第 8章 数模转换器和模数转换器 电子技术第八章模数与数模转换器数字电路部分第 8章 数模转换器和模数转换器第 8章 模数及数模转换器
8.1 概述
8.2 D/A转换器
8.3 A/D转换器第 8章 数模转换器和模数转换器
8.1 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 。
控制对象模拟非电 量
X ( t )
传感器模拟 电量
u ( t )
放大器放大 后模拟电量
u ( t )
A / D
数字 量 D
数字计算机数字 量
D / A
模拟 电量 执行元件第 8章 数模转换器和模数转换器
DAC的任务就是将输入数字信号,转换为与输入数字量成正比的输出模拟电流 i0或电压 u0.这一节要求我们熟悉 DAC的转换公式及分辨率的计算。
1,DAC的转化特性
DAC电路的输入是二进制数字信息。（用 B表示）其中最低位为 B0
和最高位为 Bn-1，它们的权位分别为 20和 2n-1，则,
B=（ Bn-12n-1+Bn-22n-2+...+B121+B020)
它的输出是与输入数字量成正比列的电压 u0或电流 i0,用公式表示为,
u0(或 i0)=K*B (K为比例常数 )
8.2 DAC
第 8章 数模转换器和模数转换器
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 。 N越大,分辨率越小,分辨能力越高 。
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 。
如,10位 D/A转换器的分辨率为：
2） 转换精度
(1) 非线性误差：它是由电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差
(2) 比例系数误差：它是参考电压 UR偏离引起的误差，也用满刻度的百
(3) 漂移误差：它是由集成运放漂移产生的误差。增益的改变也会引起
(4) 转换时间：也称输出建立时间。它是从输入数字信号时开始，到输出电压或电流达到稳态值时所需要的时间。
0 0 1.01 0 2 3112 110
12
1
nm
L S B
U
U分辨率第 8章 数模转换器和模数转换器 3,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。
第 8章 数模转换器和模数转换器
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
－
+
)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
iin RO BUu 22
例如,UR=8V,输入八位二进制数码为 11001011，则输出电压为
Vu O 34.62 0 328 8
第 8章 数模转换器和模数转换器
2）,倒 T型网络 DAC
R R R R
2 R 2 R 2 R 2 R 2 R 2 R
I
2
n
I
2
n － 1
I
8
I
4
I
2
S
n － 3
S
0
B
0
B
1
B
n － 2
B
n － 3
B
n － 1
＋
－
∞
△
A
U
R
f
S
1
… S
n － 2
S
n － 1
U
R
…
图 1 R-2R倒 T型网络 DAC电路由 UR向里看的等效电阻为 R，数码无论是 0 还是 1，开关 Si
都相当于接地。因此，由 UR流出的总电流为 I=UR/R，而流入 2R支路的电流是依 2的倍速递减第 8章 数模转换器和模数转换器
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
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
1
0
22
n
i
i
in
R BUU
R R R R
2 R 2 R 2 R 2 R 2 R 2 R
I
2
n
I
2
n － 1
I
8
I
4
I
2
S
n － 3
S
0
B
0
B
1
B
n － 2
B
n － 3
B
n － 1
＋
－
∞
△
A
U
R
f
S
1
… S
n － 2
S
n － 1
U
R
…
第 8章 数模转换器和模数转换器
4 集成 DAC
1 I
O1
I
O2
G N D
D
0
D
1
D
2
D
3
D
4
D
5
D
6
D
7
D
8
D
9
R
f
U
R E F
＋ U
DD
A D 7 5 2 0
2
3
4
5
6
7
8 9
10
11
12
13
14
15
16
图 2 AD7520引脚图
D0~D9为 10个数码控制位，控制着内部 CMOS
的电流开关。
IO1和 IO2为电流输出端。
Rf端为反馈电阻 Rf的一个引出端，另一个引出端和 IO1端连接在一起。
UREF端为基准电压输入端
+UDD端接电源的正端第 8章 数模转换器和模数转换器
8.3.1 ADC的组成
1,ADC的两个组成部分及其作用输入 模拟电 压
u
I
( t )
CP
s
S
A D C 的采 样保持 电路
C
采样 值展宽 信号 A D C 的量 化编码 电路
x
n － 1 ( M S B )
x
1
x
0
( L S B )
…
输出 数字量
X ( n 位 )
u
I
( t )′
图 3 ADC的组成部分由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的 A/D转换过程为,取样,保持、量化和编码。
8.3 ADC
第 8章 数模转换器和模数转换器
(1) 采样保持电路。
采样开关 S的控制信号 CPs的频率 fs必须满足公式 fs≥2f imax(fimax
为输入电压频谱中的最高频率 )，即其周期 Ts很小，而且采样时间 τ比
Ts更要小许多倍，这样就能将采样保持后的 不失真地恢复成输入电压
uI(t)。该公式称为采样定理。
(2) 量化编码电路。
将量化后的有限个整量值用 n位一组的某种数字代码 (如二进制码、
BCD码或 Gray码等 )对应描述以形成数字量，这种用数字代码表示量化幅值的过程称作“编码”。
采样后的值只限于在某些规定个数的离散的电平上，凡介于两个离散电平之间的采样值，就要用某种方式整理归并到这两个离散电平之一上。这种将幅值取整归并的方式及过程称为“量化”。
2,量化方式和量化误差
(1) 只舍不入法。
(2) 四舍五入法第 8章 数模转换器和模数转换器
1)
它是将取样保持信号 Uo不足一个 S的尾数舍去,取其原整数 。 如图 （ a） 。
区域 （ 3） 中 Uo=3.6V时将它归并到 Uq=3V的量化电平,因此,编码后的输出为
011。 这种方法 δ总为正值,δmax≈S。
2)
当 Uo的尾数＜ S/2时，用舍尾取整法得其量化值；当 Uo的尾数 ≥S/2时，用舍尾入整法得其量化值。如图（ b）采用了有舍有入法。区域（ 3）中 Uo=3.6 V，
尾数 0.6 V≥S/2=0.5V,因此,归化到 Uq=4V,编码后为 100 。区域（ 5）中 Uo=4.1V，
尾数小于 0.5V,归化到 4V,编码后为 100。这种方法 δ可为正，也可为负，但是
|δmax|=S/2。可见，它要比第一种方法误差要小。
第 8章 数模转换器和模数转换器
8.3.2 A/D转换器的主要技术指标
（ 1） 分辨率 —— 说明 A/D转换器对输入信号的分辨能力 。
一般以输出二进制 （ 或十进制 ） 数的位数表示 。 因为,在最大输入电压一定时,输出位数愈多,量化单位愈小,分辨率愈高 。
1,转换精度例如,相对误差 ≤± LSB/2,就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字 。
（ 2） 转换误差 —— 它表示 A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别 。 常用最低有效位的倍数表示 。
2,转换时间 —— 指从转换控制信号到来开始,到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间 。
并行比较 A/D转换器转换速度最高；逐次比较型 A/D转换器次之；
间接 A/D转换器的速度最慢 。
第 8章 数模转换器和模数转换器
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
8.3.3 A/D转换器的构成
1,并联比较型 A /D 转换器第 8章 数模转换器和模数转换器
－
+
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 。
第 8章 数模转换器和模数转换器输入模拟电压 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
第 8章 数模转换器和模数转换器
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 。
原理框图基本原理第 8章 数模转换器和模数转换器 逐次逼近式 ADC
＋
－
∞
△
A
Q
A
S
u
I
比较器
D / A
转换器
R J
K
1
F G
Q
B
S
R J
K
Q
C
S
R J
K
Q
D
S
R J
K
U
R
U
R
′
0 1 2 3 4
时序分配器
CP
D Q D
3
D Q D
2
D Q D
1
D Q D
0
图
4
四位逐次逼近型A/
D
转换器原理框图表
1
输出与输入数码的关系第 8章 数模转换器和模数转换器
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,
原理电路双积分 ADC又称双斜率 ADC,是间接法的一种,它先将模拟电压 uI转换成与之大小对应的时间 T,再在时间间隔 T内用计数器对固定频率计数,计数器所计的数字量就正比于输入模拟电压 。
第 8章 数模转换器和模数转换器
S
＋ u
I
R
＋
－
∞
△
A
1
u
A
＋
－
∞
△
A
2
U
C
C
积分 器过零 比较器
－ U
R
Q
n
F
n
R
Q
n － 1
F
n － 1
R
…
Q
1
F
1
R
Q
0
F
0
R
G
CP
u
G
启动
D
n － 1
… D
1
D
0
dtuu tA 101?
由于 uA＜ 0,过零比较器输出 UC=1,G门打开,n位二进制计数器从 0开始计数,一直到
CPn TTt 21
时,触发器 F0~Fn-1又全部回到 0,而触发器 Fn由 0
翻至 1,Qn=1,开关 S转接至基准电源 -UR,采样阶段结束 。 此时
ICP
n
IAA u
TuTUu
21
0
)(2)(1 110
1
TtUuTdtUUu RCPntT RAA
当 uA≥ 0时,过零比较器输出
UC=0,G门被封锁,计数器停止计数 。 假设此时计数器已记录了 N个脉冲,则
CPNTTtT 12
I
R
n
uUN 2?
第 8章 数模转换器和模数转换器
8.3.4 集成 ADC
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
12
13
14
15
16
17
18
19
20CS
RD
RW
C LK 1
I N TR
U
＋
IN
U
－
IN
A G N D
U
R E F
/ 2
D G N D DB
7
DB
6
DB
5
DB
4
DB
3
DB
2
DB
1
DB
0
C LK R
U
CC
A D C
0 8 0 1
图 5 ADC0801引脚图第 8章 数模转换器和模数转换器计算机系统
DB
7
DB
6
DB
5
DB
4
DB
3
DB
2
DB
1
DB
0
11
12
13
14
15
16
17
18
CS
RD
RW
I N TR
RD
RW
中断口片选
U
CC
C LK R
20
C LK 1
1 5 0 p F
1 0 k?
＋ 5 V
D G N D
A G N D
U
－
IN
U
＋
IN
U
R E F
2
A D C
0 8 0 1
NC
U
IN
(0 ～ 5 V )
数据口图 6 ADC0801电路典型应用第 8章 数模转换器和模数转换器补充,八位集成 ADC0809
图 7 ADC0809
(a) 电原理框图； (b) 引脚图第 8章 数模转换器和模数转换器
ADC0809通过 IN0~IN7可输入八路单端模拟电压 。 ALE将三位地址线
ADDC,ADDB和 ADDA进行锁存,然后由译码电路选通八路模拟输入中的某一路进行 A/D转换,地址译码与选通输入的关系如表 2所示 。
表 2 地址译码选通表通道号 01234567
地址
ADDC 00001111
ADDB 00110011
ADDA 01010101
ADC0809内部由树状开关和 256R电阻网络构成八位 D/A转换器,
其输入为逐次近似寄存器 SAR的八位二进制数据,输出为 UST,变换器的参考电压为 UR(+)和 UR(-)。
第 8章 数模转换器和模数转换器
IN0~IN7：模拟输入 。
UR(+)和 UR(-)：基准电压的正端和负端,由此施加基准电压,基准电压的中心点应在 UCC/2附近,其偏差不应超过 ± 0.1V。
ADDC,ADDB,ADDA,模拟输入端选通地址输入 。
ALE,地址锁存允许信号输入,高有效 。
D7~D0：数码输出 。
OE：输出允许信号,高有效 。 即当 OE=1时,打开输出锁存器的三态门,将数据送出 。
CLK,时钟脉冲输入端 。 一般在此端加 500kHz的 时钟信号 。
START：启动信号 。 为了启动 A/D转换 过程,应在此引脚加一个正脉冲,脉冲的上升沿将内部寄存器全部清 0,在其下降沿开始 A/D转换过程 。
EOC：转换结束输出信号 。 在 START信号 上升沿之后 1~8 个 时钟周期内,EOC信号变为低电平 。 当转换结束后,转换后数据可以读出时,EOC变为高电平 。
第 8章 数模转换器和模数转换器主要技术指标分辨率,八位。
转换时间,100μs 。
功耗,15mW
电源,5V 。
第 8章 数模转换器和模数转换器
28
第八章结束电子技术数字电路部分
8.1 概述
8.2 D/A转换器
8.3 A/D转换器第 8章 数模转换器和模数转换器
8.1 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 。
控制对象模拟非电 量
X ( t )
传感器模拟 电量
u ( t )
放大器放大 后模拟电量
u ( t )
A / D
数字 量 D
数字计算机数字 量
D / A
模拟 电量 执行元件第 8章 数模转换器和模数转换器
DAC的任务就是将输入数字信号,转换为与输入数字量成正比的输出模拟电流 i0或电压 u0.这一节要求我们熟悉 DAC的转换公式及分辨率的计算。
1,DAC的转化特性
DAC电路的输入是二进制数字信息。（用 B表示）其中最低位为 B0
和最高位为 Bn-1，它们的权位分别为 20和 2n-1，则,
B=（ Bn-12n-1+Bn-22n-2+...+B121+B020)
它的输出是与输入数字量成正比列的电压 u0或电流 i0,用公式表示为,
u0(或 i0)=K*B (K为比例常数 )
8.2 DAC
第 8章 数模转换器和模数转换器
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 。 N越大,分辨率越小,分辨能力越高 。
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 。
如,10位 D/A转换器的分辨率为：
2） 转换精度
(1) 非线性误差：它是由电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差
(2) 比例系数误差：它是参考电压 UR偏离引起的误差，也用满刻度的百
(3) 漂移误差：它是由集成运放漂移产生的误差。增益的改变也会引起
(4) 转换时间：也称输出建立时间。它是从输入数字信号时开始，到输出电压或电流达到稳态值时所需要的时间。
0 0 1.01 0 2 3112 110
12
1
nm
L S B
U
U分辨率第 8章 数模转换器和模数转换器 3,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。
第 8章 数模转换器和模数转换器
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
－
+
)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
iin RO BUu 22
例如,UR=8V,输入八位二进制数码为 11001011，则输出电压为
Vu O 34.62 0 328 8
第 8章 数模转换器和模数转换器
2）,倒 T型网络 DAC
R R R R
2 R 2 R 2 R 2 R 2 R 2 R
I
2
n
I
2
n － 1
I
8
I
4
I
2
S
n － 3
S
0
B
0
B
1
B
n － 2
B
n － 3
B
n － 1
＋
－
∞
△
A
U
R
f
S
1
… S
n － 2
S
n － 1
U
R
…
图 1 R-2R倒 T型网络 DAC电路由 UR向里看的等效电阻为 R，数码无论是 0 还是 1，开关 Si
都相当于接地。因此，由 UR流出的总电流为 I=UR/R，而流入 2R支路的电流是依 2的倍速递减第 8章 数模转换器和模数转换器
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
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
1
0
22
n
i
i
in
R BUU
R R R R
2 R 2 R 2 R 2 R 2 R 2 R
I
2
n
I
2
n － 1
I
8
I
4
I
2
S
n － 3
S
0
B
0
B
1
B
n － 2
B
n － 3
B
n － 1
＋
－
∞
△
A
U
R
f
S
1
… S
n － 2
S
n － 1
U
R
…
第 8章 数模转换器和模数转换器
4 集成 DAC
1 I
O1
I
O2
G N D
D
0
D
1
D
2
D
3
D
4
D
5
D
6
D
7
D
8
D
9
R
f
U
R E F
＋ U
DD
A D 7 5 2 0
2
3
4
5
6
7
8 9
10
11
12
13
14
15
16
图 2 AD7520引脚图
D0~D9为 10个数码控制位，控制着内部 CMOS
的电流开关。
IO1和 IO2为电流输出端。
Rf端为反馈电阻 Rf的一个引出端，另一个引出端和 IO1端连接在一起。
UREF端为基准电压输入端
+UDD端接电源的正端第 8章 数模转换器和模数转换器
8.3.1 ADC的组成
1,ADC的两个组成部分及其作用输入 模拟电 压
u
I
( t )
CP
s
S
A D C 的采 样保持 电路
C
采样 值展宽 信号 A D C 的量 化编码 电路
x
n － 1 ( M S B )
x
1
x
0
( L S B )
…
输出 数字量
X ( n 位 )
u
I
( t )′
图 3 ADC的组成部分由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的 A/D转换过程为,取样,保持、量化和编码。
8.3 ADC
第 8章 数模转换器和模数转换器
(1) 采样保持电路。
采样开关 S的控制信号 CPs的频率 fs必须满足公式 fs≥2f imax(fimax
为输入电压频谱中的最高频率 )，即其周期 Ts很小，而且采样时间 τ比
Ts更要小许多倍，这样就能将采样保持后的 不失真地恢复成输入电压
uI(t)。该公式称为采样定理。
(2) 量化编码电路。
将量化后的有限个整量值用 n位一组的某种数字代码 (如二进制码、
BCD码或 Gray码等 )对应描述以形成数字量，这种用数字代码表示量化幅值的过程称作“编码”。
采样后的值只限于在某些规定个数的离散的电平上，凡介于两个离散电平之间的采样值，就要用某种方式整理归并到这两个离散电平之一上。这种将幅值取整归并的方式及过程称为“量化”。
2,量化方式和量化误差
(1) 只舍不入法。
(2) 四舍五入法第 8章 数模转换器和模数转换器
1)
它是将取样保持信号 Uo不足一个 S的尾数舍去,取其原整数 。 如图 （ a） 。
区域 （ 3） 中 Uo=3.6V时将它归并到 Uq=3V的量化电平,因此,编码后的输出为
011。 这种方法 δ总为正值,δmax≈S。
2)
当 Uo的尾数＜ S/2时，用舍尾取整法得其量化值；当 Uo的尾数 ≥S/2时，用舍尾入整法得其量化值。如图（ b）采用了有舍有入法。区域（ 3）中 Uo=3.6 V，
尾数 0.6 V≥S/2=0.5V,因此,归化到 Uq=4V,编码后为 100 。区域（ 5）中 Uo=4.1V，
尾数小于 0.5V,归化到 4V,编码后为 100。这种方法 δ可为正，也可为负，但是
|δmax|=S/2。可见，它要比第一种方法误差要小。
第 8章 数模转换器和模数转换器
8.3.2 A/D转换器的主要技术指标
（ 1） 分辨率 —— 说明 A/D转换器对输入信号的分辨能力 。
一般以输出二进制 （ 或十进制 ） 数的位数表示 。 因为,在最大输入电压一定时,输出位数愈多,量化单位愈小,分辨率愈高 。
1,转换精度例如,相对误差 ≤± LSB/2,就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字 。
（ 2） 转换误差 —— 它表示 A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别 。 常用最低有效位的倍数表示 。
2,转换时间 —— 指从转换控制信号到来开始,到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间 。
并行比较 A/D转换器转换速度最高；逐次比较型 A/D转换器次之；
间接 A/D转换器的速度最慢 。
第 8章 数模转换器和模数转换器
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
8.3.3 A/D转换器的构成
1,并联比较型 A /D 转换器第 8章 数模转换器和模数转换器
－
+
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 。
第 8章 数模转换器和模数转换器输入模拟电压 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
第 8章 数模转换器和模数转换器
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 。
原理框图基本原理第 8章 数模转换器和模数转换器 逐次逼近式 ADC
＋
－
∞
△
A
Q
A
S
u
I
比较器
D / A
转换器
R J
K
1
F G
Q
B
S
R J
K
Q
C
S
R J
K
Q
D
S
R J
K
U
R
U
R
′
0 1 2 3 4
时序分配器
CP
D Q D
3
D Q D
2
D Q D
1
D Q D
0
图
4
四位逐次逼近型A/
D
转换器原理框图表
1
输出与输入数码的关系第 8章 数模转换器和模数转换器
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,
原理电路双积分 ADC又称双斜率 ADC,是间接法的一种,它先将模拟电压 uI转换成与之大小对应的时间 T,再在时间间隔 T内用计数器对固定频率计数,计数器所计的数字量就正比于输入模拟电压 。
第 8章 数模转换器和模数转换器
S
＋ u
I
R
＋
－
∞
△
A
1
u
A
＋
－
∞
△
A
2
U
C
C
积分 器过零 比较器
－ U
R
Q
n
F
n
R
Q
n － 1
F
n － 1
R
…
Q
1
F
1
R
Q
0
F
0
R
G
CP
u
G
启动
D
n － 1
… D
1
D
0
dtuu tA 101?
由于 uA＜ 0,过零比较器输出 UC=1,G门打开,n位二进制计数器从 0开始计数,一直到
CPn TTt 21
时,触发器 F0~Fn-1又全部回到 0,而触发器 Fn由 0
翻至 1,Qn=1,开关 S转接至基准电源 -UR,采样阶段结束 。 此时
ICP
n
IAA u
TuTUu
21
0
)(2)(1 110
1
TtUuTdtUUu RCPntT RAA
当 uA≥ 0时,过零比较器输出
UC=0,G门被封锁,计数器停止计数 。 假设此时计数器已记录了 N个脉冲,则
CPNTTtT 12
I
R
n
uUN 2?
第 8章 数模转换器和模数转换器
8.3.4 集成 ADC
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
12
13
14
15
16
17
18
19
20CS
RD
RW
C LK 1
I N TR
U
＋
IN
U
－
IN
A G N D
U
R E F
/ 2
D G N D DB
7
DB
6
DB
5
DB
4
DB
3
DB
2
DB
1
DB
0
C LK R
U
CC
A D C
0 8 0 1
图 5 ADC0801引脚图第 8章 数模转换器和模数转换器计算机系统
DB
7
DB
6
DB
5
DB
4
DB
3
DB
2
DB
1
DB
0
11
12
13
14
15
16
17
18
CS
RD
RW
I N TR
RD
RW
中断口片选
U
CC
C LK R
20
C LK 1
1 5 0 p F
1 0 k?
＋ 5 V
D G N D
A G N D
U
－
IN
U
＋
IN
U
R E F
2
A D C
0 8 0 1
NC
U
IN
(0 ～ 5 V )
数据口图 6 ADC0801电路典型应用第 8章 数模转换器和模数转换器补充,八位集成 ADC0809
图 7 ADC0809
(a) 电原理框图； (b) 引脚图第 8章 数模转换器和模数转换器
ADC0809通过 IN0~IN7可输入八路单端模拟电压 。 ALE将三位地址线
ADDC,ADDB和 ADDA进行锁存,然后由译码电路选通八路模拟输入中的某一路进行 A/D转换,地址译码与选通输入的关系如表 2所示 。
表 2 地址译码选通表通道号 01234567
地址
ADDC 00001111
ADDB 00110011
ADDA 01010101
ADC0809内部由树状开关和 256R电阻网络构成八位 D/A转换器,
其输入为逐次近似寄存器 SAR的八位二进制数据,输出为 UST,变换器的参考电压为 UR(+)和 UR(-)。
第 8章 数模转换器和模数转换器
IN0~IN7：模拟输入 。
UR(+)和 UR(-)：基准电压的正端和负端,由此施加基准电压,基准电压的中心点应在 UCC/2附近,其偏差不应超过 ± 0.1V。
ADDC,ADDB,ADDA,模拟输入端选通地址输入 。
ALE,地址锁存允许信号输入,高有效 。
D7~D0：数码输出 。
OE：输出允许信号,高有效 。 即当 OE=1时,打开输出锁存器的三态门,将数据送出 。
CLK,时钟脉冲输入端 。 一般在此端加 500kHz的 时钟信号 。
START：启动信号 。 为了启动 A/D转换 过程,应在此引脚加一个正脉冲,脉冲的上升沿将内部寄存器全部清 0,在其下降沿开始 A/D转换过程 。
EOC：转换结束输出信号 。 在 START信号 上升沿之后 1~8 个 时钟周期内,EOC信号变为低电平 。 当转换结束后,转换后数据可以读出时,EOC变为高电平 。
第 8章 数模转换器和模数转换器主要技术指标分辨率,八位。
转换时间,100μs 。
功耗,15mW
电源,5V 。
第 8章 数模转换器和模数转换器
28
第八章结束电子技术数字电路部分
