1
重大通信
学院 ?何伟
第 11章 模数转换器与数模转换器
主要内容
?11.1 转换系统
11.2 数模转换器
11.3 模数转换器
11.4 集成 ADC
2
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11.1 转换系统
数字电子技术和计算机技术几乎渗透到了各个领域, 例如通信,
网络, 控制系统, 检测系统等 。 但是接口输入信号 （ 如温度, 位移 ）
和输出信号 （ 如电压, 图象信号 ） 往往是模拟量, 因此 A/D和 D/A必
不可少 。
A/D转换：将模拟信号转换为数字信号, 相应的电路叫 A/D转换器,
简称 ADC；
D/A转换：将数字信号转换为模拟信号, 相应的电路叫 D/A转换器,
简称 DAC。
3
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11.1 转换系统
§ 11.1.1数字控制系统
特点,每路有单独的 ADC和 DAC,由计算机循环检测与控制 。
4
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11.1 转换系统
特点,?共用 ADC,信道和 DAC；
?采用多路模拟开关 。
§ 11.1.3 自动测试与测量设备
§ 11.1.4 多媒体计算机系统
§ 11.1.2 数据传输系统
5
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第 11章 模数转换器与数模转换器
主要内容
?11.1 转换系统
?11.2 数模转换器
11.3 模数转换器
11.4 集成 ADC
6
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11.2 数模转换器
§ 11.2.1 D/A转换原理和一般组成
1,D/A转换原理
输出模拟电压的大小与输入数字量大小成正比 。
??? ??? 10 )2(ni iiO DkV
LSB,最低位的权值, 即 2O=1,它是信息所
能分辨的最小量, 如, 00000001”。
MSB, 最 高 位 的 权 值, 即 2n-1=128, 如
,10000000”。
FSR,最大数字量所对应的值, 如, 1111
1111”,也叫满度值 。
7
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11.2 数模转换器
2,DAC的一般组成
8
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11.2 数模转换器
1,电路
§ 11.2.2 权电阻网络 DAC
2,原理
)2222(
2
)
2
1
22
(
2
)(
0
0
1
1
2
2
3
34
03223
0123
?????????
?????
?????????
?
DDDD
V
D
R
V
D
R
V
D
R
V
D
R
VR
IIIIRRiRiV
R E F
R E FR E FR E FR E F
FFFFO
D优点,结构简单, 所用电阻元件少；缺点,① 阻值相差很大, 精度难以保证；
② 模拟开关有内阻, 影响精度 。
③ 模拟开关切换瞬间, 存在寄生电容充放电现象 。
【 例 11-1 】 【 例 11-2 】 P412~413 自看
9
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)(22222 001122334 RRDDDDViRV FR E FFO ????????????? ? 令）（
11.2 数模转换器
1,电路
§ 11.2,3 例 T形电阻网络 DAC
2,原理
D
① 由于, 虚地的存在, S3,S2,S1、
S0无论置于何处, 各支路的电流
不变；
② 由于从 A,B,C向右看其 等效电
阻均为 2R,所以从左到右各支路
电流依次为,
16842 IIII,、、
R
VIDIDIDIDIi R E F?????
?,且0123 16842
③
优点,电阻值范围小, 且只有两种阻值, 便于集成；无寄生电容充放电现象 。
缺点,电阻用量较多, 模拟开关内阻将影响精度 。
10
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11.2 数模转换器
3,DAC集成片 AD7524简介及其应用举例
【 实例 1 】
00000000 ? 0V
00000001 ? 0.039V (LSB)
11111111 ? 9.96V (FSR)
【 实例 2 】
00000000 ? 衰减 ∞
00000001 ? 衰减 256倍
00000100 ? 衰减 64倍
10000000 ? 衰减 2倍
11
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11.2 数模转换器
1,电路
§ 11.2,4 单值电流型网络 DAC
2,原理
优点,① 采用恒流源克服了开关内阻对转换精度的影响；
② 采用 ECL开关电路, 提高了转换的速度 。
前两种方法都受模拟开
关内阻的影响, 降低了转换
精度 。 该法可克服之 。
12
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11.2 数模转换器
1,转换精度
§ 11.2.5 DAC的转换精度与转换速度
① 分辨率,表示 DAC对模拟量的分辨能力, 它是最低有效位 （ LSB） 所对应模拟
量的值 。 由于满度值所代表的模拟值在不同的应用中是可变的, 因
此分辨率通常用 DAC二进制的位数来表示, 如 8位, 10位, 12位, 有
时也表示成：
12 11 ??? nF S RL S B分辨率
② 转换误差,指实际输出模拟电压与理想值之间的最大偏差 。
通常有两种表示方法, 即绝对误差, 相对误差 。
绝对误差,用最低有效位的分数形式表示, 如 ± (1/2)LSB,则它表示最大误差：
1221 ???? n FSE VV
相对误差,用最大误差与满量程电压 VFS的百分数表示 。 例如相对误差为 ± 0.1%，
则表示最大误差,VE=± 0.1%·VFS,如果 VFS=10V,VE=± 10mV。
13
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11.2 数模转换器
转换误差主要由三种误差构成：
(1) 非线性误差 （ 非线性度 ）
理想 DAC的转换特性应是线性的, 实际转换中, 在满刻度范围内偏离理
想, 转换特性的最大值称为线性误差 。 通常较好的 DAC的线性误差不大于
1/2LSB。
产生原因：
① 模拟电子开关导通电阻的离散性；
② R和 2R电阻值的离散性 。
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11.2 数模转换器
(2) 漂移误差
在整个范围内出现的大小和符号都固定不变的误差 。 （ 也叫系统误差 ）
产生原因,由运放的零点漂移造成 。
消除方法,通过零点校准的方法, 但不能在整个温度范围内校准 。
(3) 增益误差
由 RF,R和 VREF的精度和稳定性造成的输出电压偏离理想直线的最大值 。
消除方法,外围电阻选择精密电阻, VREF选择高精度, 高稳定性电源 。
2,转换速度
定义,指输入数字量有满度值变化时, 输出电压达到稳定所需要的时间 。
稳定,模拟输出稳定到 FSR± (1/2)LSB
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第 11章 模数转换器与数模转换器
主要内容
?11.1 转换系统
?11.2 数模转换器
?11.3 模数转换器
11.4 集成 ADC
16
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11.3 模数转换器
§ 11.3.1 A/D转换基本原理
基本流程,模拟信号 (A)→ 采样 → 保持 → 量化 → 编码 → 数字信号 (D)
1,采样, 保持
① 为什么要采样, 保持？
原因,?A/D转换是需要时间的, 不能对所有连续点都转换, 只能对采样点；
?为避免数据量过大, 造成存储和处理的困难 。
采样,将时间和数值都是连续变化的模拟量转化为时间离散, 数值连续的模拟
量 。
保持,A/D转换并不是瞬间完成的, 它要求在转换器件被转换的模拟值保持不
变, 以保证转换的精度 。
② 取样原理：
定义,为保证能从取样信号将原来的被取样信号无失真地恢复, 必须满足：
fs≥ 2fimax
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③ 取样 — 保持电路
原理：
① S(t)=1,T?,VI对 CH充电,VO=VI ?采样
② S(t)=0,T?,VO=VC不变 ?保持
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11.3 模数转换器
2,量化, 编码
量化,将取样电压转化为最小单位的整数倍的过程 。 最小单位也叫量化单位,
用 Δ 表示, 显然 Δ =1 LSB 。
编码,把量化结果用代码 (通常是二进制, 二一十进制, 七段码 )表示的过程 。
两种均匀量化编码方式：
V
V
1
1
????
??
最大量化误差 V
V
5.021
1
?????
??
最大量化误差
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11.3 模数转换器
§ 11.3.2 并联比较型 ADC
直接 ADC,将输入模拟电压直接转换为输出的数字量的转换方式 。
间接 ADC,先将输入模拟电压转换成与之正比的中间变量 （ 如时间宽度, 频
率等 ）, 然后再将中间变量转换成与之成正比的数字信号 。
直接 ADC
ADC
间接 ADC
并联反馈型 *
反馈比较型 计数型逐次逼进型 *
双积分型（即 V-T变换型） *
V-F变换型
20
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11.3 模数转换器
1,电路
组成,① 电压比较器； ② 寄存器； ③ 优先编码器 。
2,工作原理：
21
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11.3 模数转换器
R E FV14
15~0输入电压范围：
R EFV7
1??
R E FV14
1
2
1 ?????最大误差范围
优点,① 转换速度快, 如 TDC 1007J 8ADC转化速率达 30MHz,SDA5010
型 6位 ADC达 100MHz
② 该 ADC内含寄存器, 可以不用附加取样 — 保持电路, 因为比较器
和寄存器兼着取样 — 保持的功能 。
缺点,电路复杂, 成本高, 功耗大 。
适用场合,高速, 低分辨率的场合 。
22
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11.3 模数转换器
§ 11.3,3 逐次逼进型 ADC
计数型 ADC原理：
先将输出数字量
置 0,经 D/A转换后与
VI比较, 若小于 VI，
则计数器对 CP计数,
其输出经 D/A转化后
再与 VI比较,直到等于
VI时停止计数,此时的
数字量输出即为 A/D
转换的结果 。
缺点,速度慢 。
优点,电路非常简单 。
23
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11.3 模数转换器
2,工作原理：
① 转换开始前先将寄存器清零；
② 当 VL=1时, 开始转换, CP先将寄存
器最高位置 1,该数字量被 DAC转换
成相应的模拟电压 VO,并送入比较
器 C与 VI进行比较 。
③ 如果 Vo-Δ /2>VI说明该数过大, 此 1
应去掉, 否则说明该数字不超大,
保留 1；
④ 将次高位置 1,并比较 Vo-Δ /2与 VI
的大小以确定这一位的 1是否保留；
⑤ 逐次比较直至 LSB为止, 此时寄存
器中的数字就是 A/D转换的输出数
字量 。
1,逐次逼进型电路结构框图
注意：
① 该过程类似于对分搜索的问题 。
② 该过程也如同天平称重每次所用法码依次
减半的称法 。
24
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11.3 模数转换器
电路结构
与波形,
25
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11.3 模数转换器
【 例 】 转换范围 0~7.5V,3位 逐次逼进型 ADC,采用四舍五入法量化, 模拟输
入为 5.9V时的转换过程如下：
开始 000 → 0V
CP0 100 → 4V -0.5V < 5.9V (保留 )
CP1 110 → 6V -0.5V < 5.9V (保留 )
CP2 111 → 7V -0.5V > 5.9V (不保留 )
CP3 将结果 110送入输出寄存器 。
优点,① 转换速度较快, 只需 n+1或 n+2个 CP即可完成 。
② 电路较简单, （ 比并联比较型的电路规模小得多 ）, 可将位
数做得较高, 是目前用得最多的产品 。
转换过程为,100（ ?） → 110（ ?） → 111（ ?） → 110（ 输出 ）
26
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11.3 模数转换器
§ 11.3.4 双积分型 ADC
27
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11.3 模数转换器
双积分型 ADC的优点：
?抗干扰力强 （ 因为采用了积分电路 ）
?稳定性好, 可实现高精度 A/D转换 （ 不受 R,C,TC的影响 ）
双积分型 ADC的缺点：
?转换速度低
适用场合,低速、高分辨率的场合。
28
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第 11章 模数转换器与数模转换器
主要内容
?11.1 转换系统
?11.2 数模转换器
?11.3 模数转换器
?11.4 集成 ADC
29
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11.4 集成 ADC
30
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11.4 集成 ADC
31
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【 第 11章 习题 】
P439：
3,6
第 11章 模数转换器与数模转换器
32
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第 11章 模数转换器与数模转换器
【 第 11章 习题 】
3,在图 11-2-5所示的倒 T形电阻 DAC网络
中, 设 VREF=5V,RF=R=10KΩ,Q求
对应于输入 4位二进制数码为 0101、
0110,1101时的输出电压 vo
解,)(2222
2 001122334 RRDDDDViRV FR E FFO ????????????? ? 令）（
当 D=0101时, vo= -（ 5/16） ? 5 = -1.5625 V
当 D=0110时, vo= -（ 6/16） ?5= -1.875 V
当 D=1101时, vo= -（ 13/16） ?5 = -4.0625 V
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第 11章 模数转换器与数模转换器
主要内容
?11.1 转换系统
11.2 数模转换器
11.3 模数转换器
11.4 集成 ADC
2
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11.1 转换系统
数字电子技术和计算机技术几乎渗透到了各个领域, 例如通信,
网络, 控制系统, 检测系统等 。 但是接口输入信号 （ 如温度, 位移 ）
和输出信号 （ 如电压, 图象信号 ） 往往是模拟量, 因此 A/D和 D/A必
不可少 。
A/D转换：将模拟信号转换为数字信号, 相应的电路叫 A/D转换器,
简称 ADC；
D/A转换：将数字信号转换为模拟信号, 相应的电路叫 D/A转换器,
简称 DAC。
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11.1 转换系统
§ 11.1.1数字控制系统
特点,每路有单独的 ADC和 DAC,由计算机循环检测与控制 。
4
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11.1 转换系统
特点,?共用 ADC,信道和 DAC；
?采用多路模拟开关 。
§ 11.1.3 自动测试与测量设备
§ 11.1.4 多媒体计算机系统
§ 11.1.2 数据传输系统
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主要内容
?11.1 转换系统
?11.2 数模转换器
11.3 模数转换器
11.4 集成 ADC
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11.2 数模转换器
§ 11.2.1 D/A转换原理和一般组成
1,D/A转换原理
输出模拟电压的大小与输入数字量大小成正比 。
??? ??? 10 )2(ni iiO DkV
LSB,最低位的权值, 即 2O=1,它是信息所
能分辨的最小量, 如, 00000001”。
MSB, 最 高 位 的 权 值, 即 2n-1=128, 如
,10000000”。
FSR,最大数字量所对应的值, 如, 1111
1111”,也叫满度值 。
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11.2 数模转换器
2,DAC的一般组成
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11.2 数模转换器
1,电路
§ 11.2.2 权电阻网络 DAC
2,原理
)2222(
2
)
2
1
22
(
2
)(
0
0
1
1
2
2
3
34
03223
0123
?????????
?????
?????????
?
DDDD
V
D
R
V
D
R
V
D
R
V
D
R
VR
IIIIRRiRiV
R E F
R E FR E FR E FR E F
FFFFO
D优点,结构简单, 所用电阻元件少；缺点,① 阻值相差很大, 精度难以保证；
② 模拟开关有内阻, 影响精度 。
③ 模拟开关切换瞬间, 存在寄生电容充放电现象 。
【 例 11-1 】 【 例 11-2 】 P412~413 自看
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)(22222 001122334 RRDDDDViRV FR E FFO ????????????? ? 令）（
11.2 数模转换器
1,电路
§ 11.2,3 例 T形电阻网络 DAC
2,原理
D
① 由于, 虚地的存在, S3,S2,S1、
S0无论置于何处, 各支路的电流
不变；
② 由于从 A,B,C向右看其 等效电
阻均为 2R,所以从左到右各支路
电流依次为,
16842 IIII,、、
R
VIDIDIDIDIi R E F?????
?,且0123 16842
③
优点,电阻值范围小, 且只有两种阻值, 便于集成；无寄生电容充放电现象 。
缺点,电阻用量较多, 模拟开关内阻将影响精度 。
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11.2 数模转换器
3,DAC集成片 AD7524简介及其应用举例
【 实例 1 】
00000000 ? 0V
00000001 ? 0.039V (LSB)
11111111 ? 9.96V (FSR)
【 实例 2 】
00000000 ? 衰减 ∞
00000001 ? 衰减 256倍
00000100 ? 衰减 64倍
10000000 ? 衰减 2倍
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11.2 数模转换器
1,电路
§ 11.2,4 单值电流型网络 DAC
2,原理
优点,① 采用恒流源克服了开关内阻对转换精度的影响；
② 采用 ECL开关电路, 提高了转换的速度 。
前两种方法都受模拟开
关内阻的影响, 降低了转换
精度 。 该法可克服之 。
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1,转换精度
§ 11.2.5 DAC的转换精度与转换速度
① 分辨率,表示 DAC对模拟量的分辨能力, 它是最低有效位 （ LSB） 所对应模拟
量的值 。 由于满度值所代表的模拟值在不同的应用中是可变的, 因
此分辨率通常用 DAC二进制的位数来表示, 如 8位, 10位, 12位, 有
时也表示成：
12 11 ??? nF S RL S B分辨率
② 转换误差,指实际输出模拟电压与理想值之间的最大偏差 。
通常有两种表示方法, 即绝对误差, 相对误差 。
绝对误差,用最低有效位的分数形式表示, 如 ± (1/2)LSB,则它表示最大误差：
1221 ???? n FSE VV
相对误差,用最大误差与满量程电压 VFS的百分数表示 。 例如相对误差为 ± 0.1%，
则表示最大误差,VE=± 0.1%·VFS,如果 VFS=10V,VE=± 10mV。
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11.2 数模转换器
转换误差主要由三种误差构成：
(1) 非线性误差 （ 非线性度 ）
理想 DAC的转换特性应是线性的, 实际转换中, 在满刻度范围内偏离理
想, 转换特性的最大值称为线性误差 。 通常较好的 DAC的线性误差不大于
1/2LSB。
产生原因：
① 模拟电子开关导通电阻的离散性；
② R和 2R电阻值的离散性 。
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(2) 漂移误差
在整个范围内出现的大小和符号都固定不变的误差 。 （ 也叫系统误差 ）
产生原因,由运放的零点漂移造成 。
消除方法,通过零点校准的方法, 但不能在整个温度范围内校准 。
(3) 增益误差
由 RF,R和 VREF的精度和稳定性造成的输出电压偏离理想直线的最大值 。
消除方法,外围电阻选择精密电阻, VREF选择高精度, 高稳定性电源 。
2,转换速度
定义,指输入数字量有满度值变化时, 输出电压达到稳定所需要的时间 。
稳定,模拟输出稳定到 FSR± (1/2)LSB
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主要内容
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?11.2 数模转换器
?11.3 模数转换器
11.4 集成 ADC
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§ 11.3.1 A/D转换基本原理
基本流程,模拟信号 (A)→ 采样 → 保持 → 量化 → 编码 → 数字信号 (D)
1,采样, 保持
① 为什么要采样, 保持？
原因,?A/D转换是需要时间的, 不能对所有连续点都转换, 只能对采样点；
?为避免数据量过大, 造成存储和处理的困难 。
采样,将时间和数值都是连续变化的模拟量转化为时间离散, 数值连续的模拟
量 。
保持,A/D转换并不是瞬间完成的, 它要求在转换器件被转换的模拟值保持不
变, 以保证转换的精度 。
② 取样原理：
定义,为保证能从取样信号将原来的被取样信号无失真地恢复, 必须满足：
fs≥ 2fimax
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③ 取样 — 保持电路
原理：
① S(t)=1,T?,VI对 CH充电,VO=VI ?采样
② S(t)=0,T?,VO=VC不变 ?保持
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11.3 模数转换器
2,量化, 编码
量化,将取样电压转化为最小单位的整数倍的过程 。 最小单位也叫量化单位,
用 Δ 表示, 显然 Δ =1 LSB 。
编码,把量化结果用代码 (通常是二进制, 二一十进制, 七段码 )表示的过程 。
两种均匀量化编码方式：
V
V
1
1
????
??
最大量化误差 V
V
5.021
1
?????
??
最大量化误差
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§ 11.3.2 并联比较型 ADC
直接 ADC,将输入模拟电压直接转换为输出的数字量的转换方式 。
间接 ADC,先将输入模拟电压转换成与之正比的中间变量 （ 如时间宽度, 频
率等 ）, 然后再将中间变量转换成与之成正比的数字信号 。
直接 ADC
ADC
间接 ADC
并联反馈型 *
反馈比较型 计数型逐次逼进型 *
双积分型（即 V-T变换型） *
V-F变换型
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11.3 模数转换器
1,电路
组成,① 电压比较器； ② 寄存器； ③ 优先编码器 。
2,工作原理：
21
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11.3 模数转换器
R E FV14
15~0输入电压范围：
R EFV7
1??
R E FV14
1
2
1 ?????最大误差范围
优点,① 转换速度快, 如 TDC 1007J 8ADC转化速率达 30MHz,SDA5010
型 6位 ADC达 100MHz
② 该 ADC内含寄存器, 可以不用附加取样 — 保持电路, 因为比较器
和寄存器兼着取样 — 保持的功能 。
缺点,电路复杂, 成本高, 功耗大 。
适用场合,高速, 低分辨率的场合 。
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§ 11.3,3 逐次逼进型 ADC
计数型 ADC原理：
先将输出数字量
置 0,经 D/A转换后与
VI比较, 若小于 VI，
则计数器对 CP计数,
其输出经 D/A转化后
再与 VI比较,直到等于
VI时停止计数,此时的
数字量输出即为 A/D
转换的结果 。
缺点,速度慢 。
优点,电路非常简单 。
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11.3 模数转换器
2,工作原理：
① 转换开始前先将寄存器清零；
② 当 VL=1时, 开始转换, CP先将寄存
器最高位置 1,该数字量被 DAC转换
成相应的模拟电压 VO,并送入比较
器 C与 VI进行比较 。
③ 如果 Vo-Δ /2>VI说明该数过大, 此 1
应去掉, 否则说明该数字不超大,
保留 1；
④ 将次高位置 1,并比较 Vo-Δ /2与 VI
的大小以确定这一位的 1是否保留；
⑤ 逐次比较直至 LSB为止, 此时寄存
器中的数字就是 A/D转换的输出数
字量 。
1,逐次逼进型电路结构框图
注意：
① 该过程类似于对分搜索的问题 。
② 该过程也如同天平称重每次所用法码依次
减半的称法 。
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11.3 模数转换器
电路结构
与波形,
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11.3 模数转换器
【 例 】 转换范围 0~7.5V,3位 逐次逼进型 ADC,采用四舍五入法量化, 模拟输
入为 5.9V时的转换过程如下：
开始 000 → 0V
CP0 100 → 4V -0.5V < 5.9V (保留 )
CP1 110 → 6V -0.5V < 5.9V (保留 )
CP2 111 → 7V -0.5V > 5.9V (不保留 )
CP3 将结果 110送入输出寄存器 。
优点,① 转换速度较快, 只需 n+1或 n+2个 CP即可完成 。
② 电路较简单, （ 比并联比较型的电路规模小得多 ）, 可将位
数做得较高, 是目前用得最多的产品 。
转换过程为,100（ ?） → 110（ ?） → 111（ ?） → 110（ 输出 ）
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11.3 模数转换器
§ 11.3.4 双积分型 ADC
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11.3 模数转换器
双积分型 ADC的优点：
?抗干扰力强 （ 因为采用了积分电路 ）
?稳定性好, 可实现高精度 A/D转换 （ 不受 R,C,TC的影响 ）
双积分型 ADC的缺点：
?转换速度低
适用场合,低速、高分辨率的场合。
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第 11章 模数转换器与数模转换器
主要内容
?11.1 转换系统
?11.2 数模转换器
?11.3 模数转换器
?11.4 集成 ADC
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11.4 集成 ADC
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11.4 集成 ADC
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【 第 11章 习题 】
P439：
3,6
第 11章 模数转换器与数模转换器
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第 11章 模数转换器与数模转换器
【 第 11章 习题 】
3,在图 11-2-5所示的倒 T形电阻 DAC网络
中, 设 VREF=5V,RF=R=10KΩ,Q求
对应于输入 4位二进制数码为 0101、
0110,1101时的输出电压 vo
解,)(2222
2 001122334 RRDDDDViRV FR E FFO ????????????? ? 令）（
当 D=0101时, vo= -（ 5/16） ? 5 = -1.5625 V
当 D=0110时, vo= -（ 6/16） ?5= -1.875 V
当 D=1101时, vo= -（ 13/16） ?5 = -4.0625 V
