A/D转换类
A
A/D转换器
D 似用天平
测量质量
A/D转换
mmXXX 质量天平仪
mmin
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
mmin称为量化单位。无论mmin多小，总不能是无穷小， 由mmin不能是无穷小而带来的误差称为量化误差。
量化误差是不能消除的。
D
但A/D转换得出的数字量可以
提供较模拟量更多的有效数字，
C3
0
uI

5FFU3 REF
14 1 Q3
C2
1
0 uI

3FF2UREF 14 Q2
LSB
C1
1
uI
1FFU1 REF
LS1B4 /2Q10
模0R1拟10转方输换案入电器中压0 范差会u的是I 0围都超转最内是过换高1，一(1速的/它样14率。的的)采DU0在最 ，0R用E大即所F有二。量永有进舍制化远A有数误不/入输D出转的量换
001
但0 需要使用化把方标大式准量，电的利压比用U较R电EF器阻分分。成压8
段（量化阶梯）编，码位器数
000
越多，精度越高。
CP
第三节 A/D转换器 取并行比较型速度快与串行
四、串行比较型比A较/D型转结换构器简单之优点，构成了
串行比较型A折/D中转方换案器—让—模并拟-信串号比依较时型间A/顺D转序通过一连 串比较器，后面比换较器器。的输入信号反映了前面比较器的剩余。
使得数据处理的总体精度大大
提高。
LSB
O
A
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
五、 A/D转换器的主要技术参数
分辨力：A/D转换器分辨最小模拟量的能力。 分辨率：A/D转换器的二进制位数。
量化误差：量化误差通常是指1个LSB的输出变化所 对应模拟量的范围。
转换精度：A/D转换器的转换精度不仅仅取决于量化 误差，而是由多种因素决定的。 A/D转换器的转换精度一 般表示为γ±nLSB。
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
四、 A/D转换的基本原理
A/D转换的过程，是一个将模拟信号变换为数字信号 的编码过程。 数字D永远不能精确地表
若模拟参示一被个考测最量物小为体 砝R质 码，m量m则minx的输，精而出度只数去能字逼以量D和输入模拟量A之 间的关系为近D。≈ A/R
R（UREF）
分辨率：通常指D也/A就转是换最低器有输效入位数LS字B所的对二进制位数。
应的模拟量 ，记作RLSB 。
满量程：D/A转换器可输出模拟量的最大值。
显然位数越多，D/A转换器所能输出
大值非称线为性非误线差性误：差在的 分。辨最满率小量是模程统拟范一量围的值。也内有越偏时小离对，理二因想者而不分转加辨换区力特分与性。的最
第二节 D/A转换器
一、权电阻型D/A转换器
UREF
R
R
R
R
2n1
2n2
2i
2
R
Sn-1
Sn-2
Si
S1
S0
Rf
1
01
01
0 1 01
0
i
uO
Dn-1
Dn-2
Di
D1
D0
uO i iiRininnf0121Di UD2RRiEnRF1f2URUURUR2R2EERRnFFRnREE1niF2niF0101DDi 2ii,2i , Di D(0,i1) (0, 1)
D1
D0
uO
放大器输出电压是多少？
解：
3
u O


Rf U REF R
Di 2i

810 (23 100

21
1)V

8.8V
i 0
权电阻型D/A转换器中的解码网络所用的阻值范围很大, 特别是当分辨率较高时, 电阻值的范围会大得难以实现。
第二节 D/A转换器
二、R-2R 网络型D/A转换器
∞
10
压比较器就成了A/D转换器中重要 uX
D
部件。
UREF
+
比较器的输出为
D

0 1
uX UREF uX UREF
uI
UURREEFF
R
UR7=
1133 1144
2
UURREEFF
R
UR6=
1111 1144
UURREEFF
R
UR5=
99 1144
UURREEFF
R
UR4= 174174UURREEFF
数字量是不能连续取值的。
模拟量
处理后的数
被控对象
执 字信息
行
传
机
感
构
电压、电电数流的字或模信频拟号量
器
率等电量
数字系统
D/A
A/D
转
转
换
换
实际场景
照片
模拟信号
A/D转换
数字信号
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
二、D/A转换的基本原理
要将模拟量A转换为数字量D，需要一个模拟参考量
R ，使得
A = DR
第二节 D/A转换器
右图所示的电路中，设 UREF
n=4, UREF =－10V, R=100kΩ, Rf=8kΩ, 输 入 二 进 制 数 码
R
R
R
R
2n1
2n2
2i
2
R
Rf
Sn-1
Sn-2
Si
S1
S0
1
01
01
01
01
0
S3S2S1S0 为 1011 。 试 问 运 算
Dn-1
Dn-2
Di
R R
5 UR3= 14154UURREEFF
R 3R
UR2= 11434UURREEFF
R
1R
UR1=
141 14
UREF UREF
R
R2
2
C7
0
0 FF7 Q7
111
uI uI
第三节 A/D转换D器0 D1 D2
uI
三、并行比较型A/D转换器
C6
0
C5
0
C4
0
0 FF6 Q6
分压器组 FF5 比较器组 1 Q5
若max{A}=R 则0≤D≤1
即数字量D是一个不大于1的n位二进制数。这里将D按权 展开成多项式：
D = a-12－1 + a-22－2 + … + a-n2－n , ai∈(0, 1)
实际中通常用一个参考电压UREF作模拟参考量。
第一节 D/A和A/D转换的基本原理
A

DR

R 2n
(a1 2n1
CP
第三节 A/D转换器
六、逐次比较型A/D转换器
补偿电压=（1/2）LSB=0.5V
第第二三 4.5.V5V 56V
个冲个 冲时到时到钟来钟来脉时脉 时。。
CO 1 uI < uO 0 uI > uO
uO
CO
uI(t)
CO
001
1
Q3
4.9V
3位码DAC电路
10
01
Q2
Q1
G4 D012 G5 D01 G6 D010
时间上和量值上都连续
模拟信号
时间上和量值上都离散
数字信号
取 样 时间上离散的信号
保持、量化
编 码 量值上也离散的信号
A/D转换过程：取样、保持、量化及编码。
第三节 A/D转换器
一、取样—保持电路
模拟信号
f(t)
所谓取样就是将一个时间上连 续变化的模拟量转换为时间上离散 的模拟量。
根据取样定理，每经过一定时 O
1
Rd
G3
G2
G1
FF1 Q0A
FF2 QB10
FF3 QC01
FF4
QD
0
FF5
QE
01
第五 个时钟脉 冲到来时。
这种暂时保持由瞬时取样 得到的模拟信号的电路，就是 取样—保持电路。下图是一种 常用的取样—保持电路。
第三节 A/D转换器
一、取样—保持电路 R2
在取样脉冲S（t）持续时间
tw内 ，T导通。输入信号uI经开
关T对电容C进行充电。只要充 电时间常数远小于取样信号S uI
R1
T
+-
C
∞
（t）的持续时间tw，则输出信 号uO就能跟踪输入信号uI的变 化。 当取样脉冲结束，即在TS-tw
t
间间隔TS取出信号的一个值，只要 f *(t)
T率S≤），2这1（fm些fm取为样信值号就频可带以中无的损最失高频地
7 6 5 4 3
2
表达原模拟信号。
1
O 1TS 2TS 3TS 4TS 5TS 6TS 7TS 8TS
t
取样信号
第三节 A/D转换器
一、取样—保持电路
由于对模拟量进行量化的 过程需要一定的时间，所以为 保证转换精度，在转换（即量 化）时间内应使取样点的函数 值保持不变。
D3
D2
D1
D0
UREF C3
C2
C1
DAC
DAC
DAC
UR3
uY3
UR2
uY2
UR1
uY1
uI
uX3
uX2
uX1
由于后一位的比较需要使用前一位的结果，所以这种方 案的转换速率不可能做得很高。但相同分辨率的A/D转换器， 串行比较法较并行比较法少用了大量的比较器。
第三节 A/D转换器