Lecture29 模-数转换2 20111223
第12章 数模与模数转换
d0
d1
输入
…
dn－1
uo 或 io D / A 输出
uo Ku (dn1 2n1 dn2 2n2 d1 21 d0 20 )
2019/11/17
电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
9
普通高等教育“十二五”规划教材
机械工业出版社
§12.2.1 数/模转换电路的基本概念
2019/11/17
电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
2
普通高等教育“十二五”规划教材
机械工业出版社
§12.1 数/模与模/数转换的基本概念
作用在被控对象上的信号通常也是模拟信号，这就需 要将计算机处理过的数字信号再转换为模拟信号，才能作 用于被控制对象，这种把数字量转换成相应的模拟量的过 程叫做数/模转换，其相应的转换电路叫做数/模转换器 （Digital-Analog Converter， DAC）。数字控制系统框图 如图12-1所示。
2019/11/17
电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
22
普通高等教育“十二五”规划教材
机械工业出版社
§12.2.3 D/A转换器主要技术指标
3.转换速度 D/A转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所
需要的时间称为转换速度。 不同的DAC转换速度亦不同，一般约在几微秒到几十微秒
2019/11/17
电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
3
普通高等教育“十二五”规划教材
机械工业出版社
§12.1 数/模与模/数转换的基本概念
图12-1 数字控制系统框图
2019/11/17
电子技术（电工学Ⅱ） 第12章 数/模与模/数转换
模数转换PPT课件
• 2）滤除奈奎斯特频率以上的频率分量以 防止由于数字抽取产生的混叠失真
• 3）进行抽取和滤波运算，减少数据率， 并将1位数字信号转换为高位数字信号
• 4、 Σ-Δ型A/D转换器的使用
• 8.2.7模数转换器的选用
• 1、系统的采样速度
• 一般说来，上述误差的总和应该小于或 等于A/D转换器的量化误差，否则高分辨 率A/D转换器就失去了意义
8.3数模转换器
• 8.3.1DAC的原理 • DAC按照输入信号的形式可分为并行
DAC和串行DAC两种
• DAC的电阻网络有多种形式，常见的有： 权电阻网络、T型电阻（R-2R）网络和 它们的变型电阻网络
• 优点是精度高、价格பைடு நூலகம்低、功耗较低
• 缺点是转换速率低
• 8.2.5流水线型模数转换器
• 流水线型ADC又称为子区式ADC，它由 级联的若干级电路组成
• 每一级包括一个采样/保持放大器，一个 低分辨率的ADC和DAC，以及一个求和 电路，其中求和电路还包括可提供增益 的级间放大器
• 8.2.6Σ-Δ型模数转换器
• Σ-Δ型模数转换器由Σ-Δ调制器（又称为 总和增量调制器）和数字抽取滤波器组 成
• 1、 Σ-Δ调制器量化原理
• 2、噪声量化
• 普通幅度A/D转换器的量化噪声是由A/D 转换器的位数来决定的，其量化噪声功 率谱密度N1为白噪声
• 3、数字抽取滤波器
• 数字抽取滤波器具有数字抽取（重采样） 和低通滤波的双重功能，它有三个作用：
• 3）精度 • DAC的转换精度即为分辨率的大小 • 2、动态指标 • 1）建立时间 • 建立时间是描述D/A转换速度快慢的一个重要
第2章 模数转换和数模转换
Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved.
例2.1 许多人都有这样的幻觉，电影或电视上的车轮看起来向后 转。这是混叠的直接结果，也就是说，拍摄时镜头拍摄的 的速率不够快，没有记录轮子的正确旋转。直径为0 .6米 的普通轮子周长是1.88米，这是轮子运转一周所走的路程。 汽车的车速里程表上记录的速度是千米/小时，v千米/小时 的速度相当于1 000v /3 600 = 0.278v米/秒。轮子每秒 钟转的圈数可由下式得到：
• 量数化误量差化电=量对化应值此数-实字际代码值的模拟输入 • 所字 代以,平采用这范种围量化方案,量化误差可达到一个步长.
码
100 -5.0 -5.0≤x<-4.375
101 -3.75 -4.375≤x<-3.125
110 -2.5 -3.125≤x<-1.875
111 -1.25 -1.875≤x<-0.625
以40kHz采样频率为30kHz的信号，奈奎斯特频率范围内只有一 个10kHz，所以10kHz是所还原信号的混叠频率。从30kHz信号 中恢复的假频是原频率的基带副本。可以通过略微改变采样频率， 把它与真实信号区分开来。通常，如果基带内的峰移动，则它是 假频，反之为真实信号
Joyce Van de Vegte Fundamentals of Digital Signal Processing
原双边信号频谱
Joyce Van de Vegte Fundamentals of Digital Signal Processing
Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved.
模数转换电路.ppt
输
出
缓
冲
器
Dn-1
…
D0
输出允许
100000000000
逐次逼近型特点： N次操作 时钟决定转换时间 较快速度，采样速率可达 1MSPS 功耗低 精度较高 结构简单
举例： ADC0809 AD574 AD7672 3us
3.2、并行（闪电式、闪烁式 ）
参考电压 U R 输入 R
控制逻辑与时序
-1
#
+1
SAR
开关树
三态输 出锁存 缓冲器
EOC 转换 结束
D0
…
8位 数据
输出
D7
REF(+)
a)
REF(-) OE 输出允许
ADC574
+5V
OFFSET RW 1 -12V/-15V 100 K +12V/+15V
GAIN
16路模拟输入
100 K
RW 2 100Ω
4051
4051
分辨率和信噪比
• 分辨率是模数转换器最主要的技术指标之一。在选择模数 转换器时，分辨率必需满足要求，而且一定要考虑其信噪 比、使用环境等因素，使实际转换精度符合要求。
4、模数转换电路选用
采样速率 根据奈奎斯特（Nyquist）采样定理，采样速率必须大于输入 信号最高频率的两倍，才可以实现不失真采样。在模数转换 器前需要对输入信号进行抗混叠滤波，即加低通滤波器。由 于一般信号放大器具有有限的带宽，实际起到低通滤波作用， 因此，在模数转换器采样速率较高情况下，可以省掉低通滤 波器。 若选用∑-Δ型ADC，由于其对输入信号进行了过采样，不需 要加抗混叠滤波器。
输入信号范围
数电11_数模和模数转换
4
I 2
R RR
I
I
I
I
I
VREF
16 8
4
2
倒T形电阻网络D/A转换器
di = 0时开关 Si 接至放大器的 V+ 。
不是接地就是虚地
di = 1时开关 Si 接至放大器的 V- 。
返回
目录
9
A
B
C
D i∑
V− ≈ 0
2R
2R
2R I /16
2R I /8
2R I /4
I /2
R
R
R
I
VREF
I /16 I / 8
取样—保持电路的基本形式
vL为高电平时T导通，取样。
vL返回低电平后T截止，保持。
以上电路很不完善，取样速度受限制。
返回 目录
25
集成取样-保持电路LF398
调零端
VOS 2
vI 3
vL 8
VREF 7
R1
D2
−
+ A1
D1
S
−
+ A2
R2 L
6
CH
电路结构
5 vO
VOS V + V −
2
1
vI
4
则VO
=
8 23
(d2 22
+ d1 21
Lecture27 数-模转换20111220
等效电阻
R
R
R
R
VREF I R
29
数-模转换器
• 倒T型电阻网络D/A转换器(4位)：
V_并没有接地， 只是电位接近地。 当开关打向V_时， 电流汇入iΣ；当开 关打向V+时，电 流流入地。
假设di=1表示开关接至V_端。
I I I I i d3 d 2 d1 d0 2 4 8 16
1
内容提要
• 数-模和模-数转换概述 • 数-模转换器几种基本结构：
– 普通权电阻网络型 – 双级权电阻网络型 – 倒T电阻网络型 – 双极输出型
• 数-模转换器性能指标
2
模-数和数-模转换概述
计算机控制系统框图
控制 对象
非电量
模拟量 模/数 数字量 数字量 数/模 传感器 计算机 转换器 转换器 执行 机构 模拟量
( D ) N k n 1k n 2 k 0 k 1 k m k n 1 N n 1 k o N 0 k 1 N 1 k m N m
系数 基数 权
i m
n 1
ki N i
6
数-模转换器
• 基本思路：
VREF取正值时，输 出电压Vo为负值； VREF取负值时，输 出电压Vo为正值。
当Dn=0000时：
当Dn=1111时：
2n 1 vo n VREF 2
vo 0
输出电压的范围:
2n 1 0 n VREF 2
21
数-模转换器
• 权电阻网络D/A转换器(4位)：
电路结构简单，所用的电阻 元件少。缺点是各个电阻的 阻值相差较大，输入数字量 的位数越多，差别就越大， 故很难保证电阻的精确度。
什么是电路中的数模转换和模数转换
什么是电路中的数模转换和模数转换电路中的数模转换和模数转换是指将数字信号和模拟信号互相转换的过程。
在现代电子设备和通信系统中，这两种转换方式起着至关重要的作用。
1. 数模转换：数模转换是将数字信号转换为模拟信号的过程。
在数字电路中，所有信息都以二进制形式表示，通过数模转换可以将数字信号转换为模拟电压、电流或其他模拟形式的信号。
常见的数模转换器是数字到模拟转换器（DAC），它将数字信号转换为模拟信号的输出。
数模转换器通常由一个数字输入和一个模拟输出组成。
数模转换器的输入可以是数字编码、数字信号或数字数据，输出信号则是连续的模拟波形。
在数模转换的过程中，数字信号经过采样和量化，然后根据一定的规则转换为相应的模拟信号。
数模转换在诸多应用中发挥着重要的作用，如音频和视频处理、通信系统中的调制解调器等。
通过数模转换，数字信号能够在模拟电路中进行处理和传输，实现数字与模拟信号之间的无缝衔接。
2. 模数转换：模数转换是将模拟信号转换为数字信号的过程。
在大部分现代电子设备中，数字信号更易于处理和存储，因此需要将模拟信号转换为数字信号以进行后续处理。
模数转换器（ADC）是常见的模数转换设备，它将模拟信号转换为离散的数字化信号。
模数转换器通常包含一个模拟输入和一个数字输出。
在模数转换的过程中，连续的模拟波形被分段采样，然后经过量化，最终转换为离散的数字信号。
适当的采样频率和精度可以确保模拟信号在数字化后能够保持较高的还原度。
模数转换在许多领域中被广泛使用，如音频和视频编码、传感器信号处理、通信系统中的调制解调器等。
通过模数转换，模拟信号可以被数字电路准确地表示和处理，实现了数字系统对模拟信号的感知和操作。
总结：数模转换和模数转换是电路中常见的信号转换方式，它们相互补充，使得数字和模拟信号能够在电子设备和通信系统中相互转换。
数模转换将数字信号转换为模拟信号，模数转换则将模拟信号转换为数字信号。
这两种转换方式的应用广泛，并在现代电子技术中扮演着重要的角色。
第11章数模与模数转换——讲义
第11章数模与模数转换——讲义第一篇：第11章数模与模数转换——讲义第11章数-模和模-数转换【学时分配】2学时，周二1~2节。
【教学目的与基本要求】1、熟练掌握A/D与D/A转换的电路结构和工作原理。
主要是倒梯形电阻网络、逐次逼近型、双积分A/D转换的工作特点及适用场合。
2、正确理解D/A转换器的主要参数和衡量它们的技术指标。
【教学重点与教学难点】教学重点：1、各种D/A转换器的电路结构特点和工作原理；2、掌握D/A转换器的参数计算和主要性能指标。
3、各种A/D转换器的电路结构特点和工作原理；4、掌握A/D转换器的参数计算和主要性能指标。
教学难点：权电阻型D/A转换器、倒T型D/A转换器的电路结构与工作原理【教学内容与时间安排】一、数/模（D/A）和模/数(A/D)转换的概述（约0.4学时）1、数/模和模/数转换的定义2、ADC和DAC的两个性能指标转换速度和转换精度是衡量A/D转换器和D/A转换器性能优劣的主要标志。
3、ADC和DAC的常见类型常见的D/A转换器有权电阻网络D/A转换器，倒梯形电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换器、权电容网络D/A转换器以及开关树形D/A转换器等几种类型。
常见的A/D转换器可以分为直接A/D转换器和间接A/D转换器，在直接A/D转换器中，输入的模拟电压信号直接被转换成相应的数字信号，而在间接A/D转换器中，输入的模拟信号首先被转换成某种中间变量，然后再将这个中间变量转换为输出的数字信号。
二、D/A转换器（约0.8学时）1、权电阻网络D/A转换器a.电路结构：由数码锁存器、电子开关、权电阻网络及求和电路构成b.原理：c.电路输出V0与数字输入成比例关系d.电路特点：结构比较简单，所用的器件少，缺点是所用的各个电阻组织相差较大，尤其在输入信号位数较多时，问题更为突出，难以保证每个电阻具有很高的精度，不利于制作集成电路。
2、倒T形电阻网络转换器a.电路构成：电阻网络中只有R和2R两种阻值。
数字逻辑：数模与模数转换电路ppt课件
9 a10
8 a9 ……
1
0
a2
a1
Vi
If -
Vo
Ii
A +
7
频率数字控制
R3
R4
D2
VCC
a1 a2 an-1an
Io
VREF
Io
T1
T2
D1
C
R2
-
R1 B
+
+
-
υo1
υo2
8
模/数转换电路
模/数(A/D)转换是把模拟电压或电流转换成与之成 正比的数字量。一般A/D转换需经采样、保持、量 化、编码四个步骤。
C
s0
a1
RF
R
i0
iC
2R
D
s0 Ii
-
If
+ a0
2R
IR /16
I f
VREF 24 R
3
ai • 2i
i0
4
应用实例
【例】已知倒T型电阻网络DAC的RF＝R，VREF＝10V，试 分别求出四位和八位DAC的最小(只有数字信号最低位
为1时)输出电压Vomin。
解：根据 0 I f • RF
9
采样定理
采样定理:
采样定理的内容是：只有当采样频率大于模拟信号最高频率 分量的2倍时，所采集的信号样值才能不失真地反映原来模 拟信号的变化规律。
10
采样保持电路
T υi
υs
-A + C
υo υi R1
R2 C
T
- A υo
+
υs
基本采样-保持电路 高输入阻抗的采样-保持电路
T
数字逻辑课件——模数转换器
Ui Ug Ui 6VLSB
7.25V 7.5V
1 0.25V 2VLSB 0.625V
如果采用只舍不入量化
法，转换的数字量将是 101，量化误差为1V， 大于1/2 VLSB。
25
图8-2-5 3位逐次逼近ADC的电路原理举例
转换过程中， Ug的变化曲线如图8-2-6所示。
图8-2-6 逐位逼近ADC的转换时序
12
图8-2-2 3位并行ADC
▪ ②位数扩展
▪ 采用分级比较的方式可以用位数较少的并行ADC实现高 分辨率的高速A/D转换。
▪ 输入模拟信号Ui由高位级并行ADC产生高8位的数字码 NDH(D15~D8)输出。
图8-2-3 两级16位并行ADC
13
▪ NDH又通过8位DAC产生模拟电压Ua = NDHVLSB，与输入信号 Ui比较，其差为
图8-2-5 3位逐次逼近ADC的电路原理举例
▪ 如果基准参考电压Vref = 10V，输入电压Ui = 7.25V，分析 电路工作过程，并画出量化电平Ug随时钟变化的曲线。
20
解：分辨电压VLSB = 10/23=1.25V，
DAC输出的模拟信号减去 偏移电压VLSB /2后形成
量化电平Ug ，因此量化
④ 当第三个CP脉冲 输入时，B1保留1， 并且B0置1。电路进 行第3次比较，
Ug
Vref 2
Vref 22
Vref 23
VLSB 2
8.125V>Ui
图8-2-5 3位逐次逼近ADC的电路原理举例
Co
=
1，同时Q4
=
1，准备保留最低位的比较结果。 24
⑤ 当第四个CP脉冲输入时，Co和Q4使G5 = 1， B0复位，3位数字码为110。同时Q5为1，转换 数据并行输出。转换时间为4 TCP 。 量化误差为