 转换器、逐次比较型 A/D 转换器。而间接 A/D 转换器则是先将模拟信号转换成某一中间电量(时间或 频率)，然后再将中间电量转换为数字量输出。此类 A/D 转换器的速度较慢，典 型电路是双积分型 A/D 转换器、电压频率转换型 A/D 转换器。 按其采样速度和精度可分为：多比较器快速（Flash）ADC；数字跃升式（Digital Ramp）ADC；逐次逼近 ADC；管道 ADC；Sigma-Delta ADC。
量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用△表示。它是数字信号最 低位为 1 时所对应的模拟量，即 1LSB。
在量化过程中，由于取样电压不一定能被△整除，所以量化前后不可避免 地存在误差，此误差称之为量化误差，用 ε 表示。量化误差属原理误差，它是无 法消除的。A/D 转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越 小。
图 3(c) 分级并行转换 10 位 A/D 转换器
2．Σ-Δ 型 ADC
与一般 ADC 不同，Σ-Δ 型 ADC 不是直接根据抽样数据的每个样值的大小进 行量化编码，而是根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小进行量化 编码。
数字电子技术第8章数模和模数转换简明教程PPT课件
送到D/A寄存器中锁存。 WR 2 有效时，必须 XFER有效。
IOUT1：电流输出引脚1。随DAC寄存器的内容线性变化，当DAC寄存器输入全为1 时，输出电流最大，DAC寄存器输入全为0时，输出电流为0。
IOUT2：电流输出引脚2，与IOUT1电流互补输出，即IOUT1+ IOUT2=常数。 连。该运算放大器是将D/A芯片电流输出转换为电压输出VOUT。
DAC0832与80C51单片机的双缓冲方式接口电路
8.3 A/D转换器
8.3.1 A/D转换的基本原理
A／D转换过程包括采样、保持、量化和编码4个步骤。 1．采样和保持 (1) 采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号，即把时间上连续的模 拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。 连续信号的采样过程如下图所示。
对于n位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻为R/2时，输出电压的计算公式可写成
vO －
VREF 2
n
2
0
d 0 21 d1 2 n -2 d n -2 2 n -1 d n -1 －
VREF 2
n
Dn
vO 0 。 当输入的数字量 Dn =0时，
n 1 当 Dn =11…11时，vO － 2 n VREF 。
D/A转换器的转换时间是由其建立时间 t set 来决定的，表示从输入的数字量发生突变 开始，到输出电压进入与稳态值相差 1 LSB范围内的这段时间，如下图所示。
2
除了上述指标外，在使用D/A转换器时，还必须知道工作电源电压、输出方式、输出 值的范围和输入逻辑电平等，这些都可以在使用手册中查到。
D/A转换器的方框图如下图所示。
基于STM32和AD5791的高精度数模转换电路设计
基于STM32和AD5791的高精度数模转换电路设计引言：数模转换器广泛应用于各种领域，如自动化控制系统、精密测量设备等。
本文将介绍一种基于STM32微控制器和AD5791数模转换器的高精度数模转换电路设计方案。
1.系统设计原理本系统的设计原理是将STM32作为主控芯片，控制AD5791完成对模拟信号的转换。
STM32通过SPI总线与AD5791进行通信，发送数字信号控制AD5791输出模拟信号。
AD5791是一款高端的16位DAC芯片，具有很高的精度和稳定性，它能够实现模拟信号的高精度转换。
2.系统硬件设计2.1STM32选型根据系统要求，选用一款性能较好的STM32微控制器作为系统主控芯片。
考虑到需要进行高精度的数模转换，推荐选用STM32F4系列的微控制器，如STM32F407ZGT62.2AD5791选型根据系统要求，选用一款能够满足高精度转换的DAC芯片。
AD5791是ADI公司生产的一款16位DAC芯片，其精度可以达到18位，具有较高的性能指标，因此选用AD5791作为系统的数模转换器。
3.系统软件设计3.1STM32驱动程序设计使用STM32的SPI接口与AD5791进行通信，需要编写SPI驱动程序实现数据的读写。
通过STM32的GPIO口进行CS片选信号的控制。
使用STM32的定时器功能生成SPI时钟信号。
3.2AD5791驱动程序设计AD5791的驱动程序主要包括寄存器初始化、数据写入等功能。
根据系统需求，配置AD5791的寄存器参数，包括引脚控制、参考电压选择、输出范围等。
4.电路板设计4.1电源电路设计为了保证系统的稳定运行，电源电路需要设计好。
使用线性稳压芯片和滤波电容，提供稳定的5V和3.3V电源。
4.2信号连接通过连接线将STM32和AD5791连接起来，其中包括SPI数据线、时钟线和片选信号线。
还需要连接AD5791的参考电压输出、模拟输出等引脚。
5.系统测试与优化完成电路板的设计后，进行系统的调试测试。
数模转换原理
转换原理
1. 数模转换器是将数字信号转换为模拟信号的系统，一般用低通滤波即可以实现。
数字信号先进行解码，即把数字码转换成与之对应的电平，形成阶梯状信号，然后进行低通滤波。
根据信号与系统的理论，数字阶梯状信号可以看作理想冲激采样信号和矩形脉冲信号的卷积，那么由卷积定理，数字信号的频谱就是冲激采样信号的频谱与矩形脉冲频谱（即Sa函数）的乘积。
这样，用Sa函数的倒数作为频谱特性补偿，由数字信号便可恢复为采样信号。
由采样定理，采样信号的频谱经理想低通滤波便得到原来模拟信号的频谱。
一般实现时，不是直接依据这些原理，因为尖锐的采样信号很难获得，因此，这两次滤波（Sa函数和理想低通）可以合并（级联），并且由于这各系统的滤波特性是物理不可实现的，所以在真实的系统中只能近似完成。
2. 模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的系统，是一个滤波、采样保持和编码的过程。
模拟信号经带限滤波，采样保持电路，变为阶梯形状信号，然后通过编码器，使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码。
数模转换 原理
数模转换原理
数模转换是指将模拟信号转换为数字信号的过程。
其原理是利用模拟信号采样和量化技术，将连续时间和连续幅度的模拟信号转换为离散时间和离散幅度的数字信号。
数模转换的过程包含两个主要步骤：采样和量化。
采样是指将连续时间的模拟信号在一系列离散时间点上进行测量，可以理解为对模拟信号进行"截取"。
采样的频率决定了离散时间点的密度，即每秒采样的次数，常用的采样频率有44.1kHz、
48kHz等。
量化是将采样得到的连续幅度的模拟信号转换为一系列离散幅度的数字信号。
量化过程中，模拟信号的幅度被映射到有限数量的离散幅度上。
量化的精度由比特数决定，比特数越大，精度越高。
数模转换的结果是离散时间和离散幅度的数字信号。
这一数字信号可以方便地进行存储、处理和传输。
在实际应用中，数模转换广泛应用于多媒体信号采集、音频信号处理、数据采集和通信等领域。
模数和数模转换器（ADC和DAC）工作原理
模数和数模转换器（ADC和DAC）工作原理为了能够使用数字电路处理模拟信号,必须把模拟信号转化成相应的数字信号,方能送入数字系统进行处理.同时也要把处理后得到的数字信号在转换成相应的模拟信号,作为最后的输出.我们把前一种从模拟信号到数字信号的转换叫做模-数转换,或简称A/D;把后一种从数字信号到模拟信号的转换叫做数-模转换,或简称D/A.同时把A/D或D/A 转换的电路叫做模数转换器(简称ADC)或数模转换器(简称DAC)主要分成以下几个部分：1、取样：取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。
2、保持：模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。
采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。
因此，在取样电路之后须加保持电路。
3、量化：将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。
4、编码：把量化的结果用代码表示出来，称为编码。
这些代码就是A/D转换的输出结果。
模拟信号数字化需要注意两个问题：①每秒钟需要采集多少个信号样本，也就是采样频率(fs)是多少，②每个信号样本的比特数b/s(bit per sample)应该是多少，也就是量化精度。
根据奈奎斯特理论（Nyquist theory），采样频率的高低是由模拟信号本身的最高频率决定的。
奈奎斯特理论指出，采样频率不应低于模拟信号最高频率的两倍，这样就能把以数字表达的信号还原成原来的信号，这叫做无损数字化（lossless digitization）。
采样定律用公式表示为fs ≥ 2f或者T s ≤ T/2其中f为被采样信号的最高频率，T为被采样信号的最低周期，fs 称为采样频率，Ts为采样间隔。
如下图，图中的正弦曲线代表原始音频曲线；填了颜色的方格代表采样后得到的结果，二者越吻合说明采样结果越好。
数模(DA)转换.
DI0～DI7
Iout1
LE2 DAC0832
DAC0832的工作方式：直通方式
LE1＝LE2＝1 输入的数字数据直接进入D/A转换器
DI0～DI7 输入 寄 存 器 LE1 DAC 寄 存 器 D/A 转 换 器
Iout1
LE2 DAC0832
Rfb
I0
Iout1 _ Iout2 + Vout
D3
D2
D1
D0
T型电阻解码网络DAC
二、 DAC 的主要性能指标 输入数字量
包括输入数字量的码制、数据格式和它们的逻辑电平 等。有二进制码、BCD码、补码、偏移二进制码等。 逻辑 电平一般为TTL电平。 输出模拟量 不同型号的D／A转换器件的输出电平相差较大。一般 为5V～10V，有的高压输出型的输出电平，则高达24V～ 30V。还有些电流输出型的D／A转换器，低的为几个mA 到几十个mA，高的可达3A。
1 R 2 R 3 R 4 R
= (2V -(1/2)V -2 +d 2-3+d 2-4) R -1 = R/R)(d12 + d22 3 4 = -2.5V
a R b R c R d T型电阻解码网络D/A转换器的原理图 VREF S3 I3 2R S2 I2
2R
S1
2R
S0 I12R源自2R RfbDI0～DI7
输入 寄 存 器
DAC 寄 存 器
D/A 转 换 器
Iout1
LE1
LE2 DAC0832
2. Iout1 DAC0832 的模拟输出 、Iout2 ——电流输出端 Rfb——反馈电阻引出端（电阻在芯片内） VREF——参考电压输入端 ＋10V～－10V AGND——模拟信号地 VCC——电源电压输入端 ＋5V～＋15V DGND——数字信号地
单片机模拟与数模转换技术的原理与应用
单片机模拟与数模转换技术的原理与应用概述：单片机（Microcontroller Unit，MCU）是一种专用集成电路，集成了中央处理器（CPU）、存储器、输入输出接口及定时器等功能。
在众多单片机的应用中，模拟与数模转换技术是一项重要的功能，用于实现数字系统与模拟系统之间的数据传输与转换。
本文将介绍单片机模拟与数模转换技术的原理与应用。
一、模拟与数码信号的区别在介绍模拟与数码转换技术之前，首先需要了解模拟信号与数码信号的区别。
模拟信号是连续变化的信号，其数值在一定范围内连续变化，可以表达各种物理量的连续变化情况。
而数码信号则是通过一系列离散的数字表示，数值只能是离散的值，常用二进制表示。
二、模拟信号的采样和量化模拟信号在单片机中被采样和量化后，转化为数字信号以便于处理。
采样是指将连续时间下的模拟信号转换为离散时间下的数字信号。
量化是指将连续值的模拟信号转换为离散值的数字信号表示。
采样率是指采样信号每秒进行的样本数，采样定理指出，在进行模拟信号的采样时，采样率至少要达到信号最高频率的2倍才能保证采样的准确性。
采样后的信号经过量化实现数字化，量化是将连续取值范围的模拟信号转化为离散取值范围的数字信号。
模拟信号的量化过程中采取二进制表示，将模拟信号的取值范围划分为若干等级，每个等级用一个二进制代码表示。
三、数字信号的数模转换在单片机中，数字信号需要经过数模转换器（D/A）将其转换为模拟信号以供模拟电路使用。
数模转换器是将数字信号按照一定方法转换为模拟信号的装置。
常见的数模转换器有串行式D/A转换器、并行式D/A转换器、脉冲式D/A转换器等。
串行式D/A转换器将数字信号按位串行输出，并通过一定的模拟电路得到模拟信号输出。
并行式D/A转换器将数字信号同时按位并行输出，通过各个位的输出电平和模拟电路实现模拟信号输出。
脉冲式D/A转换器则通过脉冲宽度或脉冲次数来表示模拟电压。
四、单片机模拟与数模转换技术的应用1. 温度检测与控制单片机模拟与数模转换技术可以用于温度检测与控制系统中。
用低成本数模转换器实现高精密电压输出
用低成本数模转换器实现高精密电压输出1 引言检查电压型精密传感器的配套系统时，经常要使用可调精密电压源。
其精度要达到微伏级，温度稳定性要求也非常高，需要对环境温度进行补偿和修正。
为此，需要DAC分辨率非常高，抗干扰能力特别强。
本系统考虑到实际动态范围不大的特点，设计了采用低分辨率DAC实现高分辨率精密电压输出的电路。
2 电路原理根据被检查对象的工作特性，要求输出电压范围为0～50mV，精度达到10μV。
如果采用输出为5V的数模转换器生成此电压，则D/A转换器的位数应为N=Log2(5000000/10)≈19Bit考虑DAC的非线性误差、电路噪声和温漂等因素的影响，必须选择22Bit以上的DAC。
在广泛查找资料后，未找到分辨率如此高的芯片，因此直接生成此电压信号很困难。
然而，注意到实际需要的电压信号最大值仅为50mV，此最大值与需要的最小分辨率之比：N=Log2(50000/10)≈13Bit这就说明采用13Bit的DAC同样能生成所需要的输出电压。
假设DAC输出的量程为5V，步长为1mV，若对此电压衰减100倍，则衰减后的电压为0～50mV，步长为10μV，可满足测试信号的要求。
假设衰减器为理想的衰减器，则DAC满量程输出5V时的温漂也被衰减了100倍，相当于提高了原芯片的性能指标，使一个一般芯片变成了一个高精度、超低温漂的芯片。
需要解决的问题是如何实现高性能的衰减器，如何在输出电压值满足要求时，温漂也能满足要求，并实现输出电压的自动温度补偿。
为此，采用串行接口、16位DAC714HC和89系列单片机等芯片设计了图1所示的电路。
在键盘指令控制下，单片机根据采集到的环境温度，自动计算理论的输出电压数据。
经过DAC、衰减器、有源低通滤波器和缓冲器后生成输出电压。
单片机同时通过高分辨率的反馈A/D转换器将此电压采集回来。
设K=VL/VO式中：VL为理论的输出电压VO为实际的输出电压即K可以通过反馈采集的实际输出电压VO和理论计算的输出电压VL计算出来，再反过来修正理论输出电压值V′L=K×VL，确保输出电压符合要求。
数模转换原理及应用
数模（D/A）转换器及模数（A/D）转换器一、实验目的1.熟悉D / A转换器的基本工作原理。
2.掌握D / A转换集成芯片DAC0832的性能及其使用方法。
3.熟悉A / D转换器的工作原理。
4.掌握A / D转换集成芯片ADC0809的性能及其使用方法。
二、实验原理1.数模（D / A）转换所谓数模（D / A）转换,就是把数字量信号转换成模拟量信号,且输出电压与输入的数字量成一定的比例关系。
图47为D / A 转换器的原理图,它是由恒流源（或恒压源）、模拟开关、以及数字量代码所控制的电阻网络、运放等组成的四位D/ A转换器。
四个开关S0 ~ S3由各位代码控制,若―S‖代码为1,则意味着接VREF ,代码―S‖= 0,则意味着接地。
由于运放的输出值为V0= -I∑?Rf ,而I∑为I0、I1、I2、I3的和,而I0 ~ I3的值分别为（―S‖代码全为1）：I0 =,I1 =,I2 =,I3 =若选R0 =,R1 =,R2 =,R3 =则I0 ==?20 ,I1 =?21 ,I2 =?22 ,I3 =?23若开关S0 ~ S3不全合上,则―S‖代码有些为0,有些为1（设4位―S‖代码为D3D2DlD0）,则I∑ =D3I3 + D2I2 + DlIl + D0I0 =（D3?23 + D2?22 + D1?21 + D0?20）= B?所以,V0 = -Rf ? B,B为二进制数,即模拟电压输出正比于输入数字量B ,从而实现了数字量的转换。
随着集成技术的发展,中大规模的D / A转换集成块相继出现,它们将转换的电阻网络和受数码控制的电子开关都集成在同一芯片上,所以用起来很方便。
目前,常用的芯片型号很多,有8位的、12位的转换器等,这里我们选用8位的D / A转换器DAC0832进行实验研究。
DAC0832是CMOS工艺,共20管引脚,其管脚排列如图48所示。
图47 D / A转换原理图图48 DAC0832管脚排列图各管脚功能为：D7 ~ D0：八位数字量输入端,D7为最高位,D0为最低位。
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高精度数模转换实现的技巧
电路功能与优势
本电路利用电压输出DACAD5542、基准电压源ADR421BRZ以及用作基准电压缓冲的自稳
零运算放大器AD8628，可实现精密数据转换。AD8628基准电压缓冲可提供以前只有昂贵的
自稳零或斩波稳定放大器才具有的特性优势。这些零漂移放大器采用ADI公司的电路拓扑结
构，将低成本与高精度、低噪声特性融于一体。无需外部电容，而且与大多数斩波稳定放大器
相关的数字开关噪声大大降低，因此这种放大器是基准电压缓冲的最佳选择。
本电路可实现精密、低功耗、电压输出数模转换。AD5542有两种工作模式：缓冲模式和非缓
冲模式。何种工作模式最佳由具体应用及其建立时间、输入阻抗、噪声等要求而定。可以根据
直流精度或快速建立时间要求来选择输出缓冲放大器。如果要求DAC驱动60kΩ以下的负
载，则需要输出缓冲。DAC的输出阻抗恒定，且与数字码无关，但为了将增益误差降至最
小，输出放大器的输入阻抗应尽可能高。输出放大器还应具有1MHz或更高的3dB带宽。输
出放大器给系统增加了另一个时间常数，因此会延长最终输出的建立时间。
放大器的3dB带宽越高，则DAC与放大器组合的有效建立时间越快。电路中的所有器件均可
采用+5V单电源供电。基准电压源ADR421的输入电压范围为4.5V至18V。
电路描述
本电路采用电压输出DACAD5542，提供16位、高精度性能。AD5541
其中D为载入DAC寄存器的十进制数字字，N为DAC的分辨率。
对于2.5V基准电压，上述公式可简化为下式：
因此，中间电平码对应的VOUT为1.25V，满量程码对应的VOUT为2.5V。
LSB大小为2.5V/65,536=38.1μV。
有一个普遍的误解认为自稳零放大器不可靠，因为内部开关动作会导致交调项，并使不需要的
谐波未经滤除便进入到输出。以前的自稳零放大器采用自稳零或斩波稳定技术，传统的自稳零
技术使自稳零频率时的噪声能量较低，但由于自稳零频带中混叠宽带噪声，因此会造成低频噪
声较高。斩波技术使低频噪声较低，但斩波频率时的噪声能量较大。AD8628系列采用已获专
利的乒乓式配置，同时使用自稳零和斩波技术，可在斩波和自稳零频率获得较低的低频噪声以
及较低的能量，从而使大部分应用的信噪比达到最高，且不需要额外滤波。内部斩波频率相对
较高(15kHz)，因此在仪器仪表和过程控制应用中，可简化对滤波器的有效、无噪声、宽带宽
要求。
测量结果显示：在高精度、高性能系统中将AD8628用作基准电压缓冲，可以实现高精度、低
噪声以及最低高频交调失真（折合到输出端）性能。
积分非线性(INL)误差指实际DAC传递函数与理想传递函数的偏差，用LSB表示。差分非线
性(DNL)误差指实际步进大小与1LSB的理想值之间的差异。图1所示电路在16位分辨率时的I
NL误差为±1LSB，DNL误差为±1LSB。图2和图3显示了该电路的INL和DNL性能。
图2：积分非线性误差与输入码的关系
图3：差分非线性误差与输入码的关系
测得的失调误差和增益误差分别为10μV和170μV。±5LSB的增益误差和±1LSB的零码误
差均在38μV额定误差范围（2.5V基准电压、环境温度）内。
图4显示该电路的0.1Hz至10Hz噪声图。DAC的输出VOUT与0.1Hz至10Hz带宽滤波器
的输入端相连，滤波器之后接一个放大器，其增益为10,000。用一个示波器捕捉电压噪声，观
察到非常低的峰峰值电压57mV（相对于DAC输出为5.7μV）。
图4：0.1Hz至10Hz输出噪声图；满量程码载入DAC（1/f噪声=57mV/10,000=5.7μV）
图5显示利用频谱分析仪得到的DAC输出，扫频范围为100Hz至100kHz。没有观察到明显
的交调失真(IMD)项，表明将AD8628等自稳零放大器用作基准电压缓冲是极佳选择。
在任何注重精度的电路中，精心考虑电源和电路板上的接地回路布局有助于达成目标。包含该
电路的印刷电路板(PCB)应具有单独的模拟和数字部分。如果该电路所在系统中有其它器件要
求AGND至DGND连接，则只能在一个点上进行连接。该接地点应尽可能靠近AD5542。AD
5542的电源应使用10μF和0.1μF电容进行旁路。这些电容应尽可能靠近该器件，0.1μF电容
最好正对着该器件。10μF电容为钽珠型电容。0.1μF电容必须具有低有效串联电阻(ESR)和
低有效串联电感(ESL)，普通陶瓷型电容通常具有这些特性。针对内部逻辑开关引起的瞬态电
流所导致的高频，该0.1μF电容可提供低阻抗接地路径。电源走线应尽可能宽，以提供低阻抗
路径，并减小电源线路上的突波效应。时钟和其它快速开关数字信号应通过数字地屏蔽起来，
使之不受电路板的其它器件影响。
本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板上。为实现最佳性能，必须采用适当的布
局、接地和去耦技术（请参考教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGN
D的迷团”，以及教程MT-101——“去耦技术”）。
常见变化
AD8538是另一款适合在该电路中缓冲基准电压的优秀自稳零运算放大器，它具有低失调电压
和超低偏置电流特性。2.5V输出ADR421可以用ADR423或ADR434代替，二者均为低噪声
基准电压源，与ADR421同属一个基准电压源系列，分别提供3V和4.096V输出。超低噪声
基准电压源ADR441和ADR431也是合适的替代器件，提供2.5V输出。请注意，基准输入
电压的大小受所选运算放大器的轨到轨输出电压能力限制。
本电路没有使用输出缓冲，因为根据系统带宽和应用需要，输出缓冲性能可以针对速度或直流
精度进行优化。AD5661将是出色的输出缓冲选择。这是一款单电源、5V至16V放大器，采
用ADI公司的DigiTrim?专利技术实现低失调电压，可提供低输入偏置电流和宽信号带宽。A
D8605或AD8655也是不错的选择。