汽车里程表、数字万用表都是把连续变化的模拟信号转换成数字信号模/数转换器（ADC）A/D转换器是
用来把连续变化的模拟信号转换为一定格式的数字信号的器件。A/D转换器的基本原理：6.2.1A/D转换基本原理
（1）量化：将取样值取整为LSB整数倍的过程。2.转换误差直接A/D转换器：并行比较型A/D转换器
逐次比较型A/D转换器间接A/D转换器：双积分型A/D转换器电压转换型A/D转换器2
．逐次逼近型ADC电路电路由启动脉冲启动后:（1）时钟频率为1MHz，时钟周期1μs。故求得T=(1
0+2)×1μs=12μs（2）当要求小于10μs时，则有T=(10+2)≤10μs故求得
f=1.2MHz基本原理：对输入模拟电压uI和基准电压-UREF分别进行积分，将输入电压平均值变换成与
之成正比的时间间隔T2，然后在这个时间间隔里对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果N就是正比于输入模拟信号的数字量信号。3.双
积分型ADC（1）电路组成双积分型ADC电路①积分器：Qn=0，对被测电压uI进行积分；
Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。②检零比较器C：当uO≥0时，uC＝0；
当uO＜0时，uC＝1。③计数器：为n＋1位异步二进制计数器。第一次计数，是从0开始直到2n对C
P脉冲计数，形成固定时间T1＝2nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到时Qn＝1，使S1从A点转接到B点。第二次计数，是将时间
间隔T2变成脉冲个数N保存下来。④时钟脉冲控制门G1：当uC=1时，门G1打开，CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。
（2）工作原理先定时（T1）对uI正向积分，得到Up，Up∝uI；再对－UREF积分，积分器的输出
将从Up线性上升到零。这段积分时间是T2，T2∝Up∝uI；在T2期间内计数器对时钟脉冲CP计得的个数为N，N∝T2∝Up
∝uI。由于这种转换需要两次积分才能实现，因此称该电路为双积分型ADC。可见，实现了A/D转换，N为转换结果。由于
T1＝2nTc，T2＝NTc，所以有结论：可见，N∝UP∝uI，实现了A/D转换，N为转换结果。
第一，如果减小uI（即图7-12中的uI′），则当t＝T1时，uO＝Up′，显然Up′＜Up，从而有T2′＜T2；
第二，T1的时间长度与uI的大小无关，均为2nTc；第三，第二次积分的斜率是固定的，与Up的大小无关。
由于T2＝NTc，所以优点1：抗干扰能力强。积分采样对交流噪声有很强的抑制能力；如果选择采样时间
T1为20ms的整数倍时，则可有效地抑制工频干扰。缺点：转换速度较慢。完成一次A/D转换至少需要（T1＋T2）时
间，每秒钟一般只能转换几次到十几次。因此它多用于精度要求高、抗干扰能力强而转换速度要求不高的场合。优点2：具有良好的
稳定性，可实现高精度。由于在转换过程中通过两次积分把UI和UREF之比变成了两次计数值之比，故转换结果和精度与R、C无关。A/D
变换类型的比较1.并联比较型:转换速度快(10ns),但所用元器件多,功耗大2.逐次比较型:转换速度中速(10～50μs)
位数越多速度越慢3.双积分型:转换速度慢（几十ms～几百ms)但精度高,抗干扰能力强13.2.4典型集
成ADC器件及其应用1、ADC0809的原理与功能美国国家半导体公司（NS）生产8位数字输出、8路模拟输入采用CMOS工艺
制逐次逼近型A/D转换器采用双列直插式28脚封装，与8位微机兼容其三态输出可以直接驱动数据总线电子技术教研室电子技术
基础第13章数模与模数转换数字电路基础部电子技术教研室电子技术教研室数字电路复习为
什么要ADC或DAC？组成D/A转换器的基本指导思想？DAC的主要技术参数？6.2.1A/D转换的一般过程
6.2.2ADC的主要技术参数6.2.3常用的A/D转换技术6.2.4典型集成ADC器件及其应
用6.2模数转换器参考电压VREFA/Dn位数字D信号输出模拟VA输入A/D转换目标：将时间连续、幅
值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。四个步骤：采样、保持、量化、编码。1.采样与保持
（1）将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。采样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x
(t)的最高频率分量的频率为fmax，必须满足fs≥2fmax，y(t)才
可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。通常取fs＝(2.5～3)fmax（2）由于A/D转换需要一定的
时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。s(t)有效期间，开关管VT导通，uI向C充电，uo(=uc)跟随uI
的变化而变化；s(t)无效期间，开关管VT截止，uo(=uc)保持不变，直到下次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗，
在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放。）13.2.1A/D转换器的基本原理模拟电子开关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。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。1、采样与保持采样定理：
fs=2fimax采样的宽度往往是很窄的，为了使后续电路能很好的对这个采样结果进行处理，通常需要将采样结果存储起来，直到
下次采样，这个过程称作保持。一般，采样器和保持电路一起总称为采样保持电路。图9.5是常见的采样保持电路。开关S闭合时，输入模拟量对
电容C充电，这是采样过程；开关S断开时，电容C上的电压保持不变，这是保持过程。2.量化与编码采样保持电路输出，即量化编
码的输入仍然是模拟量。量化：将采样电平归化为与之接近的离散数字电平如果输出的数字量是三位二进制数，则仅可取000～11
1八种可能值量化阶梯：由零到最大值的模拟输入范围被划分为1/8，2/8……7/8共23-1个值比较电平：相邻量化阶梯之
间的中点值1/16，3/16……13/16采样后的模拟值同比较电平相比较，并赋给相应的量化阶梯值
。例如，采样值为7/32MAX，相比较后赋值为2/8MAX。编码：把量化的数值用二进制数来表示编码有不同的方式。例如
上述的量化值2/8MAX，若将其用三位自然加权二进制码编码，则为010。（a）4舍5入法（b）只舍不入法（2）编码：将量化值
用二进制编码表示的过程。2.量化与编码1.分辨率分辨率是指A/D转换器输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模
拟量的变化量。通常以ADC输出数字量的位数表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位就越小，对输入信号的分辨能力也就越高。
例如，输入模拟电压满量程为10V，若用8位ADC转换时，其分辨率为10V/28＝39mV，10位的ADC是9.76mV，
而12位的ADC为2.44mV。13.2.2ADC的主要技术参数A/D变换的分辨率:能对转换结果发生影响的最小输入
量,也就是:1LSB所对应的模拟量D/A变换的分辨率指最小输出电压和最大输出电压之比。两者也都可用变换器的位数来表示
转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出。
转换误差也叫相对精度或相对误差。转换误差常用最低有效位的倍数表示。例如某ADC的相对精度为±(1/2)L
SB，这说明理论上应输出的数字量与实际输出的数字量之间的误差不大于最低位为１的一半。3.转换速度完成一次A/D转
换所需要的时间叫做转换时间，转换时间越短，则转换速度越快。双积分ADC的转换时间在几十毫秒至几百毫秒之间；
逐次比较型ADC的转换时间大都在10～50μs之间；并行比较型ADC的转换时间可达10ns。13
.2.3常用ADC技术1、并行比较型ADC电路:数字量输出比较器R/2RRRRRRR/2V
A输入VR_+A_+A_+A_+A_+A_+A_+A_+ADQ8D
Q7DQ6DQ5DQ4DQ3DQ2DQ1Q7Q6Q5Q4Q3Q
2Q1编码器溢出标志D0D1D2CPRV8V7V6V5V4V3V2V1电阻分压器电压比较器
寄存器及编码电路无意义11111111115/16VREF≤VA11
100111111113/16VREF≤VA<15/16VREF11
000011111111/16VREF≤VA<13/16VREF10
10000111119/16VREF≤VA<11/16VREF10
00000011117/16VREF≤VA<9/16VREF011
0000001115/16VREF≤VA<7/16VREF0100
000000113/16VREF≤VA<5/16VREF00100
00000011/16VREF≤VA<3/16VREF00000
00000000≤VA<1/16VREFD2D1D0OVQ8Q7Q6
Q5Q4Q3Q2Q1数字量溢出比较输出输入VA并行比较型ADC电路:编码器的表达式为：D/A转换器
逻辑控制电路逐次逼近寄存器(SAR)比较器+-ViCP转换结束启动信号(Dn-1~D0)模拟电压输入V0
VREF数字输出………基准电压UREFn位D/A转换器2.逐次逼近型ADC1（D0为1）/0（D0为0）…
Dn-1Dn-2Dn-3…D11n-1…………1（Dn-3为1）/0（Dn-3为0）…Dn-1Dn-21…
0021（Dn-2为1）/0（Dn-2为0）0.75/0.25UREFDn-110…0011（Dn-1为1）/
0（Dn-1为0）0.5UREF100…000uI>uO？u0(V)Dn-1Dn-2Dn-3…D1D0CP
uI>uO为1否则为0实例：8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，D/A转换器基准电压UREF=10V。相对误差
仅为0.06%。转换精度取决于位数。76543210uI>uOu0(V)D7D6D5D4D3D2D1D0
CP110000007.50101000006.251101100006.8750101010006.562
51101011006.718751101011106.7968751101011116.835937511100000005uI>uO为1否则为08位逐次比较型A/D转换器波形图【例3】对于一个l0位逐次逼近式A／D转换电路，当时钟频率为1MHz时，其转换时间是多少?如果要求完成一次转换的时间小于10μs，试问时钟频率应选多大?解：根据逐次逼近式A／D转换电路的工作原理可知：位长为n的寄存器，需要经过n次比较，即需n个CP脉冲，在第(n+1)个CP作用下，寄存器的状态被送至输出端，在第(n+2)个CP作用下，逻辑控制电路恢复到初始状态，同时将输出端状态清除掉，为下一次A/D转换作好准备。因此，对于位长为n的寄存器，完成一次A/D转换所需时间T为(n+2)个时钟周期。 |
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