,数字电子技术基础,第五版
,数字电子技术基础,（第五版） 教学课件清华大学阎石 王红联系地址：清华大学 自动化系邮政编码,100084
电子信箱,wang_hong@tsinghua.edu.cn
联系电话,(010)62792973
,数字电子技术基础,第五版第十一章数 -模（ D/A）和模 -数（ A/D）转换
,数字电子技术基础,第五版
11.1 概述一、用途及要求传感器 放大器 A/D转换 微型计算机控制对象
D/A
转换温度时间
！精度
！速度电加热炉热电偶执行机构
,数字电子技术基础,第五版三、分类
变换型变换型间接型反馈比较型并联比较型直接型权电容网络开关树型权电流型形电阻网络倒权电阻网络
FV
TV
DA
D A C
D A C
D A C
D A CT
D A C
AD //
,数字电子技术基础,第五版
11.2 D/A转换器
D
111101… D/A
A(电压 或 电流 )
？
,数字电子技术基础,第五版
11.2.1 权电阻网络 D/A转换器一、电路结构和工作原理权电阻网络模拟开关求和放大器
00
00
I
OIV
iVV
RiAA
，且必有当接成深度负反馈时，
为理想放大器，即设负反馈放大器：
,,
,数字电子技术基础,第五版权电阻网络模拟开关求和放大器控制受数字 0303 ddSS ~~
点流向时，
时，
ii
ii
Id
Id
1
00
R
V
I
R
V
I
R
V
I
R
V
I
R
V
I
REF
REF
REF
REF
i
REF
i
03
12
21
30
2
2
2
2
权电流：
,数字电子技术基础,第五版权电阻网络模拟开关求和放大器
)(
)(
)(
0
0
1
1
2
2
3
3
4
031223
0123
2222
2
222
dddd
V
d
R
V
d
R
V
d
R
V
d
R
V
R
IIIIR
iRV
R E F
R E FR E FR E FR E F
F
F
FO
输出电压：
2RRF?
优缺点：
1,优点：简单
2,缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻不宜于集成在
IC内部
,数字电子技术基础,第五版
11.2.2 倒 T形电阻网络 DAC
希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流
,数字电子技术基础,第五版
RRRR
,数字电子技术基础,第五版
)()()()( 1684201 0123 IdIdIdIdiId iId
ii
ii
流入地端时，
流入时，
D
V
dddd
R
V
RRiV
R E F
R E F
O
4
0
0
1
1
2
2
3
34
2
2222
2
1
)(
,数字电子技术基础,第五版
D
V
dddd
R
V
RRiV
n
n
R E F
n
n
n
nn
R E F
O
2
2222
2
1 0
0
1
1
2
2
1
1
)(?
位输入时，应有对
REFn
n
O
n
n VVD 2
120120 ~,~范围为为“正”取“负”则得 OR E F VV
D
V
dddd
R
V
RRiV
R E F
R E F
O
4
0
0
1
1
2
2
3
34
2
2222
2
1
)(
,数字电子技术基础,第五版
75 20CB实例：
,数字电子技术基础,第五版
11.2.6 具有双极性输出的 DAC
当输入数字量有 ± 极性时，
希望输出的模拟电压也对应为 ± 。
一、原理例：输入为 3位二进制补码。最高位为符号位，正数为 0，
负数为 1 补码输入 对应的十进制要求的输出D2 D1 D0
0 1 1 +3 +3V
0 1 0 +2 +2V
0 0 1 +1 +1V
0 0 0 0 0V
1 1 1 -1 -1V
1 1 0 -2 -2V
1 0 1 -3 -3V
1 0 0 -4 -4V
,数字电子技术基础,第五版原码输入 对应的输出偏移后的输出D2 D1 D0
1 1 1 +7V +3V
1 1 0 +6V +2V
1 0 1 +5V +1V
1 0 0 +4V 0V
0 1 1 +3V -1V
0 1 0 +2V -2V
0 0 1 +1V -3V
0 0 0 0V -4V
补码输入 对应的十进制要求的输出D2 D1 D0
0 1 1 +3 +3V
0 1 0 +2 +2V
0 0 1 +1 +1V
0 0 0 0 0V
1 1 1 -1 -1V
1 1 0 -2 -2V
1 0 1 -3 -3V
1 0 0 -4 -4V
D/A
*将符号位反相后接至高位输入
*将输出偏移使输入为 100时，输出为 01
,数字电子技术基础,第五版二、电路实现
VV
VV
VV
VV
ddd
dddV
VV
O
O
O
O
O
R E F
4100
7111
1001
0000
222
2
8
81
012
0
0
1
1
2
23
则则 )(
.
*将符号位反相后接至高位输入
*将输出偏移使输入为 100时，输出为 0
即可只需令时，输入时，使输入偏移
R
VI
R
V
iI
R
VI
i
VV
REF
B
B
B
REF
O
22
22
1 0 0
01 0 042
,.
,数字电子技术基础,第五版
11.2.7 DAC的转换精度与速度一、转换精度
1,分辨率（理论精度）
用输入数字量的二进制数码位数给出
n位 DAC,应能输出 0 ~ 2n-1个不同的等级电压，区分出输入的 00···0到 11···1,2n-1个不同状态
2,转换误差（实际精度）
用最低有效位的倍数来表示
有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示
,数字电子技术基础,第五版二、误差分析
nn
R E F
Onn
R E F
O
R E F
D
V
VD
V
V
V
22
1
引起的误差.
,数字电子技术基础,第五版移零点漂移导致的曲线漂由漂移误差
O pA
.2
，电阻网络的偏差引起为模拟开关的导通内阻不非线性误差
0
3,
对值相加总误差：几种误差的绝*
,数字电子技术基础,第五版
）。的相对稳定度（试求偏差引起的误差）中，若保证由形位倒（例：
REF
REF
REF
REF
V
V
V
L S BVD ACTG
2
1
107 5 2 05
11
10
22
1
2
1
2
2
1
R E F
R E F
Onnn
R E F
O
V
L S B
V
VDD
V
V
L S B
产生的输出电压为：
）时，所以（因为在输出产生的电压为
,
REFO
n
nnn
REF
O
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VV
DD
V
V
VV
10
10
2
12
12
2
)(
,最大误差时对应为产生的由
,数字电子技术基础,第五版
%,050
2
1
12
2
2
1
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12
2
1110
10
11
1110
10
11
REF
REF
REF
REF
REF
O
V
V
V
V
V
V
所以即要求
,数字电子技术基础,第五版
D
111101…A/D
A(电压 或 电流 )
？
11.3 A/D转换器
11.3.1 A/D转换的基本原理输入连续变化电压，输出为不连续的数字量
( m ax ))~(( m ax ),iSiS ffff 532 一般取一、采样定理
,数字电子技术基础,第五版二、量化和编码
1,量化：将采样电压表示为最小数量单位（ Δ ）的整数倍
2,编码：将量化的结果用代码表示出来（二进制，二 -十进制）
3,量化误差：当采样电压不能被 Δ 整除时，将引入量化误差
111
110
101
100
011
010
001
000
111
110
101
100
011
010
001
000
输入信号
1V
7/8V
6/8V
5/8V
4/8V
3/8V
2/8V
1/8V
0
二进制代码输入信号二进制代码
1V
13/15V
11/15V
9/15V
7/15V
5/15V
3/15V
1/15V
0
代表的模拟电压
7 =7/8 （ V ）
6? =6/8 （V）
5? =5/8 （V）
4? =4/8 （V）
3? =3/8 （V）
2 =2/8 （V）
1? =1/8 （V）
0 =0 （V）
代表的模拟电压
7? =14/ 15（V）
6? =12/ 15（V）
5? =10/ 15（V）
4? = 8/ 15（V）
3? = 6/ 15（V）
2? = 4/ 15（V）
1? = 2/ 15（V）
0 = 0 (V）
,数字电子技术基础,第五版
11.3.2 抽样保持电路
！加大输入电阻
！减小输出电阻
！ Av=1
,数字电子技术基础,第五版
,数字电子技术基础,第五版
11.3.3 并联比较型 A/D转换器 并联比较型
0 0 0 0 0 0 01510?RV~
0 0 0 0 0 0 1153151?RR VV ~
0 0 0 0 0 1 1155153?RR VV ~
0 0 0 0 1 1 1157155?RR VV ~
0 0 0 1 1 1 1159157?RR VV ~
0 0 1 1 1 1 11511159?RR VV ~
0 1 1 1 1 1 115131511?RR VV ~
111111115151513?RR VV ~
RV15
1
RV15
3
RV15
5
RV15
7
RV15
9
RV15
11
RV15
13
量化
,数字电子技术基础,第五版
0 0 0 0 0 0 01510?RV~
0 0 0 0 0 0 1153151?RR VV ~
0 0 0 0 0 1 1155153?RR VV ~
0 0 0 0 1 1 1157155?RR VV ~
0 0 0 1 1 1 1159157?RR VV ~
0 0 1 1 1 1 11511159?RR VV ~
0 1 1 1 1 1 115131511?RR VV ~
111111115151513?RR VV ~
输入 → 量化 → 编码
111
10
101
100
011
010
001
000
,数字电子技术基础,第五版
2、特点
*快,CLK触发信号到达到输出稳定建立只需几十纳秒
*精度，受参考电压、分压网络等因素影响
*有存储器，不需要 S/H电路
*电路规模,n位需要 2n-1比较器，触发器
,数字电子技术基础,第五版
11.3.4 反馈比较型 A/D转换器
1,计数型基本原理：取一个,D”加到 DAC上，得到模拟输出电压，
将该值与输入电压比较，如两者不等，则调整 D的大小，
到相等为止，则 D为所求值
！简单
！慢
C L Kn T）最多需要（ 12?
,数字电子技术基础,第五版
2、逐次渐近型
.
.
,
,
.
n
VV
VV
IO
IO
”再将次高位臵“
””，改为“则去掉“
则保留若
”高位先臵“
12
01
1
11
次就够了只要比较 n
！电路不太复杂
！较快
,数字电子技术基础,第五版
1 0 0 0 0
3位,5个 CLK
N位,( n+2)个 CLK
,数字电子技术基础,第五版
11.3.5 双积分型 A/D转换器双积分型（ V-T变换型）
先将 V转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间内用固定频率脉冲计数
IO
T
I
I
O
I
I
L
VV
V
RC
T
dt
R
V
C
V
VT
TVS
SV
所以不变期间的积分，积分器作固定时间第一步，
断开转换开始起始状态：计数器清零
1
0
1
1
11
0
1
12
1
)(,.
.
,数字电子技术基础,第五版
I
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I
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V
V
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V
T
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V
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V
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V
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V
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1
212
1
0
0
1
0
2
积分器作反相积分，至第二步：
I
REFC
C
C
CC
V
VT
T
fTD
f
TfT
1
2
2
1
则脉冲计数，期间用固定的频率令计数器在 )(
,数字电子技术基础,第五版
I
R E F
C
I
R E FC
C
V
V
N
DNTT
V
VT
T
fTD
1
1
2
若
,数字电子技术基础,第五版电路实现
I
R E F
n
C
n V
V
DTT 221,若
,数字电子技术基础,第五版
11.3.6 V-F变换型 A/D转换器
,数字电子技术基础,第五版
11.3.7 ADC的转换速度与转换精度一、速度取决于电路结构类型并联比较型,<1微秒逐次渐近型,10~100微秒 /次双积分型：几十毫秒 /次二、转换精度
1,分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，说明 A/D转换器对输入信号的分辨能力。
2,转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。
,数字电子技术基础,（第五版） 教学课件清华大学阎石 王红联系地址：清华大学 自动化系邮政编码,100084
电子信箱,wang_hong@tsinghua.edu.cn
联系电话,(010)62792973
,数字电子技术基础,第五版第十一章数 -模（ D/A）和模 -数（ A/D）转换
,数字电子技术基础,第五版
11.1 概述一、用途及要求传感器 放大器 A/D转换 微型计算机控制对象
D/A
转换温度时间
！精度
！速度电加热炉热电偶执行机构
,数字电子技术基础,第五版三、分类
变换型变换型间接型反馈比较型并联比较型直接型权电容网络开关树型权电流型形电阻网络倒权电阻网络
FV
TV
DA
D A C
D A C
D A C
D A CT
D A C
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,数字电子技术基础,第五版
11.2 D/A转换器
D
111101… D/A
A(电压 或 电流 )
？
,数字电子技术基础,第五版
11.2.1 权电阻网络 D/A转换器一、电路结构和工作原理权电阻网络模拟开关求和放大器
00
00
I
OIV
iVV
RiAA
，且必有当接成深度负反馈时，
为理想放大器，即设负反馈放大器：
,,
,数字电子技术基础,第五版权电阻网络模拟开关求和放大器控制受数字 0303 ddSS ~~
点流向时，
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1
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2
2
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权电流：
,数字电子技术基础,第五版权电阻网络模拟开关求和放大器
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V
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输出电压：
2RRF?
优缺点：
1,优点：简单
2,缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻不宜于集成在
IC内部
,数字电子技术基础,第五版
11.2.2 倒 T形电阻网络 DAC
希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流
,数字电子技术基础,第五版
RRRR
,数字电子技术基础,第五版
)()()()( 1684201 0123 IdIdIdIdiId iId
ii
ii
流入地端时，
流入时，
D
V
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R
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0
1
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2
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2
1
)(
,数字电子技术基础,第五版
D
V
dddd
R
V
RRiV
n
n
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n
n
n
nn
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2
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D
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1
)(
,数字电子技术基础,第五版
75 20CB实例：
,数字电子技术基础,第五版
11.2.6 具有双极性输出的 DAC
当输入数字量有 ± 极性时，
希望输出的模拟电压也对应为 ± 。
一、原理例：输入为 3位二进制补码。最高位为符号位，正数为 0，
负数为 1 补码输入 对应的十进制要求的输出D2 D1 D0
0 1 1 +3 +3V
0 1 0 +2 +2V
0 0 1 +1 +1V
0 0 0 0 0V
1 1 1 -1 -1V
1 1 0 -2 -2V
1 0 1 -3 -3V
1 0 0 -4 -4V
,数字电子技术基础,第五版原码输入 对应的输出偏移后的输出D2 D1 D0
1 1 1 +7V +3V
1 1 0 +6V +2V
1 0 1 +5V +1V
1 0 0 +4V 0V
0 1 1 +3V -1V
0 1 0 +2V -2V
0 0 1 +1V -3V
0 0 0 0V -4V
补码输入 对应的十进制要求的输出D2 D1 D0
0 1 1 +3 +3V
0 1 0 +2 +2V
0 0 1 +1 +1V
0 0 0 0 0V
1 1 1 -1 -1V
1 1 0 -2 -2V
1 0 1 -3 -3V
1 0 0 -4 -4V
D/A
*将符号位反相后接至高位输入
*将输出偏移使输入为 100时，输出为 01
,数字电子技术基础,第五版二、电路实现
VV
VV
VV
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*将符号位反相后接至高位输入
*将输出偏移使输入为 100时，输出为 0
即可只需令时，输入时，使输入偏移
R
VI
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VV
REF
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22
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,数字电子技术基础,第五版
11.2.7 DAC的转换精度与速度一、转换精度
1,分辨率（理论精度）
用输入数字量的二进制数码位数给出
n位 DAC,应能输出 0 ~ 2n-1个不同的等级电压，区分出输入的 00···0到 11···1,2n-1个不同状态
2,转换误差（实际精度）
用最低有效位的倍数来表示
有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示
,数字电子技术基础,第五版二、误差分析
nn
R E F
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R E F
O
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D
V
VD
V
V
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22
1
引起的误差.
,数字电子技术基础,第五版移零点漂移导致的曲线漂由漂移误差
O pA
.2
，电阻网络的偏差引起为模拟开关的导通内阻不非线性误差
0
3,
对值相加总误差：几种误差的绝*
,数字电子技术基础,第五版
）。的相对稳定度（试求偏差引起的误差）中，若保证由形位倒（例：
REF
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V
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L S BVD ACTG
2
1
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产生的输出电压为：
）时，所以（因为在输出产生的电压为
,
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,最大误差时对应为产生的由
,数字电子技术基础,第五版
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10
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10
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V
V
V
V
V
V
所以即要求
,数字电子技术基础,第五版
D
111101…A/D
A(电压 或 电流 )
？
11.3 A/D转换器
11.3.1 A/D转换的基本原理输入连续变化电压，输出为不连续的数字量
( m ax ))~(( m ax ),iSiS ffff 532 一般取一、采样定理
,数字电子技术基础,第五版二、量化和编码
1,量化：将采样电压表示为最小数量单位（ Δ ）的整数倍
2,编码：将量化的结果用代码表示出来（二进制，二 -十进制）
3,量化误差：当采样电压不能被 Δ 整除时，将引入量化误差
111
110
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011
010
001
000
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010
001
000
输入信号
1V
7/8V
6/8V
5/8V
4/8V
3/8V
2/8V
1/8V
0
二进制代码输入信号二进制代码
1V
13/15V
11/15V
9/15V
7/15V
5/15V
3/15V
1/15V
0
代表的模拟电压
7 =7/8 （ V ）
6? =6/8 （V）
5? =5/8 （V）
4? =4/8 （V）
3? =3/8 （V）
2 =2/8 （V）
1? =1/8 （V）
0 =0 （V）
代表的模拟电压
7? =14/ 15（V）
6? =12/ 15（V）
5? =10/ 15（V）
4? = 8/ 15（V）
3? = 6/ 15（V）
2? = 4/ 15（V）
1? = 2/ 15（V）
0 = 0 (V）
,数字电子技术基础,第五版
11.3.2 抽样保持电路
！加大输入电阻
！减小输出电阻
！ Av=1
,数字电子技术基础,第五版
,数字电子技术基础,第五版
11.3.3 并联比较型 A/D转换器 并联比较型
0 0 0 0 0 0 01510?RV~
0 0 0 0 0 0 1153151?RR VV ~
0 0 0 0 0 1 1155153?RR VV ~
0 0 0 0 1 1 1157155?RR VV ~
0 0 0 1 1 1 1159157?RR VV ~
0 0 1 1 1 1 11511159?RR VV ~
0 1 1 1 1 1 115131511?RR VV ~
111111115151513?RR VV ~
RV15
1
RV15
3
RV15
5
RV15
7
RV15
9
RV15
11
RV15
13
量化
,数字电子技术基础,第五版
0 0 0 0 0 0 01510?RV~
0 0 0 0 0 0 1153151?RR VV ~
0 0 0 0 0 1 1155153?RR VV ~
0 0 0 0 1 1 1157155?RR VV ~
0 0 0 1 1 1 1159157?RR VV ~
0 0 1 1 1 1 11511159?RR VV ~
0 1 1 1 1 1 115131511?RR VV ~
111111115151513?RR VV ~
输入 → 量化 → 编码
111
10
101
100
011
010
001
000
,数字电子技术基础,第五版
2、特点
*快,CLK触发信号到达到输出稳定建立只需几十纳秒
*精度，受参考电压、分压网络等因素影响
*有存储器，不需要 S/H电路
*电路规模,n位需要 2n-1比较器，触发器
,数字电子技术基础,第五版
11.3.4 反馈比较型 A/D转换器
1,计数型基本原理：取一个,D”加到 DAC上，得到模拟输出电压，
将该值与输入电压比较，如两者不等，则调整 D的大小，
到相等为止，则 D为所求值
！简单
！慢
C L Kn T）最多需要（ 12?
,数字电子技术基础,第五版
2、逐次渐近型
.
.
,
,
.
n
VV
VV
IO
IO
”再将次高位臵“
””，改为“则去掉“
则保留若
”高位先臵“
12
01
1
11
次就够了只要比较 n
！电路不太复杂
！较快
,数字电子技术基础,第五版
1 0 0 0 0
3位,5个 CLK
N位,( n+2)个 CLK
,数字电子技术基础,第五版
11.3.5 双积分型 A/D转换器双积分型（ V-T变换型）
先将 V转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间内用固定频率脉冲计数
IO
T
I
I
O
I
I
L
VV
V
RC
T
dt
R
V
C
V
VT
TVS
SV
所以不变期间的积分，积分器作固定时间第一步，
断开转换开始起始状态：计数器清零
1
0
1
1
11
0
1
12
1
)(,.
.
,数字电子技术基础,第五版
I
R E F
IR E F
I
T
R E F
O
O
R E FI
V
V
T
TT
RC
V
T
RC
V
T
RC
V
dt
R
V
C
V
V
VS
1
212
1
0
0
1
0
2
积分器作反相积分，至第二步：
I
REFC
C
C
CC
V
VT
T
fTD
f
TfT
1
2
2
1
则脉冲计数，期间用固定的频率令计数器在 )(
,数字电子技术基础,第五版
I
R E F
C
I
R E FC
C
V
V
N
DNTT
V
VT
T
fTD
1
1
2
若
,数字电子技术基础,第五版电路实现
I
R E F
n
C
n V
V
DTT 221,若
,数字电子技术基础,第五版
11.3.6 V-F变换型 A/D转换器
,数字电子技术基础,第五版
11.3.7 ADC的转换速度与转换精度一、速度取决于电路结构类型并联比较型,<1微秒逐次渐近型,10~100微秒 /次双积分型：几十毫秒 /次二、转换精度
1,分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，说明 A/D转换器对输入信号的分辨能力。
2,转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。
