数字电子技术
湖南计算机高等专科学校
李中发 胡锦 制作
第 5章 数模和模数转换
学习要点,
? 数模和模数转换的基本原理
第 5章 数模和模数转换
5.1 概述
5.2 D/A转换器
5.3 A/D转换器
退出
5.1 概述
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。 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 。 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
5.2 D/A转换器
5.2.1 D/A转换器的基本原理
5.2.2 D/A转换器的构成
5.2.3 集成 D/A转换器及其应用
退出
5.2.1 D/A转换器的基本原理
1, 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
D/A转换器的转换特性, 是指其输出模拟量和输入数字量之
间的转换关系 。 图示是输入为 3位二进制数时的 D/A转换器的
转换特性 。 理想的 D/A转换器的转换特性, 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或输出模
拟电流 io=Ki× D。 其中 Ku或 Ki为电压或电流转换比例系数, D
为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 ?
2, D /A 转换器的主要技术指标
（ 1） 分辨率
分辨率用输入二进制数的有效位数表示 。 在分辨率为 n位的
D/A转换器中, 输出电压能区分 2n个不同的输入二进制代码状
态, 能给出 2n个不同等级的输出模拟电压 。
分辨率也可以用 D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压
的比值来表示 。 10位 D/A转换器的分辨率为,
（ 2） 转换精度
D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值
之差, 即最大静态转换误差 。
（ 3） 输出建立时间
从输入数字信号起, 到输出电压或电流到达稳定值时所需要
的时间, 称为输出建立时间 。
0 0 1.01 0 2 3112 110 ???
5.2.2 D/A转换器的构成
1,二进制权电阻网络 D /A 转换器
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 2 4 8
不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，
也就是不论输入数字信号是 1还是 0，各支路的电流不变的。
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
)2222(22 001122334o ?????????????? ddddViRiRu R E FFF
设 RF=R/2
2,倒 T 型电阻网络 D /A 转换器
R R R
2 R 2 R 2 R 2 R 2 R
R
F
I
1
I'
1
I'
2I' 3 I' 0
I
0I 2I 3
I
RE F
i
F
i
S
3
S
0
S
1
S
2
d
0
d
3
d
2
d
1
+ V
RE F
u
o
－
+
B C DA
① 分别从虚线 A,B,C,D处向右看的二端网络等效电阻都是 R。
② 不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端 （ 虚地 ） 还是接
到地, 也就是不论输入数字信号是 1还是 0,各支路的电流不变 。
从参考电压端输入的电流为：
R
VI R E F
R E F ?
R
V
II
R
V
II
R
V
II
R
V
II
R E F
R E F
R E F
R E F
R E F
R E F
R E F
R E F
1616
1
88
1
44
1
22
1
01
23
????
????
R R R
2 R 2 R 2 R 2 R 2 R
R
F
I
1
I'
1
I'
2I' 3 I' 0
I
0I 2I 3
I
RE F
i
F
i
S
3
S
0
S
1
S
2
d
0
d
3
d
2
d
1
+ V
RE F
u
o
－
+
B C DA
R
VI R E F
R E F ?
)2222(
2
)
2
1
4
1
8
1
16
1
(
0
0
1
1
2
2
3
34
3210
33221100
????????
????
????
dddd
R
V
R
V
dddd
dIdIdIdIi
R E F
R E F
)2222(2 001122334o ????????????? ddddRRViRiRu FR E FFFF
R R R
2 R 2 R 2 R 2 R 2 R
R
F
I
1
I'
1
I'
2I' 3 I' 0
I
0I 2I 3
I
RE F
i
F
i
S
3
S
0
S
1
S
2
d
0
d
3
d
2
d
1
+ V
RE F
u
o
－
+
B C DA
5.2.3 集成 D/A转换器及其应用
+ V
RE F
(+ 5V )
V
EE
(-5V )
1 16
2 15
3 14
4 13
5 12
6 11
7 10
8 9
D A C0 808
NC
G ND
V
EE
I
o
D
7
D
6
D
5
D
4
CO P
V
RE F
( - )
V
RE F
(+ )
V
CC
D
0
D
1
D
2
D
3
5 13 14
6
7 15
8
9 2
10
11 4
12 3 16
D A C0 808
V
CC
(+ 5V )
2.4k Ω
2.4k Ω
0.1 μ F
I
o
R
L
D
0
D
1
D
2
D
3
D
4
D
5
D
6
D
7
(a ) 引脚排列图 (b) D / A 转换电路
本节小结,
D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信
号转换成相对应的模拟信号输出。 D/A转换器根
据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络 D/A
转换器和 T型电阻网络 D/A转换器两大类。由于 T
型电阻网络 D/A转换器只要求两种阻值的电阻，
因此最适合于集成工艺，集成 D/A转换器普遍采
用这种电路结构。
如果输入的是 n位二进制数, 则 D/A转换器
的输出电压为,
)2222(
2
0
0
1
1
2
2
1
1o ??????????
?
?
?
? dddd
Vu n
n
n
nn
REF ?
5.3 A/D转换器
5.3.1 A/D转换器的基本原理
5.3.2 A/D转换器的构成
5.3.3 集成 A/D转换器及其应用
退出
5.3.1 A/D转换器的基本原理
1, A /D 转换器的基本原理
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 )
…
模拟电子开关 S在采样脉冲 CPS的控制下重复接通, 断开的
过程 。 S接通时, ui(t)对 C充电, 为采样过程； S断开时, C
上的电压保持不变, 为保持过程 。 在保持过程中, 采样的
模拟电压经数字化编码电路转换成一组 n位的二进制数输出 。
2,采样 - 保持电路－
－
+
+
u
i
u
o
C
H
S
A
1
A
2
u
C
u
o
,u
i
u
o
u
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
采样脉冲 （ f
S
）
开关驱
动电路
t0时刻 S闭合,CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放
大器的增益都为 1，因此这一阶段 uo跟随 ui变化，即 uo＝ ui。 t1时
刻采样阶段结束,S断开，电路处于保持阶段。若 A2的输入阻抗
为无穷大,S为理想开关，则 CH没有放电回路，两端保持充电时
的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压 uo维持不变。
采样定理,m a x2 is ff ?
3, A /D 转换器的主要技术指标
（ 1） 分辨率
A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示, 位数越多,
误差越小, 转换精度越高 。 例如, 输入模拟电压的变化范围
为 0～ 5V,输出 8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为
5V× 2－ 8＝ 20mV；而输出 12位二进制数可以分辨的最小模拟
电压为 5V× 2－ 12≈1.22mV。
（ 2） 相对精度
在理想情况下, 所有的转换点应当在一条直线上 。 相对精度
是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差 。
（ 3） 转换速度
转换速度是指完成一次转换所需的时间 。 转换时间是指从接
到转换控制信号开始, 到输出端得到稳定的数字输出信号所
经过的这段时间 。
0≤ui＜ VREF/14时, 7个比
较器输出全为 0,CP到来
后, 7个触发器都置 0。
经编码器编码后输出的
二进制 代码为 d2d1d0 ＝
000。
VREF/14≤ui ＜ 3VREF/14 时,
7个比较器中只有 C1输出
为 1,CP到来后, 只有触
发器 FF1置 1,其余触发
器仍为 0。 经编码器编码
后输出的二进制代码为
d2d1d0=001。
－
+
C
6
－
+
C
7
－
+
C
5
－
+
C
4
－
+
C
3
－
+
C
2
－
+
C
1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
&
&
&
&
&
&
V
RE F
u
i
d
2
d
1
d
0
Q
4
Q
4
Q
7
Q
6
Q
5
Q
3
Q
2
Q
2
Q
1
R /2
R /2
R
R
R
R
R
R
CP
比较器 寄存器 编码器
FF
7
FF
6
FF
5
FF
4
FF
3
FF
2
FF
1
5.3.2 A/D转换器的构成
1,并联比较型 A /D 转换器
－
+
C
6
－
+
C
7
－
+
C
5
－
+
C
4
－
+
C
3
－
+
C
2
－
+
C
1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
&
&
&
&
&
&
V
RE F
u
i
d
2
d
1
d
0
Q
4
Q
4
Q
7
Q
6
Q
5
Q
3
Q
2
Q
2
Q
1
R /2
R /2
R
R
R
R
R
R
CP
比较器 寄存器 编码器
FF
7
FF
6
FF
5
FF
4
FF
3
FF
2
FF
1
3VREF/14 ≤ui ＜ 5VREF/14
时, 比较器 C1,C2输出
为 1,CP到来后, 触发
器 FF1,FF2置 1。 经编码
器编码后输出的二进制
代码为 d2d1d0＝ 010。
5VREF/14≤ui ＜ 7VREF/14
时, 比较器 C1,C2,
C3输出为 1,CP到来后,
触发器 FF1,FF2,FF3
置 1。 经编码器编码后
输出的二进制代码为
d2d1d0=011。
依此类推, 可以列出 ui
为不同等级时寄存器的
状态及相应的输出二进
制数 。
输入模拟电压 寄 存 器 状 态 输出二进制数
u
i
Q
7
Q
6
Q
5
Q
4
Q
2
Q
2
Q
1
d
2
d
1
d
0
R E F
V)~0(
14
1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
REF
V)~(
14
3
14
1
0 0 0 0 0 0 1 0 0 1
REF
V)~(
14
5
14
3
0 0 0 0 0 1 1 0 1 0
REF
V)~(
14
7
14
5
0 0 0 0 1 1 1 0 1 1
REF
V)~(
14
9
14
7
0 0 0 1 1 1 1 1 0 0
REF
V)~(
14
11
14
9
0 0 1 1 1 1 1 1 0 1
REF
V)~(
14
13
14
11
0 1 1 1 1 1 1 1 1 0
R E F
V)1~(
14
13
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2,逐次逼近型 A /D 转换器
输出数字量 输入模拟电压
u o
u i
顺序脉冲
发生器
逐次逼近
寄存器
D / A
转换器
电压
比较器
转换开始前先将所有寄存器清零 。 开始转换以后, 时钟脉冲
首先将寄存器最高位置成 1,使输出数字为 100… 0。 这个数
码被 D/A转换器转换成相应的模拟电压 uo,送到比较器中与 ui
进行比较 。 若 ui＞ uo,说明数字过大了, 故将最高位的 1清除；
若 ui＜ uo,说明数字还不够大, 应将这一位保留 。 然后, 再
按同样的方式将次高位置成 1,并且经过比较以后确定这个 1
是否应该保留 。 这样逐位比较下去, 一直到最低位为止 。 比
较完毕后, 寄存器中的状态就是所要求的数字量输出 。
原
理
框
图
基
本
原
理
Q
1
Q
2
Q
3
Q
4
Q
5
u
i
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
& & &
≥ 1 ≥ 1
FF
1
FF
2
FF
3
FF
4
FF
5
&
&
&
u
o
CP
－ +
C
u
c
d
2
(2
2
)
d
1
(2
1
)
d
0
(2
0
)
FF
A
Q
FF
B
Q
FF
C
G
1
G
2
G
3
G
4
G
5
Q
G
6
G
7
G
8
= 1( u
i
< u
o
)
= 0( u
i
≥ u
o
)
u
c
= 1S C 1 1R1S C 1 1R 1S C 1 1R
3 位 D / A 转换器
3位逐次逼近型 A/D转换器
转换开始前, 先使 Q1=Q2=Q3=Q4=0,Q5=1,第一个 CP到来
后, Q1=1,Q2=Q3=Q4=Q5=0,于是 FFA被置 1,FFB和 FFC被置 0。
这时加到 D/A转换器输入端的代码为 100,并在 D/A转换器的输
出端得到相应的模拟电压输出 uo。 uo和 ui在比较器中比较, 当若
ui＜ uo时, 比较器输出 uc=1；当 ui≥uo时, uc=0。
第二个 CP到来后, 环形计数器右移一位, 变成 Q2=1，
Q1=Q3=Q4=Q5=0,这时门 G1打开, 若原来 uc=1,则 FFA被置 0，
若原来 uc=0,则 FFA的 1状态保留 。 与此同时, Q2的高电平将
FFB置 1。
第三个 CP到来后, 环形计数器又右移一位, 一方面将 FFC
置 1,同时将门 G2打开, 并根据比较器的输出决定 FFB的 1状态
是否应该保留 。
第四个 CP到来后, 环形计数器 Q4=1,Q1=Q2=Q3=Q5=0,门
G3打开, 根据比较器的输出决定 FFC的 1状态是否应该保留 。
第五个 CP到来后, 环形计数器 Q5=1,Q1=Q2=Q3=Q4=0，
FFA,FFB,FFC的状态作为转换结果, 通过门 G6,G7,G8送出 。
工作原理
3,双积分型 A /D 转换器
逻辑
控制门
定时器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压
基准电压
积分器
比较器
时钟输入
控制门 G
n 位二进制数字输出
u
i
－ V
RE 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
C
C
O
=
基本原理,对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入
模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间
隔 T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就
正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。
原理电路
逻辑
控制门
定时器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压
基准电压
积分器
比较器
时钟输入
控制门 G
n 位二进制数字输出
u
i
－ V
RE 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
C
C
O
=
i
REF
n
U
V
N 22 ?
计数器中所计的二进制数值
5.3.3 集成 A/D转换器及应用
U
in ( +)
V
CC
D
0
U
in ( -)
D
1
A G ND D
2
A D C08 01 D
3
U
RE F
/2 D
4
CL K
R
D
5
D
6
CL K
in
D
7
CS
RD WR
D G ND INT R
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
+ 5V
+ 5V
(1)
(2)
(10)
(6)
(7)
(8)
(9)
(19)
(4)
(18)
(17)
(16)
(15)
(14)
(13)
(12)
(11)
(5)
(20)
(3)
LED
输入模
拟电压
u
i
0~ 5V
调节时
钟频率
R
10k Ω
C
150 p F
空脚
A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一
组多位的二进制数字输出。不同的 A/D转换方式具有
各自的特点。并联比较型 A/D转换器转换速度快，主
要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨
率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分
型 A/D转换器的性能比较稳定，转换精度高，具有很
高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速
度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要
求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中，得到
了广泛的应用逐次逼近型 A/D转换器的分辨率较高、
误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以
上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。
本节小结,
湖南计算机高等专科学校
李中发 胡锦 制作
第 5章 数模和模数转换
学习要点,
? 数模和模数转换的基本原理
第 5章 数模和模数转换
5.1 概述
5.2 D/A转换器
5.3 A/D转换器
退出
5.1 概述
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。 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 。 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
5.2 D/A转换器
5.2.1 D/A转换器的基本原理
5.2.2 D/A转换器的构成
5.2.3 集成 D/A转换器及其应用
退出
5.2.1 D/A转换器的基本原理
1, 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
D/A转换器的转换特性, 是指其输出模拟量和输入数字量之
间的转换关系 。 图示是输入为 3位二进制数时的 D/A转换器的
转换特性 。 理想的 D/A转换器的转换特性, 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或输出模
拟电流 io=Ki× D。 其中 Ku或 Ki为电压或电流转换比例系数, D
为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 ?
2, D /A 转换器的主要技术指标
（ 1） 分辨率
分辨率用输入二进制数的有效位数表示 。 在分辨率为 n位的
D/A转换器中, 输出电压能区分 2n个不同的输入二进制代码状
态, 能给出 2n个不同等级的输出模拟电压 。
分辨率也可以用 D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压
的比值来表示 。 10位 D/A转换器的分辨率为,
（ 2） 转换精度
D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值
之差, 即最大静态转换误差 。
（ 3） 输出建立时间
从输入数字信号起, 到输出电压或电流到达稳定值时所需要
的时间, 称为输出建立时间 。
0 0 1.01 0 2 3112 110 ???
5.2.2 D/A转换器的构成
1,二进制权电阻网络 D /A 转换器
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 2 4 8
不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，
也就是不论输入数字信号是 1还是 0，各支路的电流不变的。
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
)2222(22 001122334o ?????????????? ddddViRiRu R E FFF
设 RF=R/2
2,倒 T 型电阻网络 D /A 转换器
R R R
2 R 2 R 2 R 2 R 2 R
R
F
I
1
I'
1
I'
2I' 3 I' 0
I
0I 2I 3
I
RE F
i
F
i
S
3
S
0
S
1
S
2
d
0
d
3
d
2
d
1
+ V
RE F
u
o
－
+
B C DA
① 分别从虚线 A,B,C,D处向右看的二端网络等效电阻都是 R。
② 不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端 （ 虚地 ） 还是接
到地, 也就是不论输入数字信号是 1还是 0,各支路的电流不变 。
从参考电压端输入的电流为：
R
VI R E F
R E F ?
R
V
II
R
V
II
R
V
II
R
V
II
R E F
R E F
R E F
R E F
R E F
R E F
R E F
R E F
1616
1
88
1
44
1
22
1
01
23
????
????
R R R
2 R 2 R 2 R 2 R 2 R
R
F
I
1
I'
1
I'
2I' 3 I' 0
I
0I 2I 3
I
RE F
i
F
i
S
3
S
0
S
1
S
2
d
0
d
3
d
2
d
1
+ V
RE F
u
o
－
+
B C DA
R
VI R E F
R E F ?
)2222(
2
)
2
1
4
1
8
1
16
1
(
0
0
1
1
2
2
3
34
3210
33221100
????????
????
????
dddd
R
V
R
V
dddd
dIdIdIdIi
R E F
R E F
)2222(2 001122334o ????????????? ddddRRViRiRu FR E FFFF
R R R
2 R 2 R 2 R 2 R 2 R
R
F
I
1
I'
1
I'
2I' 3 I' 0
I
0I 2I 3
I
RE F
i
F
i
S
3
S
0
S
1
S
2
d
0
d
3
d
2
d
1
+ V
RE F
u
o
－
+
B C DA
5.2.3 集成 D/A转换器及其应用
+ V
RE F
(+ 5V )
V
EE
(-5V )
1 16
2 15
3 14
4 13
5 12
6 11
7 10
8 9
D A C0 808
NC
G ND
V
EE
I
o
D
7
D
6
D
5
D
4
CO P
V
RE F
( - )
V
RE F
(+ )
V
CC
D
0
D
1
D
2
D
3
5 13 14
6
7 15
8
9 2
10
11 4
12 3 16
D A C0 808
V
CC
(+ 5V )
2.4k Ω
2.4k Ω
0.1 μ F
I
o
R
L
D
0
D
1
D
2
D
3
D
4
D
5
D
6
D
7
(a ) 引脚排列图 (b) D / A 转换电路
本节小结,
D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信
号转换成相对应的模拟信号输出。 D/A转换器根
据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络 D/A
转换器和 T型电阻网络 D/A转换器两大类。由于 T
型电阻网络 D/A转换器只要求两种阻值的电阻，
因此最适合于集成工艺，集成 D/A转换器普遍采
用这种电路结构。
如果输入的是 n位二进制数, 则 D/A转换器
的输出电压为,
)2222(
2
0
0
1
1
2
2
1
1o ??????????
?
?
?
? dddd
Vu n
n
n
nn
REF ?
5.3 A/D转换器
5.3.1 A/D转换器的基本原理
5.3.2 A/D转换器的构成
5.3.3 集成 A/D转换器及其应用
退出
5.3.1 A/D转换器的基本原理
1, A /D 转换器的基本原理
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 )
…
模拟电子开关 S在采样脉冲 CPS的控制下重复接通, 断开的
过程 。 S接通时, ui(t)对 C充电, 为采样过程； S断开时, C
上的电压保持不变, 为保持过程 。 在保持过程中, 采样的
模拟电压经数字化编码电路转换成一组 n位的二进制数输出 。
2,采样 - 保持电路－
－
+
+
u
i
u
o
C
H
S
A
1
A
2
u
C
u
o
,u
i
u
o
u
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
采样脉冲 （ f
S
）
开关驱
动电路
t0时刻 S闭合,CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放
大器的增益都为 1，因此这一阶段 uo跟随 ui变化，即 uo＝ ui。 t1时
刻采样阶段结束,S断开，电路处于保持阶段。若 A2的输入阻抗
为无穷大,S为理想开关，则 CH没有放电回路，两端保持充电时
的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压 uo维持不变。
采样定理,m a x2 is ff ?
3, A /D 转换器的主要技术指标
（ 1） 分辨率
A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示, 位数越多,
误差越小, 转换精度越高 。 例如, 输入模拟电压的变化范围
为 0～ 5V,输出 8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为
5V× 2－ 8＝ 20mV；而输出 12位二进制数可以分辨的最小模拟
电压为 5V× 2－ 12≈1.22mV。
（ 2） 相对精度
在理想情况下, 所有的转换点应当在一条直线上 。 相对精度
是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差 。
（ 3） 转换速度
转换速度是指完成一次转换所需的时间 。 转换时间是指从接
到转换控制信号开始, 到输出端得到稳定的数字输出信号所
经过的这段时间 。
0≤ui＜ VREF/14时, 7个比
较器输出全为 0,CP到来
后, 7个触发器都置 0。
经编码器编码后输出的
二进制 代码为 d2d1d0 ＝
000。
VREF/14≤ui ＜ 3VREF/14 时,
7个比较器中只有 C1输出
为 1,CP到来后, 只有触
发器 FF1置 1,其余触发
器仍为 0。 经编码器编码
后输出的二进制代码为
d2d1d0=001。
－
+
C
6
－
+
C
7
－
+
C
5
－
+
C
4
－
+
C
3
－
+
C
2
－
+
C
1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
&
&
&
&
&
&
V
RE F
u
i
d
2
d
1
d
0
Q
4
Q
4
Q
7
Q
6
Q
5
Q
3
Q
2
Q
2
Q
1
R /2
R /2
R
R
R
R
R
R
CP
比较器 寄存器 编码器
FF
7
FF
6
FF
5
FF
4
FF
3
FF
2
FF
1
5.3.2 A/D转换器的构成
1,并联比较型 A /D 转换器
－
+
C
6
－
+
C
7
－
+
C
5
－
+
C
4
－
+
C
3
－
+
C
2
－
+
C
1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
&
&
&
&
&
&
V
RE F
u
i
d
2
d
1
d
0
Q
4
Q
4
Q
7
Q
6
Q
5
Q
3
Q
2
Q
2
Q
1
R /2
R /2
R
R
R
R
R
R
CP
比较器 寄存器 编码器
FF
7
FF
6
FF
5
FF
4
FF
3
FF
2
FF
1
3VREF/14 ≤ui ＜ 5VREF/14
时, 比较器 C1,C2输出
为 1,CP到来后, 触发
器 FF1,FF2置 1。 经编码
器编码后输出的二进制
代码为 d2d1d0＝ 010。
5VREF/14≤ui ＜ 7VREF/14
时, 比较器 C1,C2,
C3输出为 1,CP到来后,
触发器 FF1,FF2,FF3
置 1。 经编码器编码后
输出的二进制代码为
d2d1d0=011。
依此类推, 可以列出 ui
为不同等级时寄存器的
状态及相应的输出二进
制数 。
输入模拟电压 寄 存 器 状 态 输出二进制数
u
i
Q
7
Q
6
Q
5
Q
4
Q
2
Q
2
Q
1
d
2
d
1
d
0
R E F
V)~0(
14
1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
REF
V)~(
14
3
14
1
0 0 0 0 0 0 1 0 0 1
REF
V)~(
14
5
14
3
0 0 0 0 0 1 1 0 1 0
REF
V)~(
14
7
14
5
0 0 0 0 1 1 1 0 1 1
REF
V)~(
14
9
14
7
0 0 0 1 1 1 1 1 0 0
REF
V)~(
14
11
14
9
0 0 1 1 1 1 1 1 0 1
REF
V)~(
14
13
14
11
0 1 1 1 1 1 1 1 1 0
R E F
V)1~(
14
13
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2,逐次逼近型 A /D 转换器
输出数字量 输入模拟电压
u o
u i
顺序脉冲
发生器
逐次逼近
寄存器
D / A
转换器
电压
比较器
转换开始前先将所有寄存器清零 。 开始转换以后, 时钟脉冲
首先将寄存器最高位置成 1,使输出数字为 100… 0。 这个数
码被 D/A转换器转换成相应的模拟电压 uo,送到比较器中与 ui
进行比较 。 若 ui＞ uo,说明数字过大了, 故将最高位的 1清除；
若 ui＜ uo,说明数字还不够大, 应将这一位保留 。 然后, 再
按同样的方式将次高位置成 1,并且经过比较以后确定这个 1
是否应该保留 。 这样逐位比较下去, 一直到最低位为止 。 比
较完毕后, 寄存器中的状态就是所要求的数字量输出 。
原
理
框
图
基
本
原
理
Q
1
Q
2
Q
3
Q
4
Q
5
u
i
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
1D
C1
& & &
≥ 1 ≥ 1
FF
1
FF
2
FF
3
FF
4
FF
5
&
&
&
u
o
CP
－ +
C
u
c
d
2
(2
2
)
d
1
(2
1
)
d
0
(2
0
)
FF
A
Q
FF
B
Q
FF
C
G
1
G
2
G
3
G
4
G
5
Q
G
6
G
7
G
8
= 1( u
i
< u
o
)
= 0( u
i
≥ u
o
)
u
c
= 1S C 1 1R1S C 1 1R 1S C 1 1R
3 位 D / A 转换器
3位逐次逼近型 A/D转换器
转换开始前, 先使 Q1=Q2=Q3=Q4=0,Q5=1,第一个 CP到来
后, Q1=1,Q2=Q3=Q4=Q5=0,于是 FFA被置 1,FFB和 FFC被置 0。
这时加到 D/A转换器输入端的代码为 100,并在 D/A转换器的输
出端得到相应的模拟电压输出 uo。 uo和 ui在比较器中比较, 当若
ui＜ uo时, 比较器输出 uc=1；当 ui≥uo时, uc=0。
第二个 CP到来后, 环形计数器右移一位, 变成 Q2=1，
Q1=Q3=Q4=Q5=0,这时门 G1打开, 若原来 uc=1,则 FFA被置 0，
若原来 uc=0,则 FFA的 1状态保留 。 与此同时, Q2的高电平将
FFB置 1。
第三个 CP到来后, 环形计数器又右移一位, 一方面将 FFC
置 1,同时将门 G2打开, 并根据比较器的输出决定 FFB的 1状态
是否应该保留 。
第四个 CP到来后, 环形计数器 Q4=1,Q1=Q2=Q3=Q5=0,门
G3打开, 根据比较器的输出决定 FFC的 1状态是否应该保留 。
第五个 CP到来后, 环形计数器 Q5=1,Q1=Q2=Q3=Q4=0，
FFA,FFB,FFC的状态作为转换结果, 通过门 G6,G7,G8送出 。
工作原理
3,双积分型 A /D 转换器
逻辑
控制门
定时器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压
基准电压
积分器
比较器
时钟输入
控制门 G
n 位二进制数字输出
u
i
－ V
RE 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
C
C
O
=
基本原理,对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入
模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间
隔 T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就
正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。
原理电路
逻辑
控制门
定时器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压
基准电压
积分器
比较器
时钟输入
控制门 G
n 位二进制数字输出
u
i
－ V
RE 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
C
C
O
=
i
REF
n
U
V
N 22 ?
计数器中所计的二进制数值
5.3.3 集成 A/D转换器及应用
U
in ( +)
V
CC
D
0
U
in ( -)
D
1
A G ND D
2
A D C08 01 D
3
U
RE F
/2 D
4
CL K
R
D
5
D
6
CL K
in
D
7
CS
RD WR
D G ND INT R
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
+ 5V
+ 5V
(1)
(2)
(10)
(6)
(7)
(8)
(9)
(19)
(4)
(18)
(17)
(16)
(15)
(14)
(13)
(12)
(11)
(5)
(20)
(3)
LED
输入模
拟电压
u
i
0~ 5V
调节时
钟频率
R
10k Ω
C
150 p F
空脚
A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一
组多位的二进制数字输出。不同的 A/D转换方式具有
各自的特点。并联比较型 A/D转换器转换速度快，主
要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨
率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分
型 A/D转换器的性能比较稳定，转换精度高，具有很
高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速
度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要
求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中，得到
了广泛的应用逐次逼近型 A/D转换器的分辨率较高、
误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以
上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。
本节小结,
