第九章 数 -模转换和模 -数转换
9.1
9.2 D/A转换器 (DAC)
9.3 A/D转换器 (ADC)
§ 9-1 概述模拟信号到数字信号的转换称为模 —
A/D（ Analog to Digital）
把实现 A/D转换的电路称为 A/D转换器（ Analog Digital
Converter ADC）
从数字信号到模拟信号的转换称为 D/A（ Digital to
Analog）转换把实现 D/A转换的电路称为 D/A转换器（ Digital Analog
Converter DAC）
DAC
网络 DAC权电阻倒梯形电阻网络 DAC
ADC
直接 ADC
间接 ADC
权电流型 DAC
权电容型 DAC
开关树型 DAC
输入 /输出方式并行串行
§ 9-2-1 权电阻型 D/A转换器
§ 9-2 D/A转换器（ DAC）
模拟开关，
受 Di控制权电阻网络求和放大器输入代码，为 1时，模拟开关上拨；
为 0时，模拟开关下拨。
运算放大器总的输入电流为
1
0
1
1
0
1
1
0
2222
n
i
i
in
R
n
i
i
in
R
n
i
i DR
UD
R
UII
运算放大器的输出电压为
1
0
1 22
n
i
i
in
Rf
f DR
URIRU
若 Rf=1/2R，代入上式后则得
1
0
1
0
1 2222
n
i
i
in
R
n
i
i
in
Rf DUD
R
URU
当 D=Dn-1…D0=0时
Rn
n
m UU 2
12
因而 U的变化范围是
Rn
n
U
2
12~0?
当 D=Dn-1… D0=11…1 时,最大输出电压精度由电阻的精度定，而此电路中阻值差别大，对集成不利
U=0
§ 9-2-1 倒 T形电阻网络 D/A
Di=1,Si将电阻接到运放反向输入端
Di=0,Si将电阻接到运放同向输入端都是虚地，各支路电流不会变化流入 2R支路的电流是依 2的倍速递减
1
0
0
0
1
1
2
2
1
1
0112111
2
2
)2222(
2
2222
n
i
i
in
n
n
n
nn
nnnn
D
I
DDDD
I
I
D
I
D
I
D
I
DI流入运算放大器的电流为运算放大器的输出电压为
1
0
22
n
i
i
in
f
f D
IRRIU
若 Rf=R，并将 I=UR/R代入上式,则有
1
0
2
2
n
i
i
in
R DUU
可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。
§ 9-2-4 八位集成 DAC0832
DAC0832的三种工作方式
§ 9-3 A/D转换器（ ADC）
§ 9-3-1 A/D转换器的基本原理由于模拟量时间上连续，数字量离散，所以转换时在时轴上的规定点对模拟信号采样，
一般步骤为：
采样 保持 量化 编码
1,采样定理 模拟信号采样信号取样频率 fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率 fmax的两倍,
即：
m a x2 ff s?
2,量化和编码将采样电压转化为数字量最小数量单位的整数倍的过程 —— 量化 用?表示将量化结果用代码表示出来 —— 编码由于模拟量不一定能被?整除 —— 量化误差例如：要将 0?1V的模拟电压转换为三位二进制代码方法一：取?＝ 1/8 V,0?1/8 V 的电压以 0×?表示，则模拟电压
0V
1/8 V
2/8 V
3/8 V
4/8 V
5/8 V
6/8 V
7/8 V
1V
二进制编码
000
001
010
011
100
101
110
111
代表的模拟电压电平
0?＝ 0V?
1?＝ 1/8 V
12?＝ 2/8 V
3?＝ 3/8 V
4?＝ 4/8 V
5?＝ 5/8 V
6?＝ 6/8 V
7?＝ 7/8 V
可见量化误差最大达?=1/8 V
方法二：取?＝ 2/15 V,0?1/15 V 的电压以 0×?表示，则模拟电压
0V1/15 V
3/15 V
5/15 V
7/15 V
9/15 V
11/15 V
13/15 V
1V
二进制编码
000
001
010
011
100
101
110
111
代表的模拟电压电平
0?＝ 0V?
1?＝ 2/15 V
2?＝ 4/15 V
3?＝ 6/15 V
4?＝ 8/15 V
5?＝ 10/15 V
6?＝ 12/15 V
7?＝ 14/15 V
可见量化误差最大达?/2=1/15 V
§ 9-3-2 采样－保持电路
MOS管，做模拟开关采样控制信号保持电容 采样输出波形
1,并联比较型 A/D转换器
§ 9-3-3 直接 A/D转换器寄存器：由七个 D触发器构成 。 在时钟脉冲 CP的作用下,
将比较结果暂时寄存,以供编码用 。
01234560
1351
32
QQQQQQQD
QQQD
QD
编码器：由六个与非门构成 。 将比较器送来的七位二进制码转换成三位二进制代码 D2,D1,D0。 编码网络的逻辑关系为并联型 A/D转换器的转换关系例如,假设模拟输入 UIN=3.8V,UR=8V。 当模拟输入
UIN=3.8V加到各级比较器时,由于
VU
VU
R
R
5.4
16
9
5.3
16
7
因此,比较器的输出 C6~C0为 0001111。 在时钟脉冲作用下,比较器的输出存入寄存器,经编码网络输出 A/D转换结果,D2D1D0=100。
优点：转换速度很快缺点：电路复杂，转换精度较低。
2,反馈比较型 A/D转换器
3,逐次渐进型 A/D转换器
1,双积分型 A/D转换器
§ 9-3-4 间接 A/D转换器积分器：输入端接开关 S,S受触发器 Fn的控制 。
当 Qn=0 时,S接输入电压 +Ui，积分器对输入信号电压 +Ui（正极性）积分（正向积分）
当 Qn=1 时,S接基准电压 -UR（负极性），积分器对基准电压 -UR积分（负向积分）
积分器输出 Uo接零值比较器 。
当零值比较器输出 UC=1 时,G门开,标准时钟脉冲通过
G门加到计数器；
零值比较器：其输出 UC作为控制门 G的门控信号。
当积分器输出 Uo≤0时，比较器输出 UC=1；
当积分器输出 Uo>0时，比较器输出 UC=0。
时钟控制门 G：
当零值比较器输出 UC=0时,G门关，标准时钟脉冲不能通过 G门加到计数器，计数器停止计数。
计数器,由 n+1个触发器构成,Fn-1…F1F0构成 n
位二进制计数器,Fn实现对 S的控制 。
取样阶段
dtUtU t io )(1)(
0?
其中 τ=RC为积分时间常数。
当 +Ui为正极性不变常量时,Uo（ T1） 值为
i
CP
n
io U
TUTTU
2)( 1
1
比较阶段 。 开关转至 -UR后,积分器对基准电压进行负向积分,积分器输出为
)(
2
)(
1
)()(
1
1
1
Tt
U
U
T
dtUTUtU
R
i
CP
n
t
T
Roo
当 Uo＞ 0 时,零值比较器输出 UC=0,G门关,计数器停止计数,完成一个转换周期 。 假设此时计数器已记录了 α个脉冲,
R
in
R
CP
i
CP
n
R
i
CP
n
R
i
CP
n
CP
U
U
V
U
T
U
T
T
U
U
T
Tt
U
U
T
TTU
TTtT
2
0
2
)(
2
)(
2
)(
2
121
12
9.3.5 八位集成 ADC0809
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
RE F
＋ U
DD
A D 7 5 2 0
2
3
4
5
6
7
8 9
10
11
12
13
14
15
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9.1
9.2 D/A转换器 (DAC)
9.3 A/D转换器 (ADC)
§ 9-1 概述模拟信号到数字信号的转换称为模 —
A/D（ Analog to Digital）
把实现 A/D转换的电路称为 A/D转换器（ Analog Digital
Converter ADC）
从数字信号到模拟信号的转换称为 D/A（ Digital to
Analog）转换把实现 D/A转换的电路称为 D/A转换器（ Digital Analog
Converter DAC）
DAC
网络 DAC权电阻倒梯形电阻网络 DAC
ADC
直接 ADC
间接 ADC
权电流型 DAC
权电容型 DAC
开关树型 DAC
输入 /输出方式并行串行
§ 9-2-1 权电阻型 D/A转换器
§ 9-2 D/A转换器（ DAC）
模拟开关，
受 Di控制权电阻网络求和放大器输入代码，为 1时，模拟开关上拨；
为 0时，模拟开关下拨。
运算放大器总的输入电流为
1
0
1
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1
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n
i
i
in
R
n
i
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运算放大器的输出电压为
1
0
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若 Rf=1/2R，代入上式后则得
1
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R
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R
URU
当 D=Dn-1…D0=0时
Rn
n
m UU 2
12
因而 U的变化范围是
Rn
n
U
2
12~0?
当 D=Dn-1… D0=11…1 时,最大输出电压精度由电阻的精度定，而此电路中阻值差别大，对集成不利
U=0
§ 9-2-1 倒 T形电阻网络 D/A
Di=1,Si将电阻接到运放反向输入端
Di=0,Si将电阻接到运放同向输入端都是虚地，各支路电流不会变化流入 2R支路的电流是依 2的倍速递减
1
0
0
0
1
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2
2
1
1
0112111
2
2
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2
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in
n
n
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D
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1
0
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n
i
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若 Rf=R，并将 I=UR/R代入上式,则有
1
0
2
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n
i
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R DUU
可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。
§ 9-2-4 八位集成 DAC0832
DAC0832的三种工作方式
§ 9-3 A/D转换器（ ADC）
§ 9-3-1 A/D转换器的基本原理由于模拟量时间上连续，数字量离散，所以转换时在时轴上的规定点对模拟信号采样，
一般步骤为：
采样 保持 量化 编码
1,采样定理 模拟信号采样信号取样频率 fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率 fmax的两倍,
即：
m a x2 ff s?
2,量化和编码将采样电压转化为数字量最小数量单位的整数倍的过程 —— 量化 用?表示将量化结果用代码表示出来 —— 编码由于模拟量不一定能被?整除 —— 量化误差例如：要将 0?1V的模拟电压转换为三位二进制代码方法一：取?＝ 1/8 V,0?1/8 V 的电压以 0×?表示，则模拟电压
0V
1/8 V
2/8 V
3/8 V
4/8 V
5/8 V
6/8 V
7/8 V
1V
二进制编码
000
001
010
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100
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代表的模拟电压电平
0?＝ 0V?
1?＝ 1/8 V
12?＝ 2/8 V
3?＝ 3/8 V
4?＝ 4/8 V
5?＝ 5/8 V
6?＝ 6/8 V
7?＝ 7/8 V
可见量化误差最大达?=1/8 V
方法二：取?＝ 2/15 V,0?1/15 V 的电压以 0×?表示，则模拟电压
0V1/15 V
3/15 V
5/15 V
7/15 V
9/15 V
11/15 V
13/15 V
1V
二进制编码
000
001
010
011
100
101
110
111
代表的模拟电压电平
0?＝ 0V?
1?＝ 2/15 V
2?＝ 4/15 V
3?＝ 6/15 V
4?＝ 8/15 V
5?＝ 10/15 V
6?＝ 12/15 V
7?＝ 14/15 V
可见量化误差最大达?/2=1/15 V
§ 9-3-2 采样－保持电路
MOS管，做模拟开关采样控制信号保持电容 采样输出波形
1,并联比较型 A/D转换器
§ 9-3-3 直接 A/D转换器寄存器：由七个 D触发器构成 。 在时钟脉冲 CP的作用下,
将比较结果暂时寄存,以供编码用 。
01234560
1351
32
QQQQQQQD
QQQD
QD
编码器：由六个与非门构成 。 将比较器送来的七位二进制码转换成三位二进制代码 D2,D1,D0。 编码网络的逻辑关系为并联型 A/D转换器的转换关系例如,假设模拟输入 UIN=3.8V,UR=8V。 当模拟输入
UIN=3.8V加到各级比较器时,由于
VU
VU
R
R
5.4
16
9
5.3
16
7
因此,比较器的输出 C6~C0为 0001111。 在时钟脉冲作用下,比较器的输出存入寄存器,经编码网络输出 A/D转换结果,D2D1D0=100。
优点：转换速度很快缺点：电路复杂，转换精度较低。
2,反馈比较型 A/D转换器
3,逐次渐进型 A/D转换器
1,双积分型 A/D转换器
§ 9-3-4 间接 A/D转换器积分器：输入端接开关 S,S受触发器 Fn的控制 。
当 Qn=0 时,S接输入电压 +Ui，积分器对输入信号电压 +Ui（正极性）积分（正向积分）
当 Qn=1 时,S接基准电压 -UR（负极性），积分器对基准电压 -UR积分（负向积分）
积分器输出 Uo接零值比较器 。
当零值比较器输出 UC=1 时,G门开,标准时钟脉冲通过
G门加到计数器；
零值比较器：其输出 UC作为控制门 G的门控信号。
当积分器输出 Uo≤0时，比较器输出 UC=1；
当积分器输出 Uo>0时，比较器输出 UC=0。
时钟控制门 G：
当零值比较器输出 UC=0时,G门关，标准时钟脉冲不能通过 G门加到计数器，计数器停止计数。
计数器,由 n+1个触发器构成,Fn-1…F1F0构成 n
位二进制计数器,Fn实现对 S的控制 。
取样阶段
dtUtU t io )(1)(
0?
其中 τ=RC为积分时间常数。
当 +Ui为正极性不变常量时,Uo（ T1） 值为
i
CP
n
io U
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2)( 1
1
比较阶段 。 开关转至 -UR后,积分器对基准电压进行负向积分,积分器输出为
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2
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1
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1
1
1
Tt
U
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T
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当 Uo＞ 0 时,零值比较器输出 UC=0,G门关,计数器停止计数,完成一个转换周期 。 假设此时计数器已记录了 α个脉冲,
R
in
R
CP
i
CP
n
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9.3.5 八位集成 ADC0809
集成 DAC
1 I
O1
I
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