模数转换原理概述
随着数字电子技术的迅速发展，各种数字设备，特别是数字电子计算机的应
用日益广泛，几乎渗透到国民经济的所有领域之中。数字计算机只能够对数字信
号进行处理，处理的结果还是数字量，它在用于生产过程自动控制的时候，所要
处理的变量往往是连续变化的物理量，如温度、压力、速度等都是模拟量，这些
非电子信号的模拟量先要经过传感器变成电压或者电流信号，然后再转换成数字
量，才能够送往计算机进行处理。
模拟量转换成数字量的过程被称为模数转换，简称A/D(Analog to Digital)转
换；完成模数转换的电路被称为A/D转换器，简称ADC(Analog to Digital
Converter)。数字量转换成模拟量的过程称为数模转换，简称D/A(Digital to Analog)
转换；完成数模转换的电路称为D/A转换器，简称DAC(Digital to Converter)。
带有模数和数模转换电路的测控系统大致可用图1.1所示的框图表示。
传感器放大器功率放大器执行部件A/D转换器D/A转换器数 字电 路
图1.1 一般测控系统框图
图中模拟信号由传感器转换为电信号，经放大送入AD转换器转换为数字
量，由数字电路进行处理，再由DA转换器还原为模拟量，去驱动执行部件。为
了保证数据处理结果的准确性，AD转换器和DA转换器必须有足够的转换精度。
同时，为了适应快速过程的控制和检测的需要，AD转换器和DA转换器还必须
有足够快的转换速度。因此，转换精度和转换速度乃是衡量AD转换器和DA转
换器性能优劣的主要标志。
本课程设计主要讲解万用表的原理与制作，仅涉及到A/D的相关知识。因
此，在本章节中仅介绍ADC的相关知识，对DAC感兴趣的同学可以查阅“数
字电路”的相关知识。
A/D转换的基本概念
AD转换器的功能是将输入的模拟电压转换为输出的数字信号，即将模拟量转换成与其成比例的数字量。一个完整的AD转换过程，必须包括采样、保持、
∑–△型模数转换器(ADC)
1. 概述
近年来，随着超大规模集成电路制造水平的提高，Σ-Δ型模数转换器正以其分辨率高、线性度好、成本低等特点得到越来越广泛的应用。Σ-Δ型模数转换器方案早在20世纪60年代就已经有人提出，然而，直到不久前，在器件商品化生产方面，这种工艺还是行不通的。今天，随着1微米技术的成熟及更小的CMOS几何尺寸，Σ-Δ结构的模数转换器将会越来越多地出现在一些特定的应用领域中。特别是在混合信号集成电路(Mixed-signal ICs，指在单一芯片中集成有模数转换器、数模转换器以及数字信号处理器功能的集成电路芯片)中。目前，Σ-Δ型模数转换器主要用于高分辨率的中、低频(低至直流)测量和数字音频电路。用于低频测量的典型芯片有16位分辨的AD7701，24位分辨的AD7731等；用于高品质数字音频场合的典型芯片有18位分辨率的AD1879等。随着设计和工艺的水平的提高，目前已经出现了高速Σ-Δ型模数转换器产品。
2. ∑–△型ADC的理论基础
与一般的ADC不同，∑–△型ADC不是直接根据抽样数据的每一个样值的大小进行量化编码，而是根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码。从某种意义上讲，它是根据信号波形的包络线进行量化编码的。∑–△型ADC由两部分组成，第一部分为模拟∑–△调制器，第二部分为数字抽取滤波器，如下图所示。
∑–△调制器以极高的抽样频率对输入模拟信号进行抽样，并对两个抽样之间的差值进行低位量化，从而得到用低位数码表示的数字信号即∑–△码；然后将这种∑–△码送给第二部分的数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨
率的线性脉冲编码调制的数字信号。因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。由于∑–△调制器具有极高的抽样速率， 通常比奈奎斯特抽样频率高出 许多倍，因此∑–△调制器又称为过抽样ADC转换器。这种类型的ADC采用了极低位的量化器， 从而避免了制造高位转换器和高精度电阻网络的困难；另一方面，因为它采用了∑–△调制技术和数字抽取滤波，可以获得极高的分辨率；同时由于采用了低位量化输出的∑–△码，不会对抽样值幅度变化敏感，而且由于码位低，抽样与量化编码可以同时完成，几乎不花时间，因此不需要采样保持电路，这就使得采样系统的构成大为简化。这种增量调制型ADC实际上是以高速抽样率来换取高位量化，即以速度来换精度。
模数转换器（ADC）的基本原理【转】
模数转换器(ADC)的基本原理
模拟信号转换为数字信号,⼀般分为四个步骤进⾏,即取样、保持、量化和编码。前两个步骤在取样-保持电路中完成,后两步骤则在ADC中完
成。
常⽤的ADC有积分型、逐次逼近型、并⾏⽐较型/串并⾏型、Σ -Δ调制型、电容阵列逐次⽐较型及压频变换型。下⾯简要介绍常⽤的⼏种类
型的基本原理及特点:
1 积分型(如TLC7135) 。积分型ADC⼯作原理是将输⼊电压转换成时间或频率,然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是⽤简单电路就能
获得⾼分辨率,但缺点是由于转换精度依赖于积分时间,因此转换速率极低。初期的单⽚ADC⼤多采⽤积分型,现在逐次⽐较型已逐步成为主
流。双积分是⼀种常⽤的AD 转换技术,具有精度⾼,抗⼲扰能⼒强等优点。但⾼精度的双积分AD芯⽚,价格较贵,增加了单⽚机系统的成本。
2 逐次逼近型(如TLC0831) 。逐次逼近型AD由⼀个⽐较器和DA转换器通过逐次⽐较逻辑构成,从MSB开始,顺序地对每⼀位将输⼊电压与内
置DA转换器输出进⾏⽐较,经n次⽐较⽽输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较⾼、功耗低,在低分辨率( < 12位)时价格便宜,但
⾼精度( > 12位)时价格很⾼。
3 并⾏⽐较型/串并⾏⽐较型(如TLC5510) 。并⾏⽐较型AD采⽤多个⽐较器,仅作⼀次⽐较⽽实⾏转换,⼜称FLash型。由于转换速率极⾼, n位
的转换需要2n - 1个⽐较器,因此电路规模也极⼤,价格也⾼,只适⽤于视频AD 转换器等速度特别⾼的领域。串并⾏⽐较型AD结构上介于并⾏
型和逐次⽐较型之间,最典型的是由2个n /2位的并⾏型AD转换器配合DA转换器组成,⽤两次⽐较实⾏转换,所以称为Halfflash型。
4 Σ-Δ调制型(如AD7701) 。Σ- Δ型ADC以很低的采样分辨率( 1位)和很⾼的采样速率将模拟信号数字化,通过使⽤过采样、噪声整形和数字滤
波等⽅法增加有效分辨率,然后对ADC输出进⾏采样抽取处理以降低有效采样速率。Σ-Δ型ADC的电路结构是由⾮常简单的模拟电路和⼗分
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 = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2
= Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20
输出模拟电压 uO = D△ = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 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：
DDn输模DACD01Dn2n1¡-uO位二进制数入拟电压输出△-∞I1111S0++uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2R02RI12RI22RI30000RRR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 I3 = 23 I0， I2 = 22 I0， I1 = 21 I0， I0 = 20 I0
可见，支路电流值 Ii 正好代表了二进制数位 Di 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。
