数模转换器基本原理及常见结构说课讲解
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然后，置DN-2＝“1”，若VP =“H”，则保
留DN-2=“1”；否则，DN-2=“0”。 …… D0位确定，转换结束。
优点：技术成熟，精度较高、速度较快。 不足：对Vi中噪声敏感，输入端需用S/H 电路（ADC转换期间Vi要恒定）。
100kHz 时钟
START BUSY
D7 D6 D5
开始转换 数据准备好，停止转换,SAR清零 1 0 1
I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0
1111111 0111111 0011111 0001111 0000111 0000011 0000001 0000000
Y2 Y1 Y0
000 001 010 011 100 101 110 111
量化值
0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V
优点：转换快（仅一个时钟周期）。
ADC周期性地将输入模拟值转换成与其大 小对应的数字量，该过程称为采样。
采样是否会造成丢失某些信息？
时域采样定理：一个频带有限的信号f(t)， 如果其频谱在区间(－ωm,ωm)以外为零，则它 可以唯一的由其在均匀间隔Ts(Ts<1/2fm)上的样 点值f(nTs)确定。
Vi ( b) 输 输 输 输 输 输
t
( d) 输 输 输 输
t2
t3
t4
t5
t
保持时间 ( e) 输 输 输 输 输 输
Ts - tw
三、量化和编码
模拟信号经S/H得到的取样值仍属模拟范 畴，需经量化（将取样值表示为最小数量单位 的整数倍）处理，才能转换为时间上和数值上 都为离散的数字信号。
最小数量单位称量化单位(1△=1LSB)。
Tclk=10μs Tcon=90μs
三、双积分式（双斜式）ADC
Vi<0
放电开关
VR>0
控制K1置位
Vin
000 0 1234567 1
000 0 1234567 1
8 8 8 8 8 8 8 FSR
LSB/2 输 a输 输 输 输 输 输 输
8888888 FSR
输 b输 输 输 输 输 输 输
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输 7.2.3 3输 ADC输 输 输 输 输 输
对应的输入范围
对应的输入范围
数字 L值 SB LS2 B 数 L 字 ~ S 数 值 B 1 字 LS 值
ADC输入是模拟量，输出是数字量； ADC输出的数字量可视为输入电压(电 流)与基准电压(电流)相比所占的比例。
ADC输出与输入关系可表示如下：
D ou A tin V RE 2 n F
即ADC是将输入信号Ain与其所能分辨的 最小电压增量VREF/2n相比较，得到与输入模 拟量对应的倍数（取整）。
3位ADC 示意图
输出数字量对 应一个 模拟区间
＋VCC
VREF
模拟输入 （0－8V）
A/D转换器
GND
输出
0V<000<1V 1V<001<2V 2V<010<3V 3V<011<4V 4V<100<5V 5V<101<6V 6V<110<7V 7V<111<8V
§8.3.1 ADC的基本原理
一、采样和采样定理
编码：将量化结果用数字代码表示出来。 常见有自然二进制编码、二进制补码编码。
因取样值为输入信号某些时刻的瞬时值， 它们不可能都正好是量化单位的整数倍，即在
量化时不可避免地会引入量化误差(ε)。
量化误差：有限位ADC产生的输出数据的 等效模拟值与实际输入模拟量之间的差值。
量化误差的大小与量化方式、量化单位、 ADC编码位数、基准电压大小有关。
-
A
Vo
Vi
+
VT
0
t1
t2
t3
t4
t5 t
C (a) 取样保持电路
Ts
S(t)
S(t)
tw
τC<<tw，故Vs的变 化与Vi同步。
0
Vs
V+ VRP
LF198
VB 2
1
4
0
Vi 3 S(t) 8
-
A
+1
L
30k
S
-
A
+2
5 Vo
Vo
Vo
300
LF198
7
6
C
0
取样时间
t1
tw
t
( c) 输 输 输 输
常用的量化方式：舍入量化和截断量化 两种方式。
例如：FSR=1V的3位ADC，其分辨率为 1/8V（1LSB）。分别采用舍入量化和截断量 化两种方式，情况如下：
输出
1.5LSB 输出
111 110
1 LSB
A
111 110
A -LSB
101
2
101
100
100
011
011
010
010
001
Vin 001
不足：n较大时，比较器、分压电阻数量 太大，难以保证其准确性及一致性。
二、逐次逼近式ADC
Vf Vi
Next
DAC
D0
比较器
Dn-1
_ Vp
比较
逐次逼近 寄存器
SAR
时钟
输出 寄存器
VR D0
Dn-1
开始前清零!
即完成一次转换需n+1个时钟周期。
首先，置DN-1＝“1”，若VP =“H”，则保
留DN-1=“1”；否则，DN-1=“0”。
D4
0
D3
1
D2
1
D1
1
D0
0
DAC Vout
10
9
8
7
6
5
5.0000
4
3
2
1 0 0.00
输输输输输输
7.5000 6.8750
6.2500
6.5625 6.71875 6.796875 6.8359375 6.796875
SAR ADC 转换的时序波形 （Vin=6.8V→8位二进制数）
转换时间 = 90us
模数转换器及其应用
本次课内容 1、ADC的转换原理； 2、ADC的主要参数。 3、模数典型芯片介绍； 4、ADC的基本应用方法。
§8.3 模数转换器（ADC）
ADC作用：将模拟量转换为数字量。 主要应用：(低速)数字万用表，电子秤等； (中速)工业控制，实验设备等；(高速)数字通 信、导弹测远等；(超高速)数字音频、视频信 号变换、气象数据分析处理。
Vi VR
R
R
2n
R
(2n－1)个
输输输
_
编
_
码
电
路
_
输输输输
Dn-1
锁 存 器
D0
可有输2n7种.2.2输 比较结果
输
输
ADC输
输
输
输
输即n位数字量
3位并行比较型ADC的转换真值表
Vin
0≤Vin＜1V 1V≤Vin＜2V 2V≤Vin＜3V 3V≤Vin＜4V 4V≤Vin＜5V 5V≤Vin＜6V 6V≤Vin＜7V 7V≤Vin＜8V
舍入量化
截断量化
量化值 量化区间中点 量化区间末端
输出00 1H
最大 误差
量化点误差为0 Vi=1/8V
1/16<Vi<3/16(V)
1/8－1/16; 1/8－3/16
±LSB/2
量化点误差为0 Vi=1/8V
1/8<Vi<2/8(V)
1/8－2/8 －1LSB
§8.3.2 ADC的基本原理
一、并行（闪速） ADC
留DN-2=“1”；否则，DN-2=“0”。 …… D0位确定，转换结束。
优点：技术成熟，精度较高、速度较快。 不足：对Vi中噪声敏感，输入端需用S/H 电路（ADC转换期间Vi要恒定）。
100kHz 时钟
START BUSY
D7 D6 D5
开始转换 数据准备好，停止转换,SAR清零 1 0 1
I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0
1111111 0111111 0011111 0001111 0000111 0000011 0000001 0000000
Y2 Y1 Y0
000 001 010 011 100 101 110 111
量化值
0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V
优点：转换快（仅一个时钟周期）。
ADC周期性地将输入模拟值转换成与其大 小对应的数字量，该过程称为采样。
采样是否会造成丢失某些信息？
时域采样定理：一个频带有限的信号f(t)， 如果其频谱在区间(－ωm,ωm)以外为零，则它 可以唯一的由其在均匀间隔Ts(Ts<1/2fm)上的样 点值f(nTs)确定。
Vi ( b) 输 输 输 输 输 输
t
( d) 输 输 输 输
t2
t3
t4
t5
t
保持时间 ( e) 输 输 输 输 输 输
Ts - tw
三、量化和编码
模拟信号经S/H得到的取样值仍属模拟范 畴，需经量化（将取样值表示为最小数量单位 的整数倍）处理，才能转换为时间上和数值上 都为离散的数字信号。
最小数量单位称量化单位(1△=1LSB)。
Tclk=10μs Tcon=90μs
三、双积分式（双斜式）ADC
Vi<0
放电开关
VR>0
控制K1置位
Vin
000 0 1234567 1
000 0 1234567 1
8 8 8 8 8 8 8 FSR
LSB/2 输 a输 输 输 输 输 输 输
8888888 FSR
输 b输 输 输 输 输 输 输
Βιβλιοθήκη Baidu
输 7.2.3 3输 ADC输 输 输 输 输 输
对应的输入范围
对应的输入范围
数字 L值 SB LS2 B 数 L 字 ~ S 数 值 B 1 字 LS 值
ADC输入是模拟量，输出是数字量； ADC输出的数字量可视为输入电压(电 流)与基准电压(电流)相比所占的比例。
ADC输出与输入关系可表示如下：
D ou A tin V RE 2 n F
即ADC是将输入信号Ain与其所能分辨的 最小电压增量VREF/2n相比较，得到与输入模 拟量对应的倍数（取整）。
3位ADC 示意图
输出数字量对 应一个 模拟区间
＋VCC
VREF
模拟输入 （0－8V）
A/D转换器
GND
输出
0V<000<1V 1V<001<2V 2V<010<3V 3V<011<4V 4V<100<5V 5V<101<6V 6V<110<7V 7V<111<8V
§8.3.1 ADC的基本原理
一、采样和采样定理
编码：将量化结果用数字代码表示出来。 常见有自然二进制编码、二进制补码编码。
因取样值为输入信号某些时刻的瞬时值， 它们不可能都正好是量化单位的整数倍，即在
量化时不可避免地会引入量化误差(ε)。
量化误差：有限位ADC产生的输出数据的 等效模拟值与实际输入模拟量之间的差值。
量化误差的大小与量化方式、量化单位、 ADC编码位数、基准电压大小有关。
-
A
Vo
Vi
+
VT
0
t1
t2
t3
t4
t5 t
C (a) 取样保持电路
Ts
S(t)
S(t)
tw
τC<<tw，故Vs的变 化与Vi同步。
0
Vs
V+ VRP
LF198
VB 2
1
4
0
Vi 3 S(t) 8
-
A
+1
L
30k
S
-
A
+2
5 Vo
Vo
Vo
300
LF198
7
6
C
0
取样时间
t1
tw
t
( c) 输 输 输 输
常用的量化方式：舍入量化和截断量化 两种方式。
例如：FSR=1V的3位ADC，其分辨率为 1/8V（1LSB）。分别采用舍入量化和截断量 化两种方式，情况如下：
输出
1.5LSB 输出
111 110
1 LSB
A
111 110
A -LSB
101
2
101
100
100
011
011
010
010
001
Vin 001
不足：n较大时，比较器、分压电阻数量 太大，难以保证其准确性及一致性。
二、逐次逼近式ADC
Vf Vi
Next
DAC
D0
比较器
Dn-1
_ Vp
比较
逐次逼近 寄存器
SAR
时钟
输出 寄存器
VR D0
Dn-1
开始前清零!
即完成一次转换需n+1个时钟周期。
首先，置DN-1＝“1”，若VP =“H”，则保
留DN-1=“1”；否则，DN-1=“0”。
D4
0
D3
1
D2
1
D1
1
D0
0
DAC Vout
10
9
8
7
6
5
5.0000
4
3
2
1 0 0.00
输输输输输输
7.5000 6.8750
6.2500
6.5625 6.71875 6.796875 6.8359375 6.796875
SAR ADC 转换的时序波形 （Vin=6.8V→8位二进制数）
转换时间 = 90us
模数转换器及其应用
本次课内容 1、ADC的转换原理； 2、ADC的主要参数。 3、模数典型芯片介绍； 4、ADC的基本应用方法。
§8.3 模数转换器（ADC）
ADC作用：将模拟量转换为数字量。 主要应用：(低速)数字万用表，电子秤等； (中速)工业控制，实验设备等；(高速)数字通 信、导弹测远等；(超高速)数字音频、视频信 号变换、气象数据分析处理。
Vi VR
R
R
2n
R
(2n－1)个
输输输
_
编
_
码
电
路
_
输输输输
Dn-1
锁 存 器
D0
可有输2n7种.2.2输 比较结果
输
输
ADC输
输
输
输
输即n位数字量
3位并行比较型ADC的转换真值表
Vin
0≤Vin＜1V 1V≤Vin＜2V 2V≤Vin＜3V 3V≤Vin＜4V 4V≤Vin＜5V 5V≤Vin＜6V 6V≤Vin＜7V 7V≤Vin＜8V
舍入量化
截断量化
量化值 量化区间中点 量化区间末端
输出00 1H
最大 误差
量化点误差为0 Vi=1/8V
1/16<Vi<3/16(V)
1/8－1/16; 1/8－3/16
±LSB/2
量化点误差为0 Vi=1/8V
1/8<Vi<2/8(V)
1/8－2/8 －1LSB
§8.3.2 ADC的基本原理
一、并行（闪速） ADC