A/D 转换器是将模拟信号转换为数字信号，转换过
程通过 采样、保持、量化和编码 四个步骤完成。
1、采样与保持
采样是将时
间上的连续变化
的模拟量转换为
时间上断续（离
散）的模拟量。
即将时间上连续
变化的模拟量转
换为一系列等间
隔的脉冲，脉冲
的幅度取决于输
入模拟量。
模拟开关
0
0
0
F
t
t
t
O ( t )
F i ( t )
S ( t )
模拟输入
：)(tfi
样值脉冲输出
：)(tf o
：采样脉冲)(tS
输入为时间上
连续变化的模
拟量，输出为
时间断续模拟
量。
为了保证能从采样信号恢复成原信号，必须满足：
max2 is ff ? 中的最高频率为输入模拟信号 )(m a x tff ii,
在工程设计中通常取：
m a x53 is ff ）＝（ ?
模拟信号经采样后，得到
一系列样值脉冲，采样脉冲的宽
度 tw一般是很短暂的，在下一个
采样脉冲到来之前，应暂时保持
所取得的样值脉冲幅度不变，以
便进行转换。因此，在采样电路
之后须加保持电路。
☆ 场效应管为采样开关。
☆ 电容 C为保持电容。
☆ 运放为跟随器，起缓冲
隔离作用。
为了能正确用采样输出信号表示输入模拟量，采
样脉冲必须有足够高的频率。
VO+
-
+VI
C
S(t)
VO+
-
+VI
C
S(t)
0
V O ( t )
t
T T SW
在采样脉冲持续期 t w内,场效应
管开关接通, 输入模拟信号电压向电容
C充电 。
假定, 充电时常数 τ＝ RC,t w,
电容 C上的电压在 t w 期间随输入信号
变化而变化, 同时运放输出也会随输入
模拟信号 Vi 的变化而变化 。
采样脉冲间歇期（ t s 期间 )：
场效应开关断开, 由于运放输入阻抗很高, MOS管截止
电阻也非常高, 电容 C上的电压无放电通路, 那么电容 C 上
的电压就可以保持到下一个采样脉冲到来 。
当下一个采样脉冲到来, 场效应开关又接通, VO又随 Vi
变化而变化 。 在输入一连串采样脉冲序列后, 运放输出一连
串样值脉冲 。 这个样值脉冲是输入模拟量的阶梯波 。
0
V O ( t )
t
T T SW
VO+
-
+VI
C
S(t)
什么是量化？
在采样脉冲 tw期间,VO=VI，在两次采样的间隔时间
（ Ts-tw)时间内,VO保持不变。 （ Ts-tw)这段时间供量
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。因此，任何一个数字量的大小只能表示某个
规定的最小数量单位的整数倍。
在 A/D转换过程中，要用数字量来表示断续变化的模拟
量时，必须将采样－保持电压归化为某个最小单位的整数倍，
这个过程称为量化过程。所取得的最小单位叫做 量化单位，
用 Δ 表示。
什么是编码？
把量化的结果用二进制或二－十进制数表示出来，称为
编码。编码输出的最低有效位（ LSB)的 1所代表的数量大小
就等于 Δ 。
由于模拟信号在时间、数值大小都是连续的，不一定
被最小量化单位 △整除，所以在量化过程中就可能引入量
化误差。
如果数字信号的位数越多，量化的误差就越小。
例如 10位 A/D最小量化单位：
1.0102412110 ???? %
把输入信号分为 1024层，输入信号分层越多，量化误
差越小。
即，数字量位数越多，量化等级越细。
只舍不入法,
是将取样保持信号 VO不足一个量化单位 Vq的尾数
舍去，取其原整数。
有舍有入法：
当取样保持信号 VO的尾数 <Vq/2时，用 舍尾取整法
得其量化值。
当取样保持信号 VO的尾数 ≥ Vq/2时，用 舍尾入整
法 得其量化值。
例：假设最小量化单位为 Vq,用两种量化方法求其
输入、输出关系。
0≤VI<Vq
输 入 输出编码 输 入 输出编码
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
Vq≤VI<2Vq
2Vq≤VI<3Vq
3Vq≤VI<4Vq
4Vq≤VI<5Vq
5Vq≤VI<6Vq
6Vq≤VI<7Vq
7Vq≤VI<8Vq
0≤VI<0.5Vq
0.5Vq≤VI<1.5Vq
1.5Vq≤VI<2.5Vq
2.5Vq≤VI<3.5Vq
3.5Vq≤VI<4.5Vq
4.5Vq≤VI<5.5Vq
5.5Vq≤VI<6.5Vq
6.5Vq≤VI<7.5Vq
最大量化
误差为 Vq
最大量化误差
为 ± Vq/2
间接法：
将 采样－保持的模拟信
号先转换为时间 T或频率 F,
然后再将时间 T或频率 F转换
为数字量。通常采用频率恒
定的时钟脉冲通过计数器来
实现转换，因此，也称为计
数式方法。
间接法 A/D转换器特点：
工作速度比较低，但转
换精度比较高，抗干扰能力
强，一般在测试仪表中用的
较多。
直接法：
主要通过 2n个量化级
电压与输入采样－保持模
拟电压进行比较，将比较
的结果直接转换为数字量。
直接法 A/D转换器特点：
工作速度快，调整方
便，但转换精度比间接法
低。
线性锯齿
波发生器
信号电压
比较器
零值电压
比较器
与门
电路
脉冲
源
计数器
并行输出代码
启动脉冲
A
B
C
D
E）（ 基准IV
1,0 ?? BA VV
☆ 在启动脉冲地作用下，线性良好
地锯齿波同时加到两个比较器输入
端，和输入电压 VI及 0电位比较。
☆ 比较的结果 B,C两输出决定门电
路开放还是禁止。
☆ 门开放：脉冲源地脉冲加到计数器输入端，计数器开始
计数，输出为并行二进制代码。
☆ 门禁止：脉冲源的脉冲不能通
过门电路，计数器无计数脉冲而
停止计数。
VA<VI,VC=1
☆ 计数器在单位时间 T内输出的
状态为记录 M个计数脉冲的二进
制码, 就是输入 VI的数字量代码 。
即把 VI→T→D
VI:采样－保持信号
线性锯齿
波发生器
A
零值电压
比较器启动脉冲
B
C 门
电
路
D
脉
冲
源
E信号电压
比较器
）（ 基准IV
当,VA<0,VB=0
当,VA≥0,V B=1
VA≥V I,VC=0
当,VA<0,VB=0
假设：锯齿波斜率为 K=VI/ t
WI tKV ??
CPW MTT ?
并行输出代码
VA<VI,VC=1
与门禁止 VE=0，
计数器不计数。
VA<VI,VC=1
与门开放 VE=CP，
计数器计数。
当,VA≥0,V B=1 与门禁止 VE=0，计
数器停止计数。
VA<VI,VC=1
与门禁止 VE=0，
计数器不计数。
CP
IKTVM ?
可见：计数脉冲的数目 M与输入
信号 VI成正比，计数器输出的状
态为记录了 M个计数脉冲的二进
制码。也是 VI的数字量代码。
VA<VI,VC=1
1,0 ?? BA VV
IV
1t 2t
0 t
t
t
BV
CV
DV
EV
AV
WT
计数器脉冲源频率为 FCP，周期为 TCP
计
数
器
0Q
0FF
1Q
1FF
1?nQ
1?nFF
nQ
nFF
+-++
-
+
& CP
DR
CV
BV
DV
R
C
IV?
REFV
1?nD 1D 0D
双积分 A/D转换器是 V-T变换型的另
一种形式。双积分 A/D又称为双斜率 A/D
转换器。
工作原理：
双积分是对输入 模拟电压,
参考电压 进行两次积分, 是将
输入采样－保持电压变换成与
输入电压平均值成正比的时间
间隔, 然后利用时钟脉冲和计
数器测出其时间间隔, 再把时
间间隔变换成数字量 。
电路结构：
☆ 积分器, 由运放和 RC积分
网络组成 。 输入端接开关 S,开关 S
受触发器 Qn控制 。
S
0?nQ
开关 S接输入信号 VI，积分
器对输入信号 VI进行积分。
1?nQ 开关 S接基准电压 VREF，
VREF=-VR，积分器对－ VR进
行积分。
积分器进行两次相反积分，
积分的结果 VB送入过零比较器。
RV?
dtVRCV t IB ??? 01
0Q
0FF
1Q
1FF
1?nQ
1?nFF
nQ
nFF
+-++
-
+
& CP
DR
CV
BV
DV
R
C
IV?
REFV
1?nD 1D 0D
☆ 过零比较器：
当积分器输出； VB>0时,VC=0
封锁与门,CP 不能加给计数器。
当积分器输出； VB≤0时,VC=1
与门开放,CP加到计数器，计数器
开始计数。
☆ 时钟控制与门：
☆ 计数器和定时器
其中 FF0~FFn-1为 M=2n典型异步加法计
数器。 CP接前级输出。
FFn为定时触发器。
Qn Qn-1 ┅ Q1 Q0
0 0 ┅ 0 0
0 0 ┅ 0 1
┇ ┇ ┅ ┇ ┇
0 1 ┅ 1 1
1 0 ┅ 0 0
1 0 ┅ 0 1
┇ ┇ ┅ ┇ ┇
1 1 1 1 1
n级计数器定时
S接 VI
S接 VREF=-VR
☆ 工作过程：
在清零信号 /RD的作用下, 所有触发器置
0,Qn=0,开关 S接输入 VI,积分器对输入进行积分 。
n位计数器开始计数, 当计数器计到 2n+1个脉冲
Qn由 0→ 1,控制开关 S接－ VR,积分器对基准电
压进行二次积分 。 计数器又从 0开始计数 。
VA
S
RV?
>0 00? 1
采样阶段以正极性 VI为例，定量说明双积分 A/D工作过程。工作过程分为两个阶段。
一、采样阶段：
★ 在启动脉冲的作用下，全部触发
器置 0，由于 Qn=0,开关 S接 VI，积
分器对 VI进行积分，积分输出为：
dtVRCV t IB ??? 01
★ 由于 VB<0，零值比较器输出
VC=1,CP通过与门加到计数器，
n位二进制计数器从 0开始计数，
一直计到 2n个脉冲后：
CPn TTt 21 ??
TCP:标准时钟周期
dtvRC t I??
0
1
1 2n CPTT?
★ n位计数器又全部返回到 0，定时触
发器 Qn由 0→1,使开关 S接基准电压
VREF,VREF=-VR，采样结束。
★ 采样结束时的积分电压为：
ICP
n
I
T
IBOB VRC
TV
RC
TdtV
RCVV
21 1
0
1 ??????? ?
ICP
n VRCT2?
采样结束时：积分器输出
电压 VB和输入模拟电压 VI
成正比关系。
VI
-VR
t
nQ
t
AV
tBV
CV
t
DV
t
0
二、比较阶段
ICP
n VRCT2?
dtvRC t I??
0
1
★ 由于采样结束时,Qn=1，开关 S接
－ VR，积分器对 -VR进行积分。（积
分器负向积分）积分电压为：
? ?dtVRCVV tT RBOB ? ???
1
1
? ?12 TtRCVVRCT RICPn ?? ＋＝
2
2 T
RC
VV
RC
T R
ICP
n ＋＝ ?
★ 当 VB积分电压逐步上升至：
VB≥0，过零比较器 VC=0，与门
封锁，计数器停止计数。
★ 假设二次积分时，计数器记
录了 M个脉冲,CPMTT ?2
★ 二次积分结束时,VB=0,代入
二次积分电压表达式：
02 2 ??? TRCVVRCTV RICPnB ＋
02 ??? CPRICPn MTRCVVRCT ＋ I
R
n V
VM
2?
可见 M个脉冲和 VI成正比,M所
对应的二进制码即为数字量输
出，这样通过二次积分实现了
对输入信号的 A/D转换。
比较阶段
采样阶段nQ
AV
BV
CV
DV
t
t
t
t
t
VI
-VR
1 2n CPTT? 2T
P483 (7)
某双积分 A/D转换器中计数器由四片十进制集成计数
器组成, 它的最大计数容量 D=(5000)10。 计数脉冲的频
率 fcp=25KHz,积分器 R=100KΩ,C=1μ F,输入电压范
围 VI=0~5V。 试求：
1、第一次积分时间 T1；
2、积分器的最大输出 |VOMAX|；
3、当 VREF=|10|V，若计数器的计数值
M=(1740)10时，表示输入电压 VI为多大？
1、第一次积分时间 T1；
CPnTT 21 ?
其中 2n表示计数器计满值的情况，
即最大计数容量 D=(5000)10
SK H zfT
CP
CP ?4025
11 ??? 表示 个脉冲周期
第一次积分共计了 2n=5000个计数脉冲
所以,SXXT 2.010405 0 0 0 61 ?? ?
2、积分器的最大输出 |VOMAX|；
积分器最大输出电压 VBO值时当计数为 5000时，
输入为 5V时，积分器的输出值。
?BOMAXV |
I
CP
n
VRCT2
| VX
XXX 10510110100
2.0
63 ?? ?
3、当 VREF=|10|V，若计数器的计数值
M=(1740)10时，表示输入电压 VI为多大？
I
R EF
n
VVM 2?
VXMVV nR E FI 48.35000 1017402 ???
t
t
'RV
IV
CV
0
0
2,计数斜坡式 A/D转换器工作原理：
1、电路组成：
★ 由 n位二进制计数器,D/A转换器和
电压比较器三大部分组成。
D/A转换器接收二进制计数器输
出的数字信号，产生斜坡式（阶梯波）
的模拟参考电压 V'R，并与输入模拟
信号 VI进行比较 ；
当 V'R<VI时,VC=1,与门开放,CP
脉冲加到计数器，计数器计数。
当 V'R≥VI时,VC=0,与门关闭 CP
脉冲不能加到计数器，计数器停止计
数。
此时计数器的输出即为输入信号
VI的数字量代码。
这种 A/D转换器的精度取决于比较器
和 D/A的性能。是直接转换方式最简单的
一种电路。也是转换速度最慢的一种。
N位二进制计数器&
D/A转换器
+ - +
模拟输入 VI
'RV
CV
CP
启 动 脉 冲
清 零
并
行
输
出
计数 休止
比较原理：
逐次逼近式 A/D转换器是直接
式 ADC中最常见的一种，其结构
如框图所示。
将要转换的模拟电压 VI与一系
列的基准电压 V'R比较。
比较原则：
比较是从高位到低位逐位进行，
同时依次确定各位数码是 1还是 0。
工作过程：
转换开始前，先将逐位寄存器清
零，开始转换后，控制逻辑将寄存
器最高位置 1，使其输出为 100┅000,
这个数码被 D/A转换器转换成相应的
模拟电压 VˊR,送至比较器与输入 VI进
行比较。
'RV
比较结果,IR VV ?'如果：
说明寄存器输出的数码大了，
应将最高位 1改为 0（ 去码 ），同时
设次高位为 1。
IR VV ?'如果：
说明寄存器输出的数码还不够大,
需将最高位设置的 1保留 （ 加码 ）,
同时再设次高位为 1。 然后按同样的
方法进行比较, 确定次高位的 1是去
掉还是保留 。 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转换后的数字
输出 。
D/A转换器
逐位逼近寄存器 控制逻辑
数码输出
模拟输入 VI
电压比较器
?
?
例：一个待转换的模拟电压 VI=163mV,逐位逼近寄存
器的数字量为八位，整个比较过程如下：
步
骤
寄存器设定码 十进
制数 比较判别
结
果128 64 32 16 8 4 2 1
1 1 0 0 0 0 0 0 0 128 留
2 1 1 0 0 0 0 0 0 192 去
3 1 0 1 0 0 0 0 0 160 留
4 1 0 1 1 0 0 0 0 176 去
5 1 0 1 0 1 0 0 0 168 去
6 1 0 1 0 0 1 0 0 164 去
7 1 0 1 0 0 0 1 0 162 留
8 1 0 1 0 0 0 1 1 163 留
结
果
'RI VV ?
'RI VV ?
'RI VV ?
'RI VV ?
'RI VV ?
'RI VV ?
'RI VV ?
'RI VV ?
逐次比较 A/D的数码位数越多，转换结果越精确。
1 1 1 10 0 0 0 163
128
192
160
176 168 164
162
163IV
200
160
120
80
40
0
mV
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
节拍脉冲
4位逐次逼近型 A/D转换器原理框图
电路组成：
⒈ D/A转换器
★ 根据 QD~QA不同的输入数码产生一
组数值不同的参考电压 V‘R，并送入比
较器与采样保持电压 VI进行比较。
⒉ 比较器 0' ?? FVV
IR 时，
1' ?? FVV IR 时，
⒊ 时序分配器
★ 产生比较用的节拍脉冲，通常由环形
计数器构成。
⒋ JK触发器
★ 在节拍脉冲 CP0~CP4的 ↓ 作用下，
记忆每次比较的结果，同时给 D/A转换
器提供输入二进制代码。
⒌ 寄存器 ★ 在 CP4↑ 作用下，将 JK触
发器记忆的比较结果并行送
入四 D触发器锁存及输出。
比较的结果要存入触发器
KF
JF
?
?
D/A
转
换
器
R
S
J
KB
R
S
J
KA
R
S
J
KC
R
S
J
KD
D Q 1D
D Q 0D
D Q 2D
D Q 3D
1
REFV
AQ
BQ
CQ
DQ
GF
RV'
时序分配器CP 0 1 2 3 4
+-+
IV
CP
0CP
1CP
2CP
3CP
4CP
D/A
转
换
器
R
S
J
KB
R
S
J
KA
R
S
J
KC
R
S
J
KD
D Q 1D
D Q 0D
D Q 2D
D Q 3D
时序分配器
1+-+
REFV
CP
AQ
BQ
CQ
DQ
GF
RV'
0 1 2 3 4
IV工作过程：
时序 J K QD QC QB QA V'R
CP0↓ 1 0 0 0 4V
CP1↓
CP2↓
CP3↓
CP4↓
CP4↑
)1248(2' ABCDnREFR QQQQVV ????
假设 D/A转换器基
准电压 VREF=8V。
输入电压 VI=6.55V
在 CP0↓ 作用下：
↓
1
0
0
0
。时,0' ?? FVV IR
1' ?? FVV IR 时，
V4?
1 0
↓
1
1 1 0 0 6V
1 0
↓
1
1 1 1 0
6.5V
7V
0 1 ↓
1
1 1 0 1
1 0
↓
1 1 0 1 6.5V
↑
将 1101送寄存器锁存、输出
基准电压 V′R
CP
0CP
1CP
2CP
3CP
4CP
1、分辨率
分辨率是指 A/D转换器对输
入模拟信号的分辩能力 。 从理
论上讲, 一个 n位二进制输出的
A/D转换器应能区分输入模拟电
压的 2n个不同量化级, 能区分
输入模拟电压的最小差异为
1/2nFSR(满量程输入的 1/2n).
例如,A/D转换器的输出为
12位二进制数, 最大输入模拟
信号为 10V,则其分辨率为：
mVVV 44.24 0 9 610102 112 ???分辨率＝
2、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
是从接到转换启动信号开始，
到输出端获得稳定的数字信
号所经过的时间。
A/D转换器的转换速
度主要取决于转换电路的
类型, 不同类型 A/D转换器
转换速度相差很大 。
◆ 双积分 A/D最慢，几百 mS
◆ 逐次逼近较快，几十 μ S
◆ 并联 A/D最快，几十 nS
3、相对精度
表示 A/D转换器实际输出数字量和理想输出数字量
之间的差别，一般用最低有效位的倍数表示。
例如,10位二进制数输出的 A/D转换器 AD571,在室
温（＋ 25℃ ）和基准电压 (V+=+5V,V-=-15V)的条件下，转
换误差 ≤ ± 1/2LSB。当使用环境发生变化时，转换误差也
将发生变化，实际使用中应加以注意。
P483 6,7
P483 9,10
程通过 采样、保持、量化和编码 四个步骤完成。
1、采样与保持
采样是将时
间上的连续变化
的模拟量转换为
时间上断续（离
散）的模拟量。
即将时间上连续
变化的模拟量转
换为一系列等间
隔的脉冲，脉冲
的幅度取决于输
入模拟量。
模拟开关
0
0
0
F
t
t
t
O ( t )
F i ( t )
S ( t )
模拟输入
：)(tfi
样值脉冲输出
：)(tf o
：采样脉冲)(tS
输入为时间上
连续变化的模
拟量，输出为
时间断续模拟
量。
为了保证能从采样信号恢复成原信号，必须满足：
max2 is ff ? 中的最高频率为输入模拟信号 )(m a x tff ii,
在工程设计中通常取：
m a x53 is ff ）＝（ ?
模拟信号经采样后，得到
一系列样值脉冲，采样脉冲的宽
度 tw一般是很短暂的，在下一个
采样脉冲到来之前，应暂时保持
所取得的样值脉冲幅度不变，以
便进行转换。因此，在采样电路
之后须加保持电路。
☆ 场效应管为采样开关。
☆ 电容 C为保持电容。
☆ 运放为跟随器，起缓冲
隔离作用。
为了能正确用采样输出信号表示输入模拟量，采
样脉冲必须有足够高的频率。
VO+
-
+VI
C
S(t)
VO+
-
+VI
C
S(t)
0
V O ( t )
t
T T SW
在采样脉冲持续期 t w内,场效应
管开关接通, 输入模拟信号电压向电容
C充电 。
假定, 充电时常数 τ＝ RC,t w,
电容 C上的电压在 t w 期间随输入信号
变化而变化, 同时运放输出也会随输入
模拟信号 Vi 的变化而变化 。
采样脉冲间歇期（ t s 期间 )：
场效应开关断开, 由于运放输入阻抗很高, MOS管截止
电阻也非常高, 电容 C上的电压无放电通路, 那么电容 C 上
的电压就可以保持到下一个采样脉冲到来 。
当下一个采样脉冲到来, 场效应开关又接通, VO又随 Vi
变化而变化 。 在输入一连串采样脉冲序列后, 运放输出一连
串样值脉冲 。 这个样值脉冲是输入模拟量的阶梯波 。
0
V O ( t )
t
T T SW
VO+
-
+VI
C
S(t)
什么是量化？
在采样脉冲 tw期间,VO=VI，在两次采样的间隔时间
（ Ts-tw)时间内,VO保持不变。 （ Ts-tw)这段时间供量
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。因此，任何一个数字量的大小只能表示某个
规定的最小数量单位的整数倍。
在 A/D转换过程中，要用数字量来表示断续变化的模拟
量时，必须将采样－保持电压归化为某个最小单位的整数倍，
这个过程称为量化过程。所取得的最小单位叫做 量化单位，
用 Δ 表示。
什么是编码？
把量化的结果用二进制或二－十进制数表示出来，称为
编码。编码输出的最低有效位（ LSB)的 1所代表的数量大小
就等于 Δ 。
由于模拟信号在时间、数值大小都是连续的，不一定
被最小量化单位 △整除，所以在量化过程中就可能引入量
化误差。
如果数字信号的位数越多，量化的误差就越小。
例如 10位 A/D最小量化单位：
1.0102412110 ???? %
把输入信号分为 1024层，输入信号分层越多，量化误
差越小。
即，数字量位数越多，量化等级越细。
只舍不入法,
是将取样保持信号 VO不足一个量化单位 Vq的尾数
舍去，取其原整数。
有舍有入法：
当取样保持信号 VO的尾数 <Vq/2时，用 舍尾取整法
得其量化值。
当取样保持信号 VO的尾数 ≥ Vq/2时，用 舍尾入整
法 得其量化值。
例：假设最小量化单位为 Vq,用两种量化方法求其
输入、输出关系。
0≤VI<Vq
输 入 输出编码 输 入 输出编码
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
Vq≤VI<2Vq
2Vq≤VI<3Vq
3Vq≤VI<4Vq
4Vq≤VI<5Vq
5Vq≤VI<6Vq
6Vq≤VI<7Vq
7Vq≤VI<8Vq
0≤VI<0.5Vq
0.5Vq≤VI<1.5Vq
1.5Vq≤VI<2.5Vq
2.5Vq≤VI<3.5Vq
3.5Vq≤VI<4.5Vq
4.5Vq≤VI<5.5Vq
5.5Vq≤VI<6.5Vq
6.5Vq≤VI<7.5Vq
最大量化
误差为 Vq
最大量化误差
为 ± Vq/2
间接法：
将 采样－保持的模拟信
号先转换为时间 T或频率 F,
然后再将时间 T或频率 F转换
为数字量。通常采用频率恒
定的时钟脉冲通过计数器来
实现转换，因此，也称为计
数式方法。
间接法 A/D转换器特点：
工作速度比较低，但转
换精度比较高，抗干扰能力
强，一般在测试仪表中用的
较多。
直接法：
主要通过 2n个量化级
电压与输入采样－保持模
拟电压进行比较，将比较
的结果直接转换为数字量。
直接法 A/D转换器特点：
工作速度快，调整方
便，但转换精度比间接法
低。
线性锯齿
波发生器
信号电压
比较器
零值电压
比较器
与门
电路
脉冲
源
计数器
并行输出代码
启动脉冲
A
B
C
D
E）（ 基准IV
1,0 ?? BA VV
☆ 在启动脉冲地作用下，线性良好
地锯齿波同时加到两个比较器输入
端，和输入电压 VI及 0电位比较。
☆ 比较的结果 B,C两输出决定门电
路开放还是禁止。
☆ 门开放：脉冲源地脉冲加到计数器输入端，计数器开始
计数，输出为并行二进制代码。
☆ 门禁止：脉冲源的脉冲不能通
过门电路，计数器无计数脉冲而
停止计数。
VA<VI,VC=1
☆ 计数器在单位时间 T内输出的
状态为记录 M个计数脉冲的二进
制码, 就是输入 VI的数字量代码 。
即把 VI→T→D
VI:采样－保持信号
线性锯齿
波发生器
A
零值电压
比较器启动脉冲
B
C 门
电
路
D
脉
冲
源
E信号电压
比较器
）（ 基准IV
当,VA<0,VB=0
当,VA≥0,V B=1
VA≥V I,VC=0
当,VA<0,VB=0
假设：锯齿波斜率为 K=VI/ t
WI tKV ??
CPW MTT ?
并行输出代码
VA<VI,VC=1
与门禁止 VE=0，
计数器不计数。
VA<VI,VC=1
与门开放 VE=CP，
计数器计数。
当,VA≥0,V B=1 与门禁止 VE=0，计
数器停止计数。
VA<VI,VC=1
与门禁止 VE=0，
计数器不计数。
CP
IKTVM ?
可见：计数脉冲的数目 M与输入
信号 VI成正比，计数器输出的状
态为记录了 M个计数脉冲的二进
制码。也是 VI的数字量代码。
VA<VI,VC=1
1,0 ?? BA VV
IV
1t 2t
0 t
t
t
BV
CV
DV
EV
AV
WT
计数器脉冲源频率为 FCP，周期为 TCP
计
数
器
0Q
0FF
1Q
1FF
1?nQ
1?nFF
nQ
nFF
+-++
-
+
& CP
DR
CV
BV
DV
R
C
IV?
REFV
1?nD 1D 0D
双积分 A/D转换器是 V-T变换型的另
一种形式。双积分 A/D又称为双斜率 A/D
转换器。
工作原理：
双积分是对输入 模拟电压,
参考电压 进行两次积分, 是将
输入采样－保持电压变换成与
输入电压平均值成正比的时间
间隔, 然后利用时钟脉冲和计
数器测出其时间间隔, 再把时
间间隔变换成数字量 。
电路结构：
☆ 积分器, 由运放和 RC积分
网络组成 。 输入端接开关 S,开关 S
受触发器 Qn控制 。
S
0?nQ
开关 S接输入信号 VI，积分
器对输入信号 VI进行积分。
1?nQ 开关 S接基准电压 VREF，
VREF=-VR，积分器对－ VR进
行积分。
积分器进行两次相反积分，
积分的结果 VB送入过零比较器。
RV?
dtVRCV t IB ??? 01
0Q
0FF
1Q
1FF
1?nQ
1?nFF
nQ
nFF
+-++
-
+
& CP
DR
CV
BV
DV
R
C
IV?
REFV
1?nD 1D 0D
☆ 过零比较器：
当积分器输出； VB>0时,VC=0
封锁与门,CP 不能加给计数器。
当积分器输出； VB≤0时,VC=1
与门开放,CP加到计数器，计数器
开始计数。
☆ 时钟控制与门：
☆ 计数器和定时器
其中 FF0~FFn-1为 M=2n典型异步加法计
数器。 CP接前级输出。
FFn为定时触发器。
Qn Qn-1 ┅ Q1 Q0
0 0 ┅ 0 0
0 0 ┅ 0 1
┇ ┇ ┅ ┇ ┇
0 1 ┅ 1 1
1 0 ┅ 0 0
1 0 ┅ 0 1
┇ ┇ ┅ ┇ ┇
1 1 1 1 1
n级计数器定时
S接 VI
S接 VREF=-VR
☆ 工作过程：
在清零信号 /RD的作用下, 所有触发器置
0,Qn=0,开关 S接输入 VI,积分器对输入进行积分 。
n位计数器开始计数, 当计数器计到 2n+1个脉冲
Qn由 0→ 1,控制开关 S接－ VR,积分器对基准电
压进行二次积分 。 计数器又从 0开始计数 。
VA
S
RV?
>0 00? 1
采样阶段以正极性 VI为例，定量说明双积分 A/D工作过程。工作过程分为两个阶段。
一、采样阶段：
★ 在启动脉冲的作用下，全部触发
器置 0，由于 Qn=0,开关 S接 VI，积
分器对 VI进行积分，积分输出为：
dtVRCV t IB ??? 01
★ 由于 VB<0，零值比较器输出
VC=1,CP通过与门加到计数器，
n位二进制计数器从 0开始计数，
一直计到 2n个脉冲后：
CPn TTt 21 ??
TCP:标准时钟周期
dtvRC t I??
0
1
1 2n CPTT?
★ n位计数器又全部返回到 0，定时触
发器 Qn由 0→1,使开关 S接基准电压
VREF,VREF=-VR，采样结束。
★ 采样结束时的积分电压为：
ICP
n
I
T
IBOB VRC
TV
RC
TdtV
RCVV
21 1
0
1 ??????? ?
ICP
n VRCT2?
采样结束时：积分器输出
电压 VB和输入模拟电压 VI
成正比关系。
VI
-VR
t
nQ
t
AV
tBV
CV
t
DV
t
0
二、比较阶段
ICP
n VRCT2?
dtvRC t I??
0
1
★ 由于采样结束时,Qn=1，开关 S接
－ VR，积分器对 -VR进行积分。（积
分器负向积分）积分电压为：
? ?dtVRCVV tT RBOB ? ???
1
1
? ?12 TtRCVVRCT RICPn ?? ＋＝
2
2 T
RC
VV
RC
T R
ICP
n ＋＝ ?
★ 当 VB积分电压逐步上升至：
VB≥0，过零比较器 VC=0，与门
封锁，计数器停止计数。
★ 假设二次积分时，计数器记
录了 M个脉冲,CPMTT ?2
★ 二次积分结束时,VB=0,代入
二次积分电压表达式：
02 2 ??? TRCVVRCTV RICPnB ＋
02 ??? CPRICPn MTRCVVRCT ＋ I
R
n V
VM
2?
可见 M个脉冲和 VI成正比,M所
对应的二进制码即为数字量输
出，这样通过二次积分实现了
对输入信号的 A/D转换。
比较阶段
采样阶段nQ
AV
BV
CV
DV
t
t
t
t
t
VI
-VR
1 2n CPTT? 2T
P483 (7)
某双积分 A/D转换器中计数器由四片十进制集成计数
器组成, 它的最大计数容量 D=(5000)10。 计数脉冲的频
率 fcp=25KHz,积分器 R=100KΩ,C=1μ F,输入电压范
围 VI=0~5V。 试求：
1、第一次积分时间 T1；
2、积分器的最大输出 |VOMAX|；
3、当 VREF=|10|V，若计数器的计数值
M=(1740)10时，表示输入电压 VI为多大？
1、第一次积分时间 T1；
CPnTT 21 ?
其中 2n表示计数器计满值的情况，
即最大计数容量 D=(5000)10
SK H zfT
CP
CP ?4025
11 ??? 表示 个脉冲周期
第一次积分共计了 2n=5000个计数脉冲
所以,SXXT 2.010405 0 0 0 61 ?? ?
2、积分器的最大输出 |VOMAX|；
积分器最大输出电压 VBO值时当计数为 5000时，
输入为 5V时，积分器的输出值。
?BOMAXV |
I
CP
n
VRCT2
| VX
XXX 10510110100
2.0
63 ?? ?
3、当 VREF=|10|V，若计数器的计数值
M=(1740)10时，表示输入电压 VI为多大？
I
R EF
n
VVM 2?
VXMVV nR E FI 48.35000 1017402 ???
t
t
'RV
IV
CV
0
0
2,计数斜坡式 A/D转换器工作原理：
1、电路组成：
★ 由 n位二进制计数器,D/A转换器和
电压比较器三大部分组成。
D/A转换器接收二进制计数器输
出的数字信号，产生斜坡式（阶梯波）
的模拟参考电压 V'R，并与输入模拟
信号 VI进行比较 ；
当 V'R<VI时,VC=1,与门开放,CP
脉冲加到计数器，计数器计数。
当 V'R≥VI时,VC=0,与门关闭 CP
脉冲不能加到计数器，计数器停止计
数。
此时计数器的输出即为输入信号
VI的数字量代码。
这种 A/D转换器的精度取决于比较器
和 D/A的性能。是直接转换方式最简单的
一种电路。也是转换速度最慢的一种。
N位二进制计数器&
D/A转换器
+ - +
模拟输入 VI
'RV
CV
CP
启 动 脉 冲
清 零
并
行
输
出
计数 休止
比较原理：
逐次逼近式 A/D转换器是直接
式 ADC中最常见的一种，其结构
如框图所示。
将要转换的模拟电压 VI与一系
列的基准电压 V'R比较。
比较原则：
比较是从高位到低位逐位进行，
同时依次确定各位数码是 1还是 0。
工作过程：
转换开始前，先将逐位寄存器清
零，开始转换后，控制逻辑将寄存
器最高位置 1，使其输出为 100┅000,
这个数码被 D/A转换器转换成相应的
模拟电压 VˊR,送至比较器与输入 VI进
行比较。
'RV
比较结果,IR VV ?'如果：
说明寄存器输出的数码大了，
应将最高位 1改为 0（ 去码 ），同时
设次高位为 1。
IR VV ?'如果：
说明寄存器输出的数码还不够大,
需将最高位设置的 1保留 （ 加码 ）,
同时再设次高位为 1。 然后按同样的
方法进行比较, 确定次高位的 1是去
掉还是保留 。 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转换后的数字
输出 。
D/A转换器
逐位逼近寄存器 控制逻辑
数码输出
模拟输入 VI
电压比较器
?
?
例：一个待转换的模拟电压 VI=163mV,逐位逼近寄存
器的数字量为八位，整个比较过程如下：
步
骤
寄存器设定码 十进
制数 比较判别
结
果128 64 32 16 8 4 2 1
1 1 0 0 0 0 0 0 0 128 留
2 1 1 0 0 0 0 0 0 192 去
3 1 0 1 0 0 0 0 0 160 留
4 1 0 1 1 0 0 0 0 176 去
5 1 0 1 0 1 0 0 0 168 去
6 1 0 1 0 0 1 0 0 164 去
7 1 0 1 0 0 0 1 0 162 留
8 1 0 1 0 0 0 1 1 163 留
结
果
'RI VV ?
'RI VV ?
'RI VV ?
'RI VV ?
'RI VV ?
'RI VV ?
'RI VV ?
'RI VV ?
逐次比较 A/D的数码位数越多，转换结果越精确。
1 1 1 10 0 0 0 163
128
192
160
176 168 164
162
163IV
200
160
120
80
40
0
mV
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
节拍脉冲
4位逐次逼近型 A/D转换器原理框图
电路组成：
⒈ D/A转换器
★ 根据 QD~QA不同的输入数码产生一
组数值不同的参考电压 V‘R，并送入比
较器与采样保持电压 VI进行比较。
⒉ 比较器 0' ?? FVV
IR 时，
1' ?? FVV IR 时，
⒊ 时序分配器
★ 产生比较用的节拍脉冲，通常由环形
计数器构成。
⒋ JK触发器
★ 在节拍脉冲 CP0~CP4的 ↓ 作用下，
记忆每次比较的结果，同时给 D/A转换
器提供输入二进制代码。
⒌ 寄存器 ★ 在 CP4↑ 作用下，将 JK触
发器记忆的比较结果并行送
入四 D触发器锁存及输出。
比较的结果要存入触发器
KF
JF
?
?
D/A
转
换
器
R
S
J
KB
R
S
J
KA
R
S
J
KC
R
S
J
KD
D Q 1D
D Q 0D
D Q 2D
D Q 3D
1
REFV
AQ
BQ
CQ
DQ
GF
RV'
时序分配器CP 0 1 2 3 4
+-+
IV
CP
0CP
1CP
2CP
3CP
4CP
D/A
转
换
器
R
S
J
KB
R
S
J
KA
R
S
J
KC
R
S
J
KD
D Q 1D
D Q 0D
D Q 2D
D Q 3D
时序分配器
1+-+
REFV
CP
AQ
BQ
CQ
DQ
GF
RV'
0 1 2 3 4
IV工作过程：
时序 J K QD QC QB QA V'R
CP0↓ 1 0 0 0 4V
CP1↓
CP2↓
CP3↓
CP4↓
CP4↑
)1248(2' ABCDnREFR QQQQVV ????
假设 D/A转换器基
准电压 VREF=8V。
输入电压 VI=6.55V
在 CP0↓ 作用下：
↓
1
0
0
0
。时,0' ?? FVV IR
1' ?? FVV IR 时，
V4?
1 0
↓
1
1 1 0 0 6V
1 0
↓
1
1 1 1 0
6.5V
7V
0 1 ↓
1
1 1 0 1
1 0
↓
1 1 0 1 6.5V
↑
将 1101送寄存器锁存、输出
基准电压 V′R
CP
0CP
1CP
2CP
3CP
4CP
1、分辨率
分辨率是指 A/D转换器对输
入模拟信号的分辩能力 。 从理
论上讲, 一个 n位二进制输出的
A/D转换器应能区分输入模拟电
压的 2n个不同量化级, 能区分
输入模拟电压的最小差异为
1/2nFSR(满量程输入的 1/2n).
例如,A/D转换器的输出为
12位二进制数, 最大输入模拟
信号为 10V,则其分辨率为：
mVVV 44.24 0 9 610102 112 ???分辨率＝
2、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
是从接到转换启动信号开始，
到输出端获得稳定的数字信
号所经过的时间。
A/D转换器的转换速
度主要取决于转换电路的
类型, 不同类型 A/D转换器
转换速度相差很大 。
◆ 双积分 A/D最慢，几百 mS
◆ 逐次逼近较快，几十 μ S
◆ 并联 A/D最快，几十 nS
3、相对精度
表示 A/D转换器实际输出数字量和理想输出数字量
之间的差别，一般用最低有效位的倍数表示。
例如,10位二进制数输出的 A/D转换器 AD571,在室
温（＋ 25℃ ）和基准电压 (V+=+5V,V-=-15V)的条件下，转
换误差 ≤ ± 1/2LSB。当使用环境发生变化时，转换误差也
将发生变化，实际使用中应加以注意。
P483 6,7
P483 9,10
