第十章 模数和数模转换第一节 D/A转换器第二节 A/D 转换器概述计算机系统是一个数字系统、离散系统，而我们生活的外部世界是一个模拟系统。为使计算机系统能够了解外部世界，
对外部事物进行处理，就必须有一个将模拟量转换为数字量，
将数字量转换为模拟量的接口，这就是常说的 A/D和 D/A。
虽然模拟量是无限可分的、连续的，数字量是离散的，
数字量永远也不能精确地描述模拟量,但由于我们对客观世界的了解、描述并不总需要极高的精度，所以 选择适当精度的数字量来描述模拟量是完全够用的 。
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。
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(Analog-to-DigitalConverter)；
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(Digital-to-AnalogConverter)。
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
…
信号放大多路开关本章将简单介绍 D/A转换器和 A/D转换器的几种主要形式。
温控系统中 D/A和 A/D运用示意图
§ 1 D/A转换器 (DAC)
一,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
转换特性即：输出模拟电压 uo=Ku× D ;Ku电压转换比例系数,
输出模拟电流 io=Ki× D ;Ki电流转换比例系数,
（ D,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?
转换特性,指输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。
理想的 D/A转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。
输入为 3位二进制数时的 D/A转换特性。
给定数字量的 D/A转换过程：
⑴ 按权展开，求相应位的模拟量；
⑵相加求和，求总的模拟量；
⑴ 电阻网络：实现按权展开；
⑵电子开关,给定数字量；
⑶求和电路,完成模拟量相加。
DAC的一般构成：
存在多种网络形式。
由晶体管或 MOS
管组成。
由运放组成 。
常见 DAC转换方法二进制权电阻网络 DAC
T型电阻网络 DAC
倒 T型电阻网络 DAC
二进制权电流 DAC
R 2 R 4 R 8R
R
F
I
1
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
－
+
R
VI
R
VI
R
VI
R
VI R E FR E FR E FR E F
3210 248
二、二进制权电阻网络 DAC
参考电压电子开关,d＝ 1→ 接,-”;d=0 → 接,+”
不论 d接哪端（虚地或实地），各支路电流不变。
求和电路
⒈ 电路
R 2 R 4 R 8R
R
F
I
1
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
REFREF
REFREFREFREF
N
R
V
dddd
R
V
d
R
V
d
R
V
d
R
V
d
R
V
dIdIdIdIi
3
0
0
1
1
2
2
3
33
3210
33221100
2
)2222(
2
248
BREFFFF N
V
R
RiRu
3o 2
设 RF=R/2
⒉ 转换原理
⒊ 输出
BR E F N
Vu
4o 2
RF=R/2
00112233 2222 ddddN B
给定数字量
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
三,T型电阻网络 DAC
⒈ 电路电子开关,d＝ 1→ 接,VR”;d=0 → 接,地,
2 R
2 R
R
+ V A
B
2 R
2 R
2 R
+ V R
A
⒉ 转换原理
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
① VR通过 S0到 D点的电压值等效电路：
32
RRA VV
RR
RV?
S0接 VR
S1 S2 S3接地
32
1
2
RAAB VVV
RR
RV
34
1
2
RBC VVV
38
1
2
RCD VVV
同理：
所以,当 d3d2d1d0＝ 0001时
38
1 R
D
VV
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
同理,当 d3d2d1d0＝ 0010时
34
1 R
D
VV
当 d3d2d1d0＝ 0100时
32
1 R
D
VV
当 d3d2d1d0＝ 1000时
3
RD VV?
② d3d2d1d0为任意值时
D点的电压值：
B
R
R
RRRR
D
N
V
dddd
V
d
V
d
V
d
V
d
V
V
32
)2222(
32
3834323
3
0
0
1
1
2
2
3
3
3
0123
输出：
BR
f
D
f
O N
V
R
RV
R
RV
3222 3 B
RO NVV
42
取 Rf＝ 3R:
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
① 开关在电阻网络和
VR之间。
②当 Si由地 → VR时，需建立起相应的 VD,影响工作速度。
③ 各开关动作时间不同，输出可能产生尖脉冲。
如,1000 → 0111 的转换：
可能为 1000 → 0000→0100→ 0110 → 0111
产生尖脉冲
⒊ 特点
t
Uo 1000
0000
0100
01100111
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I'
3
I' 0
I
0
I 2
I ∑
I
d 0
d
3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R
F
u o
－
+
S 3
S
0
S 1
S
2
I 3
P
P ’
⒈ 电路注,1,电子开关置于电阻网络和运放之间。
di＝ 1电流入 P点（虚地）,di＝ 0电流入地（实地）。
2、无论开关在左（实地）还是在右（虚地），
电流不变，故无需电流建立时间。
四、倒 T型电阻网络 DAC
⒉ 转换原理
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I'
3
I' 0
I
0
I 2
I ∑
I
d 0
d
3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R
F
u o
－
+
S 3
S
0
S 1
S
2
I 3
P
P ’
① 节点 A,B,C,D以左，等效电阻为 2R。
总等效电阻为 R。
② 总电流
R
VI R?
⒉ 转换原理（续）
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I'
3
I' 0
I
0
I 2
I ∑
I
d 0
d
3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R
F
u o
－
+
S 3
S
0
S 1
S
2
I 3
P
P ’
R
VII R
223
③ 每过一个节点，电流被分流 1/2。
R
VII R
42
'3
2
R
VII R
82
'2
1
R
VII R
162
'1
0
⒉ 转换原理（续）
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I' 3
I' 0
I 0
I 2
I ∑
I
d 0
d 3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R F
u o
－
+
S 3
S 0
S 1
S 2
I 3
P
P ’
R
VII R
223
R
VII R
42
'3
2
R
VII R
82
'2
1
R
VII R
162
'
10
④ 流入 P点总电流
）＋＋＋（ 00112233 2222161 ddddRVI R
⑤ 输出电压
）＋＋＋（ 001122334 22222 1 ddddFRFO RRVRIV
RRF＝取
BRRO N
VVV
4
00112233
4 222222 ）＋＋＋（ dddd
常见 DAC输出公式归纳权电阻网络
T型电阻网络倒 T型电阻网络
BRO N
VV
42
BRO N
VV
42
取 Rf＝ 3R
BFRFO NRR
VRIV
42
1
取 Rf＝ R
001122111
0
22222 dddd ＋＋＋
nnnnn
i
iiB dN
BnRO N
VV
2
取 RF=R/2
BR N
VV
4O 2
BR
f
D
f
O N
V
R
RV
R
RV
3222 3
BRFFF NR
VRiRV
3O 2
例 1：
设在 T型电阻网络中，输入二进制的位数 n＝ 6，参考电压
VR=10V，当输入 X＝ 110101时，求：
1,RF＝ 2R时,VO＝？
2,RF＝ 3R时,VO＝？
解：
BnR
f
O N
V
R
RV
23
1。
V 52.5192 5320)21212121(21032 02456 RRV O
2。
V 28.864 53105321033 6 RRV O
例 2：
设在 T型电阻网络中，参考电压 VR=6V,RF＝ 3R，求,
1,d3～ d0＝ 0001时,VO＝？
2,d3～ d0＝ 1111时,VO＝？
解：
BnR
f
O N
V
R
RV
23
1。
V 625.516 156)21212121(2 6 01234m a x OO VV
2。
叫 DAC的满刻度输出电压值，位数越多,Vomax越接近 VR。
V 3 7 5.0166)21(2 6 04m i n OO VV
叫 DAC的最小输出电压值，位数越多,Vomin越接近 0。
五,DAC常见输出形式
1.单极性输出方式输出从 0～正满度变化 (VR<0)
或输出从 0～负满度变化 (VR>0)① 单极性反相电压输出
DAC --
+
I∑
d0
d1
dn-1
VO
RF
BRFO N
VRIV
n2
DAC
+
--
I∑
d0
d1
dn-1
VO
RFR1
R
V+
V-
)1( 1
F
O R
RRIV
1
1
,RRR VRIVV
F
O
② 单极性同相电压输出
D/A电路形式说明,单极性输出 DAC,输入数字量一般采用自然二进制数,
如,n=8时,数字量输入与模拟量输出之间的关系如下表,
11111111
●
●
10000001
10000000
●
●
00000001
00000000
62
255
5RV?
模拟量
62
129
5RV?
62
128
5RV?
62
1
5RV?
62
0
5RV?
数字量
BnRO N
VV
2
1
0
2n
i
iiB dN
为时为时
OR
OR
VV
VV
,;,
2.双极性输出方式说明,
① 输出电压范围从负满度值～正满度值变化,(如 -5V～ +5V)
② 对应输入是带有符号位的数字代码,用 1位数字作符号位,
③ 在双极性转换中,常用的编码有,
符号 — 数值码（符号位＋数值码）
偏移二进制码
2的补码
BCD码
⑴ 偏移二进制码输入时，输入与输出的关系
11111111
●
●
10000001
10000000
01111111
●
●
00000001
00000000
62
255
5RV?
单极性输出
62
129
5RV?
62
128
5RV?
62
1
5RV?
62
0
5RV?
数字量
62
127
5RV?
双极性输出
128
127RV?
128
1RV?
01 2 80 RV
128
1RV?
128
127RV?
128
128RV?
有表可知：
11111111
●
●
10000001
10000000
01111111
●
●
00000001
00000000
622555RV?
单极性输出
621295RV?
621285RV?
6215RV?
6205RV?
数字量
621275RV?
双极性输出
128127RV?
1281RV?
01280 RV
1281RV?
128127RV?
128128RV?
① 同样的二进制码输入，
偏移双极性输出平移半程，
即输入 80H对应输出为 0。
② d7为符号位,7位有效数值位，输出正负各半。
③ 偏移码输入与输出的关系：
Rn BO V
NV )1
2( 1双
)2()22()122( RORRnBRn BO VVVVNVNV 单双
⑵ 偏移二进制码输入的 DAC电路
)2()122( RORn BO VVVNV 单双
DAC --
+
I∑
d0
d1
dn-1 VO1
RF1
VO--
+
R2
R1
RF2
VR
10KΩ
20KΩ20KΩ
A1 A2
① A1完成单极性输出，
BnRO N
VV
21
② A2完成构成加法电路，完成双极性输出。
一般集成 D/A转换器将电子开关、电阻网络集成在一块硅片上,外接基准电压 VR、求和运算放大器。
位数,8位,10位,12位,14位。
TTL工艺,AD1408,DAC100等。
CMOS工艺,AD7532,AD7541,DAC0808,DAC0832,5G7520等。
输入：并行（传统芯片，如上述所有型号）
串行（近几年开发的芯片，如 MAX518等）
六,集成 D/A转换器及其应用
DAC0832说明
① 8位 DA转换器
② COMS工艺
③ 倒 T型电阻网络
④ 内部有 2个数据寄存器
⑤ 直通、单缓冲、双缓冲 三种工作方式
⑴ 结构
⑵ 特点
D0～ D7：输入 8位数字量,D7最高位（ MSB）,D0最低位（ LSB）
Io1,Io2：模拟电流输出端,Io1+Io2=常数＝ VR/R
输入全 1时,Io1最大,Io2最小；反之则反。
Io1相当于倒 T形 DA转换中的 I∑ 。
RFB：运放用反馈电阻引出端。 RF＝ R，使得
BRO N
VV
82
⑶ 引脚说明
VR：基准电压，
VR＝－ 10V～＋ 10V
VCC,电源电压
＋ 5V～＋ 15V
⑶ 引脚说明（续 1）
DGND：数字信号接地端。
AGND：模拟信号接地端。
CS,片选信号，低有效。
ILE,输入锁存使能，
高有效。
1WR,写信号 1，低有效。
111 WRCSI L EWRCSI L ELE
01?LE,数据锁存。寄存器输出不随输入变化。
11?LE,数据直通。寄存器输出随输入变化。
⑶ 引脚说明（续 2）
2WR,写信号 2，低有效。
XFER,DAC转换控制端，低有效。
XF ERWRXF ERWRLE 222
02?LE,数据锁存。寄存器输出不随输入变化。
12?LE,数据直通。转换数据随输入变化。
⑷ 波形图（设 ILE ＝ 1）
该时刻输入数据被锁存该时刻 转换数据 被锁存
11?LE 12?LE
11 WRCSIL ELE
X F E RWRLE 22
时数据锁存02LE,01LE
⑸ 工作方式
① 直通工作方式：数据不作任何锁存；
② 单缓冲工作方式：数据被一个寄存器锁存；
③ 双缓冲工作方式：两个寄存器都对数据进行锁存。
直通工作方式
111 WRCSIL ELE
122 X F E RWRLE
⑸ 工作方式（续）
单缓冲工作方式可控:1LE
12?LE
双缓冲工作方式可控:1LE
可控:2LE
⑹ 调零和调满度
① 调零：输入 D0～ D7为全零，调 RE使 Vo＝ 0
② 调满度：输入 D0～ D7为全 1，调 RF使 Vo＝最大
③ 重复①②步骤，直到都满足为止。
步骤：
调零调满度七,D/A转换器的主要技术指标
⑴ 分辨率最大输出电压最小输出电压分辨率＝
1010 23
1
10 2
1
12
110?＝
－的分辨率＝位如 D A C
分辨率取决于 DAC的位数，故常用输入二进制数码的位数 n来表示分辨率：
n2
1 分辨率＝
⑵ 绝对误差
RV2 5 61 L S B DAC8
1＝：位如绝对误差＝理论满度值－实际满度值 < ± 1/2LSB
RV512L S B2
1 1＝
⑶ 线性度
① 在满度范围内，偏离理想转换特性的最大值与满度输出值之比，称为非线性误差。常用非线性误差的大小表征线性度。
② 相邻数码对应的输出模拟量之差的理想值为,2－ n 。
V o m a x
m a x?线性度＝
V o 2V o 2V o 1V o 1 m a xm a x,理实－，理实－
⑷ 建立时间 ts （转换速度）
转换器输入变化为满度值时（ 全 0→ 全 1，或全 1→ 全 0 ），
输出模拟量达到稳定所需要的时间。
不含运放的 DAC的建立时间，一般小于 0.1μS 。
含运放的集成 DAC的建立时间，一般小于 1.5μS 。
⑸ 其它指标电源电压、输出方式（电流、电压）、输出范围等等。
选择 DAC需考虑的次要指标：输出方式、输出范围（ VR取值）。
主要指标：分辨率、转换速度。
其它指标集成 DAC一般都能满足。
DAC转换小结：
1.转换过程,按权展开、相加求和。
2.一般构成：电阻网络、电子开关、求和电路 。
3.常用转换原理：权电阻,T型、倒 T型、权电流。
4.DAC常见输出形式：
BRFO N
VRIV
n2单单极性反相电压输出（自然二进制码）
双极性电压输出（偏移二进制码）
)2()12( 1 RORn BO VVVNV 单双
5.集成 DAC(DAC0832):8位，倒 T型，双缓冲，电流输出。
6.主要技术指标：分辨率、转换速度、绝对误差、线性度。
§ 2 A/D 转换器 (ADC)
A/D 转换器 (ADC)是将输入模拟信号转换成数字信号的装置。
按工作原理分类并行比较型逐次逼近型双积分型
V/F转换型按转换方式分类直接转换逐次逼近型双积分型
V/F转换型间接转换并行比较型一、转换原理模拟信号（ A）转换成数字信号（ D）需要时间，所以转换时间上是离散的；另一方面，模拟信号辐值连续，数字信号辐值离散。所以 AD转换需要做的是对模拟信号进行辐值离散和时间离散。
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 )
…
时间离散 → 采样定理辐值离散 → 量化编码
⒈ 采样电路
⑴ 要求
① 在采样时间内，信号维持不变，以提供足够的转换时间。
② 采样后保持原信号特征。
⑵ 采样定理
m a x2 iS ff?
采样频率大于 2倍输入信号频率的最大值。
①
②
③
⑦
①
② ④
⑤
⑥ ⑧
⑶ 采样保持电路
V
L
－
R1
+
V i
V o
C
V
A
V C
V o,V i
V o
V 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
R
f
V
L
采样脉冲信号
① VL=1时,V导通,Vo＝ Vc＝－ Vi
V－采样开关,R1＝ Rf
② VL=0时,V截止,Vc（ Vo）在短时内保持不变。
集成芯片 LF198：采样保持放大器，原理如上，
前端有隔离放大器。
Vc
⒉ 量化编码为了产生量化编码，在设计（或选择） AD器件时，首先应确定最小量化单位，即单位数字量所代表的模拟量。
如量化单位用△表示，量化过程为：把要转换的模拟量除△,
得：
① 整数部分，用二进制表示，即得转换数字量。
②余数部分，即量化误差。
误差处理：四舍五入 —— 误差小。
只舍不入 —— 误差大。
量化单位越小 → 转换位数越多 → 量化误差越小。
二、逐次逼近型 ADC
⒈ 转换方法根据设定的转换位数，从大到小依次给出各数位的权值数字量 （ 如 4位 AD，权值数字量分别为 1000,0100,0010,0001）,
进行 DA转换，分别得到不同的 Vo，使 Vo与 Vi进行比较，比较结果决定各数值位的取舍，直至 Vo最逼近 Vi为止，从而得到最终的转换结果。
转换过程类似于天平秤重的过程设有 8g,4g,2g,1g四种砝码，被秤重物为 13g。
砝码重量 比较判别 保留或除去该砝码次数
1 8g 8g<13g 保留
2 8g+4g 12g<13g 保留
3 8g+4g+2g 14g>13g 去除
4 8g+4g+1g 13g=13g 保留
⒉ 原理框图
DA转换器输出寄存器移位数码寄存器控制电路
CP脉冲比较器
Vo
Vi
产生数字砝码
A/D过程中：控制数字砝码的取舍。
A/D结束后：存放转换结果。
⒊ 电路
① 移位寄存器,G=1置数,EDBCA=11110; 有 CP左移,DL=1。
② 寄存器 F0～ F4:D触发器,D为比较结果,Vi>Vo’时 D=1; 使用了异步清 0和置 1端。
③ 此外还有,DAC电路、比较器、控制电路（ G1,G2,F5）等。
⒋ 原理
⑴ 指令
0000
1 111 0
1
1
G1=0→ /Rd=0→ Q3Q2Q1Q0 =0000
G移 =1→ 移存置数,QE～ A=11110 → QA=0 → /Sd4＝ 0→ Q4＝ 1
数字量 B4B3B2B1=1000→ 经 DAC得 Vo’=8V,Vo’<Vi → Vo=1
设 Vi=13.5V
量化单位△ =1V
⒋ 原理 (续 1)
⑵ 指令
0000
1 111 0
1
1
G1=1→ CP5↑ → Q5 =1 → G2开门,CP可进入移位寄存器
G移 =0→ 置数结束。
→→ 为移位做好准备。
⒋ 原理 (续 2)
⑶ CP1
1000
1 110 1
1
1
左移 1位 → QE～ A=11101,→ QB=0 → /Sd3＝ 0→ Q3＝ 1
→ CP4↑ → （ ∵ Vo=1） Q4＝ 1
数字量 B4B3B2B1=1100→ 经 DAC得 Vo’=12V,Vo’<Vi → Vo=1
⒋ 原理 (续 3)
⑷ CP2
1100
1 101 1
1
0
再左移 1位 → QE～ A=11011,→ QC=0 → /Sd2＝ 0→ Q2＝ 1
→ CP3↑ → （ ∵ Vo=1） Q3＝ 1
数字量 B4B3B2B1=1110→ 经 DAC得 Vo’=14V,Vo’>Vi → Vo=0
⒋ 原理 (续 4)
⑷ CP3
1010
1 011 1
1
1
再左移 1位 → QE～ A=10111,→ QD=0 → /Sd1＝ 0→ Q1＝ 1
→ CP2↑ → （ ∵ Vo=0） Q3＝ 0
数字量 B4B3B2B1=1101→ 经 DAC得 Vo’=13V,Vo’<Vi → Vo=1
⒋ 原理 (续 5)
⑷ CP4
1011
0 111 1
1
1
再左移 1位 → QE～ A=01111,→ QE=0
/Rd5＝ 0→ Q5＝ 0 → G2封锁,CP不能进入移位寄存。
/Sd0＝ 0→ Q0＝ 1 → CP1↑ → （ ∵ Vo=1） Q1＝ 1→ → 转换结束
AD转换结果,Q4Q3Q2Q1=1101
⒌ 逐次逼近型 ADC的特点
⑴ 速度较高
⑵精度较高
⑶转换时间固定（如 4位 ADC需 4个 CP脉冲）。
⑷一般输出带有缓冲器，便于与微机接口，应用较广泛。
总时间 T=T启动 +n× TCP
一般取 T启动 =2TCP
三、双积分型 ADC
⒈ 原理电路积分器：
对 Vi:定时积分。积分时间 T1，为计数器由全 0计到全 1
所需的时间。 时间 T1由 CP决定,电压 Uo由 Ui决定。
对 VR:定值积分。积分时间 T2，为 Uo由反向积分到 0所需的时间。 T2由 Uo 决定。
Qn＝ 0,S1→ ui
Qn＝ 1,S1→ -VR
逻辑控制门 触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器 比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
ui
－ VR
S1
S2
R
C
CP
CO
=1(uo≤ 0)
=0(uo>0)uo
dn-1 d 0
－ －
+ +
TCP
CO=
Qn
A
C
逻辑控制门 触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器 比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
ui
－ VR
S1
S2
R
C
CP
CO
=1(uo≤ 0)
=0(uo>0)uo
dn-1 d 0
－ －
+ +
TCP
CO=
Qn
A
C
⒈ 原理电路 (续 )
比较器,过 0比较,Uo > 0时 Co=0,封锁 G,使 CP不起作用。
Uo < 0时 Co=1,打开 G,计数器能对 CP计数。
控制门 G,控制计数与否。
Qn＝ 0,S1→ ui
Qn＝ 1,S1→ -VR
⒉ 工作过程
① 定时积分
(对 Vi) IcpRCPIRCt io VTVVTdtuu n21101
内的平均值。在是 1TuV iI cpn TT 21?
Qn＝ 0,S1→ ui
Qn＝ 1,S1→ -VR
逻辑控制门 触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器 比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
ui
－ VR
S1
S2
R
C
CP
CO
=1(uo≤ 0)
=0(uo>0)uo
dn-1 d 0
－ －
+ +
TCP
CO=
Qn
A
C
② 定值积分
(对 -VR )
IcpRCPo VTVu n2
)(1 21
0 RRCP
t
RPo VTVdtVVu cpNTT? 2
0 1I2 RcpRCcpRCo VNTVTu n 时，当 2
IVVN
R
n
逻辑控制门 触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器 比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
ui
－ VR
S1
S2
R
C
CP
CO
=1(uo≤ 0)
=0(uo>0)uo
dn-1 d 0
－ －
+ +
TCP
CO=
Qn
A
C
2 IV
V
N
R
n
所计的脉冲数 N与 Vi在 T1内的平均值 VI成正比,N即代表了 VI的数字形式，完成了 AD转换。
Qn
t
t
t
t
t
VS1 V
i
VREFV
o
VC
VG
T1 T2
2n N
Vi’
T2’
N’
⒊ 双积分型 ADC的特点：
⑴ 抗干扰能力强。 (与 Vi平均值成正比 )
⑵ 精度高。 (两次积分用同一个积分器，积分器本身的误差能抵消。 )
⑶ 速度较慢。
⑷一般用于工业现场仪表。
四、集成 A/D转换器
⒈ ADC0809
8位逐次逼近型 A/D转换器,内部有 8通道多路开关、
地址译码、电压比较器,8位 DA转换器、控制及时序电路等。
工作过程：
⑴ 由地址（ CBA）选择输入（ IN0～ IN7）,ALE进行地址锁存；
⑵ START启 AD转换；转换开始 EOC＝ 0；
⑶转换结束 EOC＝ 1，向外发出结束信号；
⑷ 使 OE＝ 1，读取转换结果。
控制与时序逐次逼近寄存器模拟开关
256电阻阶梯数据锁存和三态输出缓冲器
8路模拟开关地址锁存与译 码
－
＋
比较器
8位 DA
模拟输入
IN0
IN7
3位地址
C
B
A
地址锁存允许 ALE
VCC GND VR＋ VR－ OE输出允许
8位输出
EOC
启动
START
时钟
CLOCK
5V～ 15V
500KHz～ 1MHz
转换结束
ADC0809结构框图
⒉ 5G14433AD转换器 —— 3? 位 CMOS双积分型 A/D转换器。
⑴ 3? 位：能显示 4位数字，最高位显示 1,0；
其余位可显 0～ 9。
最大数字,1999；最小数字,0000
1110 2199910242
位之间。～位精度介于普通 1110 AD213?
① 线路简单 ；
②精度高、抗干扰能力强；
③输入 1路模拟量，输出 3位半 BCD码；
④速度慢；
⑤用于工业现场。
⑵ 特点五、主要技术指标
⒈ 转换精度
⒉ 转换速度分辨率：理论精度用 AD转换位数表示。
n位输出，有 2n个等级，每个等级相差 1/2nFSR。
FSR满量程输出。
一般分辨率指对参考电压的 1/2n，即 VREF/2n。
转换误差：实际转换数字量与理论转换数字量的差值。
一般用最低有效位的倍数表示,<1/2LSB。
主要由转换类型决定。直接比较：几十 ns
逐次逼近：几十 μs
双 积 分：几十 ms
本章要求
⒈ 熟练掌握 DA转换常用的几种方式（权电阻,T型、倒 T型、
权电流），掌握它们的转换原理、输出形式。
⒉ 熟练掌握 AD转换常用的几种方式（直接比较、逐次逼近、
双积分），掌握逐次逼近,双积分转换工作原理。
⒊ 熟练掌握 ADC和 DAC的主要技术指标。
⒋ 掌握常用集成 ADC和 DAC的特点。了解其选型的主要依据。
作业,10.2,10.4,10.8,10.9(假设启动脉冲相当 2个 CP周期 )
本章完
D/A电路形式：
R 2 R 4 R 8R
R F
I 1 I 0I 2I 3
I RE F
i F
i
S 3 S 0S 1S 2
d 0d 3 d 2 d 1
+ V RE F
u o
－
+
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I ∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I' 3
I' 0
I 0
I 2
I ∑
I
d 0
d 3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R F
u o
－
+
S 3
S 0
S 1
S 2
I 3
P
P ’
权电阻
T形倒 T形
I∑
I∑
I∑
结论：
D/A的输出电压都是 I∑ 与 RF
的乘积。
RF
RF
RF
对外部事物进行处理，就必须有一个将模拟量转换为数字量，
将数字量转换为模拟量的接口，这就是常说的 A/D和 D/A。
虽然模拟量是无限可分的、连续的，数字量是离散的，
数字量永远也不能精确地描述模拟量,但由于我们对客观世界的了解、描述并不总需要极高的精度，所以 选择适当精度的数字量来描述模拟量是完全够用的 。
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。
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(Analog-to-DigitalConverter)；
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(Digital-to-AnalogConverter)。
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
…
信号放大多路开关本章将简单介绍 D/A转换器和 A/D转换器的几种主要形式。
温控系统中 D/A和 A/D运用示意图
§ 1 D/A转换器 (DAC)
一,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
转换特性即：输出模拟电压 uo=Ku× D ;Ku电压转换比例系数,
输出模拟电流 io=Ki× D ;Ki电流转换比例系数,
（ D,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?
转换特性,指输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。
理想的 D/A转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。
输入为 3位二进制数时的 D/A转换特性。
给定数字量的 D/A转换过程：
⑴ 按权展开，求相应位的模拟量；
⑵相加求和，求总的模拟量；
⑴ 电阻网络：实现按权展开；
⑵电子开关,给定数字量；
⑶求和电路,完成模拟量相加。
DAC的一般构成：
存在多种网络形式。
由晶体管或 MOS
管组成。
由运放组成 。
常见 DAC转换方法二进制权电阻网络 DAC
T型电阻网络 DAC
倒 T型电阻网络 DAC
二进制权电流 DAC
R 2 R 4 R 8R
R
F
I
1
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
－
+
R
VI
R
VI
R
VI
R
VI R E FR E FR E FR E F
3210 248
二、二进制权电阻网络 DAC
参考电压电子开关,d＝ 1→ 接,-”;d=0 → 接,+”
不论 d接哪端（虚地或实地），各支路电流不变。
求和电路
⒈ 电路
R 2 R 4 R 8R
R
F
I
1
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
REFREF
REFREFREFREF
N
R
V
dddd
R
V
d
R
V
d
R
V
d
R
V
d
R
V
dIdIdIdIi
3
0
0
1
1
2
2
3
33
3210
33221100
2
)2222(
2
248
BREFFFF N
V
R
RiRu
3o 2
设 RF=R/2
⒉ 转换原理
⒊ 输出
BR E F N
Vu
4o 2
RF=R/2
00112233 2222 ddddN B
给定数字量
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
三,T型电阻网络 DAC
⒈ 电路电子开关,d＝ 1→ 接,VR”;d=0 → 接,地,
2 R
2 R
R
+ V A
B
2 R
2 R
2 R
+ V R
A
⒉ 转换原理
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
① VR通过 S0到 D点的电压值等效电路：
32
RRA VV
RR
RV?
S0接 VR
S1 S2 S3接地
32
1
2
RAAB VVV
RR
RV
34
1
2
RBC VVV
38
1
2
RCD VVV
同理：
所以,当 d3d2d1d0＝ 0001时
38
1 R
D
VV
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
同理,当 d3d2d1d0＝ 0010时
34
1 R
D
VV
当 d3d2d1d0＝ 0100时
32
1 R
D
VV
当 d3d2d1d0＝ 1000时
3
RD VV?
② d3d2d1d0为任意值时
D点的电压值：
B
R
R
RRRR
D
N
V
dddd
V
d
V
d
V
d
V
d
V
V
32
)2222(
32
3834323
3
0
0
1
1
2
2
3
3
3
0123
输出：
BR
f
D
f
O N
V
R
RV
R
RV
3222 3 B
RO NVV
42
取 Rf＝ 3R:
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I
∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
① 开关在电阻网络和
VR之间。
②当 Si由地 → VR时，需建立起相应的 VD,影响工作速度。
③ 各开关动作时间不同，输出可能产生尖脉冲。
如,1000 → 0111 的转换：
可能为 1000 → 0000→0100→ 0110 → 0111
产生尖脉冲
⒊ 特点
t
Uo 1000
0000
0100
01100111
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I'
3
I' 0
I
0
I 2
I ∑
I
d 0
d
3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R
F
u o
－
+
S 3
S
0
S 1
S
2
I 3
P
P ’
⒈ 电路注,1,电子开关置于电阻网络和运放之间。
di＝ 1电流入 P点（虚地）,di＝ 0电流入地（实地）。
2、无论开关在左（实地）还是在右（虚地），
电流不变，故无需电流建立时间。
四、倒 T型电阻网络 DAC
⒉ 转换原理
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I'
3
I' 0
I
0
I 2
I ∑
I
d 0
d
3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R
F
u o
－
+
S 3
S
0
S 1
S
2
I 3
P
P ’
① 节点 A,B,C,D以左，等效电阻为 2R。
总等效电阻为 R。
② 总电流
R
VI R?
⒉ 转换原理（续）
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I'
3
I' 0
I
0
I 2
I ∑
I
d 0
d
3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R
F
u o
－
+
S 3
S
0
S 1
S
2
I 3
P
P ’
R
VII R
223
③ 每过一个节点，电流被分流 1/2。
R
VII R
42
'3
2
R
VII R
82
'2
1
R
VII R
162
'1
0
⒉ 转换原理（续）
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I' 3
I' 0
I 0
I 2
I ∑
I
d 0
d 3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R F
u o
－
+
S 3
S 0
S 1
S 2
I 3
P
P ’
R
VII R
223
R
VII R
42
'3
2
R
VII R
82
'2
1
R
VII R
162
'
10
④ 流入 P点总电流
）＋＋＋（ 00112233 2222161 ddddRVI R
⑤ 输出电压
）＋＋＋（ 001122334 22222 1 ddddFRFO RRVRIV
RRF＝取
BRRO N
VVV
4
00112233
4 222222 ）＋＋＋（ dddd
常见 DAC输出公式归纳权电阻网络
T型电阻网络倒 T型电阻网络
BRO N
VV
42
BRO N
VV
42
取 Rf＝ 3R
BFRFO NRR
VRIV
42
1
取 Rf＝ R
001122111
0
22222 dddd ＋＋＋
nnnnn
i
iiB dN
BnRO N
VV
2
取 RF=R/2
BR N
VV
4O 2
BR
f
D
f
O N
V
R
RV
R
RV
3222 3
BRFFF NR
VRiRV
3O 2
例 1：
设在 T型电阻网络中，输入二进制的位数 n＝ 6，参考电压
VR=10V，当输入 X＝ 110101时，求：
1,RF＝ 2R时,VO＝？
2,RF＝ 3R时,VO＝？
解：
BnR
f
O N
V
R
RV
23
1。
V 52.5192 5320)21212121(21032 02456 RRV O
2。
V 28.864 53105321033 6 RRV O
例 2：
设在 T型电阻网络中，参考电压 VR=6V,RF＝ 3R，求,
1,d3～ d0＝ 0001时,VO＝？
2,d3～ d0＝ 1111时,VO＝？
解：
BnR
f
O N
V
R
RV
23
1。
V 625.516 156)21212121(2 6 01234m a x OO VV
2。
叫 DAC的满刻度输出电压值，位数越多,Vomax越接近 VR。
V 3 7 5.0166)21(2 6 04m i n OO VV
叫 DAC的最小输出电压值，位数越多,Vomin越接近 0。
五,DAC常见输出形式
1.单极性输出方式输出从 0～正满度变化 (VR<0)
或输出从 0～负满度变化 (VR>0)① 单极性反相电压输出
DAC --
+
I∑
d0
d1
dn-1
VO
RF
BRFO N
VRIV
n2
DAC
+
--
I∑
d0
d1
dn-1
VO
RFR1
R
V+
V-
)1( 1
F
O R
RRIV
1
1
,RRR VRIVV
F
O
② 单极性同相电压输出
D/A电路形式说明,单极性输出 DAC,输入数字量一般采用自然二进制数,
如,n=8时,数字量输入与模拟量输出之间的关系如下表,
11111111
●
●
10000001
10000000
●
●
00000001
00000000
62
255
5RV?
模拟量
62
129
5RV?
62
128
5RV?
62
1
5RV?
62
0
5RV?
数字量
BnRO N
VV
2
1
0
2n
i
iiB dN
为时为时
OR
OR
VV
VV
,;,
2.双极性输出方式说明,
① 输出电压范围从负满度值～正满度值变化,(如 -5V～ +5V)
② 对应输入是带有符号位的数字代码,用 1位数字作符号位,
③ 在双极性转换中,常用的编码有,
符号 — 数值码（符号位＋数值码）
偏移二进制码
2的补码
BCD码
⑴ 偏移二进制码输入时，输入与输出的关系
11111111
●
●
10000001
10000000
01111111
●
●
00000001
00000000
62
255
5RV?
单极性输出
62
129
5RV?
62
128
5RV?
62
1
5RV?
62
0
5RV?
数字量
62
127
5RV?
双极性输出
128
127RV?
128
1RV?
01 2 80 RV
128
1RV?
128
127RV?
128
128RV?
有表可知：
11111111
●
●
10000001
10000000
01111111
●
●
00000001
00000000
622555RV?
单极性输出
621295RV?
621285RV?
6215RV?
6205RV?
数字量
621275RV?
双极性输出
128127RV?
1281RV?
01280 RV
1281RV?
128127RV?
128128RV?
① 同样的二进制码输入，
偏移双极性输出平移半程，
即输入 80H对应输出为 0。
② d7为符号位,7位有效数值位，输出正负各半。
③ 偏移码输入与输出的关系：
Rn BO V
NV )1
2( 1双
)2()22()122( RORRnBRn BO VVVVNVNV 单双
⑵ 偏移二进制码输入的 DAC电路
)2()122( RORn BO VVVNV 单双
DAC --
+
I∑
d0
d1
dn-1 VO1
RF1
VO--
+
R2
R1
RF2
VR
10KΩ
20KΩ20KΩ
A1 A2
① A1完成单极性输出，
BnRO N
VV
21
② A2完成构成加法电路，完成双极性输出。
一般集成 D/A转换器将电子开关、电阻网络集成在一块硅片上,外接基准电压 VR、求和运算放大器。
位数,8位,10位,12位,14位。
TTL工艺,AD1408,DAC100等。
CMOS工艺,AD7532,AD7541,DAC0808,DAC0832,5G7520等。
输入：并行（传统芯片，如上述所有型号）
串行（近几年开发的芯片，如 MAX518等）
六,集成 D/A转换器及其应用
DAC0832说明
① 8位 DA转换器
② COMS工艺
③ 倒 T型电阻网络
④ 内部有 2个数据寄存器
⑤ 直通、单缓冲、双缓冲 三种工作方式
⑴ 结构
⑵ 特点
D0～ D7：输入 8位数字量,D7最高位（ MSB）,D0最低位（ LSB）
Io1,Io2：模拟电流输出端,Io1+Io2=常数＝ VR/R
输入全 1时,Io1最大,Io2最小；反之则反。
Io1相当于倒 T形 DA转换中的 I∑ 。
RFB：运放用反馈电阻引出端。 RF＝ R，使得
BRO N
VV
82
⑶ 引脚说明
VR：基准电压，
VR＝－ 10V～＋ 10V
VCC,电源电压
＋ 5V～＋ 15V
⑶ 引脚说明（续 1）
DGND：数字信号接地端。
AGND：模拟信号接地端。
CS,片选信号，低有效。
ILE,输入锁存使能，
高有效。
1WR,写信号 1，低有效。
111 WRCSI L EWRCSI L ELE
01?LE,数据锁存。寄存器输出不随输入变化。
11?LE,数据直通。寄存器输出随输入变化。
⑶ 引脚说明（续 2）
2WR,写信号 2，低有效。
XFER,DAC转换控制端，低有效。
XF ERWRXF ERWRLE 222
02?LE,数据锁存。寄存器输出不随输入变化。
12?LE,数据直通。转换数据随输入变化。
⑷ 波形图（设 ILE ＝ 1）
该时刻输入数据被锁存该时刻 转换数据 被锁存
11?LE 12?LE
11 WRCSIL ELE
X F E RWRLE 22
时数据锁存02LE,01LE
⑸ 工作方式
① 直通工作方式：数据不作任何锁存；
② 单缓冲工作方式：数据被一个寄存器锁存；
③ 双缓冲工作方式：两个寄存器都对数据进行锁存。
直通工作方式
111 WRCSIL ELE
122 X F E RWRLE
⑸ 工作方式（续）
单缓冲工作方式可控:1LE
12?LE
双缓冲工作方式可控:1LE
可控:2LE
⑹ 调零和调满度
① 调零：输入 D0～ D7为全零，调 RE使 Vo＝ 0
② 调满度：输入 D0～ D7为全 1，调 RF使 Vo＝最大
③ 重复①②步骤，直到都满足为止。
步骤：
调零调满度七,D/A转换器的主要技术指标
⑴ 分辨率最大输出电压最小输出电压分辨率＝
1010 23
1
10 2
1
12
110?＝
－的分辨率＝位如 D A C
分辨率取决于 DAC的位数，故常用输入二进制数码的位数 n来表示分辨率：
n2
1 分辨率＝
⑵ 绝对误差
RV2 5 61 L S B DAC8
1＝：位如绝对误差＝理论满度值－实际满度值 < ± 1/2LSB
RV512L S B2
1 1＝
⑶ 线性度
① 在满度范围内，偏离理想转换特性的最大值与满度输出值之比，称为非线性误差。常用非线性误差的大小表征线性度。
② 相邻数码对应的输出模拟量之差的理想值为,2－ n 。
V o m a x
m a x?线性度＝
V o 2V o 2V o 1V o 1 m a xm a x,理实－，理实－
⑷ 建立时间 ts （转换速度）
转换器输入变化为满度值时（ 全 0→ 全 1，或全 1→ 全 0 ），
输出模拟量达到稳定所需要的时间。
不含运放的 DAC的建立时间，一般小于 0.1μS 。
含运放的集成 DAC的建立时间，一般小于 1.5μS 。
⑸ 其它指标电源电压、输出方式（电流、电压）、输出范围等等。
选择 DAC需考虑的次要指标：输出方式、输出范围（ VR取值）。
主要指标：分辨率、转换速度。
其它指标集成 DAC一般都能满足。
DAC转换小结：
1.转换过程,按权展开、相加求和。
2.一般构成：电阻网络、电子开关、求和电路 。
3.常用转换原理：权电阻,T型、倒 T型、权电流。
4.DAC常见输出形式：
BRFO N
VRIV
n2单单极性反相电压输出（自然二进制码）
双极性电压输出（偏移二进制码）
)2()12( 1 RORn BO VVVNV 单双
5.集成 DAC(DAC0832):8位，倒 T型，双缓冲，电流输出。
6.主要技术指标：分辨率、转换速度、绝对误差、线性度。
§ 2 A/D 转换器 (ADC)
A/D 转换器 (ADC)是将输入模拟信号转换成数字信号的装置。
按工作原理分类并行比较型逐次逼近型双积分型
V/F转换型按转换方式分类直接转换逐次逼近型双积分型
V/F转换型间接转换并行比较型一、转换原理模拟信号（ A）转换成数字信号（ D）需要时间，所以转换时间上是离散的；另一方面，模拟信号辐值连续，数字信号辐值离散。所以 AD转换需要做的是对模拟信号进行辐值离散和时间离散。
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 )
…
时间离散 → 采样定理辐值离散 → 量化编码
⒈ 采样电路
⑴ 要求
① 在采样时间内，信号维持不变，以提供足够的转换时间。
② 采样后保持原信号特征。
⑵ 采样定理
m a x2 iS ff?
采样频率大于 2倍输入信号频率的最大值。
①
②
③
⑦
①
② ④
⑤
⑥ ⑧
⑶ 采样保持电路
V
L
－
R1
+
V i
V o
C
V
A
V C
V o,V i
V o
V 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
R
f
V
L
采样脉冲信号
① VL=1时,V导通,Vo＝ Vc＝－ Vi
V－采样开关,R1＝ Rf
② VL=0时,V截止,Vc（ Vo）在短时内保持不变。
集成芯片 LF198：采样保持放大器，原理如上，
前端有隔离放大器。
Vc
⒉ 量化编码为了产生量化编码，在设计（或选择） AD器件时，首先应确定最小量化单位，即单位数字量所代表的模拟量。
如量化单位用△表示，量化过程为：把要转换的模拟量除△,
得：
① 整数部分，用二进制表示，即得转换数字量。
②余数部分，即量化误差。
误差处理：四舍五入 —— 误差小。
只舍不入 —— 误差大。
量化单位越小 → 转换位数越多 → 量化误差越小。
二、逐次逼近型 ADC
⒈ 转换方法根据设定的转换位数，从大到小依次给出各数位的权值数字量 （ 如 4位 AD，权值数字量分别为 1000,0100,0010,0001）,
进行 DA转换，分别得到不同的 Vo，使 Vo与 Vi进行比较，比较结果决定各数值位的取舍，直至 Vo最逼近 Vi为止，从而得到最终的转换结果。
转换过程类似于天平秤重的过程设有 8g,4g,2g,1g四种砝码，被秤重物为 13g。
砝码重量 比较判别 保留或除去该砝码次数
1 8g 8g<13g 保留
2 8g+4g 12g<13g 保留
3 8g+4g+2g 14g>13g 去除
4 8g+4g+1g 13g=13g 保留
⒉ 原理框图
DA转换器输出寄存器移位数码寄存器控制电路
CP脉冲比较器
Vo
Vi
产生数字砝码
A/D过程中：控制数字砝码的取舍。
A/D结束后：存放转换结果。
⒊ 电路
① 移位寄存器,G=1置数,EDBCA=11110; 有 CP左移,DL=1。
② 寄存器 F0～ F4:D触发器,D为比较结果,Vi>Vo’时 D=1; 使用了异步清 0和置 1端。
③ 此外还有,DAC电路、比较器、控制电路（ G1,G2,F5）等。
⒋ 原理
⑴ 指令
0000
1 111 0
1
1
G1=0→ /Rd=0→ Q3Q2Q1Q0 =0000
G移 =1→ 移存置数,QE～ A=11110 → QA=0 → /Sd4＝ 0→ Q4＝ 1
数字量 B4B3B2B1=1000→ 经 DAC得 Vo’=8V,Vo’<Vi → Vo=1
设 Vi=13.5V
量化单位△ =1V
⒋ 原理 (续 1)
⑵ 指令
0000
1 111 0
1
1
G1=1→ CP5↑ → Q5 =1 → G2开门,CP可进入移位寄存器
G移 =0→ 置数结束。
→→ 为移位做好准备。
⒋ 原理 (续 2)
⑶ CP1
1000
1 110 1
1
1
左移 1位 → QE～ A=11101,→ QB=0 → /Sd3＝ 0→ Q3＝ 1
→ CP4↑ → （ ∵ Vo=1） Q4＝ 1
数字量 B4B3B2B1=1100→ 经 DAC得 Vo’=12V,Vo’<Vi → Vo=1
⒋ 原理 (续 3)
⑷ CP2
1100
1 101 1
1
0
再左移 1位 → QE～ A=11011,→ QC=0 → /Sd2＝ 0→ Q2＝ 1
→ CP3↑ → （ ∵ Vo=1） Q3＝ 1
数字量 B4B3B2B1=1110→ 经 DAC得 Vo’=14V,Vo’>Vi → Vo=0
⒋ 原理 (续 4)
⑷ CP3
1010
1 011 1
1
1
再左移 1位 → QE～ A=10111,→ QD=0 → /Sd1＝ 0→ Q1＝ 1
→ CP2↑ → （ ∵ Vo=0） Q3＝ 0
数字量 B4B3B2B1=1101→ 经 DAC得 Vo’=13V,Vo’<Vi → Vo=1
⒋ 原理 (续 5)
⑷ CP4
1011
0 111 1
1
1
再左移 1位 → QE～ A=01111,→ QE=0
/Rd5＝ 0→ Q5＝ 0 → G2封锁,CP不能进入移位寄存。
/Sd0＝ 0→ Q0＝ 1 → CP1↑ → （ ∵ Vo=1） Q1＝ 1→ → 转换结束
AD转换结果,Q4Q3Q2Q1=1101
⒌ 逐次逼近型 ADC的特点
⑴ 速度较高
⑵精度较高
⑶转换时间固定（如 4位 ADC需 4个 CP脉冲）。
⑷一般输出带有缓冲器，便于与微机接口，应用较广泛。
总时间 T=T启动 +n× TCP
一般取 T启动 =2TCP
三、双积分型 ADC
⒈ 原理电路积分器：
对 Vi:定时积分。积分时间 T1，为计数器由全 0计到全 1
所需的时间。 时间 T1由 CP决定,电压 Uo由 Ui决定。
对 VR:定值积分。积分时间 T2，为 Uo由反向积分到 0所需的时间。 T2由 Uo 决定。
Qn＝ 0,S1→ ui
Qn＝ 1,S1→ -VR
逻辑控制门 触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器 比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
ui
－ VR
S1
S2
R
C
CP
CO
=1(uo≤ 0)
=0(uo>0)uo
dn-1 d 0
－ －
+ +
TCP
CO=
Qn
A
C
逻辑控制门 触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器 比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
ui
－ VR
S1
S2
R
C
CP
CO
=1(uo≤ 0)
=0(uo>0)uo
dn-1 d 0
－ －
+ +
TCP
CO=
Qn
A
C
⒈ 原理电路 (续 )
比较器,过 0比较,Uo > 0时 Co=0,封锁 G,使 CP不起作用。
Uo < 0时 Co=1,打开 G,计数器能对 CP计数。
控制门 G,控制计数与否。
Qn＝ 0,S1→ ui
Qn＝ 1,S1→ -VR
⒉ 工作过程
① 定时积分
(对 Vi) IcpRCPIRCt io VTVVTdtuu n21101
内的平均值。在是 1TuV iI cpn TT 21?
Qn＝ 0,S1→ ui
Qn＝ 1,S1→ -VR
逻辑控制门 触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器 比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
ui
－ VR
S1
S2
R
C
CP
CO
=1(uo≤ 0)
=0(uo>0)uo
dn-1 d 0
－ －
+ +
TCP
CO=
Qn
A
C
② 定值积分
(对 -VR )
IcpRCPo VTVu n2
)(1 21
0 RRCP
t
RPo VTVdtVVu cpNTT? 2
0 1I2 RcpRCcpRCo VNTVTu n 时，当 2
IVVN
R
n
逻辑控制门 触发器 n 位二进制计数器 &
输入模拟电压基准电压积分器 比较器控制门 G
n 位二进制数字输出
ui
－ VR
S1
S2
R
C
CP
CO
=1(uo≤ 0)
=0(uo>0)uo
dn-1 d 0
－ －
+ +
TCP
CO=
Qn
A
C
2 IV
V
N
R
n
所计的脉冲数 N与 Vi在 T1内的平均值 VI成正比,N即代表了 VI的数字形式，完成了 AD转换。
Qn
t
t
t
t
t
VS1 V
i
VREFV
o
VC
VG
T1 T2
2n N
Vi’
T2’
N’
⒊ 双积分型 ADC的特点：
⑴ 抗干扰能力强。 (与 Vi平均值成正比 )
⑵ 精度高。 (两次积分用同一个积分器，积分器本身的误差能抵消。 )
⑶ 速度较慢。
⑷一般用于工业现场仪表。
四、集成 A/D转换器
⒈ ADC0809
8位逐次逼近型 A/D转换器,内部有 8通道多路开关、
地址译码、电压比较器,8位 DA转换器、控制及时序电路等。
工作过程：
⑴ 由地址（ CBA）选择输入（ IN0～ IN7）,ALE进行地址锁存；
⑵ START启 AD转换；转换开始 EOC＝ 0；
⑶转换结束 EOC＝ 1，向外发出结束信号；
⑷ 使 OE＝ 1，读取转换结果。
控制与时序逐次逼近寄存器模拟开关
256电阻阶梯数据锁存和三态输出缓冲器
8路模拟开关地址锁存与译 码
－
＋
比较器
8位 DA
模拟输入
IN0
IN7
3位地址
C
B
A
地址锁存允许 ALE
VCC GND VR＋ VR－ OE输出允许
8位输出
EOC
启动
START
时钟
CLOCK
5V～ 15V
500KHz～ 1MHz
转换结束
ADC0809结构框图
⒉ 5G14433AD转换器 —— 3? 位 CMOS双积分型 A/D转换器。
⑴ 3? 位：能显示 4位数字，最高位显示 1,0；
其余位可显 0～ 9。
最大数字,1999；最小数字,0000
1110 2199910242
位之间。～位精度介于普通 1110 AD213?
① 线路简单 ；
②精度高、抗干扰能力强；
③输入 1路模拟量，输出 3位半 BCD码；
④速度慢；
⑤用于工业现场。
⑵ 特点五、主要技术指标
⒈ 转换精度
⒉ 转换速度分辨率：理论精度用 AD转换位数表示。
n位输出，有 2n个等级，每个等级相差 1/2nFSR。
FSR满量程输出。
一般分辨率指对参考电压的 1/2n，即 VREF/2n。
转换误差：实际转换数字量与理论转换数字量的差值。
一般用最低有效位的倍数表示,<1/2LSB。
主要由转换类型决定。直接比较：几十 ns
逐次逼近：几十 μs
双 积 分：几十 ms
本章要求
⒈ 熟练掌握 DA转换常用的几种方式（权电阻,T型、倒 T型、
权电流），掌握它们的转换原理、输出形式。
⒉ 熟练掌握 AD转换常用的几种方式（直接比较、逐次逼近、
双积分），掌握逐次逼近,双积分转换工作原理。
⒊ 熟练掌握 ADC和 DAC的主要技术指标。
⒋ 掌握常用集成 ADC和 DAC的特点。了解其选型的主要依据。
作业,10.2,10.4,10.8,10.9(假设启动脉冲相当 2个 CP周期 )
本章完
D/A电路形式：
R 2 R 4 R 8R
R F
I 1 I 0I 2I 3
I RE F
i F
i
S 3 S 0S 1S 2
d 0d 3 d 2 d 1
+ V RE F
u o
－
+
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
R F
I ∑
S 0
S 3
S 2
S 1
d 3
d 0
d 1
d 2
+ V R
u o
－
+
B
C
D
A
P
2 R
R
R
R
2 R
2 R
2 R
2 R
2 R
I 1
I' 1
I' 2
I' 3
I' 0
I 0
I 2
I ∑
I
d 0
d 3
d 2
d 1
V R
B
C
D
A
R F
u o
－
+
S 3
S 0
S 1
S 2
I 3
P
P ’
权电阻
T形倒 T形
I∑
I∑
I∑
结论：
D/A的输出电压都是 I∑ 与 RF
的乘积。
RF
RF
RF
