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《数字电子技术基础》第11章_数模与模数转换讲解

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《数字电子技术--刘汉华》第11章 数模模数转换

《数字电子技术--刘汉华》第11章 数模模数转换
？
D/A转换器的原理框图
基准电源
n位数字 量输入
2021/6/10
数码寄存器
n位模 拟开关
解码网络
图112.1 n位D/A转换器原理框图
解码网络
模拟量 输出
5
一、权电阻网络D/A转权换电器阻网络
1.电路构成
由四部分组成： 权电阻大器 模拟开关
参考电源；
Most Significant
外接求和放大器； 外接电阻。 参考四位时的公式：
有O ：R 2 F 4 V R RRE(d F323d222 输d入121 数d020)
O
RFVREF 28 RR
字量
D
若取VREF=10V、RR=RF=5KΩ
则：
O
10 28
D
此时20，21/6输/10出模拟电压范围为：0~9.96V。
13
四、具有双极性输出的D/A转换器(以3位补码为例) 当输入数字量是带符号数时，就需要双极性输出的D/A转换器。 带符号数以补码形式给出。输出为正、负极性的模拟电压。
2. 工作原理：
Bit
任务：求出输出模拟电压 o 与输入数字量d3d2d1d0间的关系。
o R F i Least Significant Bit 2.特点：
R F(I3I2I1I0)
1.电阻数量少，结构简单；
R 2V R RE(F 2 d0 3d 21 22 d2 1d 23 0)
2.电阻种类多，差别大，不 易集成。
3. 集成D/A转换器CB7520简介：（十位）
可外接反 馈电阻R
需外接 运放
模拟开关电路：
2021/6/10
10
三、权电流型D/A转换器 在权电阻网络D/A转换器和倒T型电阻网络D/A转换器中，

《数字电子技术基础》第五版：第11章 数-模转换和模-数转换

《数字电子技术基础》第五版：第11章 数-模转换和模-数转换

可见量化误差最大达=1/8 V
方法二：取＝2/15 V，0 1/15 V 的 电压以0×表示，则
模拟电压 二进制编码
1V
13/15 V
111
代表的模拟电压电平
7＝14/15 V
11/15 V
110
6＝12/15 V
9/15 V
101
5＝10/15 V
7/15 V
100
4＝8/15 V
5/15 V 3/15 V
第11章 数-模转换和模-数转换
11.1 概述 11.2 D/A转换器(DAC) 11.3 A/D转换器(ADC)
§11-1 概述
模拟量到数字量的转换称为模—数转换 A/D（Analog to Digital） 实现A/D转换的电路称为A/D转换器 （Analog Digital Converter ADC）
I 24
(
d3
23
d2
22
d1
21
d0
20
)
I 24
D
运算放大器的输出电压为
VO
I
RF
IR F 24
D
若RF=R，并将I=VREF/R代入上式， 则有
VO
VREF 24
D
N位倒T形电阻网络D/A转换器
di=1，Si接到运放反向输入端 di=0，Si接到运放同向输入端
都是虚地，各支路 电流不会变化
T1 ( VI
0
R
)dt
T1 RC
VI
所 以VO VI
第 二 步 ：S1 VREF 积 分 器 作 反 相 积 分 ， 至VO 0
VO
1 C
T2 VREF 0R
dt

数字电子技术基础全套-11PPT优秀课件

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转换误差可分为静态误差和动态误差。产生静态误 差的原因是基准电源不稳定、运放的零点漂移、模拟开 关导通时的内阻和压降及电阻网络中阻值的偏差等；动 态误差则是在转换的动态过程中产生的附加误差。
2.D/A转换器的转换速度
（1）建立时间tset：指输入数字量各位由全0变为全 1或由全1变为全0时,输出电压达到某一规定值所需 要的时间。通常建立时间在100 ns ~几十s之间。
11.1 概述
模－数转换（A/D转换）：将模拟信号转换为数 字信号。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简 写为ADC(Analog-Digital Converter)
数－模转换（D/A转换）：将数字信号转换为模 拟信号。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简 写为DAC(Digital-Analog Converter)
量化－编码
将取样－保持电路的输出电压，按某种近似方式 归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为数 值量化，简称量化。
将取样电压表示为一个最小单位的整数倍，所 取的最小数量单位称为量化单位，用 表示。
量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代 码表示出来，这一过程称为编码。
取 1 8
取 2 15
第 十一 章
-------------------------数－模和模－数转换
教学内容
§11.1 概述 §11.2 D/A转换器 §11.3 A/D转换器
教学要求
1、掌握DAC和ADC的定义及应用； 2、了解DAC的组成、倒T型电阻网络、集 成D/A转换器、转换精度及转换速度； 3、了解ADC组成、逐次逼近型A/D转换器、 积分型A/D转换器、转换精度及转换速度。
（2）转换速率SR：指输入数字量各位由全0变为全 1或由全1变为全0时，输出电压的变化率。

数电教材第章数模和模数转换

数电教材第章数模和模数转换
（3）VREF：基准电压
11.2.1 权电阻网络D/A转换器
2.输出电压旳计算： 输出电压为
v0 RF I RF (I3 I2 I1 I0 )
因为V－ ≈V＋＝0， 故各电流为
I3
VREF R
d3, I2
VREF 2R
d 2，I1
VREF 4R
d1, I0
VREF 8R
d0
11.2.1 权电阻网络D/A转换器
注：根据数字量旳输入输出方式能够将D/A转换器提成 并行输入和串行输入两种类型，将A/D转换器提成并行 输出和串行输出两种类型。因为D/A转换器电路旳工作 原理较A/D转换器简朴，且是A/D转换器电路旳构成部 分，故先简介D/A转换器。
11.2 D/A转换器
D/A转换器旳目旳为：
D 111101…
R R R R 图11.2.5
11.2.2 倒T形电阻网络D/A转换器
R R R R 图11.2.5
R
VREF I
总旳电流为
I VREF R
di di
1时，Ii流入i 0时，I i流入地端
i
I
I
I
I
d3
(
2
)
d
2
(
4
)
d1
(
8
)
d
0
( 16
)
11.2.2 倒T形电阻网络D/A转换器
因为 I VREF
图11.2.6为采用倒T型电阻网络旳单片集成D/A转换器 CB7520(AD7520)旳电路。
图11.2.6 其输入为10位二进制数，采用CMOS电路构成旳模拟 开关。
11.2.2 倒T形电阻网络D/A转换器
输出电压为

ch11 AD和DA转换10

ch11 AD和DA转换10

广东工业大学 自动化学院
11.2
D/A转换器
五、具有双极性输出的D/A转换器
当输入数字量是带符号数时，就需要双极性输出的D/A 转换器。
1. 转换原理
D2 0
补码输入
D1 1 1 0 0 1 1 0 0 D0 1 0 1 0 1 0 1 0
带符号数以补码形式给出。输出为正、负极性的模拟电压。
+3 +2 +1 0 -1 -2 -3 -4 +3V +2V +1V 0V -1V -2V -3V -4V
D/A转换器
原码输入 D2 1 1 D1 1 1 D0 1 0 输出vO +7V +6V
• 双极性输出与单极性输出的关系
0
0 0 1 1
1
0 0 1 1
0
1 0 1 0
+2V
+1V 0V -1V -2V
1
1
0
0
1
0
+5V
+4V
0
0 0 0
1
1 0 0
1
0 1 0
+3V
+2V +1V 0V
1
1
0
0
1
0
通常用输出电压满量程Vm或VFSR（Full Scale Range的缩 写）的百分数表示，也可以用最低有效位的倍数表示。 例如，转换误差为LSB/2 ，表示输出模拟电压的绝对误 差等于最小输出电压VLSB的一半。 • 产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，如基 准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。
I2= I/4=VREF / 4R I0= I/16=VREF / 16R

数字电子数电11数-模和模-数转换PPT课件

数字电子数电11数-模和模-数转换PPT课件

02 数-模转换器（DAC）
DAC工作原理
数字信号输入
将二进制数字信号输入到DAC中。
权重电压选择
根据数字信号的每一位，选择相应 的权重电压。
模拟信号输出
将权重电压相加，输出模拟信号。
DAC的分类
01
02
03
并行DAC
具有多个模拟开关，能够 同时输出多个权重电压， 转换速度快，但电路复杂。
串行DAC
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
控制系统
在控制系统中，ADC用于将 模拟传感器信号转换为数字信 号，便于控制系统分析和控制
。
04 数-模和模-数转换器的比 较
性能比较
精度
数-模转换器的精度通常高于模-数转换器，因为模-数转换器在将 模拟信号转换为数字信号时可能会引入量化误差。
速度
模-数转换器的转换速度通常更快，适用于需要高速数据采集和处 理的场景。
逐位输出模拟信号，电路 简单，但转换速度较慢。
权电阻DAC
通过改变权电阻的阻值来 实现模拟信号输出，精度 高，但温度稳定性较差。
DAC的应用
音频信号处理
用于将数字音频信号转换 为模拟音频信号，实现音 频播放。
控制系统
用于将数字控制信号转换 为模拟控制信号，实现模 拟控制。
仪器仪表
用于将数字测量数据转换 为模拟信号，实现模拟显 示。
功耗
数-模转换器的功耗相对较高，因为它们需要更多的计算和比较操 作。
应用场景比较
数-模转换器
适用于需要将数字信号转换为模 拟信号的场景，如音频播放、视 频显示等。
模-数转换器
适用于需要将模拟信号转换为数 字信号的场景，如数据采集、信 号处理、控制系统等。

数模与模数转换电路基础知识讲解

I2
I1
寄存器
代码转换器
D2 (MSB) D1 D 0 (LSB)
并行比较型A/D转换器真值表
输入模拟电压
vI
(0
~
1 15
)VREF
(
1 15
~
3 15
)VREF
(
3 15
~
5 15
)VREF
(
5 15
~
7 15
)VREF
(
7 15
~
9 15
)VREF
(
9 15
~
11 15
)VREF
(
11 15
T2
TC
2n VREF
VI
上式表明，计数器中所计得的数λ（λ=Qn-1…Q1Q0），与在取样时间T1内输 入电压的平均值VI成正比。只要VI<VREF，转换器就能将输入电压转换为数 字量。
六． A/D转换器的主要技术指标
1. 转换精度
（1）分辨率——说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。 一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时， 输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。
100
0 0 11 111
101
0 1 11 111 1 1 11 111
110 111
四． 逐次比较型A/D转换器 1． 转换原理：
v 设：
9
16VREF＜
I
＜
10
16VREF
v 设：
9
16VREF＜
I
＜
10
16VREF
vI
vO
D0
2． 逻辑电路
D/A 转换器
D1
D2

数字电路第11章数模与模数转换


VO=2013-8-5
VREF 24
(d323+ d222+ d121+ d020)
阜师院数科院
对于n位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取 R/2时，输出电压的计算公式可写成
VO=-
VREF
2n
(dn-12n-1+ dn-22n-2+… d121+ d020)
Dn 2n-1 当 Dn=0时VO=0，当Dn=11…11时VO=- n VREF
2R
+VREF
I
由于在倒T形电阻网络D/A转换器中，各支路 电流直接流入运算放大器的输入端，它们之间 不存在传输上的时间差；另外无论电子开关打 向上还是下电阻上端几乎全接同一电位。电路 的这一特点不仅提高了转换速度，亦减小了动
态过程中输出端可能出现的尖脉冲。
图11.2.5 CB7520（AD7520）的电路原理图
1 +1 0 0 1 -1 0 -2 1 -3 0 -4
1 0 1 +5V
1 0 0 +4V 0 1 1 +3V 0 1 0 0 0 1
阜师院数科院
+1V
0V -1V -2V -3V -4V
+2V +1V
2013-8-5 表11.2.1 P510
0 0 0 0V
偏
D0
D1
i T形电 阻网络 D/A转 换器
D3D2D1D0=0001时，UO= –VREF/16= –D0VREF/24
根据叠加原理:
UO= –(D3VREF/21+ D2VREF/22 + D1VREF/23 + D0VREF/24 )
= –(D3/21+ D2/22 + D1/23 + D0/24 ) VREF

数字电子技术-112数摸与模数转换

00…00 10…00 dn－11…00
…… dn－1 dn－2…10 dn－1 dn－2… d11 dn－1 dn－2… d1d0
20
返回
转换前：清0
cp1到来后： 01
cp2到来后：
01
01
01
cp3到来后：
cp4到来后： cp5到来后：
若vREF= - 8mV，
则DAC的输出电压为
vo=4QA+2QB+QC
—
C
积分器
+
vL＝1（转换开始，S0断开） ：
(1) Sl接vI，积分器在固定时间
T1内对vI进行积分。积分结束时
vOC 10 T1vR Id tR T 1 v C I
数
S0 S1
转换控制
控制逻辑 vG 计 数 器
(MSB) 字
量 (LSB) 输
出
T1
vO
vL
时钟
脉冲源
O
t
2019/10/5
第一次 第二次 第三次 第四次
砝码重 8克 加4克 加2克 加1克
结论
砝码总重< Wx ，故保留 砝码总重< Wx ，故保留 砝码总重> Wx ，故撤除 砝码总重= Wx ，故保留
暂时结果 8克 12克 12克 13克
2019/10/5
19
逐次渐近型A/D转换器的电路结构框图
2019/10/5
寄存器的 状态变换：
把量化的结果用代码表示出来，叫做编码。 量化后的量化电平与量化前的取样电压之间产生偏移，
该偏差叫做量化误差。
2019/10/5
11
只舍不入法
输入 信号
二进制 代表的 代码 模拟电量

数电教材第11章数-模和模-数转换

单片化
集成化与单片化
智能化与自适应技术
智能化技术能够提高数-模和模-数转换器的自适应能力和智能水平。通过引入人工智能算法和模式识别技术，可以实现自动校准、自动调整和自适应控制等功能，提高转换器的性能和稳定性。
智能化
自适应技术可以根据输入信号的变化自动调整转换器的参数，以获得最佳的转换效果。通过自适应滤波、自适应量化等技术，可以减小误差、抑制噪声和提高动态范围，进一步拓展数-模和模-数转换器的应用领域。
ADC通过比较输入模拟信号与一系列标准电平，将模拟信号的幅度转换为相应的数字代码。
定义与工作原理
工作原理
定义
ADC的分类
逐次逼近型ADC
逐次逼近型ADC通过逐次比较的方法，将输入模拟信号与标准电平进行比较，逐步逼近输入信号的幅度，最终输出相应的数字代码。
并行比较型ADC
并行比较型ADC采用多个比较器，将输入模拟信号与多个标准电平同时进行比较，根据比较结果输出相应的数字代码。
数电教-数转换器（ADC） 数-模和模-数转换的应用 数-模和模-数转换的未来发展
01
CHAPTER
数-模转换器（DAC）
数-模转换器（DAC）是一种将数字信号转换为模拟信号的电子设备。
定义
通过一个或多个电阻、电容、电感等元件，将数字输入信号转换为连续的模拟输出电压或电流。
03
CHAPTER
数-模和模-数转换的应用
音频处理
数-模转换器（DAC）将数字音频信号转换为模拟信号，用于播放音乐或语音。模-数转换器（ADC）则将模拟音频信号转换为数字信号，便于存储、编辑和传输。
视频处理
在视频处理中，数-模转换用于将数字视频信号转换为模拟信号，以便在老式电视或显示器上播放。模-数转换则用于将模拟视频信号转换为数字信号，便于编辑、传输和存储。
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如果Di=0，TN1截止，TN2导通，固定端A与P(与运放的同 相端)相连。
由于MOS管的导通电阻不相等，导致电阻网络不是准确的 R-2R网络，出现误差。
2．单片集成DAC
单片集成倒T形电阻网络DAC芯片有AD7520(10位DAC) 、 DAC1210H(12位DAC) 和AK7546(16位DAC)等。
根据变换网络的结构，DAC分为倒T形电阻网络DAC、权
电流型DAC、T形电阻网络DAC、权电阻网络DAC、权电容网
络DAC和开关树型DAC。 本节介绍倒T形电阻网络DAC和权电流型DAC。
11.2数模转换器(DAC)
11.2.1 倒T形电阻网络DAC 11.2.2 权电流型DAC *11.2.3 DAC的双极性输出 11.2.4 DAC的主要技术指标
第11章 数模与模数转换器
将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器 （DAC—Digital to Analog Converter），而将模拟 信号转换为数字信号的电路则称为模数转换器(ADC-Analog to Digital Converter)。
DAC和ADC是数字电路和模拟电路之间的接口电 路。
生产过程中 的物理量
数字执 行机构 工业控制计算（IPC）、单片机、数字信号处理器 和可编逻辑控制器，甚至可以扩展到计算机网络。 执行机构
各种物理量的测量和显示、手动控制和报警等功能
数模转换器、模数转换器是模拟系统与数字系统的桥梁，称为 接口电路。它们是用数字系统处理模拟信号所必须的电子电路。
11.2 数模转换器(DAC)
推广到一般情况，n位权电流型DAC的输出电压为
21 D1 20 D0 )
I 24
41
2i Di
i0
11.2.1 倒T形电阻网络DAC
1．工作原理
来自输入或寄存器
vO
Rf R
VREF 24
41
2i Di
i0
开关网络
R-2R电阻网络
每个节点i的等 效电阻为R
vO
Rf R
VREF 2n
n1
2i Di
i0KBZ Nhomakorabean1
BZ 2i Di i0
8
D0
) 16
vO
R f IO1
Rf R
VREF 24
41
2i Di
i0
型DAC输注的2I出意4 基(电，2准3 D压由电3 与于压2输多2VD入路RE2F自电只2然流能1 D二源为1 进输正20制出。D0数电) 成流正是V2R4比单ERF ，向i401实的2i现，Di数所模以转，换权。电流
11.2.1 倒T形电阻网络DAC
1．工作原理
来自输入或寄存器
开关网络
电流电 虚地！ 压变换
R-2R电阻网络
每个节点i对地的 等效电阻为R
I VREF R
并联电阻上 为权电流!
IO1
D3
I 2
D2
I 4
D1
I 8
D0
I 16
vO
Rf
I O1
Rf R
VREF 24
41
2i Di
i0
I 24
(23 D3 22 D2
11.1 数模和模数转换的作用
11.2 数模转换器(DAC)
11.3 模数转换器(ADC)
11.1 数模和模数转换的作用
模拟子系统
工业控制系统框图示例
电 量
变 换 器
防
模
混
数
低
转
数 字
数 模 转
非 电 量
传 感 器
通 滤 波
换 器
器
处 理 子 系
换 器
统
模拟子系统
重
模
构
拟
低
执
通
行
滤
机
波
构
器
数字量或 开关量
数模转换器：将数字信号转换为模拟信号的电路。
转换原理框图：寄存器、开关网络、解码网络、基准电源
存储输入 数字量
要求VREF很稳定
在稳定的基准电 压激励下产生与 数字量和基准电 压成正比的电压 或电流
电阻、电容等电路
n位数字量分别控制n个 模拟电子开关的通断
对每一次确定的数字量输入，解码网 络和开关网络组成相应的线性电路
3. DAC的应用:斜坡发生器
VREF=5V
CP
10 位
D0 D1
二进
Rf DAC
IO1
vO vO
制计 数器 D9
AD
IO2 A +
7520
GND
LSB
t / TCP
O 1023 2047
(a)
(b)
图 11.2.5 斜坡电压发生器 (a) 原理框图 (b) 波形
10位二进制计数器对周期脉冲CP计数，输出自然 二进制码，DAC将其转换为阶梯电压，近似线性电压 输出，如图(b)所示。阶梯高度为单位电压LSB:
11.2.2 权电流型DAC
三极管TR、T3、T2、T1、T0和TC的射极电位相等（VE）， 它们的射极到负电源（-VEE）间的等效电阻依次为R、2R、4R、 8R、 16R （按2n递增的电阻称为权电阻）。
以T2的发射极等效 电阻为例说明。
基准电流 I VREF R
同理,可计 算其他晶体 管射极到VEE的等效 电阻。
K
Rf R
VREF 2n
电流电 虚地！ 压变换
I VREF R
并联电阻上 为权电流!
BZ是n位自然二进制数（>0） 输出电压是单极性的。
K是1个单位数字量对应的 电压的绝对值，称为单位 电压，常记为LSB。
单刀双置开关可以用双极型三极管或MOS管实现。
PN A
如果Di=1，TN1导通，TN2截止，固定端A与N(与运放的反 相端)相连；
K
LSB
VREF 210
5 210
4.88mV
11.2.2 权电流型DAC
在倒T形电阻网络DAC中，模拟电子开关使得电阻网络不能 准确地按R-2R构成，导致并联电阻的电流偏离权电流值（I/2、 I/4、I/8、I/16、…），使输出产生误差。
用多发射结晶体管使每 个发射结的电流相等。
用多路电流源产生准 确的权电流，形成权 电流型DAC。
单片集成ADC：AD7520 集成10位倒T电阻网络
AD7520集成反馈电阻Rf， 与倒T形电阻网络的R相等。
输出电压为:
vO
=
-
Rf R
∑ VREF
24
41
2i Di
i=0
vO
VREF 210
101
2i Di
i0
VREF 1024
9 i0
2i Di
输出电压与输入10位自然 二进制数成正比。
基准电压VREF可正可负。 如果用另一个DAC的输出 替换VREF，则可实现2个数字量 之积的数模转换。
权电流
I Ei
VE
(VEE ) REi
R 2R 4R 8R 16R 16R
RE 2
=
VE
- ( -VEE IE
)
T2的发射极等效电阻
= 2RI E + R 2I E
IE2
IE
= 4R
-VEE
忽略IB0
IE2
权电流
R
2R 4R 8R 16R 16R
I VREF R
I
II
I
IO1
(D3
2
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