淺析AD轉(zhuǎn)換器原理

A/D 轉(zhuǎn)換器的基本原理

A/D轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter)又叫模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,即是將模擬信號(電壓或是電流的形式)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這種數(shù)字信號可讓儀表,計算機外設(shè)接口或是微處理機來加以操作或是工作使用。

A/D 轉(zhuǎn)換器 (ADC)的型式有很多種，方式的不同會影響測量后的精準度。A/D 轉(zhuǎn)換器的功能是把模擬量變換成數(shù)字量。由于實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的工作原理和采用工藝技術(shù)不同，因此生產(chǎn)出種類繁多的A/D 轉(zhuǎn)換芯片。A/D 轉(zhuǎn)換器按分辨率分為4 位、6 位、8 位、10 位、14 位、16 位和BCD碼的31/2 位、51/2 位等。按照轉(zhuǎn)換速度可分為超高速（轉(zhuǎn)換時間=330ns），次超高速（3303.3μS），高速（轉(zhuǎn)換時間3.3333μS），低速（轉(zhuǎn)換時間＞330μS）等。

A/D轉(zhuǎn)換器分類

①并聯(lián)比較型

特點: 轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時間 10ns ~1?s, 但電路復(fù)雜。

②逐次逼近型

特點: 轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時間 為幾?s ~100 ?s, 轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達到一個很好的平衡。

③雙積分型

特點: 轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時間 幾百?s ~幾ms,但抗干擾能力最強。

④計數(shù)式

特點: 結(jié)構(gòu)簡單、原理清楚，轉(zhuǎn)換速度慢、精度低，少用

⑤高速并行式

特點: 轉(zhuǎn)換速度快，價格高。

每個型號具體參數(shù)、結(jié)構(gòu)及工作原理可以參考每個相關(guān)類型ADC的數(shù)據(jù)手冊。

A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

圖7?3 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣， 保持，量化及編碼4個過程。

1. 取樣與保持

采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量。采樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實地復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。采樣定理：設(shè)采樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為f imax ，則fs ≥ 2f imax 。

圖7?4 取樣與保持電路及工作原理

采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。

圖7?5 波形圖

2. 量化與編碼

量化：數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。

編碼：量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。

量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差。在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被?整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用e表示。

量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。

量化方式：兩種近似量化方式，只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。

a ) 只舍不入量化方式:量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。

例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進制代碼

圖7?6 0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進制代碼

上圖中最小量化單位：Δ=1LSB=1/8 V

最大量化誤差為：

b )四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。

例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進制代碼

圖7?7 0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進制代碼

上圖中最小量化單位：Δ=1LSB=2/15 V

最大量化誤差為：

A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標

主要包括：1. 分辨率；2. 轉(zhuǎn)換精度；3. 轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換率。

1．分辨率

指A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小模擬輸入量，或指轉(zhuǎn)換器滿量程模擬輸入量被分離的級數(shù)。

在ADC中，模擬量和數(shù)字量之間不是一一對應(yīng)的關(guān)系。

圖7?8 在ADC中模擬量和數(shù)字量之間對應(yīng)的關(guān)系

ADC的分辨率通常用能轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量位數(shù)表示。如：8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位。10位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為10位。

2．轉(zhuǎn)換精度

實際輸出的數(shù)字量與理論輸出的數(shù)字量之間的偏差。反應(yīng)ADC的實際輸出接近理想輸出的精確程度。

這種偏差由兩部分構(gòu)成：

　　a: 量化誤差。量化誤差是把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量（這一過程稱為量化）時必然存在的，是不可避免的。例如，8位ADC，單極性輸入0～5V，數(shù)字量為0～255，它能分辨的最小輸入信號是Δ=5V/256＝20mV，如4.98～5.00V輸入對應(yīng)的數(shù)字均為255，這是不可避免的。

b: 器件誤差。器件誤差是由于器件制造精度、溫度漂移等造成的，可以通過提高產(chǎn)品質(zhì)量來降低。

由于在一定范圍內(nèi)的模擬值產(chǎn)生相同的數(shù)字量，取該范圍內(nèi)的中間模擬值計算。

A/D轉(zhuǎn)換精度用數(shù)字量的最低有效位（LSB）來表示。如果模擬量在(±Δ/2)范圍內(nèi)，都產(chǎn)生相對應(yīng)的唯一數(shù)字量，稱為這個ADC是無誤差的，或者稱其精度為±0LSB。

如果模擬量在-Δ~+Δ范圍內(nèi)，都產(chǎn)生相對應(yīng)的唯一數(shù)字量，這個ADC的精度為±1/2LSB 。

如果模擬量在(+3Δ/4～－3Δ/4)范圍內(nèi)，都產(chǎn)生相對應(yīng)的唯一數(shù)字量，這個ADC的精度為±1/4LSB。

圖7?9 精度的概念

3．轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換率

轉(zhuǎn)換時間指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間，從啟動信號開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束，得到穩(wěn)定數(shù)字量的時間。轉(zhuǎn)換率是轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)。