清华大学电机系唐庆玉 1997年制作如发现有人剽窃必定追究！
第 15章 数模变换器（ DAC）、
模数变换器（ ADC）
千岛湖风光
15.1 D/A变换器
15.2 A/D变换器
15.3 计算机数据采集简介千岛湖画面属唐庆玉个人创作，青山緑水蓝天白云，剽窃必究清华大学电机系电工学教研组唐庆玉编
2000年 3月 20日引言模拟信号?数字信号：
A/D转换器 (ADC－ Analog Digital Converter)
数字信号?模拟信号：
D/A转换器 (DAC－ Digital Analog Converter)
引言 (续 ),A/D转换器,D/A转换器的应用放大器传感器
(温度、压力、流量、
应力等）
采样 /
保持器 A/D
计算机显示器
D/A示波器打印机计算机进行各种数字处理（如滤波、计算）、数据保存、打印等显示器显示字符、
曲线、图形、图象等
15.1 D/A 转换器
(1) D/A功能,将数字量 成正比 地转换成模拟量
D/An =
4位
8位
10位
12位
16位
n位数字量 模拟量
0~5V或
0~10V
15.1.1 D/A转换器原理
D/A 功能 (续 )
4位数据,0000 0V
1111 5V
分辨率,
5V/15=0.333V
/每 1个最低有效位
8位数据,00000000 0V
11111111 5V
分辨率,
5V/255=0.0196V
/每 1个最低有效位
(2) D/A的组成由三部分电路组成
电阻网络
模拟电子开关
求和运算放大器
D/A的组成 (续 )
输入 4位二进制数输出模拟电压
S0~S3:
模拟电子开关
D=0,S倒向地
D=1,S倒向 VREF
电阻网络求和运算放大器
VREF
2R 2R 2R 2R 2R
R R R 2R
S0 S1 S2 S3
精密参考电压D0 D1 D2 D3
+ +
-
3R
3R/2
UO
VREF
2R 2R 2R 2R 2R
R R R
S0 S1 S2 S3
D0 D1 D2 D3
2R
+ +
-
3R
3R/2
UO
当 D3D2D1D0=0000时,
S3S2S1S0都倒向地
UO=0V
(3) D/A转换原理 当 D3D2D1D0=0000时
UO
3R
2R
+ +
-
3R/2
R
等效电路
3R
0 0 0 0
AV= -1
VREF
2R 2R 2R 2R 2R
R R R
S0 S1 S2 S3
D0 D1 D2 D3
2R
+ +
-
3R
3R/2
UO
D/A转换原理 (续 )
当 D3D2D1D0=1000
时,
S2S1S0都倒向地，
S3倒向 VREF
UO
3R
+ +
-
3R/2
等效电路
2R2R
VREF
2R
R
VREF/2
UO=-VREF/2
当 D3D2D1D0=1000时
0 0 0 1
AV= -1
3R
VREF
2R 2R 2R 2R 2R
R R R
S0 S1 S2 S3
D0 D1 D2 D3
2R
+ +
-
3R
3R/2
UO
D/A转换原理 (续 )
当 D3D2D1D0=0100
时,
S3S1S0都倒向地
S2倒向 VREF
当 D3D2D1D0=0100时
UO=-VREF/4
UO
3R
+ +
-
3R/2
等效电路
2RR
VREF
2R
2R
2R
3R
VREF/4
0 0 1 0
AV= -1
D/A转换原理 (续 )
VREF
2R 2R 2R 2R 2R
R R R
S0 S1 S2 S3
D0 D1 D2 D3
2R
+ +
-
3R
3R/2
UO
同理可推导,当 D3D2D1D0=0010时,UO= –VREF/8
当 D3D2D1D0=0001时,UO= –VREF/16
D/A转换原理 (续 )
D3D2D1D0=1000时,UO= –VREF/2= –D3VREF/21
D3D2D1D0=0100时,UO= –VREF/4= –D2VREF/22
D3D2D1D0=0010时,UO= –VREF/8= –D1VREF/23
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
= –(VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0)
UO = – (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0)
D/A转换原理 (续 )
此式表明,D/A电路输出模拟电压 UO与输入的数字量 D3D2D1D0成正比
15.1.2 8位 D/A转换器电路框图
8D
锁存器求和电路电阻网络电子开关
U
O
D7-
D0
CP
VREF
15.2 A/D转换器
(1)A/D功能,将模拟电压 成正比 地转换成数字量
A/DUI
输入模拟电压
D7~D0
输出数字量
0
~
5V
00000000
~
11111111
分辨率,5V/255=0.0196V/
每 1个最低有效位
15.2.1 A/D功能及分类
(2)A/D转换器分类
① 并联比较型特点,转换速度快,转换时间 10ns ~1?s
② 逐次逼近型特点,转换速度中,转换时间 几?s ~100?s
③ 双积分型特点,转换速度慢,转换时间 几百?s ~几 ms
根据内部电路不同,分为以下三类,
15.2.2并联比较型 A/D转换器（三位）原理
D Q
D Q
D Q
D Q
D Q
D Q
D Q
7VR/8
6VR/8
5VR/8
4VR/8
3VR/8
2VR/8
VR/8
VR
R
R
R
R
R
R
R
R
UI
UI? 6VR/8时，输出 =1
UI? 7VR/8时，输出 =1
UI? 7VR/8时，输出 =0
UI? 6VR/8时，输出 =0
电压比较器 D锁存器编码器
QB
QA
QG
QF
QE
QC
QD
D2
D1
D0
输入模拟电压精密 参考电压精密电阻网络（ 23个电阻）
输出数字量
CP
UI? VR/8时，输出 =1
UI? VR/8时，输出 =0
并联比较型 A/D转换器中的编码器真值表
UI QA QB QC QD QE QF QG D2 D1 D0
6VR/8 >UI >5VR/8 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1
5VR/8 >UI >4VR/8 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0
7VR/8 >UI >6VR/8 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0
VR >UI >7VR/8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
4VR/8 >UI >3VR/8 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1
3VR/8 >UI >2VR/8 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0
2VR/8 >UI > VR/8 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1
VR/8 >UI > 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
特点：输入电压 UI每增加 VR/8,输出数字量增加 1根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）
15.3计算机数据采集原理简介
A/D转换器内部组成
A/D
电路模拟输入三态门数字输出寄存器精密稳压电源电源计算机读取命令时序控制电路
A/D转换命令
（来自计算机）
转换完成信号
（由计算机检测或申请计算机中断）
A/D
转换器计算机数据采集原理简介 (续 )
A/D转换器与计算机的连接
A/D
转换器转换完成信号采样 /
保持器模拟输入读取数据命令计算机接口
A/D板
A/D转换命令模拟输入电压在 A/D转换期间应保持不变，否则 A/D的输出数据总随输入电压而变，所以需要采样 /保持器。
计算机数据采集原理简介 (续 )
采样 /保持器采样 /
保持器
A/D
转换器
u1 u2模拟输入数字输出
A/D转换命令采样 /保持器的功能：
在 A/D转换期间，使 A/D
的输入电压 u2保持不变。
t
计算机数据采集原理简介 (续 )
采样 /保持器输入输出波形图
A/D转换命令高电平期间
u2跟随 u1
低电平期间 u2保持不变，
同时 A/D进行转换
u1 输入模拟信号
u2采样 /保持器输出信号计算机数据采集原理简介 (续 )
采样 /保持器电路原理
C
模拟电子开关电压跟随器 电压跟随器采样保持电容输入输出K
A/D转换命令高电平期间,K合上,C采样低电平期间,K打开,C保持计算机数据采集原理简介 (续 )
采样周期 采样频率
A/D转换命令
T
T：采样周期，相邻两次采样之间的时间间隔单位 s,ms,?s
f=1/T：采样频率，每秒采样的数据个数单位 Hz
A/D转换器将脉冲下降沿时的模拟电压转换为数字量计算机数据采集原理简介 (续 )
在计算机屏幕上波形的恢复显示
tt1 t2 t3 t4 t5 t
6 t7
模拟信号信号幅度时间数字信号
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
A/D转换命令计算机屏幕计算机数据采集原理简介 (续 )
在计算机屏幕上波形的恢复显示结论：
因为计算机屏幕波形显示是用不连续的点组成，所以，若将被采样波形恢复显示，
必须有足够大的采样率。
t1ms
1kHz 1
2kHz 2
8kHz 8
16kHz 16频率为 1kHz的正弦波
4kHz 4
采样率 每周期采样点数
第 15章 数模变换器（ DAC）、
模数变换器（ ADC）
千岛湖风光
15.1 D/A变换器
15.2 A/D变换器
15.3 计算机数据采集简介千岛湖画面属唐庆玉个人创作，青山緑水蓝天白云，剽窃必究清华大学电机系电工学教研组唐庆玉编
2000年 3月 20日引言模拟信号?数字信号：
A/D转换器 (ADC－ Analog Digital Converter)
数字信号?模拟信号：
D/A转换器 (DAC－ Digital Analog Converter)
引言 (续 ),A/D转换器,D/A转换器的应用放大器传感器
(温度、压力、流量、
应力等）
采样 /
保持器 A/D
计算机显示器
D/A示波器打印机计算机进行各种数字处理（如滤波、计算）、数据保存、打印等显示器显示字符、
曲线、图形、图象等
15.1 D/A 转换器
(1) D/A功能,将数字量 成正比 地转换成模拟量
D/An =
4位
8位
10位
12位
16位
n位数字量 模拟量
0~5V或
0~10V
15.1.1 D/A转换器原理
D/A 功能 (续 )
4位数据,0000 0V
1111 5V
分辨率,
5V/15=0.333V
/每 1个最低有效位
8位数据,00000000 0V
11111111 5V
分辨率,
5V/255=0.0196V
/每 1个最低有效位
(2) D/A的组成由三部分电路组成
电阻网络
模拟电子开关
求和运算放大器
D/A的组成 (续 )
输入 4位二进制数输出模拟电压
S0~S3:
模拟电子开关
D=0,S倒向地
D=1,S倒向 VREF
电阻网络求和运算放大器
VREF
2R 2R 2R 2R 2R
R R R 2R
S0 S1 S2 S3
精密参考电压D0 D1 D2 D3
+ +
-
3R
3R/2
UO
VREF
2R 2R 2R 2R 2R
R R R
S0 S1 S2 S3
D0 D1 D2 D3
2R
+ +
-
3R
3R/2
UO
当 D3D2D1D0=0000时,
S3S2S1S0都倒向地
UO=0V
(3) D/A转换原理 当 D3D2D1D0=0000时
UO
3R
2R
+ +
-
3R/2
R
等效电路
3R
0 0 0 0
AV= -1
VREF
2R 2R 2R 2R 2R
R R R
S0 S1 S2 S3
D0 D1 D2 D3
2R
+ +
-
3R
3R/2
UO
D/A转换原理 (续 )
当 D3D2D1D0=1000
时,
S2S1S0都倒向地，
S3倒向 VREF
UO
3R
+ +
-
3R/2
等效电路
2R2R
VREF
2R
R
VREF/2
UO=-VREF/2
当 D3D2D1D0=1000时
0 0 0 1
AV= -1
3R
VREF
2R 2R 2R 2R 2R
R R R
S0 S1 S2 S3
D0 D1 D2 D3
2R
+ +
-
3R
3R/2
UO
D/A转换原理 (续 )
当 D3D2D1D0=0100
时,
S3S1S0都倒向地
S2倒向 VREF
当 D3D2D1D0=0100时
UO=-VREF/4
UO
3R
+ +
-
3R/2
等效电路
2RR
VREF
2R
2R
2R
3R
VREF/4
0 0 1 0
AV= -1
D/A转换原理 (续 )
VREF
2R 2R 2R 2R 2R
R R R
S0 S1 S2 S3
D0 D1 D2 D3
2R
+ +
-
3R
3R/2
UO
同理可推导,当 D3D2D1D0=0010时,UO= –VREF/8
当 D3D2D1D0=0001时,UO= –VREF/16
D/A转换原理 (续 )
D3D2D1D0=1000时,UO= –VREF/2= –D3VREF/21
D3D2D1D0=0100时,UO= –VREF/4= –D2VREF/22
D3D2D1D0=0010时,UO= –VREF/8= –D1VREF/23
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
= –(VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0)
UO = – (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0)
D/A转换原理 (续 )
此式表明,D/A电路输出模拟电压 UO与输入的数字量 D3D2D1D0成正比
15.1.2 8位 D/A转换器电路框图
8D
锁存器求和电路电阻网络电子开关
U
O
D7-
D0
CP
VREF
15.2 A/D转换器
(1)A/D功能,将模拟电压 成正比 地转换成数字量
A/DUI
输入模拟电压
D7~D0
输出数字量
0
~
5V
00000000
~
11111111
分辨率,5V/255=0.0196V/
每 1个最低有效位
15.2.1 A/D功能及分类
(2)A/D转换器分类
① 并联比较型特点,转换速度快,转换时间 10ns ~1?s
② 逐次逼近型特点,转换速度中,转换时间 几?s ~100?s
③ 双积分型特点,转换速度慢,转换时间 几百?s ~几 ms
根据内部电路不同,分为以下三类,
15.2.2并联比较型 A/D转换器（三位）原理
D Q
D Q
D Q
D Q
D Q
D Q
D Q
7VR/8
6VR/8
5VR/8
4VR/8
3VR/8
2VR/8
VR/8
VR
R
R
R
R
R
R
R
R
UI
UI? 6VR/8时，输出 =1
UI? 7VR/8时，输出 =1
UI? 7VR/8时，输出 =0
UI? 6VR/8时，输出 =0
电压比较器 D锁存器编码器
QB
QA
QG
QF
QE
QC
QD
D2
D1
D0
输入模拟电压精密 参考电压精密电阻网络（ 23个电阻）
输出数字量
CP
UI? VR/8时，输出 =1
UI? VR/8时，输出 =0
并联比较型 A/D转换器中的编码器真值表
UI QA QB QC QD QE QF QG D2 D1 D0
6VR/8 >UI >5VR/8 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1
5VR/8 >UI >4VR/8 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0
7VR/8 >UI >6VR/8 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0
VR >UI >7VR/8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
4VR/8 >UI >3VR/8 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1
3VR/8 >UI >2VR/8 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0
2VR/8 >UI > VR/8 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1
VR/8 >UI > 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
特点：输入电压 UI每增加 VR/8,输出数字量增加 1根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）
15.3计算机数据采集原理简介
A/D转换器内部组成
A/D
电路模拟输入三态门数字输出寄存器精密稳压电源电源计算机读取命令时序控制电路
A/D转换命令
（来自计算机）
转换完成信号
（由计算机检测或申请计算机中断）
A/D
转换器计算机数据采集原理简介 (续 )
A/D转换器与计算机的连接
A/D
转换器转换完成信号采样 /
保持器模拟输入读取数据命令计算机接口
A/D板
A/D转换命令模拟输入电压在 A/D转换期间应保持不变，否则 A/D的输出数据总随输入电压而变，所以需要采样 /保持器。
计算机数据采集原理简介 (续 )
采样 /保持器采样 /
保持器
A/D
转换器
u1 u2模拟输入数字输出
A/D转换命令采样 /保持器的功能：
在 A/D转换期间，使 A/D
的输入电压 u2保持不变。
t
计算机数据采集原理简介 (续 )
采样 /保持器输入输出波形图
A/D转换命令高电平期间
u2跟随 u1
低电平期间 u2保持不变，
同时 A/D进行转换
u1 输入模拟信号
u2采样 /保持器输出信号计算机数据采集原理简介 (续 )
采样 /保持器电路原理
C
模拟电子开关电压跟随器 电压跟随器采样保持电容输入输出K
A/D转换命令高电平期间,K合上,C采样低电平期间,K打开,C保持计算机数据采集原理简介 (续 )
采样周期 采样频率
A/D转换命令
T
T：采样周期，相邻两次采样之间的时间间隔单位 s,ms,?s
f=1/T：采样频率，每秒采样的数据个数单位 Hz
A/D转换器将脉冲下降沿时的模拟电压转换为数字量计算机数据采集原理简介 (续 )
在计算机屏幕上波形的恢复显示
tt1 t2 t3 t4 t5 t
6 t7
模拟信号信号幅度时间数字信号
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
A/D转换命令计算机屏幕计算机数据采集原理简介 (续 )
在计算机屏幕上波形的恢复显示结论：
因为计算机屏幕波形显示是用不连续的点组成，所以，若将被采样波形恢复显示，
必须有足够大的采样率。
t1ms
1kHz 1
2kHz 2
8kHz 8
16kHz 16频率为 1kHz的正弦波
4kHz 4
采样率 每周期采样点数
