A/D 轉換器的基本原理

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

A/D 轉換器 (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 轉換器的功能是把模擬量變換成數字量。由于實現這種轉換的工作原理和采用工藝技術不同，因此生產出種類繁多的A/D 轉換芯片。A/D 轉換器按分辨率分為4 位、6 位、8 位、10 位、14 位、16 位和BCD碼的31/2 位、51/2 位等。按照轉換速度可分為超高速（轉換時間=330ns），次超高速（3303.3μS），高速（轉換時間3.3333μS），低速（轉換時間＞330μS）等。

A/D轉換器分類

①并聯比較型

特點: 轉換速度快,轉換時間 10ns ~1?s, 但電路復雜。

②逐次逼近型

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

③雙積分型

特點: 轉換速度慢,轉換時間 幾百?s ~幾ms,但抗干擾能力最強。

④計數式

特點: 結構簡單、原理清楚，轉換速度慢、精度低，少用

⑤高速并行式

特點: 轉換速度快，價格高。

每個型號具體參數、結構及工作原理可以參考每個相關類型ADC的數據手冊。

A/D轉換的一般工作過程

圖7?3 A/D轉換的一般工作過程

A/D轉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變化的模擬量轉換為在時間離散的模擬量。采樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經低通濾波器后愈能真實地復現輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。采樣定理：設采樣信號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

采得模擬信號轉換為數字信號都需要一定時間，為了給后續的量化編碼過程提供一個穩定的值，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：數字信號在數值上是離散的。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的離散電平上，任何數字量只能是某個最小數量單位的整數倍。

編碼：量化后的數值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數字量。

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轉換器的位數越多，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電壓轉換為3位二進制代碼

圖7?6 0~1V電壓轉換為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電壓轉換為3位二進制代碼

圖7?7 0~1V電壓轉換為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轉換器的技術指標

主要包括：1. 分辨率；2. 轉換精度；3. 轉換時間和轉換率。

1．分辨率

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

在ADC中，模擬量和數字量之間不是一一對應的關系。

圖7?8 在ADC中模擬量和數字量之間對應的關系

ADC的分辨率通常用能轉換成的數字量位數表示。如：8位A/D轉換器的分辨率為8位。10位A/D轉換器的分辨率為10位。

2．轉換精度

實際輸出的數字量與理論輸出的數字量之間的偏差。反應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成：

　　a: 量化誤差。量化誤差是把連續的模擬量轉換為離散的數字量（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輸入對應的數字均為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，可以通過提高產品質量來降低。

由于在一定范圍內的模擬值產生相同的數字量，取該范圍內的中間模擬值計算。

A/D轉換精度用數字量的最低有效位（LSB）來表示。如果模擬量在(±Δ/2)范圍內，都產生相對應的唯一數字量，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，都產生相對應的唯一數字量，這個ADC的精度為±1/2LSB 。

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

圖7?9 精度的概念

3．轉換時間和轉換率

轉換時間指完成一次A/D轉換所需的時間，從啟動信號開始到轉換結束，得到穩定數字量的時間。轉換率是轉換時間的倒數。