李中发 制作中国水利水电出版社数字逻辑电路第 12章 模拟量与数字量的转换学习要点
理解数模与模数转换的基本原理
了解常用数模与模数转换集成芯片的使用方法
12.1 数模转换器
12.2 模数转换器第 12章 模拟量与数字量的转换
12.1 数模转换器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 。 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
12.1.1 D/A转换器的基本原理
1,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
D/A转换器的转换特性,是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系 。 图示是输入为 3位二进制数时的 D/A转换器的转换特性 。 理想的 D/A转换器的转换特性,应是输出模拟量与输入数字量成正比 。 即：输出模拟电压 uo=Ku× D或输出模拟电流 io=Ki× D。 其中 Ku或 Ki为电压或电流转换比例系数,D
为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?
12.1.2 T型电阻网络数模转换器
1 0 1 0 1 0 1 0
R R R
2 R 2 R 2 R 2 R
R
f
S
0
S
3
S
2
S
1
d
3
d
0
d
1
d
2
U
R
u
o
A ∞
－
+
+
2R
2 R
数码 di=1（ i=0,1,2,3），即为高电平时，则由其控制的模拟电子开关 Si自动接通左边触点，即接到基准电压 UR上；
而当 di=0，即为低电平时，则由其控制的模拟电子开关 Si自动接通右边触点，即接到地。
R R R
2 R 2 R 2 R 2 R
U
R
A
2 R
R
f
u
o
∞
－
+
+
2Rd3d2d1d0=0001时的电路：
用戴维南定理从左至右逐级对各虚线处进行等效。
U
R
2
1
R R
R
2 R 2 R
A
R
f
u
o
∞
－
+
+
2R
2 R
R
U
R
2
2
R R
R
2 R 2 R
A
R
f
u
o
∞
－
+
+
2R
U
R
2
3
R
R
2 R
A
R
f
u
o
∞
－
+
+
2R
U
R
2
4
R
A
R
f
u
o
∞
－
+
+
2R
由图可得输出电压为：
4
Rf
4
Rf
o0 2322 R
URU
RR
Ru
由于 d0=1,d3=d2=d1=0，所以上式又可写为：
04
Rf
o0 23 dR
URu
同理，当 d3d2d1d0=0010时的输出电压为：
13
Rf
o1 23 dR
URu
当 d3d2d1d0=0100时的输出电压为：
22
Rf
o2 23 dR
URu
当 d3d2d1d0=1000时的输出电压为：
31
Rf
o3 23 dR
URu
应用叠加原理将上面 4个电压分量叠加，即得 T形电阻网络数模转换器的输出电压为：
)2222(
23
23232323
0
0
1
1
2
2
3
34
Rf
31
Rf
22
Rf
13
Rf
04
Rf
o3o2o1o0o
dddd
R
UR
d
R
UR
d
R
UR
d
R
UR
d
R
UR
uuuuu
当取 Rf=3R时，则上式成为：
)2222(2 001122334Ro ddddUu
如果输入的是 n位二进制数，则：
)2222(2 00112211Ro ddddUu nnnnn?
括号中的是 4 位二进制数按权的展开式。可见，输入的数字量被转换为模拟电压，而且输出模拟电压 u
o
与输入的数字量成正比。当输入信号 0 0 0 00123?dddd 时，输出电压 0o?u ；
当输入信号
0 0 0 1
0123
dddd
时，输出电压 Ro
16
1
Uu,…，
当输入信号
1 1 1 1
0123
dddd
时，输出电压 Ro
16
15
Uu 。
S
0
S
3
S
2
S
1
1 0 1 0 1 0 1 0
R
R
F
d
3
d
0
d
1
d
2
U
R
u
o
∞
－
+
+
R R
2 R 2 R 2 R 2 R2 R
I
R
A B C D
① 分别从虚线 A,B,C,D处向左看的二端网络等效电阻都是 R。
② 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 。
从参考电压 UR处输入的电流 IR为：
R
UI R
R?
12.1.3 倒 T型电阻网络数模转换器
S
0
S
3
S
2
S
1
1 0 1 0 1 0 1 0
R
R
F
d
3
d
0
d
1
d
2
U
R
u
o
∞
－
+
+
R R
2 R 2 R 2 R 2 R2 R
I
R
A B C D
I
3
I
2
I
1
I
0
I
R
U
II
R
U
II
R
U
II
R
U
II
R
R
R
F
R
R
R
R
4031
2213
216
1
28
1
24
1
22
1
各支路电流 IR为：
S
0
S
3
S
2
S
1
1 0 1 0 1 0 1 0
R
R
F
d
3
d
0
d
1
d
2
U
R
u
o
∞
－
+
+
R R
2 R 2 R 2 R 2 R2 R
I
R
A B C D
I
3
I
2
I
1
I
0
I
)2222(
2
0
0
1
1
2
2
3
34
33221100
dddd
R
U
dIdIdIdII
R E F
)2222(
2
0
0
1
1
2
2
3
34o ddddR
RUIRu FR
F
12.1.4 集成数模转换器及其应用
0.1 μ F
I
o
U
R
(+ 5V )
U
EE
(-5 V )
1 16
2 15
3 14
4 13
5 12
6 11
7 10
8 9
D A C08 08
NC
G ND
U
EE
I
o
d
7
d
6
d
5
d
4
CO P
U
R
( - )
U
R
(+ )
U
CC
d
0
d
1
d
2
d
3
5 13 14
6
7 15
8
9 2
10
11 4
12 3 16
D A C08 08
U
CC
(+ 5V )
2.4k Ω
2.4k Ω
R
L
d
0
d
1
d
2
d
3
d
4
d
5
d
6
d
7
(a ) (b)
（ 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 。
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 。 10位 D/A转换器的分辨率为：
（ 2） 转换精度
D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差,即最大静态转换误差 。
（ 3） 输出建立时间从输入数字信号起,到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间,称为输出建立时间 。
0 0 1.01 0 2 3112 110
12.1.5 数模转换器的主要技术指标
12.2.1 A/D转换器的基本原理
1,A /D 转换器的基本原理
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 )
…
模拟电子开关 S在采样脉冲 CPS的控制下重复接通,断开的过程 。 S接通时,ui(t)对 C充电,为采样过程； S断开时,C
上的电压保持不变,为保持过程 。 在保持过程中,采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组 n位的二进制数输出 。
12.2 模数转换器
2,采样 - 保持电路
t0时刻 S闭合,CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为 1，因此这一阶段 uo跟随 ui变化，即 uo＝ ui。 t1时刻采样阶段结束,S断开，电路处于保持阶段。若 A2的输入阻抗为无穷大,S为理想开关，则 CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压 uo维持不变。
采样定理,m a x2 is ff?
∞
-
+
Δ
+
C
H
u
o
u
i
∞
-
+
Δ
+
采样脉冲开关驱动电路
SA
1
A
2
u
o
,u
i
u
o
u
i
0
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
12.2.2 并联比较型模数转换器
u
i
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
&
&
&
&
&
&
U
R
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
R
R
R
R
R
R
CP
比较器 寄存器 编码器
F
7
F
6
F
5
F
4
F
3
F
2
F
1
+
+
-
∞
C
7
+
+
-
∞
C
6
+
+
-
∞
C
5
+
+
-
∞
C
4
+
+
-
∞
C
3
+
+
-
∞
C
2
+
+
-
∞
C
1
2
R
2
0≤ui＜ UR/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。
UR/14≤ui ＜ 3UR/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。
3UR/14 ≤ui＜ 5UR/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。
5UR/14≤ui＜ 7UR/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 。
u
i
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
&
&
&
&
&
&
U
R
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
R
R
R
R
R
R
CP
比较器 寄存器 编码器
F
7
F
6
F
5
F
4
F
3
F
2
F
1
+
+
-
∞
C
7
+
+
-
∞
C
6
+
+
-
∞
C
5
+
+
-
∞
C
4
+
+
-
∞
C
3
+
+
-
∞
C
2
+
+
-
∞
C
1
2
R
2
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
12.2.3 逐次逼近型模数转换器输出数字量 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 。 若 ui＞ uo,说明数字过大了,故将最高位的 1清除；
若 ui＜ uo,说明数字还不够大,应将这一位保留 。 然后,再按同样的方式将次高位置成 1,并且经过比较以后确定这个 1
是否应该保留 。 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所要求的数字量输出 。
原理框图基本原理
4位逐次逼近型 A/D转换器
G
5
G
6
G
7
G
1
G
2
G
3
G
4
Q
1
Q
2
Q
3
Q
4
Q
5
u
i
D
C
D
C
D
C
D
C
D
C
& & &
≥ 1 ≥ 1
&
u
o
C
u
A
d
3
(2
3
)
d
2
(2
2
)
d
1
(2
1
)
d
0
(2
0
)
F
B
Q
J
K
F
A
Q
J
K
F
C
Q
J
K
4 位 D / A 转换器
F
1
F
2
F
3
F
4
F
5
－ +
+ ∞
A
F
D
Q
J
K
≥ 1
&
&
&
&
d
3
d
2
d
1
d
0
C C C C
G
8
G
9
G
10
G
11
工作原理为了分析方便，设 D/A转换器的参考电压为 UR=8V，输入的模拟电压为 ui=4.52V。
转换开始前，先将逐次逼近寄存器的 4个触发器 FA～ FD清 0，并把环形计数器的状态置为 Q1Q2Q3Q4Q5=00001。
第 1个时钟脉冲 C的上升沿到来时，环形计数器右移一位，其状态变为 10000。由于 Q1=1,Q2,Q3,Q4,Q5均为 0，于是触发器 FA被置 1,FB,FC和 FD被置 0。所以，这时加到 D/A转换器输入端的代码为 d3d2d1d0=1000,D/A转换器的输出电压为：
V 4816 8)2222(2 001122334Ro ddddUu
uo和 ui在比较器中比较,由于 uo<ui,所以比较器的输出电压为 uA=0。
第 2个时钟脉冲 C的上升沿到来时,环形计数器又右移一位,
其状态变为 01000。 这时由于 uA=0,Q2=1,Q1,Q3,Q4,Q5
均为 0,于是触发器 FA的 1保留 。 与此同时,Q2的高电平将触发器 FB置 1。 所以,这时加到 D/A转换器输入端的代码为
d3d2d1d0=1100,D/A转换器的输出电压为：
V 6)48(16 8)2222(2 001122334Ro ddddUu
uo和 ui在比较器中比较,由于 uo>ui,所以比较器的输出电压为 uA=1。
第 3个时钟脉冲 C的上升沿到来时,环形计数器又右移一位,
其状态变为 00100。 这时由于 uA=1,Q3=1,Q1,Q2,Q4,Q5
均为 0,于是触发器 FA的 1保留,而 FB被置 0。 与此同时,Q3的高电平将触发器 FC置 1。 所以,这时加到 D/A转换器输入端的代码为 d3d2d1d0=1010,D/A转换器的输出电压为：
V 5)28(16 8)2222(2 001122334Ro ddddUu
uo和 ui在比较器中比较,由于 uo>ui,所以比较器的输出电压为 uA=1。
第 4个时钟脉冲 C的上升沿到来时,环形计数器又右移一位,
其状态变为 00010。 这时由于 uA=1,Q4=1,Q1,Q2,Q3,Q5
均为 0,于是触发器 FA,FB的状态保持不变,而触发器 FC被置
0。 与此同时,Q4的高电平将触发器 FD置 1。 所以,这时加到
D/A转换器输入端的代码为 d3d2d1d0=1001,D/A转换器的输出电压为：
V 5.4)18(16 8)2222(2 001122334Ro ddddUu
uo和 ui在比较器中比较,由于 uo<ui,所以比较器的输出电压为 uA=0。
第 5个时钟脉冲 C的上升沿到来时,环形计数器又右移一位,
其状态变为 00001。 这时由于 uA=0,Q5=1,Q1,Q2,Q3,Q4
均为 0,于是触发器 FA,FB,FC,FD的状态均保持不变,即加到 D/A转换器输入端的代码为 d3d2d1d0=1001。 同时,Q5的高电平将门 G8～ G11打开,使作为转换结果通过门 G8～ G11送出 。
这样就完成了一次转换。转换过程如表所示。
顺序脉冲 d
3 d 2 d 1 d 0 u o /V
比较判断 该位数码 1 是否保留
1
2
3
4
1 0 0 0
1 1 0 0
1 0 1 0
1 0 0 1
4
6
5
4.5
u o < u i
u o > u i
u o > u i
u o < u i
保留除去除去保留基本原理,对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔 T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。
原理电路
12.2.4 双积分型模数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
- U
R
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
=
+
+
-
∞
+
+
-
∞
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
- U
R
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
=
+
+
-
∞
+
+
-
∞
i
R
n
U
U
N 22?
计数器中所计的二进制数值
12.2.5 集成模数转换器及其应用
(20)
+ 5V
U
i n ( +)
V
CC
D
0
U
i n ( -)
D
1
A G ND D
2
A D C0801 D
3
U
R
/2 D
4
CL K
R
D
5
D
6
CL K
in
D
7
CS
RD WR
D G ND INT R
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
+ 5V
(1)
(2)
(10)
(6)
(7)
(8)
(9)
(19)
(4)
(18)
(17)
(16)
(15)
(14)
(13)
(12)
(11)
(5)
(3)
LED
输入模拟电压
u
i
0~ 5V
调节时钟频率
R
10k Ω
C
150p F
空脚
（ 1） 分辨率
A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示,位数越多,
误差越小,转换精度越高 。 例如,输入模拟电压的变化范围为 0～ 5V,输出 8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为
5V× 2－ 8＝ 20mV；而输出 12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为 5V× 2－ 12≈1.22mV。
（ 2） 相对精度在理想情况下,所有的转换点应当在一条直线上 。 相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差 。
（ 3） 转换速度转换速度是指完成一次转换所需的时间 。 转换时间是指从接到转换控制信号开始,到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间 。
12.2.6 模数转换器的主要技术指标
理解数模与模数转换的基本原理
了解常用数模与模数转换集成芯片的使用方法
12.1 数模转换器
12.2 模数转换器第 12章 模拟量与数字量的转换
12.1 数模转换器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 。 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
12.1.1 D/A转换器的基本原理
1,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
D/A转换器的转换特性,是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系 。 图示是输入为 3位二进制数时的 D/A转换器的转换特性 。 理想的 D/A转换器的转换特性,应是输出模拟量与输入数字量成正比 。 即：输出模拟电压 uo=Ku× D或输出模拟电流 io=Ki× D。 其中 Ku或 Ki为电压或电流转换比例系数,D
为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?
12.1.2 T型电阻网络数模转换器
1 0 1 0 1 0 1 0
R R R
2 R 2 R 2 R 2 R
R
f
S
0
S
3
S
2
S
1
d
3
d
0
d
1
d
2
U
R
u
o
A ∞
－
+
+
2R
2 R
数码 di=1（ i=0,1,2,3），即为高电平时，则由其控制的模拟电子开关 Si自动接通左边触点，即接到基准电压 UR上；
而当 di=0，即为低电平时，则由其控制的模拟电子开关 Si自动接通右边触点，即接到地。
R R R
2 R 2 R 2 R 2 R
U
R
A
2 R
R
f
u
o
∞
－
+
+
2Rd3d2d1d0=0001时的电路：
用戴维南定理从左至右逐级对各虚线处进行等效。
U
R
2
1
R R
R
2 R 2 R
A
R
f
u
o
∞
－
+
+
2R
2 R
R
U
R
2
2
R R
R
2 R 2 R
A
R
f
u
o
∞
－
+
+
2R
U
R
2
3
R
R
2 R
A
R
f
u
o
∞
－
+
+
2R
U
R
2
4
R
A
R
f
u
o
∞
－
+
+
2R
由图可得输出电压为：
4
Rf
4
Rf
o0 2322 R
URU
RR
Ru
由于 d0=1,d3=d2=d1=0，所以上式又可写为：
04
Rf
o0 23 dR
URu
同理，当 d3d2d1d0=0010时的输出电压为：
13
Rf
o1 23 dR
URu
当 d3d2d1d0=0100时的输出电压为：
22
Rf
o2 23 dR
URu
当 d3d2d1d0=1000时的输出电压为：
31
Rf
o3 23 dR
URu
应用叠加原理将上面 4个电压分量叠加，即得 T形电阻网络数模转换器的输出电压为：
)2222(
23
23232323
0
0
1
1
2
2
3
34
Rf
31
Rf
22
Rf
13
Rf
04
Rf
o3o2o1o0o
dddd
R
UR
d
R
UR
d
R
UR
d
R
UR
d
R
UR
uuuuu
当取 Rf=3R时，则上式成为：
)2222(2 001122334Ro ddddUu
如果输入的是 n位二进制数，则：
)2222(2 00112211Ro ddddUu nnnnn?
括号中的是 4 位二进制数按权的展开式。可见，输入的数字量被转换为模拟电压，而且输出模拟电压 u
o
与输入的数字量成正比。当输入信号 0 0 0 00123?dddd 时，输出电压 0o?u ；
当输入信号
0 0 0 1
0123
dddd
时，输出电压 Ro
16
1
Uu,…，
当输入信号
1 1 1 1
0123
dddd
时，输出电压 Ro
16
15
Uu 。
S
0
S
3
S
2
S
1
1 0 1 0 1 0 1 0
R
R
F
d
3
d
0
d
1
d
2
U
R
u
o
∞
－
+
+
R R
2 R 2 R 2 R 2 R2 R
I
R
A B C D
① 分别从虚线 A,B,C,D处向左看的二端网络等效电阻都是 R。
② 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 。
从参考电压 UR处输入的电流 IR为：
R
UI R
R?
12.1.3 倒 T型电阻网络数模转换器
S
0
S
3
S
2
S
1
1 0 1 0 1 0 1 0
R
R
F
d
3
d
0
d
1
d
2
U
R
u
o
∞
－
+
+
R R
2 R 2 R 2 R 2 R2 R
I
R
A B C D
I
3
I
2
I
1
I
0
I
R
U
II
R
U
II
R
U
II
R
U
II
R
R
R
F
R
R
R
R
4031
2213
216
1
28
1
24
1
22
1
各支路电流 IR为：
S
0
S
3
S
2
S
1
1 0 1 0 1 0 1 0
R
R
F
d
3
d
0
d
1
d
2
U
R
u
o
∞
－
+
+
R R
2 R 2 R 2 R 2 R2 R
I
R
A B C D
I
3
I
2
I
1
I
0
I
)2222(
2
0
0
1
1
2
2
3
34
33221100
dddd
R
U
dIdIdIdII
R E F
)2222(
2
0
0
1
1
2
2
3
34o ddddR
RUIRu FR
F
12.1.4 集成数模转换器及其应用
0.1 μ F
I
o
U
R
(+ 5V )
U
EE
(-5 V )
1 16
2 15
3 14
4 13
5 12
6 11
7 10
8 9
D A C08 08
NC
G ND
U
EE
I
o
d
7
d
6
d
5
d
4
CO P
U
R
( - )
U
R
(+ )
U
CC
d
0
d
1
d
2
d
3
5 13 14
6
7 15
8
9 2
10
11 4
12 3 16
D A C08 08
U
CC
(+ 5V )
2.4k Ω
2.4k Ω
R
L
d
0
d
1
d
2
d
3
d
4
d
5
d
6
d
7
(a ) (b)
（ 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 。
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 。 10位 D/A转换器的分辨率为：
（ 2） 转换精度
D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差,即最大静态转换误差 。
（ 3） 输出建立时间从输入数字信号起,到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间,称为输出建立时间 。
0 0 1.01 0 2 3112 110
12.1.5 数模转换器的主要技术指标
12.2.1 A/D转换器的基本原理
1,A /D 转换器的基本原理
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 )
…
模拟电子开关 S在采样脉冲 CPS的控制下重复接通,断开的过程 。 S接通时,ui(t)对 C充电,为采样过程； S断开时,C
上的电压保持不变,为保持过程 。 在保持过程中,采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组 n位的二进制数输出 。
12.2 模数转换器
2,采样 - 保持电路
t0时刻 S闭合,CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为 1，因此这一阶段 uo跟随 ui变化，即 uo＝ ui。 t1时刻采样阶段结束,S断开，电路处于保持阶段。若 A2的输入阻抗为无穷大,S为理想开关，则 CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压 uo维持不变。
采样定理,m a x2 is ff?
∞
-
+
Δ
+
C
H
u
o
u
i
∞
-
+
Δ
+
采样脉冲开关驱动电路
SA
1
A
2
u
o
,u
i
u
o
u
i
0
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
12.2.2 并联比较型模数转换器
u
i
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
&
&
&
&
&
&
U
R
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
R
R
R
R
R
R
CP
比较器 寄存器 编码器
F
7
F
6
F
5
F
4
F
3
F
2
F
1
+
+
-
∞
C
7
+
+
-
∞
C
6
+
+
-
∞
C
5
+
+
-
∞
C
4
+
+
-
∞
C
3
+
+
-
∞
C
2
+
+
-
∞
C
1
2
R
2
0≤ui＜ UR/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。
UR/14≤ui ＜ 3UR/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。
3UR/14 ≤ui＜ 5UR/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。
5UR/14≤ui＜ 7UR/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 。
u
i
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
1D
C 1
&
&
&
&
&
&
U
R
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
R
R
R
R
R
R
CP
比较器 寄存器 编码器
F
7
F
6
F
5
F
4
F
3
F
2
F
1
+
+
-
∞
C
7
+
+
-
∞
C
6
+
+
-
∞
C
5
+
+
-
∞
C
4
+
+
-
∞
C
3
+
+
-
∞
C
2
+
+
-
∞
C
1
2
R
2
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
12.2.3 逐次逼近型模数转换器输出数字量 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 。 若 ui＞ uo,说明数字过大了,故将最高位的 1清除；
若 ui＜ uo,说明数字还不够大,应将这一位保留 。 然后,再按同样的方式将次高位置成 1,并且经过比较以后确定这个 1
是否应该保留 。 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所要求的数字量输出 。
原理框图基本原理
4位逐次逼近型 A/D转换器
G
5
G
6
G
7
G
1
G
2
G
3
G
4
Q
1
Q
2
Q
3
Q
4
Q
5
u
i
D
C
D
C
D
C
D
C
D
C
& & &
≥ 1 ≥ 1
&
u
o
C
u
A
d
3
(2
3
)
d
2
(2
2
)
d
1
(2
1
)
d
0
(2
0
)
F
B
Q
J
K
F
A
Q
J
K
F
C
Q
J
K
4 位 D / A 转换器
F
1
F
2
F
3
F
4
F
5
－ +
+ ∞
A
F
D
Q
J
K
≥ 1
&
&
&
&
d
3
d
2
d
1
d
0
C C C C
G
8
G
9
G
10
G
11
工作原理为了分析方便，设 D/A转换器的参考电压为 UR=8V，输入的模拟电压为 ui=4.52V。
转换开始前，先将逐次逼近寄存器的 4个触发器 FA～ FD清 0，并把环形计数器的状态置为 Q1Q2Q3Q4Q5=00001。
第 1个时钟脉冲 C的上升沿到来时，环形计数器右移一位，其状态变为 10000。由于 Q1=1,Q2,Q3,Q4,Q5均为 0，于是触发器 FA被置 1,FB,FC和 FD被置 0。所以，这时加到 D/A转换器输入端的代码为 d3d2d1d0=1000,D/A转换器的输出电压为：
V 4816 8)2222(2 001122334Ro ddddUu
uo和 ui在比较器中比较,由于 uo<ui,所以比较器的输出电压为 uA=0。
第 2个时钟脉冲 C的上升沿到来时,环形计数器又右移一位,
其状态变为 01000。 这时由于 uA=0,Q2=1,Q1,Q3,Q4,Q5
均为 0,于是触发器 FA的 1保留 。 与此同时,Q2的高电平将触发器 FB置 1。 所以,这时加到 D/A转换器输入端的代码为
d3d2d1d0=1100,D/A转换器的输出电压为：
V 6)48(16 8)2222(2 001122334Ro ddddUu
uo和 ui在比较器中比较,由于 uo>ui,所以比较器的输出电压为 uA=1。
第 3个时钟脉冲 C的上升沿到来时,环形计数器又右移一位,
其状态变为 00100。 这时由于 uA=1,Q3=1,Q1,Q2,Q4,Q5
均为 0,于是触发器 FA的 1保留,而 FB被置 0。 与此同时,Q3的高电平将触发器 FC置 1。 所以,这时加到 D/A转换器输入端的代码为 d3d2d1d0=1010,D/A转换器的输出电压为：
V 5)28(16 8)2222(2 001122334Ro ddddUu
uo和 ui在比较器中比较,由于 uo>ui,所以比较器的输出电压为 uA=1。
第 4个时钟脉冲 C的上升沿到来时,环形计数器又右移一位,
其状态变为 00010。 这时由于 uA=1,Q4=1,Q1,Q2,Q3,Q5
均为 0,于是触发器 FA,FB的状态保持不变,而触发器 FC被置
0。 与此同时,Q4的高电平将触发器 FD置 1。 所以,这时加到
D/A转换器输入端的代码为 d3d2d1d0=1001,D/A转换器的输出电压为：
V 5.4)18(16 8)2222(2 001122334Ro ddddUu
uo和 ui在比较器中比较,由于 uo<ui,所以比较器的输出电压为 uA=0。
第 5个时钟脉冲 C的上升沿到来时,环形计数器又右移一位,
其状态变为 00001。 这时由于 uA=0,Q5=1,Q1,Q2,Q3,Q4
均为 0,于是触发器 FA,FB,FC,FD的状态均保持不变,即加到 D/A转换器输入端的代码为 d3d2d1d0=1001。 同时,Q5的高电平将门 G8～ G11打开,使作为转换结果通过门 G8～ G11送出 。
这样就完成了一次转换。转换过程如表所示。
顺序脉冲 d
3 d 2 d 1 d 0 u o /V
比较判断 该位数码 1 是否保留
1
2
3
4
1 0 0 0
1 1 0 0
1 0 1 0
1 0 0 1
4
6
5
4.5
u o < u i
u o > u i
u o > u i
u o < u i
保留除去除去保留基本原理,对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔 T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。
原理电路
12.2.4 双积分型模数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
- U
R
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
=
+
+
-
∞
+
+
-
∞
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
- U
R
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
=
+
+
-
∞
+
+
-
∞
i
R
n
U
U
N 22?
计数器中所计的二进制数值
12.2.5 集成模数转换器及其应用
(20)
+ 5V
U
i n ( +)
V
CC
D
0
U
i n ( -)
D
1
A G ND D
2
A D C0801 D
3
U
R
/2 D
4
CL K
R
D
5
D
6
CL K
in
D
7
CS
RD WR
D G ND INT R
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
1k Ω
+ 5V
(1)
(2)
(10)
(6)
(7)
(8)
(9)
(19)
(4)
(18)
(17)
(16)
(15)
(14)
(13)
(12)
(11)
(5)
(3)
LED
输入模拟电压
u
i
0~ 5V
调节时钟频率
R
10k Ω
C
150p F
空脚
（ 1） 分辨率
A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示,位数越多,
误差越小,转换精度越高 。 例如,输入模拟电压的变化范围为 0～ 5V,输出 8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为
5V× 2－ 8＝ 20mV；而输出 12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为 5V× 2－ 12≈1.22mV。
（ 2） 相对精度在理想情况下,所有的转换点应当在一条直线上 。 相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差 。
（ 3） 转换速度转换速度是指完成一次转换所需的时间 。 转换时间是指从接到转换控制信号开始,到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间 。
12.2.6 模数转换器的主要技术指标
