数字电子技术数模与模数转换
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数字电子技术数模与模数转换
假设：D/A转换器的基准电压UR=8V，采样保持信 号电压uI=6.25V。
首先，在节拍脉冲CP0作用下，使JK触发器的状态 置为QDQCQBQA=1000，则D/A转换器输出参考电压
(见表 8-1)，所以
wk.baidu.com
。由于
，
比较器输出F=1，G=0。这样，各级触发器的J=1，K=0。
发器C，使QC=1。同时CP2使触发器B置1。这样，在CP2作用
后，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1110。D/A转换器输出参
考电压
。
，
比较器输出F=0，G=1。这样，各级触发器的J=0，K=1。
CP2作用结束后，CP3节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触
发器B，使QB=0。同时CP3使触发器A置1。这样，在CP3作用
暂存器输出的是并行二进制代码。同时从上面分析 中可见，比较器F端顺序输出的恰好是1100串行输出的 二进制代码。
数字电子技术数模与模数转换
3. 并行比较
图 8
16 三 位 二 进 制 数 的 并 行 比 较 型
电 路
数字电子技术数模与模数转换
ADC
-
输入模拟电压的范围uI=0~8V, uIm=8V；输出三位二进 制 代 码 (n=3) 。 采 用 四 舍 五 入 的 量 化 方 式 ， 量 化 间 隔
下，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1101。D/A转换器输出参
考电压
。由于
，比
较器输出F=0，G=1。这样，各级触发器的J=0，K=1。
数字电子技术数模与模数转换
CP3作用结束后，CP4节拍脉冲到来，其下跳沿触发 JK 触 发 器 A ， 使 QA=0 ， JK 触 发 器 的 状 态 为 QDQCQBQA=1100。CP4节拍脉冲的上升沿触发暂存器各 D触发器，将JK触发器状态1100存入到暂存器中。暂存 器的输出D3D2D1D0=1100，即为输入模拟电压uI=6.25V 的二进制代码。
式中，τ=RC，为积分时间常数。 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 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
数字电子技术数模与模数转换
(2) 比较阶段：开关S转接至基准电源-UR后，积分 器对-UR进行积分，积分器输出
限的2n个数字量输出X相对应。因此，必须将采样后的值只
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”。
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
数字电子技术数模与模数转换
8.2.4 集成ADC
图 8 – 17 ADC0801引脚图数字电子技术数模与模数转换
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/21
数字电子技术数模与模数转换
根据叠加原理， 总的输出电流为
数字电子技术数模与模数转换
通过集成运算放大器，输出电压为
将
代入则得
例如，UR=8V, 输入八位二进制数码为11001011，则输 出电压为
数字电子技术数模与模数转换
2. 倒T型网络DAC
图 8 – 5 R-2R倒T型网络DA数字C电电子路技术数模与模数转换
运算放大器的输出电压为 若Rf=R, 并将I=UR/R代入上式，则有
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
代入上式得 求得
数字电子技术数模与模数转换
2. 逐次逼近式ADC
图 8
14 四 位 逐 次 逼 近 型
转 换 器 原 理 框 图
A/D
–
数字电子技术数模与模数转换
–
表 8
1 输 出 与 输 入 数 码 的 关 系
接着，节拍脉冲CP1到来，其下跳沿触发JK触发器D，
使QD=1，同时CP1使触发器C置1。这样，在CP1作用后，
JK触发器的状态为QDQCQBQA=1100。D/A转换器输出参
考电压
。由于
，
比较器输出F=1，G=0。这样，各级触发器的J=1, K=0。 数字电子技术数模与模数转换
CP1作用结束后，CP2节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触
数字电子技术数模与模数转换
图 8 - 2 DAC框图
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 3 转换特性 数字电子技术数模与模数转换
2. 分辨率 分辨率
即说明n越大，DAC的分辨能力越高(分辨率越小)。例
如, 当n=10时，DAC分辨率=
; 当n=11时，
DAC分辨率
。
数字电子技术数模与模数转换
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 12 双积分A/D电路原理图
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 13 双积分ADC工作数字波电子形技术数模与模数转换
(1) 采样阶段：在启动脉冲作用下，将全部触发器置0。 由于Qn=0，使开关S与输入信号uI连接, A/D转换开始。uI 加至积分器的输入端后，积分器对uI进行积分，输出为
数字电子技术数模与模 数转换
2020/11/21
数字电子技术数模与模数转换
第8章 数/模与模/数转换
8.1 DAC 8.2 ADC
数字电子技术数模与模数转换
图 8 - 1 A/D、D/A转换器在数字系统中的应用
数字电子技术数模与模数转换
8.1 DAC
8.1.1 DAC的基本概念
1. 转换特性 DAC 电 路 输 入 的 是 n 位 二 进 制 数 字 信 息 B(Bn-1,Bn-
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。
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 9 采样保持前后的波形举例
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 10 采样保持电路原理图
数字电子技术数模与模数转换
(2) 量化编码电路。
采样保持电路的输出信号
虽已成为阶梯状，但其
阶梯幅值仍是连续可变的，有无限多个数值，无法与n位有
。量化标尺是用电阻分压器形成
各分度值的，并作为各比较器C1~C7的比 较参考电平。因采用四舍五入法量化，第一个比较器的参
考电平应取
。采样保持后的输入电压uI与这些
分度值相比较，当uI大于比较参考电平时，比较器输出1电
平，反之输出0电平，从而各比较器输出电平的状态就与输
入电压量化后的值相对应。各比较器输出并行送至由D触发
器构成的寄存器内，再经过编码电路将比较器的输出转换
成三位二进制代码x2x1x0。输入电压与代码的对应关系如表
8 - 2 所示。
数字电子技术数模与模数转换
表 8 – 2 输入电压与代码的对应关系
数字电子技术数模与模数转换
8.2.3 ADC的主要技术指标
1. 分辨率
分辨率指ADC对输入模拟信号的分辨能力。从理论上 讲，一个n位二进制数输出ADC应能区分输入模拟电压的 2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小值为满量程输 入的1/2n。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。例如，ADC输出为八位二进制 数， 输入信号最大值为 5V，其分辨率为
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。
数字电子技术数模与模数转换
8.1.2 DAC的电路形式及工作原理
1. 权电阻
图 8 – 4 权电阻DAC电数路字电子技术数模与模数转换
当输入二进制数码中某一位Bi=1时，开关Si接至基准 电压UR，这时在相应的电阻Ri支路上产生电流 当Bi=0时，开关Si接地，电流ii=0, 因此电流表达式应为
种用数字代码表示量化幅值的过程称作“编码”。
数字电子技术数模与模数转换
2. 量化方式和量化误差
(1) 只舍不入法。当输入uI在某两个相邻的量化值 之间，即 www.cnshu.cn中国最大的资料库下载
(k为整数)
(2) 四舍五入法。当uI的尾数不足 时，用舍尾取整
法得其量化值；当uI的尾数等于或大于 时，则入整。
3. 精度
(1) 非线性误差：它是由电子开关导通的电压降和电 阻网络电阻值偏差产生的，常用满刻度的百分数表示。
(2) 比例系数误差：它是参考电压UR偏离引起的误差， 也用满刻度的百分数表示。
(3) 漂移误差：它是由集成运放漂移产生的误差。增 益的改变也会引起增益误差。
(4) 转换时间：也称输出建立时间。它是从输入数字
数字电子技术数模与模数转换
3. 转换速度
转换时间是指ADC从转换信号到来开始，到输出端 得到稳定的数字信号所经过的时间。此时间与转换电路 的类型有关。不同类型的转换器，其转换速度相差很大。 并行ADC转换速度最高，八位二进制输出的单片ADC其 转换时间在50ns内，逐次逼近型ADC转换速度次之，一 般在10~50μs，也有的可达数百纳秒。双积分式ADC转 换速度最慢，其转换时间约在几十毫秒至几百毫秒间。 实际应用中，应从系统总的位数、精度要求、输入模拟 信号的范围及输入信号极性等方面综合考虑ADC的选用。
例 如 ， 已 知 s=1V, 则 uI=2.1V 时 ， uI=2V; uI=2.7V
时
。
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 11 两种量化方法的比较
数字电子技术数模与模数转换
8.2.2 ADC电路
1. 双积分ADC 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。
2, …,B1、 B0)，其最低位(LSB)的B0和最高位(MSB)的Bn-1 的权分别为20和2n-1，故B按权展开式为
数字电子技术数模与模数转换
DAC电路输出的是与输入数字量成正比例的电压uO 或电流iO，即
式中K为转换比例常数。 图 8 - 2所示为DAC框图。当n=3时，DAC转换电路
的输出与输入转换特性如图8 - 3所示，输出为阶梯波。
8.2.1 ADC的组成
1. ADC的两个组成部分及其作用
图 8 - 8 ADC的组成部分数字电子技术数模与模数转换
(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
图 8 - 7为AD7520的引脚图。
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。
GND端为接地端。
数字电子技术数模与模数转换
8.2 ADC
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 6 权电流DAC原理图
数字电子技术数模与模数转换
当图 8 - 6 中的Bi=1时，开关接运算放大器的反相输 入端，相应权电流流入求和电路；当Bi=0时，开关接地。 故
扩大至n位，则
数字电子技术数模与模数转换
8.1.3 集成DAC
图 8 - 7 AD7520引脚数字图电子技术数模与模数转换
分辨率
数字电子技术数模与模数转换
2. 转换误差
转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它 表示ADC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。如给出相对误差 小于等于±LSB/2，这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。
假设：D/A转换器的基准电压UR=8V，采样保持信 号电压uI=6.25V。
首先，在节拍脉冲CP0作用下，使JK触发器的状态 置为QDQCQBQA=1000，则D/A转换器输出参考电压
(见表 8-1)，所以
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。由于
，
比较器输出F=1，G=0。这样，各级触发器的J=1，K=0。
发器C，使QC=1。同时CP2使触发器B置1。这样，在CP2作用
后，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1110。D/A转换器输出参
考电压
。
，
比较器输出F=0，G=1。这样，各级触发器的J=0，K=1。
CP2作用结束后，CP3节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触
发器B，使QB=0。同时CP3使触发器A置1。这样，在CP3作用
暂存器输出的是并行二进制代码。同时从上面分析 中可见，比较器F端顺序输出的恰好是1100串行输出的 二进制代码。
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3. 并行比较
图 8
16 三 位 二 进 制 数 的 并 行 比 较 型
电 路
数字电子技术数模与模数转换
ADC
-
输入模拟电压的范围uI=0~8V, uIm=8V；输出三位二进 制 代 码 (n=3) 。 采 用 四 舍 五 入 的 量 化 方 式 ， 量 化 间 隔
下，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1101。D/A转换器输出参
考电压
。由于
，比
较器输出F=0，G=1。这样，各级触发器的J=0，K=1。
数字电子技术数模与模数转换
CP3作用结束后，CP4节拍脉冲到来，其下跳沿触发 JK 触 发 器 A ， 使 QA=0 ， JK 触 发 器 的 状 态 为 QDQCQBQA=1100。CP4节拍脉冲的上升沿触发暂存器各 D触发器，将JK触发器状态1100存入到暂存器中。暂存 器的输出D3D2D1D0=1100，即为输入模拟电压uI=6.25V 的二进制代码。
式中，τ=RC，为积分时间常数。 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 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
数字电子技术数模与模数转换
(2) 比较阶段：开关S转接至基准电源-UR后，积分 器对-UR进行积分，积分器输出
限的2n个数字量输出X相对应。因此，必须将采样后的值只
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”。
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
数字电子技术数模与模数转换
8.2.4 集成ADC
图 8 – 17 ADC0801引脚图数字电子技术数模与模数转换
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演讲完毕，谢谢听讲!
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数字电子技术数模与模数转换
根据叠加原理， 总的输出电流为
数字电子技术数模与模数转换
通过集成运算放大器，输出电压为
将
代入则得
例如，UR=8V, 输入八位二进制数码为11001011，则输 出电压为
数字电子技术数模与模数转换
2. 倒T型网络DAC
图 8 – 5 R-2R倒T型网络DA数字C电电子路技术数模与模数转换
运算放大器的输出电压为 若Rf=R, 并将I=UR/R代入上式，则有
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
代入上式得 求得
数字电子技术数模与模数转换
2. 逐次逼近式ADC
图 8
14 四 位 逐 次 逼 近 型
转 换 器 原 理 框 图
A/D
–
数字电子技术数模与模数转换
–
表 8
1 输 出 与 输 入 数 码 的 关 系
接着，节拍脉冲CP1到来，其下跳沿触发JK触发器D，
使QD=1，同时CP1使触发器C置1。这样，在CP1作用后，
JK触发器的状态为QDQCQBQA=1100。D/A转换器输出参
考电压
。由于
，
比较器输出F=1，G=0。这样，各级触发器的J=1, K=0。 数字电子技术数模与模数转换
CP1作用结束后，CP2节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触
数字电子技术数模与模数转换
图 8 - 2 DAC框图
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 3 转换特性 数字电子技术数模与模数转换
2. 分辨率 分辨率
即说明n越大，DAC的分辨能力越高(分辨率越小)。例
如, 当n=10时，DAC分辨率=
; 当n=11时，
DAC分辨率
。
数字电子技术数模与模数转换
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 12 双积分A/D电路原理图
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 13 双积分ADC工作数字波电子形技术数模与模数转换
(1) 采样阶段：在启动脉冲作用下，将全部触发器置0。 由于Qn=0，使开关S与输入信号uI连接, A/D转换开始。uI 加至积分器的输入端后，积分器对uI进行积分，输出为
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第8章 数/模与模/数转换
8.1 DAC 8.2 ADC
数字电子技术数模与模数转换
图 8 - 1 A/D、D/A转换器在数字系统中的应用
数字电子技术数模与模数转换
8.1 DAC
8.1.1 DAC的基本概念
1. 转换特性 DAC 电 路 输 入 的 是 n 位 二 进 制 数 字 信 息 B(Bn-1,Bn-
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。
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 9 采样保持前后的波形举例
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 10 采样保持电路原理图
数字电子技术数模与模数转换
(2) 量化编码电路。
采样保持电路的输出信号
虽已成为阶梯状，但其
阶梯幅值仍是连续可变的，有无限多个数值，无法与n位有
。量化标尺是用电阻分压器形成
各分度值的，并作为各比较器C1~C7的比 较参考电平。因采用四舍五入法量化，第一个比较器的参
考电平应取
。采样保持后的输入电压uI与这些
分度值相比较，当uI大于比较参考电平时，比较器输出1电
平，反之输出0电平，从而各比较器输出电平的状态就与输
入电压量化后的值相对应。各比较器输出并行送至由D触发
器构成的寄存器内，再经过编码电路将比较器的输出转换
成三位二进制代码x2x1x0。输入电压与代码的对应关系如表
8 - 2 所示。
数字电子技术数模与模数转换
表 8 – 2 输入电压与代码的对应关系
数字电子技术数模与模数转换
8.2.3 ADC的主要技术指标
1. 分辨率
分辨率指ADC对输入模拟信号的分辨能力。从理论上 讲，一个n位二进制数输出ADC应能区分输入模拟电压的 2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小值为满量程输 入的1/2n。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。例如，ADC输出为八位二进制 数， 输入信号最大值为 5V，其分辨率为
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。
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8.1.2 DAC的电路形式及工作原理
1. 权电阻
图 8 – 4 权电阻DAC电数路字电子技术数模与模数转换
当输入二进制数码中某一位Bi=1时，开关Si接至基准 电压UR，这时在相应的电阻Ri支路上产生电流 当Bi=0时，开关Si接地，电流ii=0, 因此电流表达式应为
种用数字代码表示量化幅值的过程称作“编码”。
数字电子技术数模与模数转换
2. 量化方式和量化误差
(1) 只舍不入法。当输入uI在某两个相邻的量化值 之间，即 www.cnshu.cn中国最大的资料库下载
(k为整数)
(2) 四舍五入法。当uI的尾数不足 时，用舍尾取整
法得其量化值；当uI的尾数等于或大于 时，则入整。
3. 精度
(1) 非线性误差：它是由电子开关导通的电压降和电 阻网络电阻值偏差产生的，常用满刻度的百分数表示。
(2) 比例系数误差：它是参考电压UR偏离引起的误差， 也用满刻度的百分数表示。
(3) 漂移误差：它是由集成运放漂移产生的误差。增 益的改变也会引起增益误差。
(4) 转换时间：也称输出建立时间。它是从输入数字
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3. 转换速度
转换时间是指ADC从转换信号到来开始，到输出端 得到稳定的数字信号所经过的时间。此时间与转换电路 的类型有关。不同类型的转换器，其转换速度相差很大。 并行ADC转换速度最高，八位二进制输出的单片ADC其 转换时间在50ns内，逐次逼近型ADC转换速度次之，一 般在10~50μs，也有的可达数百纳秒。双积分式ADC转 换速度最慢，其转换时间约在几十毫秒至几百毫秒间。 实际应用中，应从系统总的位数、精度要求、输入模拟 信号的范围及输入信号极性等方面综合考虑ADC的选用。
例 如 ， 已 知 s=1V, 则 uI=2.1V 时 ， uI=2V; uI=2.7V
时
。
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图 8 – 11 两种量化方法的比较
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8.2.2 ADC电路
1. 双积分ADC 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。
2, …,B1、 B0)，其最低位(LSB)的B0和最高位(MSB)的Bn-1 的权分别为20和2n-1，故B按权展开式为
数字电子技术数模与模数转换
DAC电路输出的是与输入数字量成正比例的电压uO 或电流iO，即
式中K为转换比例常数。 图 8 - 2所示为DAC框图。当n=3时，DAC转换电路
的输出与输入转换特性如图8 - 3所示，输出为阶梯波。
8.2.1 ADC的组成
1. ADC的两个组成部分及其作用
图 8 - 8 ADC的组成部分数字电子技术数模与模数转换
(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
图 8 - 7为AD7520的引脚图。
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。
GND端为接地端。
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8.2 ADC
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 6 权电流DAC原理图
数字电子技术数模与模数转换
当图 8 - 6 中的Bi=1时，开关接运算放大器的反相输 入端，相应权电流流入求和电路；当Bi=0时，开关接地。 故
扩大至n位，则
数字电子技术数模与模数转换
8.1.3 集成DAC
图 8 - 7 AD7520引脚数字图电子技术数模与模数转换
分辨率
数字电子技术数模与模数转换
2. 转换误差
转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它 表示ADC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。如给出相对误差 小于等于±LSB/2，这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。