第三节 模 /数转换器
一、模 /数转换的一般过程
二、模 /数转换原理
三、数 /模转换器的主要技术参数
四、集成 A/D转换器
一、模 /数转换的一般过程
1.采样和保持
2.量化和编码
1.采样和保持
为了把模拟信号转换成对应的数字信号, 必须
首先将模拟量每隔一定时间抽取一次样值, 使时间
上连续变化的模拟量变为一个时间上断续变化的模
拟量, 这个过程称为采样 。
为了保证采样后的信号能恢复原来的模拟信号，
要求采样的频率 ?S与被采样的模拟信号的最高频率
?imax应满足下面关系
m a x2 iS ff ?
图 14-9
Ui
UG
VT
Ri
C
A
UO
图 14-9 采样、保持电路原理图
2.量化和编码
数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值
大小的变化也是不连续的。这就是说，任何一个
数字量的大小只能是某个规定的最小数值单位的
整数倍。而采样、保持所得电压信号虽呈阶梯状
但电平仍是连续变化的，即不是数字量。因此，
必须将采样保持后的信号的大小局限在这些规定
的离散电平上，即在进行 A/D转换时，必须将采
样 — 保持后的电压化为某个规定的最小单位的整
数倍，这一过程称为量化。所取的最小数量单位
叫做量化单位，用△表示。显然，数字信号最低
有效位的 1代表的数值大小就等于△。
将量化幅值用二进制代码或二 — 十进制代
码等表示出来的过程称为编码 。 那些代表模拟信
号各采样值的代码组就是 A/D转换的结果 。
由于模拟信号是连续的，所以它就不一定能
被△整除，因此量化过程不可避免地会引入误差，
我们称这种误差为量化误差。
二、模 /数转换原理
1.逐次逼近式 A/D转换器
2.并行比较型 A/D转换器
3.双积分 A/D转换器
1.逐次逼近式 A/D转换器
逐次逼近式 A/D转换器是一种反馈比较型
A/D转换器。它的基本构思是：取一个数字量
加到 D/A转换器，于是得到一个输出模拟比较
电压。将这个模拟电压与输入的模拟电压信号
比较，如果两者不等，则调整所取的数字量，
直到两个模拟电压相等为止，最后所取的数字
量就是所求的转换结果。逐次逼近式 A/D转换
器是目前反馈比较型 A/D转换器中使用最多的
一种。
逐次逼近式 A/D转换器原理图
D/A转换器
控制逻辑 脉冲源
数码寄存器
并行数字输出 D
UL
Ui Uf
图 14-10 逐次逼近式 A/D转换器原理图
AC
UC
模拟信号输入
逐次逼近式 A/D
QCUC
4位 DAC
S R
FFA
QA
S R
FFB
QB
S R
FFC
& 1 & 2 & 3
Q5
C & 6
& 7
& 8
D2
D1
D0
UfUi
CP
图 14-11 逐次逼近型 ADC
1D Q1
FF1
1D Q2
FF2
1D Q3
FF3
1D Q4
FF4
1D 5
FF5
QD
S R
FFD
& 4
Q51D 6
FF6
& D35
这是一个输出为 4位二进制代码的逐次逼近
式 A/D 转换 器 。 控 制 逻 辑电 路 6个 D 触发 器
FF1~FF6和门 1~4构成, 其中 6个 D触发器组成环
形移位寄存器；逐次逼近寄存器由 4个 RS钟控触
发器 FFA,FFB,FFC,FFD组成； 4位 DAC用来产
生反馈比较电压 Uf ；门 5~8输出 4位数字量
D3D2D1D0； C为电压比较器 。
设 ADC满量程可输入电压 Um=100mV，下面
分析将采样保持模拟信号 Ui=65mV转换成数字信
号的过程。
2.并行比较型 A/D转换器
图 14-12所示为 3位二进制输出的并行比较
型 A/D转换器的逻辑图。这是一个直接 A/D转换器，
它由电压比较器、缓冲寄存器和编码器（代码转
换器）几部分组成。图中,UR为电压比较器的基
准电源电压，输入的模拟电压幅值范围为 0~UR。
并行比较型 A/D
Q1
Q71D
C6 1D
C5 1D
C4 1D
C3 1D
C2 1D
C1 1D
R
R
R
R
R
R
R
R/2
UR Ui CP
编
码
器
D2
D1
D0
图 14-12 并联比较型 A/D转换器
Q6
FF7
FF6
Q5
FF5
FF4 Q4
FF3
Q3
FF2
Q2
FF1
C7
3.双积分 A/D转换器
这是一种间接 A/D转换器 。 间接 A/D 转换器是先将模
拟信号电压变换为相应的某种形式的中间信号 （ 如变为时
间, 频率等 ）, 然后再将这个中间信号变换为二进制代码
输出 。 目前, 用的最多的是电压 — 时间 （ V-T） 变换型间
接 A/D转换器 。 图 14-13和 14-14分别为双积分 A/D转换组
成框图和原理图 。 它由积分器, 过零比较器, 脉冲信号源
及控制逻辑电路组成 。 双积分式 A/D转换方法的基础是测
量两个时间, 一个是输入模拟电压向电容充电的固定时间,
另一个是在已知参考电压下电容放电所需的时间 。 输入模
拟电压与参考电压的比值就等于上述两个时间之比 。
双积分 A/D转换器的组成框图和原理图
ui S
C
积分
器基准电源 比较
器
控制逻辑时钟
计数器 数字量输出
A1
A2
图 14-13 双积分式 A/D转换器组成框
图
O
B
A
T
固定积分时
间
T1
T2
固定斜
率
积分输
出
t
正比于输入
电压图 14-14 双积分式 A/D转换器原理
图
三、数 /模转换器的主要技术参数
1.分辨率
2.转换速度
3.相对误差
四、集成 A/D转换器
目前使用的一般都是集成 A/D转换器, 其种
类很多, 如 AD571, AD7135, AD0804,
5G14433,ADC0809等 。 下面以 ADC0809为例,
简单介绍其结构和使用 。
ADC0809是 CMOS单片 8通道 A/D转换器, 采
用双列直插式 28引脚封装 。 它主要由逐次逼近式
A/D转换器, 8位模拟开关, 三态输出数据锁存器,
以及地址锁存与译码等组成 。
ADC0809
ADC 0809的主要特征是：可直接与微
型机系统相连, 不需要另加接口逻辑, 也
可以单独使用；具有锁存控制的 8路模拟开
关, 可以输入 8个模拟信号；分辨率为 8位；
输入输出引脚与 TTL电路兼容；转换时间
100μS。 当输入模拟电压范围在 0~5V时,
可使用 +5V电源 。
图 14-15
EOC
OC
14
9
GND VCC
UREF(-)
UREF(+)
CLK
15
26IN
0
IN1
IN2
8位
模拟
开关
8位
A/D
转换
电路
三端
数据
锁存器
地址
锁存
与译码
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
27
28
1
2
3
4
5
17
14
8
18
19
20
21
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
22ALEC
B
A
23
24
25
15
16
12
10
6
7
START
图 14-15 ADC0809内部结构框图及引脚功能图
ADC0809的引脚功能
IN0~IN7：为 8路模拟电压输入端 。 它可对 8路模
拟信号进行转换 。 但某一时刻只能选择一路进行转
换 。, 选择, 由地址锁存器和译码器控制 。
D0~D7,8位数据量输出端 。
A,B,C：模拟输入通道的地址选择线。
ALE：地址锁存允许信号, 高电平有效 。
START：为启动转换输入端 。 其上升沿使内部
寄存器清零 。 START和 ALE两端可连在一起, 当通
过程序送入一个正脉冲, 便立即开始 A/D转换 。
ADC0809的引脚功能
EOC：转换结束输出端 。
OE：输出允许端 。 当从这引脚输入高电平时,
打开, 三态输出锁存器,, 将转换结果经 D0~D7
数据线送至系统数据线或 I/O接口数据线 。
UREF(+),UREF(-)：分别为参考电压的正端和
负端 。 无特别要求时, 一般 UREF(+)可与芯片电
源 VCC 共用一 种电 源, 即与 VCC 相连, 而
UREF(-)与芯片接地端相连 。
CLK, A/D转换时钟脉冲输入端, 时钟脉冲由
外部电路提供, 典型时钟频率为 640Hz。
VCC,GND：分别为芯片电源和接地端 。