模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理與轉(zhuǎn)換過程解析

A/D轉(zhuǎn)換的基本原理

在一系列選定的瞬間對模擬信號進(jìn)行取樣，然后再將這些取樣值轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。
整個A/D轉(zhuǎn)換過程大致可分為取樣、量化、編碼三個過程。

取樣-保持電路

取樣-保持電路的基本形式如上圖，圖中T為Ｎ溝道增強(qiáng)型MOS管，作模擬開關(guān)使用。

當(dāng)取樣控制信號Vi為高電平時T導(dǎo)通，輸入信號Vi經(jīng)電阻R1和T向電容CH充電。若取R1=RF，且視運(yùn)算放大器為理想運(yùn)算放大器，則充電結(jié)束后，Vo=Vch=-Vi

當(dāng)Vi返回低電平以后，MOS管T截止，由于CH上的電壓在一段時間內(nèi)基本保持不變，所以Vo也保持不變，取樣結(jié)果被保存下來（CH的漏電流越小，運(yùn)算放大器的輸入阻抗越高，Vo保持的時間也越長）。

該電路在取樣過程中需要輸入電壓經(jīng)R1和T向電容CH充電，這就限制了取樣速度，而通過減少R1的辦法提高取樣速度又必將降低電路的輸入阻抗。

A/D轉(zhuǎn)化器分類：

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器、

反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器（分為：計數(shù)型、逐次漸進(jìn)型）

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)圖如下，它由電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換電路三部分組成。輸入為0-Vref間的模擬電壓，輸出為3位二進(jìn)制數(shù)碼d2d1d0。

電壓比較器中量化電平的方式：采用電阻鏈將參考電壓Vref分壓，得到(1/15)Vref到(3/15)Vref之間7個比較電平，量化單位為(2/15)Vref，將這7個比較電平分別接到7個電壓比較器C1-C7的輸入端作為比較基準(zhǔn)，同時將輸入的模擬電壓同時加到每個比較器的另一個輸入端，與這7個比較基準(zhǔn)進(jìn)行比較。

若Vi<(1/15)Vref，則所有比較器的輸出全是低電平，CLK上升沿到來后寄存器中所有的觸發(fā)器都被置為0狀態(tài)

若(1/15)Vref

以此類推，便可列出Vi為不同電壓時寄存器的狀態(tài)

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的最大優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，其一次轉(zhuǎn)換所需的時間只包括一級觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時間和三級門電路的傳輸延遲時間。但，從電路可知，輸出為n位二進(jìn)制代碼的轉(zhuǎn)換器應(yīng)當(dāng)有(2^n)-1個電壓比較器和(2^n)-1個觸發(fā)器，電路的規(guī)模隨著輸出代碼位數(shù)的增加而急劇膨脹，電路更加復(fù)雜。

反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器

反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)常采用的有計數(shù)型和逐次漸近型兩種方案

1、計數(shù)型

如下圖，轉(zhuǎn)換器由比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、計數(shù)器、脈沖源、控制門G以及輸出寄存器等幾部分組成。

步驟一：轉(zhuǎn)換前先用復(fù)位信號將計數(shù)器置零，而且轉(zhuǎn)換控制信號應(yīng)停留在VL=0的狀態(tài)。此時門G被封鎖，計數(shù)器不工作。由于此時計數(shù)器加給D/A轉(zhuǎn)換器的是全0的數(shù)字信號，故Vo=0。

步驟二：當(dāng)VL變成高電平時開始轉(zhuǎn)換，脈沖源發(fā)出的脈沖經(jīng)過門G加到計數(shù)器的時鐘信號輸入端CLK，計數(shù)器開始做加法計數(shù)。

步驟三：隨著計數(shù)的進(jìn)行，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓Vo也不斷增加。當(dāng)Vo增加至Vo=Vi時，Vb=0，將門G封鎖、計數(shù)器停止計數(shù)。此時計數(shù)器中所存的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號。

因為在轉(zhuǎn)換過程中計數(shù)器中的數(shù)字不停地變化，所以不宜將計數(shù)器的狀態(tài)直接作為輸出信號，為此在輸出端設(shè)置了輸出寄存器，在每次轉(zhuǎn)換完成以后，用轉(zhuǎn)換控制信號VL的下降沿將計數(shù)器輸出的數(shù)字置入輸出寄存器中，以輸出寄存器的狀態(tài)作為最終的輸出信號。

這種方案的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時間太長，當(dāng)輸出為n位二進(jìn)制數(shù)碼時，最初的轉(zhuǎn)換時間可達(dá)(2^n)-1倍的時鐘信號周期。該方案電路比較簡單，適用于對轉(zhuǎn)換速度要求不高的場合。

2、逐次漸進(jìn)型

如下圖，轉(zhuǎn)換器由比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、時鐘脈沖源、控制邏輯等5部分組成。

步驟一：轉(zhuǎn)換前先將寄存器清零，所以加給D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量也是全0；

步驟二：轉(zhuǎn)換控制信號VL變成高電平時開始轉(zhuǎn)換，時鐘信號首先將寄存器的最高位置成1，使寄存器的輸出為100...0；

步驟三：輸出的數(shù)字量被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓，并送到比較器與輸入信號Vi進(jìn)行比較。如果Vo>Vi，說明數(shù)字過大，則該1應(yīng)去掉，如果Vo

步驟四：按同樣的方法將次高位置1，并比較Vo與Vi的大小以確定這一位的1是否應(yīng)該保留，這樣逐位比較下去，直到最低位比較完成為止。此時寄存器里所存的數(shù)碼就是所求的數(shù)字量。

逐次漸近型比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度比計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器速度高很多，而且在輸出位數(shù)時，電路規(guī)模要比并聯(lián)比較型的小得多，因此逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中用的最多的一種電路。

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

如下圖，轉(zhuǎn)換器包括積分器、比較器、計數(shù)器、控制邏輯、時鐘信號源等部分

步驟一：轉(zhuǎn)換開始前（轉(zhuǎn)換控制信號VL=0），先將計數(shù)器清零，并接通開關(guān)S0，使積分電容C完全放電；

步驟二：令開關(guān)S1合到輸入信號電壓Vi的一側(cè)，積分器對Vi進(jìn)行固定時間T1的積分，則

故可得數(shù)字量：

若取T1為Tc的整數(shù)倍，則

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是工作性能比較穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，但由于先后進(jìn)行了兩次積分，因此其工作速度低，一般都在每次幾十次以內(nèi)。

另，雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度受計數(shù)器位數(shù)、比較器的靈敏度、運(yùn)算放大器、比較器的零點(diǎn)漂移、積分電容的漏電、時鐘頻率的瞬時波動等多種因素的影響，因此為提高轉(zhuǎn)換精度僅靠增加計數(shù)的位數(shù)是遠(yuǎn)不夠的。實(shí)用電路中為消除運(yùn)放、比較器的零點(diǎn)漂移，常增加零點(diǎn)漂移自動補(bǔ)償電路，為防止時鐘信號頻率在轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生波動，可以使用石英晶體振蕩器作為脈沖源。

審核編輯：劉清
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