模数转换
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2023年3月17日发(作者：跳大绳游戏规则)第17章模数和数模转换
数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输
入的数字量成正比。
实现数模转换的电路称数模转换器
模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成
正比。
实现模数转换的电路称模数转换器
17.1数模（D/A）转换器
一、D/A转换器的基本原理及分类
1．数模转换的基本原理
要求：输出的模拟量与输入的数字量成正比。
输入数字量D=(D
n-1
D
n-2
D
1
D
0
)
2
=D
n-1
2n-1+D
n-2
2n-2++D
1
21+D
0
20
输出模拟电压u
O
=D△=(D
n-1
2n-1+D
n-2
2n-2++D
1
21+D
0
20)△
△是DAC能输出的最小电压值，称为DAC的单位量化电压，它等于D
最低位(LSB)为1、其余各位均为0时的模拟输出电压(用ULSB表示)。
2．倒T型网络D/A转换器,基本原理如图示：
D
D
n
输
模
DAC
D
0
1
D
n
2
n
1
¡
-
u
O
位二
进制数
入
拟电压输出
△
-
∞
I
1111
S
0
+
+
u
O
S
1
S
2
S
3
D
3
D
2
D
1
D
0i
Σ
R
F
II
3
I
2
I
1
I
0
V
REF
2R2R
0
2R
I
1
2R
I
2
2R
I
3
0000
R
R
R
模拟开关Si打向“1”侧时，相应2R支路接虚地；打向“0”侧时，相应
2R支路接地。故无论开关打向哪一侧，倒T型电阻网络均可等效为下图：
从A、B、C节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为2R。
即I
3
=23I
0
，I
2
=22I
0
，I
1
=21I
0
，I
0
=20I
0
可见，支路电流值Ii正好代表了二进制数位D
i
的权值2i
。
模拟开关Si受相应数字位Di控制。当Di=1时，开关合向“1”侧，相应支
路电流Ii输出；Di=0时，开关合向“0”侧，Ii流入地而不能输出。
iΣ=D
3
I
3
+D
2
I
2
+D
1
I
1
+D
0
I
0
=(D
3
23+D
2
22+D
1
21+D
0
20)I
0
=DI
0
3．D/A转换器主要指标
常用DAC主要有权电阻网络DAC、R-2R、T形电阻网络DAC、R-2R
倒T形电阻网络DAC和权电流网络DAC。其中，后两者转换速度快，性能好，
因而被广泛采用，权电流网络DAC转换精度高，性能最佳。
(1)分辨率：用输入的二进制数码的位数n来表示。位数越多，分辨率就越高。
II
3
I
2
I
1
I
0
V
REF
2R2R
I
0
2R
I
1
2R
I
2
2R
I
3
RR
R
ABC
=
4
=
16
因此，
I=
V
REF
R
I
3
=
I
2
=23()
，
I
24
I
2
=
I
3
2
=22()
，
I
24
I
I
1
=
I
2
2
=21()
，
I
24
=
I
8
I
0
=
I
1
2
=20()
I
24
I
=
-
·
RV
u
O
D
R
4
FREF
2
，对
n
位
DAC
u
O
=
-
D·
R
RV
n
2
FREF
(2)线性度：用非线性误差的大小来表示。
(3)转换精度：以最大静态转换误差的形式给出，这个误差包含非线性误差、
比例系数误差、漂移误差等。
(4)输出电平一般为5V至10V，高压输出型的可达24V至30V；输出电流型
的，低的为几到几十毫安，高的达3A
(5)输入数字电平：输入数字信号分别为1和0时，所对应的输入高低电平的值。
4．集成D/A转换器
常用集成DAC有两类：一类内部仅含有电阻网络和电子模拟开关两部分，
常用于一般的电子电路。另一类内部除含有电阻网络和电子模拟开关外，还带有
数据锁存器，并具有片选控制和数据输入控制端，便于和微处理器进行连接，多
用于微机控制系统中。
上图为CDA7524的单极性输出应用电路。图中电位器R1用于调整运放增益，
电容C用以消除运放的自激。已知ULSB=VREF/256，试求满度输出电压及
满度输出时所需的输入信号。
当D7D6D5D4D3D2D1D0=11111111时，输出为满度值。
△
4D
V
∞
R
k
5
CDA7524
5
7
8
9
10
6
11
12
13
7
D
6
D
4
D
3
D
2
D
1
D
5
D
0
CS
3
14
V
DD
15
16
1
2
REF
=10V
+
+
-
OUT
1
OUT
2u
O
C
2k
R
2
1
1
1pF
WR
u
O
=-U
FSR
-9.961V。
Ｖ
ＦＳＲ
961.9
256
5502
256
25512REF
LSB
8
V
UU
二、A/D转换器
1.A/D转换的基本原理
功能：把模拟量转换成数字量
分类（按转换原理）：直接转换型、间接转换型
采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。
保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。
量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的整数倍表示。
编码：把量化的结果用二进制代码表示。
2．并联比较型的ADC
电阻构成分压器
3．A/D转换器的主要指标
常用ADC主要有并联比较型、双积分型和逐次逼近型。其中，并联比较
型ADC转换速度最快，但价格贵；双积分型ADC精度高、抗干扰能力强，
但速度慢；逐次逼近型速度较快、精度较高、价格适中，因而被广泛采用。
量
D
输
输
u
I
(t)
C
化
编码
电路
D
n
-
1
1
D
0
¡
-
u
I
(t)
S
采样保持电路
入模拟量
出数字量
D
D
V
REF
u
I
R
R
/2
R
R
R
R
R
R
2
(MSB)
CP
1D
1D
1D
1D
1D
1D
1D
D
1
0
(LSB)
比较器寄存器编码器
编
码
器
（1）分辨率：表示输出数字量变化一个相邻数码所对应的输入模拟量的变化量，
常以输出二进制的位数表示。
（2）相对精度：指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。
（3）转换速度：完成一次转换所需要的时间。
并联比较型>逐次比较型>双积分型
（4）电源抑制：在输入模拟电压不变的条件下，当转换电路的供电电源电压变
化时对输出的影响。
本章小结
D/A转换是将输入的数字量转换为与之成正比的模拟电量。常用的DAC主
要有权电阻网络DAC、R-2RT形电阻网络DAC、R-2R倒T形电阻网
络DAC和权电流网络DAC。其中，后两者转换速度快，性能好，因而被
广泛采用，权电流网络DAC转换精度高，性能最佳。
A/D转换是将输入的模拟电压转换为与之成正比的数字量。常用ADC主要
有并联比较型、双积分型和逐次逼近型。其中，并联比较型ADC属于直接
转换型，其转换速度最快，但价格贵；双积分型ADC属于间接转换型，其
速度慢，但精度高、抗干扰能力强；逐次逼近型也属于直接转换型，其速度
较快、精度较高、价格适中，因而被广泛采用。
A/D转换要经过采样-保持和量化与编码两步实现。采样-保持电路对输
入模拟信号抽取样值，并展宽(保持)；量化是对样值脉冲进行分级，编码是
将分级后的信号转换成二进制代码。在对模拟信号采样时，必须满足采样定
理：采样脉冲的频率fS必须大于输入模拟信号最高频率分量的2倍。这样
才能不失真地恢复出原模拟信号。
DAC和ADC的分辨率和转换精度都与转换器的位数有关，位数越多，分
辨率和精度越高。基准电压VREF是重要的应用参数，要理解基准电压的
作用，尤其是在A/D转换中，它的值对量化误差、分辨率都有影响。一般
应按器件手册给出的范围确定VREF值，并且保证输入的模拟电压最大值不
大于VREF值。