第十章 模数和数模转换第一节 D/A转换器第二节 A/D 转换器概述计算机系统是一个数字系统、离散系统，而我们生活的外部世界是一个模拟系统。为使计算机系统能够了解外部世界，对外部事物进行处理，就必须有一个将模拟量转换为数字量，将数字量转换为模拟量的接口，这就是常说的 A/D和 D/A。
虽然模拟量是无限可分的、连续的，数字量是离散的，数字量永远也不能精确地描述模拟量，但由于我们对客观世界的了解、描述并不总需要极高的精度，
所以选择适当精度的数字量来描述模拟量是完全够用的。
ADC和 DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。
能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器,简称 A/D转换器或 ADC；
能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器,简称 D/A转换器或 DAC。
多路开关数字控制计算机
DAC
ADC
功率放大
…
功率放大执行机构
…
执行机构加热炉
…
加热炉温度传感器
…
温度传感器信号放大
…
信号放大多路开关本章将简单介绍 D/A转换器和 A/D转换器的几种主要形式。
§ 1 D/A转换器 (DAC)
一,D/A转换器的基本原理和转换特性将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，
这样便实现了从数字量到模拟量的转换。
基本原理
u o 或 i o
输出
D / A
d 0
d 1
d n － 1
输入
…
)2222( 00112211o ddddKu nnnnu?
7
6
5
4
3
2
1
0
000 001 0 1 0 011 100 1 0 1 110 111
u
o
(V )
D
转换特性图示是输入为 3位二进制数时的 D/A转换特性 。
理想的 D/A转换特性,应是输出模拟量与输入数字量成正比 。
即：输出模拟电压 uo=Ku× D ;Ku电压转换比例系数,
输出模拟电流 io=Ki× D。 ;Ki电流转换比例系数,
D:输入二进制数所代表的十进制数 。
如果输入为 n位二进制数 dn-1dn-2… d1d0,则输出模拟电压为：
)2222( 00112211o ddddKu nnnnu?
转换特性,指输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。
给定数字量的 D/A转换过程：
⑴ 按权展开，求相应位的模拟量；
⑵相加求和，求总的模拟量；
⑴ 电阻网络：实现按权展开；
⑵电子开关,给定数字量；
⑶求和电路,完成模拟量相加。
DAC的一般构成：
存在多种网络形式。
由晶体管或 MOS
管组成。
由运放组成 。
R 2 R 4 R 8R
R
F
I
1
I
0I 2I 3
I
R E F
i
F
i
S
3
S
0
S
1
S
2
d
0
d
3
d
2
d
1
+ V
R E F
u
o
－
+
R
VI
R
VI
R
VI
R
VI REFREFREFREF
3210 248
二、二进制权电阻网络 DAC
参考电压电子开关,d＝ 1→ 接,-”;d=0 → 接,+”
不论 d接哪端（虚地或实地），各支路电流不变。
求和电路
⒈ 电路
R 2 R 4 R 8R
R
F
I
1
I
0I 2I 3
I
R E F
i
F
i
S
3
S
0
S
1
S
2
d
0
d
3
d
2
d
1
+ V
R E F
u
o
－
+
)2222(
2
248
0
0
1
1
2
2
3
33
3210
33221100
dddd
R
V
d
R
V
d
R
V
d
R
V
d
R
V
dIdIdIdIi
REF
REFREFREFREF
BR E FR E FFF N
VddddViRiRu
4
00112233
4 2)2222(22o
设 RF=R/2
⒉ 转换原理
⒊ 输出
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
三,T型电阻网络 DAC
⒈ 电路电子开关,d＝ 1→ 接,VR”;d=0 → 接,地,
2 R
2 R
R
+ V A
B
2 R
2 R
2 R
+ V R
A
⒉ 转换原理
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
① VR通过 S0到 D点的电压值等效电路：
32
RRA VV
RR
RV?
S0接 VR
S1 S2 S3接地
32
1
2
RAAB VVV
RR
RV
34
1
2
RBC VVV
38
1
2
RCD VVV
同理：
所以,当 d3d2d1d0＝ 0001时
38
1 R
D
VV
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
同理,当 d3d2d1d0＝ 0010时
34
1 R
D
VV
当 d3d2d1d0＝ 0100时
32
1 R
D
VV
当 d3d2d1d0＝ 1000时
3
RD VV?
② d3d2d1d0为任意值时
D点的电压值：
B
R
R
RRRR
D
N
V
dddd
V
d
V
d
V
d
V
d
V
V
32
)2222(
32
3834323
3
0
0
1
1
2
2
3
3
3
0123
输出：
BR
f
D
f
O N
V
R
RV
R
RV
3222 3 B
RO NVV
42
取 Rf＝ 3R,
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
① 开关在电阻网络和
VR之间。
②当 Si由地 → VR时，需建立起相应的 VD,影响工作速度。
③ 各开关动作时间不同，输出可能产生尖脉冲。
如,1000 → 0111 的转换：
可能为 1000 → 0000→0100→ 0110 → 0111
产生尖脉冲
⒊ 特点
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I' 3
I' 0
I 0
I 2
I ∑
I
d 0
d 3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R F
u o
－
+
S 3
S 0
S 1
S 2
I 3
P
P ’
⒈ 电路注,1,电子开关置于电阻网络和运放之间。
di＝ 1电流入 P点（虚地）,di＝ 0电流入地（实地）。
2、无论开关在左（实地）还是在右（虚地），
电流不变，故无需电流建立时间。
四、倒 T型电阻网络 DAC
⒉ 转换原理
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I' 3
I' 0
I 0
I 2
I ∑
I
d 0
d 3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R F
u o
－
+
S 3
S 0
S 1
S 2
I 3
P
P ’
① 节点 A,B,C,D以右，等效电阻为 2R。
总等效电阻为 R。
② 总电流
R
VI R?
⒉ 转换原理（续）
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I' 3
I' 0
I 0
I 2
I ∑
I
d 0
d 3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R F
u o
－
+
S 3
S 0
S 1
S 2
I 3
P
P ’
R
VII R
223
③ 每过一个节点，电流被分流 1/2。
R
VII R
42
'3
2
R
VII R
82
'2
1
R
VII R
162
'1
0
⒉ 转换原理（续）
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I' 3
I' 0
I 0
I 2
I ∑
I
d 0
d 3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R F
u o
－
+
S 3
S 0
S 1
S 2
I 3
P
P ’
R
VII R
223
R
VII R
42
'3
2
R
VII R
82
'2
1
R
VII R
162
'
10
④ 流入 P点总电流
）＋＋＋（ 00112233 2222161 ddddRVI R
⑤ 输出电压
）＋＋＋（ 001122334 22222 1 ddddFRFO RRVRIV
RRF＝取
BRRO N
VVV
4
00112233
4 222222 ）＋＋＋（ dddd
常见 DAC输出公式归纳
BR N
VV
42O
权电阻网络
T型电阻网络倒 T型电阻网络
BRO N
VV
42
BR
f
D
f
O N
V
R
RV
R
RV
4232 B
RO NVV
42
取 Rf＝ 3R,
BFRFO NRR
VRIV
42
1
取 Rf＝ R,
001122111
0
22222 dddd ＋＋＋
nnnnn
i
iiB dN
BnR N
VV
2O
BnRO N
VV
2
BnRO N
VV
2
例 1：
设在 T型电阻网络中，输入二进制的位数 n＝ 6，参考电压
VR=10V，当输入 X＝ 110101时，
求 1。 RF＝ 2R时,VO＝？
2。 RF＝ 3R时,VO＝？
解：
BnR
f
O N
V
R
RV
23
1。
V 52.51 9 2 5320)21212121(21032 02456 RRV O
2。
V 28.864 53105321033 6 RRV O
例 2：
设在 T型电阻网络中，参考电压 VR=6V,RF＝ 3R作输入，
求 1。 d3～ d0＝ 1111时,VO＝？
2。 d3～ d0＝ 0001时,VO＝？
解：
BnR
f
O N
V
R
RV
23
1。
V 625.516 156)21212121(2 6 01234ma x OO VV
2。
叫 DAC的满刻度输出电压值，位数越多,Vomax越接近 VR。
V 375.0166)21(2 6 04mi n OO VV
叫 DAC的最小输出电压值，位数越多,Vomin越接近 0。
五,DAC常见输出形式
1.单极性输出方式 输出从 0～正满度变化 (VR<0)或输出从 0～负满度变化 (VR>0)
① 单极性反相电压输出
DAC --
+
I∑
d0
d1
dn-1
VO
RF
BRFO N
VRIV
n2
DAC
+
--
I∑
d0
d1
dn-1
VO
RFR1
R
V+
V-
)1( 1
F
O R
RRIV
1
1
,RRR VRIVV
F
O
② 单极性同相电压输出说明,单极性输出 DAC,输入数字量一般采用自然二进制数,
如,n=8时,数字量输入与模拟量输出之间的关系如下表,
11111111
●
●
10000001
10000000
●
●
00000001
00000000
62
255
5RV?
模拟量
62
129
5RV?
62
128
5RV?
62
1
5RV?
62
0
5RV?
数字量
BnRO N
VV
2
1
0
2n
i
iiB dN
为时为时
OR
OR
VV
VV
,;,
2.双极性输出方式说明,
① 输出电压范围从负满度值～正满度值变化,(如 -5V～ +5V)
② 对应输入是带有符号位的数字代码,用 1位数字作符号位,
③ 在双极性转换中,常用的编码有,
符号 — 数值码（符号位＋数值码）
偏移二进制码
2的补码
BCD码
⑴ 偏移二进制码输入时，输入与输出的关系
11111111
●
●
10000001
10000000
01111111
●
●
00000001
00000000
62
255
5RV?
单极性输出
62
129
5RV?
62
128
5RV?
62
1
5RV?
62
0
5RV?
数字量
62
127
5RV?
双极性输出
128
127RV?
128
1RV?
01280 RV
128
1RV?
128
127RV?
128
128RV?
有表可知：
11111111
●
●
10000001
10000000
01111111
●
●
00000001
00000000
622555RV?
单极性输出
621295RV?
621285RV?
6215RV?
6205RV?
数字量
621275RV?
双极性输出
128127RV?
1281RV?
01280 RV
1281RV?
128127RV?
128128RV?
① 同样的二进制码输入，
偏移双极性输出平移半程，
即输入 80H对应输出为 0。
② d7为符号位,7位有效数值位，输出正负各半。
③ 偏移码输入与输出的关系：
Rn BO V
NV )1
2( 1双
)2()22()122( RORRnBRn BO VVVVNVNV 单双
⑵ 偏移二进制码输入的 DAC电路
)2()122( RORn BO VVVNV 单双
DAC --
+
I∑
d0
d1
dn-1 VO1
RF1
VO--
+
R2
R1
RF2
VR
10KΩ
20KΩ20KΩ
A1 A2
① A1完成单极性输出，
BnRO N
VV
21
② A2完成构成加法电路，完成双极性输出。
一般集成 D/A转换器将电子开关、电阻网络集成在一块硅片上,外接基准电压 VR、求和运算放大器。
位数,8位,10位,12位,14位。
TTL工艺,AD1408,DAC100等。
CMOS工艺,AD7532,AD7541,DAC0808,DAC0832,5G7520等。
输入：并行（传统芯片，如上述所有型号）
串行（近几年开发的芯片，如 MAX518等）
六,集成 D/A转换器及其应用
DAC0832说明
① 8位 DA转换器
② COMS工艺
③ 倒 T型电阻网络
④ 内部有 2个数据寄存器
⑤ 直通、单缓冲、双缓冲 三种工作方式
⑴ 结构
⑵ 特点
D0～ D7：输入 8位数字量,D7最高位（ MSB）,D0最低位（ LSB）
Io1,Io2：模拟电流输出端,Io1+Io2=常数＝ VR/R
输入全 1时,Io1最大,Io2最小；反之则反。
Io1相当倒 T形 DA转换中的 I∑ 。
RFB：运放用反馈电阻引出端。 RF＝ R，使得
BRO N
VV
82
⑶ 引脚说明
VR：基准电压，
VR＝－ 10V～＋ 10V
VCC,电源电压
＋ 5V～＋ 15V
⑶ 引脚说明（续 1）
DGND：数字信号接地端。
AGND：模拟信号接地端。
CS,片选信号，低有效。
ILE,输入锁存使能，
高有效。
1WR,写信号 1，低有效。
111 WRCSI L EWRCSI L ELE
01?LE,数据锁存。寄存器输出不随输入变化。
11?LE,数据直通。寄存器输出随输入变化。
⑶ 引脚说明（续 2）
2WR,写信号 2，低有效。
XFER,DAC转换控制端，低有效。
X F E RWRX F E RWRLE 222
02?LE,数据锁存。寄存器输出不随输入变化。
12?LE,数据直通。转换数据随输入变化。
⑷ 波形图输入数据被锁存转换数据被锁存
11?LE 12?LE
11 WRCSIL ELE
XFERWRLE 22
⑸ 工作方式
① 直通工作方式：数据不作任何锁存；
② 单缓冲工作方式：数据被一个寄存器锁存；
③ 双缓冲工作方式：两个寄存器都对数据进行锁存。
直通工作方式
111 WRCSI L ELE
122 X F E RWRLE
⑸ 工作方式（续）
单缓冲工作方式可控:1LE
12?LE
双缓冲工作方式可控:1LE
可控:2LE
⑹ 调零和调满度
① 调零：输入 D0～ D7为全零，调 RE使 Vo＝ 0
② 调满度：输入 D0～ D7为全 1，调 RF使 Vo＝最大
③ 重复①②步骤，直到都满足为止。
步骤：
调零调满度七,D/A转换器的主要技术指标
⑴ 分辨率：
最大输出电压最小输出电压分辨率＝
101 0 2 3
1
10 2
1
12
110?＝
－的分辨率＝位如 D A C
分辨率取决于 DAC的位数，故常用输入二进制数码的位数 n来表示分辨率：
n2
1 分辨率＝
⑵ 绝对误差
RV2 5 61 L S B D A C8
1＝：位如绝对误差＝理论满度值－实际满度值 < ± 1/2LSB
RV5 1 2L S B2
1 1＝
⑶ 线性度
① 在满度范围内，偏离理想转换特性的最大值与满度输出值之比，称为非线性误差。常用非线性误差的大小表征线性度。
② 相邻数码对应的输出模拟量之差的理想值为,2－ n 。
V o m a x
m a x?线性度＝
V o 2V o 2V o 1V o 1 m a xm a x,理实－，理实－
⑷ 建立时间 ts （转换速度）
转换器输入变化为满度值时（ 全 0→ 全 1，或全 1→ 全 0 ），
输出模拟量达到稳定所需要的时间。
不含运放的 DAC的建立时间，一般小于 0.1μS 。
含运放的集成 DAC的建立时间，一般小于 1.5μS 。
⑸ 其它指标电源电压、输出方式（电流、电压）、输出范围等等。
选择 DAC需考虑的次要指标：输出方式、输出范围（ VR取值）。
主要指标：分辨率、转换速度。
其它指标集成 DAC一般都能满足。
§ 2 A/D 转换器 (ADC)
A/D 转换器 (ADC)是将输入模拟信号转换成数字信号的装置。
按工作原理分类并行比较型逐次逼近型双积分型
V/F转换型按转换方式分类直接转换逐次逼近型双积分型
V/F转换型间接转换并行比较型一、转换原理模拟信号（ A）转换成数字信号（ D）需要时间，所以转换时间上是离散的；另一方面，模拟信号辐值连续，数字信号辐值离散。所以 AD转换需要做的是对模拟信号进行辐值离散和时间离散。
d
n -1
d
1
d
0
数字量输出
( n 位 )
ADC 的数字化编码电路
CP
S
S
C
ADC
采样 - 保持电路 采样展宽信号输入模拟电压
u
i
( t )
u
s
( t )
…
时间离散 → 采样定理辐值离散 → 量化编码
⒈ 采样电路
⑴ 要求
① 在采样时间内，信号维持不变，以提供足够的转换时间。
② 采样后保持原信号特征。
⑵ 采样定理
m a x2 iS ff?
采样频率大于 2倍输入信号频率的最大值。
①
②
③
⑦
①
② ④
⑤
⑥ ⑧
⑶ 采样保持电路
V
L
－
R1
+
V i
V o
C
V
A
V C
V o,V i
V o
V i
0
( a ) 电路图 ( b) 波形图
t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 t 10 t 11
t
R
f
V
L
采样脉冲信号
① VL=1时,V导通,Vo＝ Vc＝－ Vi
V－采样开关,R1＝ Rf
② VL=0时,V截止,Vc（ Vo）在短时内保持不变。
集成芯片 LF198：采样保持放大器，原理如上，
前端有隔离放大器。
⒉ 量化编码为了产生量化编码，在设计（或选择） AD器件时，首先应确定最小量化单位，即单位数字量所代表的模拟量。
如量化单位用△表示，量化过程为：
把要转换的模拟量除△，得：
① 整数部分，用二进制表示，即得转换数字量。
②余数部分，即量化误差。
误差处理：四舍五入 —— 误差小。
只舍不入 —— 误差大。
量化单位越小 → 转换位数越多 → 量化误差越小。
二、逐次逼近型 ADC
⒈ 转换方法根据设定的转换位数，从大到小依次给出各数位的权值数字量 （ 如 4位 AD，权值数字量分别为 1000,0100,0010,0001）,
进行 DA转换，分别得到不同的 Vo，使 Vo与 Vi进行比较，比较结果决定各数值位的取舍，直至 Vo最逼近 Vi为止，从而得到最终的转换结果。
转换过程类似于天平秤重的过程设有 8g,4g,2g,1g四种砝码，被秤重物为 13g。
砝码重量 比较判别 保留或除去该砝码次数
1 8g 8g<13g 保留
2 8g+4g 12g<13g 保留
3 8g+4g+2g 14g>13g 去除
4 8g+4g+1g 13g=13g 保留
⒉ 原理框图
DA转换器输出寄存器移位数码寄存器控制电路
CP脉冲比较器
Vo
Vi
⒊ 电路
① 移位寄存器,G=1置数,EDBCA=11110; 有 CP左移,DL=1。
② 寄存器 F0～ F4:D触发器,D为比较结果,Vi>Vo’时 D=1; 使用了异步清 0和置 1端。
③ 此外还有,DAC电路、比较器、控制电路（ G1,G2,F5）等。
⒋ 原理
⑴ 指令
0000
1 111 0
1
1
G1=0→ /Rd=0→ Q3Q2Q1Q0 =0000
G移 =1→ 移存置数,QE～ A=11110 → QA=0 → /Sd4＝ 0→ Q4＝ 1
数字量 B4B3B2B1=1000→ 经 DAC得 Vo’=8V,Vo’<Vi → Vo=1
设 Vi=13.5V
量化单位△ =1V
⒋ 原理 (续 1)
⑵ 指令
0000
1 111 0
1
1
G1=1→ CP5↑ → Q5 =1 → G2开门,CP可进入移位寄存器
G移 =0→ 置数结束。
→→ 为移位做好准备。
⒋ 原理 (续 2)
⑶ CP1
1000
1 110 1
1
1
左移 1位 → QE～ A=11101,→ QB=0 → /Sd3＝ 0→ Q3＝ 1
→ CP4↑ → （ ∵ Vo=1） Q4＝ 1
数字量 B4B3B2B1=1100→ 经 DAC得 Vo’=12V,Vo’<Vi → Vo=1
⒋ 原理 (续 3)
⑷ CP2
1100
1 101 1
1
0
再左移 1位 → QE～ A=11011,→ QC=0 → /Sd2＝ 0→ Q2＝ 1
→ CP3↑ → （ ∵ Vo=1） Q3＝ 1
数字量 B4B3B2B1=1110→ 经 DAC得 Vo’=14V,Vo’>Vi → Vo=0
⒋ 原理 (续 4)
⑷ CP3
1010
1 011 1
1
1
再左移 1位 → QE～ A=10111,→ QD=0 → /Sd1＝ 0→ Q1＝ 1
→ CP2↑ → （ ∵ Vo=0） Q3＝ 0
数字量 B4B3B2B1=1101→ 经 DAC得 Vo’=13V,Vo’<Vi → Vo=1
⒋ 原理 (续 5)
⑷ CP4
1011
0 111 1
1
1
再左移 1位 → QE～ A=01111,→ QE=0
/Rd5＝ 0→ Q5＝ 0 → G2封锁,CP不能进入移位寄存。
/Sd0＝ 0→ Q0＝ 1 → CP1↑ → （ ∵ Vo=1） Q1＝ 1→ → 转换结束
AD转换结果,Q4Q3Q2Q1=1101
⒌ 逐次逼近型 ADC的特点：
⑴ 速度较高
⑵精度较高
⑶转换时间固定（如 4位 ADC需 4个 CP脉冲）。
⑷一般输出带有缓冲器，便于与微机接口。应用较广泛。
三、双积分型 ADC
逻辑控制门触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
u
i
－ V
R E F
S
1
S
2
R
C
CP
C
O
=1 ( u
o
≤ 0)
=0 ( u
o
>0 )
u
o
d
n - 1
d
n - 2
d
0
－
－
+
+
T
CP
C
O
=
Q
n
A
C
⒈ 原理电路积分器：
对 Vi：定时积分。积分时间 T1，为计数器由全 0计到全 1
所需的时间。时间 T1由 CP决定，电压 Uo由 Ui决定。
对 VR：定值积分。积分时间 T2，为 Uo由反向积分到 0所需的时间。 T2由 Uo 决定。
三、双积分型 ADC
逻辑控制门触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
u
i
－ V
R E F
S
1
S
2
R
C
CP
C
O
=1 ( u
o
≤ 0)
=0 ( u
o
>0 )
u
o
d
n - 1
d
n - 2
d
0
－
－
+
+
T
CP
C
O
=
Q
n
A
C
⒈ 原理电路比较器,过 0比较,Uo > 0时 Co=0,封锁 G,使 CP不起作用。
Uo < 0时 Co=1,打开 G,计数器能对 CP计数。
控制门 G,控制计数与否。
逻辑控制门触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
u
i
－ V
R E F
S
1
S
2
R
C
CP
C
O
=1 ( u
o
≤ 0)
=0 ( u
o
>0 )
u
o
d
n - 1
d
n - 2
d
0
－
－
+
+
T
CP
C
O
=
Q
n
A
C
⒉ 工作过程
① 定时积分
(对 Vi) IcpRCPIRCt io VTVVTdtuu n21101
内的平均值。在是 1TuV iI cpn TT 21?
逻辑控制门触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
u
i
－ V
R E F
S
1
S
2
R
C
CP
C
O
=1 ( u
o
≤ 0)
=0 ( u
o
>0 )
u
o
d
n - 1
d
n - 2
d
0
－
－
+
+
T
CP
C
O
=
Q
n
A
C
① 定值积分
(对 VREF )
IcpRCPo VTVu n2
RRCPt RPo VTVdtVVu 210 )(1 cpNTT? 2
I RcpRCcpRCo VNTVTu n 120,当
IV
V
N
R
n2
IV
V
N
R
n2
所计的脉冲数 N与 Vi在 T1内的平均值 VI成正比,N即代表了 VI的数字形式，完成了 AD转换。
Qn
t
t
t
t
t
VS1 V
i
VRV
o
VC
VG
T1 T2
2n N
Vi’
T2’
⒊ 双积分型 ADC的特点：
⑴ 抗干扰能力强。 (与 Vi平均值成正比 )
⑵ 精度高。 (两次积分用同一个积分器，
积分器本身的误差能抵消。 )
⑶ 速度较慢。
⑷一般用于工业现场仪表。
四、集成 A/D转换器
⒈ ADC0809
8位逐次逼近型 A/D转换器,内部有 8通道多路开关、
地址译码、电压比较器,8位 DA转换器、控制及时序电路等。
工作过程：
⑴ 由地址（ CBA）选择输入（ IN0～ IN7）,ALE进行地址锁存；
⑵ START启 AD转换；转换开始 EOC＝ 0；
⑶转换结束 EOC＝ 1，向外发出结束信号；
⑷ 使 OE＝ 1，读取转换结果。
控制与时序逐次逼近寄存器模拟开关
256电阻阶梯数据锁存和三态输出缓冲器
8路模拟开关地址锁存与译码
－
＋
比较器
8位 DA
模拟输入
IN0
IN7
3位地址
C
B
A
地址锁存允许 ALE
VCC GND VR＋ VR－ OE输出允许
8位输出
EOC
启动
START
时钟
CLOCK
5V～ 15V
500KHz～ 1MHz
转换结束
ADC0809结构框图
⒉ 5G14433AD转换器 —— 3? 位 CMOS双积分型 A/D转换器。
⑴ 3? 位：能显示 4位数字，最高位显示 1,0；
其余位可显 0～ 9。
最大数字,1999；最小数字,0000
1110 21 9 9 91 0 2 42
位之间。～位精度介于普通 1110 AD213?
⑵ 特点
① 线路简单 ；
②精度高、抗干扰能力强；
③输入 1路模拟量，输出 3位半 BCD码；
④速度慢；
⑤用于工业现场。
⑵ 特点五、主要技术指标
⒈ 转换精度
⒉ 转换速度分辨率：理论精度用 AD转换位数表示。
n位输出，有 2n个等级，每个等级相差 1/2nFSR。
FSR满量程输出。
一般分辨率指对参考电压的 1/2n。
转换误差：实际转换数字量与理论转换数字量的差值。
一般用最低有效位的倍数表示,<1/2LSB。
主要由转换类型决定。直接比较：几十 ns
逐次逼近：几十 μs
双 积 分：几十 ms
本章要求
⒈ 熟练掌握 DA转换常用的几种方式（权电阻,T型、倒 T型），
掌握它们的转换原理、输出形式。
⒉ 熟练掌握 AD转换常用的几种方式（直接比较、逐次逼近、
双积分），掌握逐次逼近,双积分转换工作原理。
⒊ 熟练掌握 ADC和 DAC的主要技术指标。
⒋ 掌握常用集成 ADC和 DAC的特点。了解其选型的主要依据。
作业,8位 DAC中，输入数字量分别为 7FH,81H,F3H,01H，
分别视其为单极性自然二进制码和双极性偏移二进制码输入，求对应的输出 Vo，设 VR＝ 10V。
本章完
虽然模拟量是无限可分的、连续的，数字量是离散的，数字量永远也不能精确地描述模拟量，但由于我们对客观世界的了解、描述并不总需要极高的精度，
所以选择适当精度的数字量来描述模拟量是完全够用的。
ADC和 DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。
能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器,简称 A/D转换器或 ADC；
能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器,简称 D/A转换器或 DAC。
多路开关数字控制计算机
DAC
ADC
功率放大
…
功率放大执行机构
…
执行机构加热炉
…
加热炉温度传感器
…
温度传感器信号放大
…
信号放大多路开关本章将简单介绍 D/A转换器和 A/D转换器的几种主要形式。
§ 1 D/A转换器 (DAC)
一,D/A转换器的基本原理和转换特性将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，
这样便实现了从数字量到模拟量的转换。
基本原理
u o 或 i o
输出
D / A
d 0
d 1
d n － 1
输入
…
)2222( 00112211o ddddKu nnnnu?
7
6
5
4
3
2
1
0
000 001 0 1 0 011 100 1 0 1 110 111
u
o
(V )
D
转换特性图示是输入为 3位二进制数时的 D/A转换特性 。
理想的 D/A转换特性,应是输出模拟量与输入数字量成正比 。
即：输出模拟电压 uo=Ku× D ;Ku电压转换比例系数,
输出模拟电流 io=Ki× D。 ;Ki电流转换比例系数,
D:输入二进制数所代表的十进制数 。
如果输入为 n位二进制数 dn-1dn-2… d1d0,则输出模拟电压为：
)2222( 00112211o ddddKu nnnnu?
转换特性,指输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。
给定数字量的 D/A转换过程：
⑴ 按权展开，求相应位的模拟量；
⑵相加求和，求总的模拟量；
⑴ 电阻网络：实现按权展开；
⑵电子开关,给定数字量；
⑶求和电路,完成模拟量相加。
DAC的一般构成：
存在多种网络形式。
由晶体管或 MOS
管组成。
由运放组成 。
R 2 R 4 R 8R
R
F
I
1
I
0I 2I 3
I
R E F
i
F
i
S
3
S
0
S
1
S
2
d
0
d
3
d
2
d
1
+ V
R E F
u
o
－
+
R
VI
R
VI
R
VI
R
VI REFREFREFREF
3210 248
二、二进制权电阻网络 DAC
参考电压电子开关,d＝ 1→ 接,-”;d=0 → 接,+”
不论 d接哪端（虚地或实地），各支路电流不变。
求和电路
⒈ 电路
R 2 R 4 R 8R
R
F
I
1
I
0I 2I 3
I
R E F
i
F
i
S
3
S
0
S
1
S
2
d
0
d
3
d
2
d
1
+ V
R E F
u
o
－
+
)2222(
2
248
0
0
1
1
2
2
3
33
3210
33221100
dddd
R
V
d
R
V
d
R
V
d
R
V
d
R
V
dIdIdIdIi
REF
REFREFREFREF
BR E FR E FFF N
VddddViRiRu
4
00112233
4 2)2222(22o
设 RF=R/2
⒉ 转换原理
⒊ 输出
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
三,T型电阻网络 DAC
⒈ 电路电子开关,d＝ 1→ 接,VR”;d=0 → 接,地,
2 R
2 R
R
+ V A
B
2 R
2 R
2 R
+ V R
A
⒉ 转换原理
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
① VR通过 S0到 D点的电压值等效电路：
32
RRA VV
RR
RV?
S0接 VR
S1 S2 S3接地
32
1
2
RAAB VVV
RR
RV
34
1
2
RBC VVV
38
1
2
RCD VVV
同理：
所以,当 d3d2d1d0＝ 0001时
38
1 R
D
VV
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
同理,当 d3d2d1d0＝ 0010时
34
1 R
D
VV
当 d3d2d1d0＝ 0100时
32
1 R
D
VV
当 d3d2d1d0＝ 1000时
3
RD VV?
② d3d2d1d0为任意值时
D点的电压值：
B
R
R
RRRR
D
N
V
dddd
V
d
V
d
V
d
V
d
V
V
32
)2222(
32
3834323
3
0
0
1
1
2
2
3
3
3
0123
输出：
BR
f
D
f
O N
V
R
RV
R
RV
3222 3 B
RO NVV
42
取 Rf＝ 3R,
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
① 开关在电阻网络和
VR之间。
②当 Si由地 → VR时，需建立起相应的 VD,影响工作速度。
③ 各开关动作时间不同，输出可能产生尖脉冲。
如,1000 → 0111 的转换：
可能为 1000 → 0000→0100→ 0110 → 0111
产生尖脉冲
⒊ 特点
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I' 3
I' 0
I 0
I 2
I ∑
I
d 0
d 3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R F
u o
－
+
S 3
S 0
S 1
S 2
I 3
P
P ’
⒈ 电路注,1,电子开关置于电阻网络和运放之间。
di＝ 1电流入 P点（虚地）,di＝ 0电流入地（实地）。
2、无论开关在左（实地）还是在右（虚地），
电流不变，故无需电流建立时间。
四、倒 T型电阻网络 DAC
⒉ 转换原理
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I' 3
I' 0
I 0
I 2
I ∑
I
d 0
d 3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R F
u o
－
+
S 3
S 0
S 1
S 2
I 3
P
P ’
① 节点 A,B,C,D以右，等效电阻为 2R。
总等效电阻为 R。
② 总电流
R
VI R?
⒉ 转换原理（续）
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I' 3
I' 0
I 0
I 2
I ∑
I
d 0
d 3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R F
u o
－
+
S 3
S 0
S 1
S 2
I 3
P
P ’
R
VII R
223
③ 每过一个节点，电流被分流 1/2。
R
VII R
42
'3
2
R
VII R
82
'2
1
R
VII R
162
'1
0
⒉ 转换原理（续）
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I' 3
I' 0
I 0
I 2
I ∑
I
d 0
d 3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R F
u o
－
+
S 3
S 0
S 1
S 2
I 3
P
P ’
R
VII R
223
R
VII R
42
'3
2
R
VII R
82
'2
1
R
VII R
162
'
10
④ 流入 P点总电流
）＋＋＋（ 00112233 2222161 ddddRVI R
⑤ 输出电压
）＋＋＋（ 001122334 22222 1 ddddFRFO RRVRIV
RRF＝取
BRRO N
VVV
4
00112233
4 222222 ）＋＋＋（ dddd
常见 DAC输出公式归纳
BR N
VV
42O
权电阻网络
T型电阻网络倒 T型电阻网络
BRO N
VV
42
BR
f
D
f
O N
V
R
RV
R
RV
4232 B
RO NVV
42
取 Rf＝ 3R,
BFRFO NRR
VRIV
42
1
取 Rf＝ R,
001122111
0
22222 dddd ＋＋＋
nnnnn
i
iiB dN
BnR N
VV
2O
BnRO N
VV
2
BnRO N
VV
2
例 1：
设在 T型电阻网络中，输入二进制的位数 n＝ 6，参考电压
VR=10V，当输入 X＝ 110101时，
求 1。 RF＝ 2R时,VO＝？
2。 RF＝ 3R时,VO＝？
解：
BnR
f
O N
V
R
RV
23
1。
V 52.51 9 2 5320)21212121(21032 02456 RRV O
2。
V 28.864 53105321033 6 RRV O
例 2：
设在 T型电阻网络中，参考电压 VR=6V,RF＝ 3R作输入，
求 1。 d3～ d0＝ 1111时,VO＝？
2。 d3～ d0＝ 0001时,VO＝？
解：
BnR
f
O N
V
R
RV
23
1。
V 625.516 156)21212121(2 6 01234ma x OO VV
2。
叫 DAC的满刻度输出电压值，位数越多,Vomax越接近 VR。
V 375.0166)21(2 6 04mi n OO VV
叫 DAC的最小输出电压值，位数越多,Vomin越接近 0。
五,DAC常见输出形式
1.单极性输出方式 输出从 0～正满度变化 (VR<0)或输出从 0～负满度变化 (VR>0)
① 单极性反相电压输出
DAC --
+
I∑
d0
d1
dn-1
VO
RF
BRFO N
VRIV
n2
DAC
+
--
I∑
d0
d1
dn-1
VO
RFR1
R
V+
V-
)1( 1
F
O R
RRIV
1
1
,RRR VRIVV
F
O
② 单极性同相电压输出说明,单极性输出 DAC,输入数字量一般采用自然二进制数,
如,n=8时,数字量输入与模拟量输出之间的关系如下表,
11111111
●
●
10000001
10000000
●
●
00000001
00000000
62
255
5RV?
模拟量
62
129
5RV?
62
128
5RV?
62
1
5RV?
62
0
5RV?
数字量
BnRO N
VV
2
1
0
2n
i
iiB dN
为时为时
OR
OR
VV
VV
,;,
2.双极性输出方式说明,
① 输出电压范围从负满度值～正满度值变化,(如 -5V～ +5V)
② 对应输入是带有符号位的数字代码,用 1位数字作符号位,
③ 在双极性转换中,常用的编码有,
符号 — 数值码（符号位＋数值码）
偏移二进制码
2的补码
BCD码
⑴ 偏移二进制码输入时，输入与输出的关系
11111111
●
●
10000001
10000000
01111111
●
●
00000001
00000000
62
255
5RV?
单极性输出
62
129
5RV?
62
128
5RV?
62
1
5RV?
62
0
5RV?
数字量
62
127
5RV?
双极性输出
128
127RV?
128
1RV?
01280 RV
128
1RV?
128
127RV?
128
128RV?
有表可知：
11111111
●
●
10000001
10000000
01111111
●
●
00000001
00000000
622555RV?
单极性输出
621295RV?
621285RV?
6215RV?
6205RV?
数字量
621275RV?
双极性输出
128127RV?
1281RV?
01280 RV
1281RV?
128127RV?
128128RV?
① 同样的二进制码输入，
偏移双极性输出平移半程，
即输入 80H对应输出为 0。
② d7为符号位,7位有效数值位，输出正负各半。
③ 偏移码输入与输出的关系：
Rn BO V
NV )1
2( 1双
)2()22()122( RORRnBRn BO VVVVNVNV 单双
⑵ 偏移二进制码输入的 DAC电路
)2()122( RORn BO VVVNV 单双
DAC --
+
I∑
d0
d1
dn-1 VO1
RF1
VO--
+
R2
R1
RF2
VR
10KΩ
20KΩ20KΩ
A1 A2
① A1完成单极性输出，
BnRO N
VV
21
② A2完成构成加法电路，完成双极性输出。
一般集成 D/A转换器将电子开关、电阻网络集成在一块硅片上,外接基准电压 VR、求和运算放大器。
位数,8位,10位,12位,14位。
TTL工艺,AD1408,DAC100等。
CMOS工艺,AD7532,AD7541,DAC0808,DAC0832,5G7520等。
输入：并行（传统芯片，如上述所有型号）
串行（近几年开发的芯片，如 MAX518等）
六,集成 D/A转换器及其应用
DAC0832说明
① 8位 DA转换器
② COMS工艺
③ 倒 T型电阻网络
④ 内部有 2个数据寄存器
⑤ 直通、单缓冲、双缓冲 三种工作方式
⑴ 结构
⑵ 特点
D0～ D7：输入 8位数字量,D7最高位（ MSB）,D0最低位（ LSB）
Io1,Io2：模拟电流输出端,Io1+Io2=常数＝ VR/R
输入全 1时,Io1最大,Io2最小；反之则反。
Io1相当倒 T形 DA转换中的 I∑ 。
RFB：运放用反馈电阻引出端。 RF＝ R，使得
BRO N
VV
82
⑶ 引脚说明
VR：基准电压，
VR＝－ 10V～＋ 10V
VCC,电源电压
＋ 5V～＋ 15V
⑶ 引脚说明（续 1）
DGND：数字信号接地端。
AGND：模拟信号接地端。
CS,片选信号，低有效。
ILE,输入锁存使能，
高有效。
1WR,写信号 1，低有效。
111 WRCSI L EWRCSI L ELE
01?LE,数据锁存。寄存器输出不随输入变化。
11?LE,数据直通。寄存器输出随输入变化。
⑶ 引脚说明（续 2）
2WR,写信号 2，低有效。
XFER,DAC转换控制端，低有效。
X F E RWRX F E RWRLE 222
02?LE,数据锁存。寄存器输出不随输入变化。
12?LE,数据直通。转换数据随输入变化。
⑷ 波形图输入数据被锁存转换数据被锁存
11?LE 12?LE
11 WRCSIL ELE
XFERWRLE 22
⑸ 工作方式
① 直通工作方式：数据不作任何锁存；
② 单缓冲工作方式：数据被一个寄存器锁存；
③ 双缓冲工作方式：两个寄存器都对数据进行锁存。
直通工作方式
111 WRCSI L ELE
122 X F E RWRLE
⑸ 工作方式（续）
单缓冲工作方式可控:1LE
12?LE
双缓冲工作方式可控:1LE
可控:2LE
⑹ 调零和调满度
① 调零：输入 D0～ D7为全零，调 RE使 Vo＝ 0
② 调满度：输入 D0～ D7为全 1，调 RF使 Vo＝最大
③ 重复①②步骤，直到都满足为止。
步骤：
调零调满度七,D/A转换器的主要技术指标
⑴ 分辨率：
最大输出电压最小输出电压分辨率＝
101 0 2 3
1
10 2
1
12
110?＝
－的分辨率＝位如 D A C
分辨率取决于 DAC的位数，故常用输入二进制数码的位数 n来表示分辨率：
n2
1 分辨率＝
⑵ 绝对误差
RV2 5 61 L S B D A C8
1＝：位如绝对误差＝理论满度值－实际满度值 < ± 1/2LSB
RV5 1 2L S B2
1 1＝
⑶ 线性度
① 在满度范围内，偏离理想转换特性的最大值与满度输出值之比，称为非线性误差。常用非线性误差的大小表征线性度。
② 相邻数码对应的输出模拟量之差的理想值为,2－ n 。
V o m a x
m a x?线性度＝
V o 2V o 2V o 1V o 1 m a xm a x,理实－，理实－
⑷ 建立时间 ts （转换速度）
转换器输入变化为满度值时（ 全 0→ 全 1，或全 1→ 全 0 ），
输出模拟量达到稳定所需要的时间。
不含运放的 DAC的建立时间，一般小于 0.1μS 。
含运放的集成 DAC的建立时间，一般小于 1.5μS 。
⑸ 其它指标电源电压、输出方式（电流、电压）、输出范围等等。
选择 DAC需考虑的次要指标：输出方式、输出范围（ VR取值）。
主要指标：分辨率、转换速度。
其它指标集成 DAC一般都能满足。
§ 2 A/D 转换器 (ADC)
A/D 转换器 (ADC)是将输入模拟信号转换成数字信号的装置。
按工作原理分类并行比较型逐次逼近型双积分型
V/F转换型按转换方式分类直接转换逐次逼近型双积分型
V/F转换型间接转换并行比较型一、转换原理模拟信号（ A）转换成数字信号（ D）需要时间，所以转换时间上是离散的；另一方面，模拟信号辐值连续，数字信号辐值离散。所以 AD转换需要做的是对模拟信号进行辐值离散和时间离散。
d
n -1
d
1
d
0
数字量输出
( n 位 )
ADC 的数字化编码电路
CP
S
S
C
ADC
采样 - 保持电路 采样展宽信号输入模拟电压
u
i
( t )
u
s
( t )
…
时间离散 → 采样定理辐值离散 → 量化编码
⒈ 采样电路
⑴ 要求
① 在采样时间内，信号维持不变，以提供足够的转换时间。
② 采样后保持原信号特征。
⑵ 采样定理
m a x2 iS ff?
采样频率大于 2倍输入信号频率的最大值。
①
②
③
⑦
①
② ④
⑤
⑥ ⑧
⑶ 采样保持电路
V
L
－
R1
+
V i
V o
C
V
A
V C
V o,V i
V o
V i
0
( a ) 电路图 ( b) 波形图
t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t 8 t 9 t 10 t 11
t
R
f
V
L
采样脉冲信号
① VL=1时,V导通,Vo＝ Vc＝－ Vi
V－采样开关,R1＝ Rf
② VL=0时,V截止,Vc（ Vo）在短时内保持不变。
集成芯片 LF198：采样保持放大器，原理如上，
前端有隔离放大器。
⒉ 量化编码为了产生量化编码，在设计（或选择） AD器件时，首先应确定最小量化单位，即单位数字量所代表的模拟量。
如量化单位用△表示，量化过程为：
把要转换的模拟量除△，得：
① 整数部分，用二进制表示，即得转换数字量。
②余数部分，即量化误差。
误差处理：四舍五入 —— 误差小。
只舍不入 —— 误差大。
量化单位越小 → 转换位数越多 → 量化误差越小。
二、逐次逼近型 ADC
⒈ 转换方法根据设定的转换位数，从大到小依次给出各数位的权值数字量 （ 如 4位 AD，权值数字量分别为 1000,0100,0010,0001）,
进行 DA转换，分别得到不同的 Vo，使 Vo与 Vi进行比较，比较结果决定各数值位的取舍，直至 Vo最逼近 Vi为止，从而得到最终的转换结果。
转换过程类似于天平秤重的过程设有 8g,4g,2g,1g四种砝码，被秤重物为 13g。
砝码重量 比较判别 保留或除去该砝码次数
1 8g 8g<13g 保留
2 8g+4g 12g<13g 保留
3 8g+4g+2g 14g>13g 去除
4 8g+4g+1g 13g=13g 保留
⒉ 原理框图
DA转换器输出寄存器移位数码寄存器控制电路
CP脉冲比较器
Vo
Vi
⒊ 电路
① 移位寄存器,G=1置数,EDBCA=11110; 有 CP左移,DL=1。
② 寄存器 F0～ F4:D触发器,D为比较结果,Vi>Vo’时 D=1; 使用了异步清 0和置 1端。
③ 此外还有,DAC电路、比较器、控制电路（ G1,G2,F5）等。
⒋ 原理
⑴ 指令
0000
1 111 0
1
1
G1=0→ /Rd=0→ Q3Q2Q1Q0 =0000
G移 =1→ 移存置数,QE～ A=11110 → QA=0 → /Sd4＝ 0→ Q4＝ 1
数字量 B4B3B2B1=1000→ 经 DAC得 Vo’=8V,Vo’<Vi → Vo=1
设 Vi=13.5V
量化单位△ =1V
⒋ 原理 (续 1)
⑵ 指令
0000
1 111 0
1
1
G1=1→ CP5↑ → Q5 =1 → G2开门,CP可进入移位寄存器
G移 =0→ 置数结束。
→→ 为移位做好准备。
⒋ 原理 (续 2)
⑶ CP1
1000
1 110 1
1
1
左移 1位 → QE～ A=11101,→ QB=0 → /Sd3＝ 0→ Q3＝ 1
→ CP4↑ → （ ∵ Vo=1） Q4＝ 1
数字量 B4B3B2B1=1100→ 经 DAC得 Vo’=12V,Vo’<Vi → Vo=1
⒋ 原理 (续 3)
⑷ CP2
1100
1 101 1
1
0
再左移 1位 → QE～ A=11011,→ QC=0 → /Sd2＝ 0→ Q2＝ 1
→ CP3↑ → （ ∵ Vo=1） Q3＝ 1
数字量 B4B3B2B1=1110→ 经 DAC得 Vo’=14V,Vo’>Vi → Vo=0
⒋ 原理 (续 4)
⑷ CP3
1010
1 011 1
1
1
再左移 1位 → QE～ A=10111,→ QD=0 → /Sd1＝ 0→ Q1＝ 1
→ CP2↑ → （ ∵ Vo=0） Q3＝ 0
数字量 B4B3B2B1=1101→ 经 DAC得 Vo’=13V,Vo’<Vi → Vo=1
⒋ 原理 (续 5)
⑷ CP4
1011
0 111 1
1
1
再左移 1位 → QE～ A=01111,→ QE=0
/Rd5＝ 0→ Q5＝ 0 → G2封锁,CP不能进入移位寄存。
/Sd0＝ 0→ Q0＝ 1 → CP1↑ → （ ∵ Vo=1） Q1＝ 1→ → 转换结束
AD转换结果,Q4Q3Q2Q1=1101
⒌ 逐次逼近型 ADC的特点：
⑴ 速度较高
⑵精度较高
⑶转换时间固定（如 4位 ADC需 4个 CP脉冲）。
⑷一般输出带有缓冲器，便于与微机接口。应用较广泛。
三、双积分型 ADC
逻辑控制门触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
u
i
－ V
R E F
S
1
S
2
R
C
CP
C
O
=1 ( u
o
≤ 0)
=0 ( u
o
>0 )
u
o
d
n - 1
d
n - 2
d
0
－
－
+
+
T
CP
C
O
=
Q
n
A
C
⒈ 原理电路积分器：
对 Vi：定时积分。积分时间 T1，为计数器由全 0计到全 1
所需的时间。时间 T1由 CP决定，电压 Uo由 Ui决定。
对 VR：定值积分。积分时间 T2，为 Uo由反向积分到 0所需的时间。 T2由 Uo 决定。
三、双积分型 ADC
逻辑控制门触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
u
i
－ V
R E F
S
1
S
2
R
C
CP
C
O
=1 ( u
o
≤ 0)
=0 ( u
o
>0 )
u
o
d
n - 1
d
n - 2
d
0
－
－
+
+
T
CP
C
O
=
Q
n
A
C
⒈ 原理电路比较器,过 0比较,Uo > 0时 Co=0,封锁 G,使 CP不起作用。
Uo < 0时 Co=1,打开 G,计数器能对 CP计数。
控制门 G,控制计数与否。
逻辑控制门触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
u
i
－ V
R E F
S
1
S
2
R
C
CP
C
O
=1 ( u
o
≤ 0)
=0 ( u
o
>0 )
u
o
d
n - 1
d
n - 2
d
0
－
－
+
+
T
CP
C
O
=
Q
n
A
C
⒉ 工作过程
① 定时积分
(对 Vi) IcpRCPIRCt io VTVVTdtuu n21101
内的平均值。在是 1TuV iI cpn TT 21?
逻辑控制门触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
u
i
－ V
R E F
S
1
S
2
R
C
CP
C
O
=1 ( u
o
≤ 0)
=0 ( u
o
>0 )
u
o
d
n - 1
d
n - 2
d
0
－
－
+
+
T
CP
C
O
=
Q
n
A
C
① 定值积分
(对 VREF )
IcpRCPo VTVu n2
RRCPt RPo VTVdtVVu 210 )(1 cpNTT? 2
I RcpRCcpRCo VNTVTu n 120,当
IV
V
N
R
n2
IV
V
N
R
n2
所计的脉冲数 N与 Vi在 T1内的平均值 VI成正比,N即代表了 VI的数字形式，完成了 AD转换。
Qn
t
t
t
t
t
VS1 V
i
VRV
o
VC
VG
T1 T2
2n N
Vi’
T2’
⒊ 双积分型 ADC的特点：
⑴ 抗干扰能力强。 (与 Vi平均值成正比 )
⑵ 精度高。 (两次积分用同一个积分器，
积分器本身的误差能抵消。 )
⑶ 速度较慢。
⑷一般用于工业现场仪表。
四、集成 A/D转换器
⒈ ADC0809
8位逐次逼近型 A/D转换器,内部有 8通道多路开关、
地址译码、电压比较器,8位 DA转换器、控制及时序电路等。
工作过程：
⑴ 由地址（ CBA）选择输入（ IN0～ IN7）,ALE进行地址锁存；
⑵ START启 AD转换；转换开始 EOC＝ 0；
⑶转换结束 EOC＝ 1，向外发出结束信号；
⑷ 使 OE＝ 1，读取转换结果。
控制与时序逐次逼近寄存器模拟开关
256电阻阶梯数据锁存和三态输出缓冲器
8路模拟开关地址锁存与译码
－
＋
比较器
8位 DA
模拟输入
IN0
IN7
3位地址
C
B
A
地址锁存允许 ALE
VCC GND VR＋ VR－ OE输出允许
8位输出
EOC
启动
START
时钟
CLOCK
5V～ 15V
500KHz～ 1MHz
转换结束
ADC0809结构框图
⒉ 5G14433AD转换器 —— 3? 位 CMOS双积分型 A/D转换器。
⑴ 3? 位：能显示 4位数字，最高位显示 1,0；
其余位可显 0～ 9。
最大数字,1999；最小数字,0000
1110 21 9 9 91 0 2 42
位之间。～位精度介于普通 1110 AD213?
⑵ 特点
① 线路简单 ；
②精度高、抗干扰能力强；
③输入 1路模拟量，输出 3位半 BCD码；
④速度慢；
⑤用于工业现场。
⑵ 特点五、主要技术指标
⒈ 转换精度
⒉ 转换速度分辨率：理论精度用 AD转换位数表示。
n位输出，有 2n个等级，每个等级相差 1/2nFSR。
FSR满量程输出。
一般分辨率指对参考电压的 1/2n。
转换误差：实际转换数字量与理论转换数字量的差值。
一般用最低有效位的倍数表示,<1/2LSB。
主要由转换类型决定。直接比较：几十 ns
逐次逼近：几十 μs
双 积 分：几十 ms
本章要求
⒈ 熟练掌握 DA转换常用的几种方式（权电阻,T型、倒 T型），
掌握它们的转换原理、输出形式。
⒉ 熟练掌握 AD转换常用的几种方式（直接比较、逐次逼近、
双积分），掌握逐次逼近,双积分转换工作原理。
⒊ 熟练掌握 ADC和 DAC的主要技术指标。
⒋ 掌握常用集成 ADC和 DAC的特点。了解其选型的主要依据。
作业,8位 DAC中，输入数字量分别为 7FH,81H,F3H,01H，
分别视其为单极性自然二进制码和双极性偏移二进制码输入，求对应的输出 Vo，设 VR＝ 10V。
本章完
