第 8 章
模拟量与数字量
转换
概 述
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。
一、 D/A转换器的基本原理
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
第1节 D/A转换器
转
换
特
性
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：
（1）分辨率指分辨最小电压的能力。有时也用输入
数字量的有效位数来表示分辨率。
（2）输出电压( 电流 )的建立时间输入数字量为全
0到全1，输出电压达到稳定值所需要的时间。超高
速（<100nS);较高速(100nS~1 S)；高速(1 ~ 10
S)；中速(10~100S）；低速（100S）。
（3）转换误差 一般用最低有效位为1时输出电压的
1/2来表示。
失调误差 增益误差 非线性误差
二、 D/A转换器的构成
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
变的。
设RF=R/2
输出模拟电压的大小直接与输入 二进制
数的大小成正比，实现了数字量 到模拟量的
转换 。
对于权电阻DAC而言，n位二进制数转换
为模拟量：
①分别从虚线A、B、C、D处向右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。
三、集成D/A转换器及其应用
DAC 0832 管脚分布图
CS
WR1
WR2AGND
D4
D5
D6
D7
D0
D1
D2
D3
UCC
UR
Rfb
DGND
LCE
XFER
Iout1
Iout2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
19
18
17
16
15
14
13
12
11
20
DAC 0832 简化电路框图
八位
寄存器
(1)
输入
八位
寄存器
(2)
输入
八位
变换器
－
＋
＋
UR
Rfb
Iout1
Iout2
AGND
VCC
uo
DGND&ILE
CS
WR1
WR2
XFER
A/D
D7
D0
....
..
1
1
本节小结
D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信号
转换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根据工
作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器
和倒T型电阻网络D/A转换器两大类。由于倒T型
电阻网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻，因此
最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采用这种
电路结构。
如果输入的是n位二进制数，则D/A转换器
的输出电压为：
第2节 A / D 转换器
A/D转换器的任务是将模拟量转换
成数字量,它是模拟信号和数字仪器
的接口。
一、 A/D转换器的基本原理
取
样
时间上离散的信号
保持、量化
量值上也离散的信号
编
码
模拟信号 数字信号
时间上和量值上都连续 时间上和量值上都离散
模数转换一般分为取样、保持和量化、编码两步进行。
取样、保持
vI vS
S (t)
(a) 取样电路
示意图
vI
tO t1 t2 t3 t4 t5
(b) 输入模拟
信号
S(t)
tt1 t2 t3 t4 t5
tW (c) 取样脉冲
tt1 t2 t3 t4 t5
(d) 取样信号
vS
TS
tt1 t2 t3 t4 t5
(e) 取样保持
信号
vO
O
O
O
取样
时间
(tW) 保持时间
(TS－tW)
（１）取样、保持
取样就是对模拟
信号周期性地抽取样
值，使模拟信号变成
时间上离散的脉冲串，
取样值取决于取样时
间内输入模拟信号的
大小。
根据取样定理，
取样频率的选取一般
为：
vI
S(t)
vO
＋
－A
7
取样－保持电路
C
(a)
S
＋
－A1
L
vI
S(t)
＋
－A2 vO
C
30
300
RP VB
6
5
412
3
8
（外接）调零
（外接）
(b)
V＋ V－
要对模拟信号的取样值进行量化和编码，必须使取样值保
持一定的时间。
取样和保持是由取样－保持电路完成的。
模拟电压 vI/V 量化值 二进制数
输出
7
6
5
4
3
2
1
0
7Δ =7 V 111
6Δ =6 V 110
5Δ =5 V 101
4Δ =4 V 100
3Δ =3 V 011
2Δ =2 V 010
1Δ =1 V 001
0Δ =0 V 000
量化方法之一
有舍有五入法
（２）量化、编码
用数字量表示取样电压值时，要将取样电压化为某个最小
数量单位(1 LSB) 的整数倍，这一转换过程称为量化，所取的最
小单位称为量化单位，用Δ表示，Δ= 1 LSB。将量化的结果转化
为对应的代码，称为编码。
实际输入电压值与量化值
之间的偏差称为量化误差。
四舍五入量化法：
采用四舍五入的方法量化
取整。最大量化误差为Δ/2。
模拟电压 vI/V 量化值 二进制数
输出8
7
6
5
4
3
2
1
7 =7 V 111
6 =6 V 110
5 =5 V 101
4 =4 V 100
3 =3 V 011
2 =2 V 010
1 =1 V 001
0 =0 V 000
量化方法之二
只舍不入法
0
舍去小数量化法：
舍去小数直接取整，最大
量化误差为△。
完成量化编码工作的电路
是ADC。按工作原理不同，可
分为直接ADC和间接ADC。
直接ADC 是将输入模拟电压直接转换成数字量，如并联比
较型ADC和逐次比较型ADC。
间接ADC 是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再
把这些中间量转换成数字量，如双积分型ADC。
（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≈。
（2）转换误差
在零点和满度都校准以后，整个转换范围内实测
值与理论值之间的最大偏差。通常以LSB为单位，以
相对误差的形式来表示。
（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。
二 、 A/D转换器的类型
直接型A/D转换器
间接型A/D转换器
逐次逼近型A/D转换器
并联比较型A/D转换器
双积分型ADC
1、并联比较型
-
+ +
-
+ +
-
+ +
-
+ +
-
+ +
-
+ +
-
+ +
uiUs
R
R
R
R
R
R
R
R
D2
D1
D0
数字输出
A
G
F
E
C
D
B
编
码
器
7Us /8
6Us /8
5Us /8
4Us /8
3Us /8
2Us /8
Us /8
优点是转换
速度快，缺
点 是所需比
较器数目多，
位数越多矛
盾越突出。
三位并联比较由以下3部分组成：
比较器：由７个电压比较器组成，“＋”输入端
接输入电压ui，“－”输入端接一定值的比较电压uR，
若
ui > uR ，比较器输出为1，反之输出为0。
分压电阻链：由８个电阻组成，将基准电压进行
分压，获得７个比较器的比较电压uR。
８线－３线优先编码器：输入、输出均为高电平
有效（具有优先级）。
比较器输入
7Us / 8 < ui < Us
6Us / 8 < ui < 7Us / 8
5Us / 8 < ui < 6Us / 8
4Us / 8 < ui < 5Us /
8 3Us / 8 < ui < 4Us / 8
2Us / 8 < ui < 3Us / 8
1Us / 8 < ui < 2Us / 8
0 < ui < 1Us / 8
A B C D E F G D2 D0D1
编码器输出输入电压ui
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 0
0 0
0
1
1
1
1
1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0
0
0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0
0 0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1 1
1
1
1
1
1
1
1
0
0 0
逻辑状态关系表
2、逐次逼近式ADC
工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。
若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、
2、1克。设待秤重量Wx = 克，可以用下表
步骤来秤量：
砝码重
第一次
第二次
第三次
第四次
加4克
加2克
加1克
8 克 砝码总重 < 待测重量Wx ，故保留
砝码总重仍 <待测重量Wx ，故保留
砝码总重 > 待测重量Wx ，故撤除
砝码总重 ＝ 待测重量Wx ，故保留
暂时结果
8 克
12 克
12 克
13 克
结 论
数模转换器
逐次逼近寄存器
控制电路
顺序脉冲发生器
数字量输出
时钟脉冲
电压比
较 器
M
uoui
原理
框图
QA
RA SA
QB
RB SB
QC
RC SC
& & &
3位数模转换器
&
&
&
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5
B2(22)
B1(21)
B0(20)
CP
ui uo
顺 序 脉 冲 发 生 器
0
0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0
CP
1
0
0 0 0
0 1 0 0 0 0
1 0 0 0 0
1
CP
0
1 0 0
0 1 0 0 0 0
1 0 0 0 0
0
CP
1 2
0
1 0 0
0 0 0 1 0 0
0 1 0 0 0
1
CP
1
0
1 1 0
0 0 0 1 0 0
0 1 0 0 0
0
CP
1 2 3
0
1 1 0
0 0 0 0 0 1
0 0 1 0 0
1
CP
1 2 4
1
1 1 1
0 0 0 0 1 0
0 0 0 1 0
1
CP
1 2 3
0
1 1 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 0
0
CP
1 2 3 4 5
0
1 1 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 1
1
1
1
0
CP
1 2 3 4
0
0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0
CP
1 2 3 4 55
1
1 1 1
0 0 0 0 0 1
0 0 1 0 0
0
CP
1 2 3
四、 集成ADC
集成ADC：逐次比较型、双积分型等；
8位、12位、20位等
集成ADC0809： 8位、前置8选1模拟开关、
后置三态输出数据锁存器，
另有相应的控制端，便于程序控制，易于直接微机。
思考题
1、DAC和ADC有什么用途?
2、 R-2R T形电阻网络有什么特点？ 为什么通常采用R-2R T
形电阻网络DAC而不用权电阻DAC?
3、什么是DAC、 ADC的分辨率和转换精度？
4、比较并联比较型ADC和逐次比较型DAC的优缺点?
习题：P398 ，
That’s all!
Thanks for your
cooperation!
