介紹幾種不同類型的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理

A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)變換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)的裝置。今天來介紹幾種不同類型的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理。

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理

這種轉(zhuǎn)換本質(zhì)是一種V/T（電壓/時(shí)間）的轉(zhuǎn)換。如下圖所示，它的一次轉(zhuǎn)換基本工作原理可以分成三個(gè)工作階段。

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器基本組成

第一階段T1： 模擬開關(guān)S1導(dǎo)通，其余各模擬開關(guān)斷開，此階段對(duì)輸入電壓積分采樣。在進(jìn)入此階段之前，積分器的輸出已被復(fù)零，所以當(dāng)輸入電壓Vi為正時(shí)，積分器輸出負(fù)向漸增；當(dāng)輸入電壓Vi為負(fù)時(shí)，積分器輸出正向漸增，如下圖所示：

積分器輸出電壓波形圖

采樣階段所經(jīng)歷的時(shí)間T1是一個(gè)常數(shù)，常以計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖頻率fcp計(jì)數(shù)來確定。比如，以計(jì)數(shù)器從0累計(jì)到N1所對(duì)應(yīng)的時(shí)間N1Tcp=N1/fcp作為T1，就是說以計(jì)數(shù)器從0計(jì)數(shù)到N1所經(jīng)歷的時(shí)間作為對(duì)輸入電壓的積分階段。

第二階段T2： 模擬開關(guān)S2或S3導(dǎo)通，其余開關(guān)斷開，此階段為對(duì)參考電壓回積階段。回積電壓極性與第一階段相反，由此來確定S2還是S3的通斷。目的是把第一階段累積的電荷在第二階段回放掉。

那么，根據(jù)第一階段累積的電荷和第二階段釋放的電荷相等，通過計(jì)算可得出如下結(jié)論：

(VR*T2-ViT1)/(RC)=0

其中Vi表示T1階段中Vi的平均值，那么電容上的充電電壓等于放電電壓，即

T2=T1Vi/VR

若T2也用和T1相同的時(shí)鐘脈沖fcp計(jì)數(shù)器測(cè)量，在此階段中計(jì)數(shù)器所累計(jì)的數(shù)N2=T2fcp，由N1=T1fcp可得

N2=N1*Vi/VR

因此，計(jì)數(shù)器在T2階段所累計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)N2正比于被測(cè)電壓在T1階段中的平均值Vi，實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

第三階段T3： 模擬開關(guān)S4和S5導(dǎo)通，其余斷開，此階段為復(fù)零與準(zhǔn)備階段。

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器

如下圖所示為逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖，一般由電壓比較器N1、D/A轉(zhuǎn)換器、控制邏輯、移位寄存器和輸出鎖存器等組成。

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖

下面介紹下它的工作過程，當(dāng)出現(xiàn)啟動(dòng)脈沖時(shí)，移位寄存器和鎖存器清零，故D/A輸出也為零。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)時(shí)鐘脈沖到達(dá)時(shí)，移位寄存器最高位被置1，那么D/A轉(zhuǎn)換器輸入為10000000，轉(zhuǎn)換輸出電壓E0為其滿刻度的一半，通過比較器進(jìn)行比較，若Vi>E0，則鎖存器最高位將“1”鎖存（否則不鎖存），移位寄存器右移1位，此時(shí)輸出為11000000，再與Vi比較...重復(fù)上述過程，直至移位寄存器右移溢出為止，這時(shí)右移脈沖就作為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號(hào)EOC，此時(shí)鎖存器的結(jié)果就是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。如果A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)為N，則轉(zhuǎn)換時(shí)間為N+1個(gè)時(shí)鐘脈沖。

二進(jìn)制斜坡式A/D轉(zhuǎn)換器

二進(jìn)制斜坡式A/D轉(zhuǎn)換器原理

二進(jìn)制斜坡式A/D轉(zhuǎn)換器的基本電路如上圖（a）所示。它由D/A轉(zhuǎn)換器、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、控制門、比較器和控制邏輯等部分組成。

其中，D/A轉(zhuǎn)換器可以是二進(jìn)制加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，也可以是R-2R”T“形電阻網(wǎng)絡(luò)，其輸出可以是電流也可以是電壓（圖中DAC為輸出電壓）。

當(dāng)啟動(dòng)脈沖到來時(shí)，二進(jìn)制計(jì)數(shù)器清零，門打開，比較輸入電壓Vi和D/A轉(zhuǎn)換器輸出，若Vi>E0，則比較器輸出為1，時(shí)鐘脈沖通過門使二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次，此時(shí)計(jì)數(shù)器和D/A轉(zhuǎn)換器再轉(zhuǎn)換成電壓輸出，E0繼續(xù)和Vi比較，若Vi>E0，則時(shí)鐘脈沖又通過門使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次，重復(fù)上述過程，直到E0等于輸入電壓Vi，比較器輸出0，關(guān)閉計(jì)數(shù)門，同時(shí)送到控制邏輯，使其發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束EOC信號(hào)，此時(shí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的值就是轉(zhuǎn)換結(jié)果。

由于上述方法是DAC產(chǎn)生一個(gè)增長(zhǎng)的斜坡電壓，如上圖（b）所示，該電壓用于和輸入電壓不斷比較，故而得名斜坡法。

并行比較式A/D轉(zhuǎn)換器

n位并行式A/D轉(zhuǎn)換器電路組成原理

并行比較式A/D轉(zhuǎn)換器電路的基本組成如上圖所示。這種電路結(jié)構(gòu)，n位的A/D轉(zhuǎn)換器需要用2 ^n^ +1個(gè)電阻串聯(lián)組成分壓器，上、下兩端兩個(gè)電阻的阻值為R/2，其余2 ^n^ -1個(gè)電阻的阻值均為R，分壓器上加參考電壓V R 。顯然，除了上、下兩端的兩個(gè)電阻以外，其余各電阻上電壓降均為V R /2 ^n^ 。也就是說，此分壓器把參考電壓VR分成了2^n^個(gè)分層的量化電壓，上下兩端的電阻分得半層的量化電壓，對(duì)應(yīng)1/2LSB，用于實(shí)現(xiàn)1/2LSB偏置，使量化誤差變成±1/2LSB。

這2^n^個(gè)量化的參考電壓被送到2^n^個(gè)電壓比較器與模擬電壓Vi進(jìn)行比較，可以立即得出Vi處于哪個(gè)電壓分段。

圖中采用了段鑒別與門來識(shí)別Vi屬哪一段的電壓分層。經(jīng)過圖中所示邏輯處理后，必定只有一個(gè)對(duì)應(yīng)的與門輸出端為1，因此可用2^n^線/n編碼器邏輯電路實(shí)現(xiàn)編碼邏輯功能，把段信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)碼輸出。圖中位于最上面的0號(hào)比較器用于鑒別過量程，當(dāng)輸入Vi>Vr時(shí)，0號(hào)比較器發(fā)出“1”信號(hào)，標(biāo)志過量程。

四種A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)

1、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換精度高、靈敏度高、抑制干擾能力強(qiáng)，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度低。

2、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度較快，轉(zhuǎn)換精度較高。與雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器相比抗干擾能力較差，價(jià)格也較高。

3、二進(jìn)制斜坡式A/D轉(zhuǎn)換器與逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器相比，速度慢得多，目前也較少使用。

4、并行比較式A/D轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換速度高的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是組成電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。

審核編輯：劉清