半导体集成电路_17DA与AD转换器解析

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。

DA与AD一、D/A转换器的基本原理1、分辨率分辨率是指输入数字量的最低有效位（LSB）发生变化时，所对应的输出模拟量（电压或电流）的变化量。

它反映了输出模拟量的最小变化值。

分辨率与输入数字量的位数有确定的关系，可以表示成FS / 。

FS表示满量程输入值，n为二进制位数。

对于5V的满量程，采用８位的DAC时，分辨率为5V/256＝19.5mV；当采用12位的DAC时，分辨率则为5V/4096＝1.22mV。

显然，位数越多分辨率就越高。

2、线性度线性度（也称非线性误差）是实际转换特性曲线与理想直线特性之间的最大偏差。

常以相对于满量程的百分数表示。

如±１％是指实际输出值与理论值之差在满刻度的±１％以内。

3、绝对精度和相对精度绝对精度（简称精度）是指在整个刻度范围内，任一输入数码所对应的模拟量实际输出值与理论值之间的最大误差。

绝对精度是由DAC的增益误差（当输入数码为全1时，实际输出值与理想输出值之差）、零点误差（数码输入为全０时，DAC 的非零输出值）、非线性误差和噪声等引起的。

绝对精度（即最大误差）应小于1个LSB。

相对精度与绝对精度表示同一含义，用最大误差相对于满刻度的百分比表示。

应当注意，精度和分辨率具有一定的联系，但概念不同。

DAC的位数多时，分辨率会提高，对应于影响精度的量化误差会减小。

但其它误差（如温度漂移、线性不良等）的影响仍会使DAC的精度变差。

DAC0832与80C51单片机的接口１、单缓冲工作方式此方式适用于只有一路模拟量输出，或有几路模拟量输出但并不要求同步的系统。

双极性模拟输出电压：双极性输出时的分辨率比单极性输出时降低1/2，这是由于对双极性输出而言，最高位作为符号位，只有7位数值位。

2、双缓冲工作方式多路D/A转换输出，如果要求同步进行，就应该采用双缓冲器同步方式。

3、直通工作方式当DAC0832芯片的片选信号、写信号、及传送控制信号的引脚全部接地，允许输入锁存信号ILE引脚接＋5V时，DAC0832芯片就处于直通工作方式，数字量一旦输入，就直接进入DAC寄存器，进行D/A转换。

AD和DA转换器的分类及其主要技术指标AD和DA转换器（Analog-to-Digital and Digital-to-Analog converters）是电子设备中常用的模数转换器和数模转换器。

AD转换器将连续的模拟信号转换成对应的离散数字信号，而DA转换器则将离散的数字信号转换成相应的连续模拟信号。

本篇文章将介绍AD和DA转换器的分类以及它们的主要技术指标。

一、AD转换器分类AD转换器主要分为以下几个类型：1.逐次逼近型AD转换器（Successive Approximation ADC）逐次逼近型AD转换器是一种常见且常用的AD转换器。

它采用逐渐逼近的方法逐位进行转换。

其基本原理是将模拟输入信号与一个参考电压进行比较，不断调整比较电压的大小，确保比较结果与模拟输入信号的差别小于一个允许误差。

逐次逼近型AD转换器的转换速度相对较快，精度较高。

2.模数积分型AD转换器（Sigma-Delta ADC）模数积分型AD转换器是一种利用高速和低精度的ADC与一个可编程数字滤波器相结合的技术。

它通过对输入信号进行高速取样并进行每个采样周期的累积和平均，降低了后续操作所需的带宽。

模数积分型AD转换器具有较高的分辨率和较好的线性度，适用于高精度应用。

3.并行型AD转换器（Parallel ADC）并行型AD转换器是一种通过多个比较器并行操作的AD转换器。

它的转换速度较快，但其实现成本相对较高。

并行型AD转换器适用于高速数据采集和信号处理。

4.逐渐逼近型AD转换器（Ramp ADC）逐渐逼近型AD转换器是一种通过线性递增电压与输入信号进行比较的转换器。

它利用逐渐逼近的方法寻找与输入信号最接近的电压值，然后以此电压值对应的时间来估计输入信号的值。

逐渐逼近型AD转换器转换速度较慢，但精度较高。

5.其他类型AD转换器除了上述几种常见的AD转换器类型外，还有其他一些特殊的AD转换器类型，如比例调制型AD转换器、索耳转换器等。

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。

A/D 和D/A 转换器在数字系统的应用中，通常要将一些被测量的物理量通过传感器送到数字系统进行加工处理；经过处理获得的输出数据又要送回物理系统，对系统物理量进行调节和控制。

传感器输出的模拟电信号首先要转换成数字信号，数字系统才能对模拟信号进行处理。

这种模拟量到数字量的转换称为模-数(A/D)转换。

处理后获得的数字量有时又需转换成模拟量，这种转换称为数-模(D/A)变换。

A/D 变换器简称为ADC 和D/A 变换器简称为DAC 是数字系统和模拟系统的接口电路。

第一节 基本概念一、D/A 变换D/A 变换器一般由变换网络和模拟电子开关组成。

输入n 位数字量D （=D n-1…D 1D 0）分别控制这些电子开关，通过变换网络产生与数字量各位权对应的模拟量，通过加法电路输出与数字量成比例的模拟量。

（1）变换网络变换网络一般有权电阻变换网络、R-2RT 型电阻变换网络和权电流变换网络等几种。

ⅰ、权电阻变换网络权电阻变换网络如图8-1所示，每一个电子开关S i 所接的电阻R i 等于2n-1-i R （i=0～n-1），即与二进制数的位权相似，R 0=2n-1R ，R n-1=R 。

对应二进制位D i =1时，电子开关S i 合上，R i 上流过的电流 I i =V REF /R i 。

令V REF /2n-1R=I REF ，则有 I i =2i I REF ，即R i 上流过对应二进位权倍的基准电流，R i 称为权电阻。

权电阻网络中的电阻从R 到2n-1R 成倍增大，位数越多阻值越大，很难保证精度。

图8-1 权电阻D/A 变换器ⅱ、R-2R 电阻变换网络R-2R 电阻网络中串联臂上的电阻为R ，並联臂上的电阻为2R ，如图8-2所示。

从每个並联臂2R 电阻往后看，电阻都为2R ，所以流过每个与电子开关S i 相连的2R 电阻的电流I i 是前级电流I i+1的一半。

因此， I i =2i I 0=2i I REF /2n ，即与二进制i 位权成正比。

DA 转换器----数字信号转换成模拟信号，注意模拟地和数字地要分开，采用单端共地的方式权电阻型DAC ：模拟开关S i 受信号D i 控制，当D i =1时，开关左拨，当D i =0时，开关右拨。

假设求和放大器为理想放大器 那么根据“虚短、虚断”的概念I =I 0d 0+I 1d 1+I 2d 2+I 3d 3 I=V REF 23R d 0+V REF 22R d 1+V REF 2R d 2+V REFR d 3=V REF 23R(d 3⋅23+d 2⋅22+d 1⋅21+d 0⋅20)U =−I ∙R f归纳后优点：简单缺点：电阻值相差较大，难以保证精度，且大电阻 不易集成权电阻网络型 倒梯形电阻网络 权电流型 权电容型 开关树型倒T型电阻网络DAC (原则上还是权电阻网络，但所用电阻系列少)开关置于电阻网络和运放之间，开关无论是在实地还是虚地，支路上的电流始终保持不变，这样就无需电流建立时间，也不会产生尖脉冲。

从节点D开始分析，D左侧的两条支路并联等效电阻为R，依次类推节点A两条支路电阻分别为2R，并联等效电阻为R，I=V RR ，I3=I3′=V R2R，，，类推：I∑=I3∙d3+I2∙d2+I1∙d1+I0∙d0=V R2R d3+V R4Rd2+V R8Rd1+V R16Rd0=V R16R(23∙d3+22∙d2+21∙d1+20∙d0)权电流型DACDAC主要技术指标分辨率（理论精度）：12n−1转换误差（实际精度）：失调误差、增益误差、非线性误差绝对值之和失调误差失调误差(或称零点误差)定义为数字输入全为0码时，其模拟输出值与理想输出值之偏差值。

对于单极性D/A转换，模拟输出的理想值为零伏点。

对于双极性D/A转换，理想值为负域满量程。

偏差值的大小一般用LSB的份数或用偏差值相对满量程的百分数来表示。

增益误差D/A转换器的输入与输出传递特性曲线的斜率称为D/A转换增益或标度系数，实际转换的增益与理想增益之间的偏差称为增益误差(或称标度误差)。

课题12：A/D转换器与D/A转换器课型：讲授教学目的：1、理解D/A转换器的概念和技术参数2、掌握D/A转换器输入和输出电压的关系3、理解A/D转换的一般步骤4、掌握A/D转换器的技术参数教学重点：掌握D/A转换器的技术参数，输入和输出电压的关系，掌握A/D转换器的技术参数教学难点：掌握D/A转换器的技术参数掌握A/D转换器的技术参数复习、提问：555定时器的应用有哪些？教学导入：在电子技术中，模拟量与数字量之间的相互转换很重要。

如自动控制、自动检测、遥控、通信等系统中广泛使用数字电路来处理模拟信号。

要使数字电路能处理模拟信号，必须有能将模拟信号转换成数字信号的转换器（Analog to Digital Converter），简称A/D转换器。

有时还要把经处理后的数字信号转换成模拟信号，这就需要将数字信号转换成模拟信号的转换器（Analog to Digital Converter），简称D/A转换器。

一、D/A转换器1、D/A转换器的分类：有权电阻网络、T形电阻网络、倒T形电阻网络等几种。

2、D/A转换器的功能：无论何种形式的D/A转换器，都是把输入的数字量转换成与之成比例的模拟量。

倒T形电阻网络D/A转换器是目前D/A转换器中速度最快的一种，也是用得最多的一种。

下面以倒T形电阻网为例说明D/A转换器。

3、D/A转换器的组成：(1)倒T形电阻网络D/A转换器它由即倒T电阻网络、模拟开关、求和放大器及基准电源组成。

(2)输出模拟电压U0值与输入二进制值D为成正比的关系，从而能实现了D/A转换。

U0=-U R(D n-12n-1 + D n-22n-2+---+ D12+ D020)/2nU0为输出电压D为输入二进制值U R或（U REF）为基准电压4、D/A转换器的主要技术指标（1）．分辨率DAC分辨率是指最小输出电压与最大输出电压之比。

分辨率与DAC的位数有关，位数越高，分辨率值越小，分辨能力越高。

AD和DA转换器的基本原理在现代电子设备中，AD（模数）和DA（数模）转换器是至关重要的部件。

它们在各种应用中起着核心的作用，例如音频处理、传感器信号转换、通信系统等。

本文将介绍AD和DA转换器的基本原理，以及它们在实际应用中的关键性。

AD转换器（Analog-to-Digital Converter）是实现模拟信号到数字信号转换的器件。

它能将连续的模拟信号转换成离散的数字信号。

AD转换器通常由样本保持电路、量化电路和编码电路组成。

首先，样本保持电路将连续的模拟信号抽样并保持在一定的时间段内。

然后，量化电路将抽样到的模拟信号离散化，并将其表示为数字化的数值。

最后，编码电路将离散化的数值转换为二进制码，以便计算机或其他数字系统能够处理。

AD转换器的原理基于对信号的近似，即通过将信号离散化，以获得与实际信号相近的数字表示。

这一过程主要涉及到两个关键概念：采样率和分辨率。

采样率指的是在一定时间内对模拟信号进行采样的频率，通常以赫兹为单位表示。

采样率越高，对模拟信号的抽样越频繁，数字信号的重构越精确。

分辨率则表示AD转换器可以表示的最小电平差异。

分辨率越高，AD转换器能够更准确地表示模拟信号的细节和变化。

在实际应用中，AD转换器广泛应用于数据采集、音频信号处理和传感器信号转换等领域。

以音频处理为例，AD转换器能够将模拟的声音信号转换为数字形式，以便被数字信号处理器（DSP）进行各种音频效果的实时计算和调整。

此外，AD转换器还被用于传感器信号的转换，如温度传感器、压力传感器等。

通过与微处理器的配合，AD转换器能够将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，用于实时监测和控制。

相对于AD转换器，DA转换器（Digital-to-Analog Converter）的功能则相反。

它将数字信号转换成模拟信号，以便于在实际电路中进行处理或输出。

DA转换器通常由数字编码电路和模拟滤波电路组成。

数字编码电路接收计算机或其他数字系统输出的二进制码，并将其转换成相应的电压或电流值。