常用A/D转换的基本原理及其分类

模拟数字转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小 [1]。将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器(简称A/D转换器或ADC，Analog to Digital Converter)，A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的 [2]。

这种转换器的基本原理是把输入的模拟信号按规定的时间间隔采样，并与一系列标准的数字信号相比较，数字信号逐次收敛，直至两种信号相等为止。然后显示出代表此信号的二进制数，模拟数字转换器有很多种，如直接的、间接的、高速高精度的、超高速的等。每种又有许多形式。同模拟数字转换器功能相反的称为“数字模拟转换器”，亦称“译码器”，它是把数字量转换成连续变化的模拟量的装置，也有许多种和许多形式 [3]。

A/D转换的基本原理在于，对模拟信号在精心挑选的时刻进行取样，随后将这些取样值转换为数字量输出，并按照特定的编码方式呈现转换结果。整个A/D转换流程可概括为取样、量化及编码三个连续环节。接下来，我们将深入探讨取样-保持电路的工作原理。取样保持电路的基本构成，其中T代表N沟道增强型MOS管，被用作模拟开关。当取样控制信号Vi呈现高电平状态时，MOS管T将导通，使得输入信号Vi能够通过电阻R1和T向电容CH充电。在理想条件下，若R1与RF相等，且运算放大器被视为理想设备，那么在充电过程结束后，输出电压Vo将等于电容CH上的电压Vch，也即Vi。一旦Vi降低至低电平，MOS管T将截止，由于电容CH上的电压在短时间内基本保持稳定，因此Vo同样保持不变，从而成功保存了取样结果。(值得注意的是，电容CH的漏电流越小，运算放大器的输入阻抗越高，那么Vo能够保持的时间也就越长。)

然而，这种取样保持电路在执行取样功能时，需要输入电压经过R1和T对电容CH进行充电，这在一定程度上限制了取样的速度。通过减小R1来提升取样速度，又可能会降低电路的输入阻抗。此外，A/D转换器有多种类型，包括并联比较型、反馈比较型(进一步细分为计数型和逐次渐进型)以及双积分型。不同类型的A/D转换器在转换速度、稳定性和电路复杂度方面各有特点。例如，并联比较型A/D转换器由电压比较器、寄存器和代码转换电路组成，能够处理0Vref间的模拟电压输入，并输出3位二进制数码d2d1d0。然而，其电路结构相对复杂。

1. 按转换原理分类

逐次逼近型ADC(SAR ADC)逐次逼近型ADC是目前应用最为广泛的ADC类型之一。其工作原理类似于天平称重的过程。首先，将输入模拟信号与参考电压的一半进行比较，根据比较结果确定最高位的数字值;然后，依次对剩余位进行比较，每次比较都将参考电压调整为当前位对应的电压值，直至完成所有位的转换。SAR ADC具有转换速度快、精度较高、功耗较低等优点，适用于中等精度要求(一般为8位至16位)且对转换速度有一定要求的应用场景，如数据采集卡、工业自动化控制系统中的传感器信号采集等。例如，在工业生产过程中的温度监测系统中，使用SAR ADC可以快速准确地将温度传感器输出的模拟电压信号转换为数字信号，以便实时监控生产环境的温度变化。

双积分型ADC双积分型ADC的原理是将输入模拟信号在一个积分周期内转换为时间或频率信号，再通过计数器对其进行计数，从而实现模数转换。其特点是精度高、抗干扰能力强，但转换速度相对较慢。双积分型ADC常用于对精度要求极高(可达16位以上)且信号变化缓慢的场合，如电子秤、精密电压表等。在电子秤中，双积分型ADC能够精确地将称重传感器输出的微弱模拟信号转换为数字信号，确保称重结果的准确性，即使在存在电磁干扰等复杂环境下也能保持稳定的性能。

Σ - Δ型ADC(Sigma - Delta ADC)Σ - Δ型ADC采用过采样技术和噪声整形技术，通过在高频下对输入信号进行采样和量化，将量化噪声推移到高频段，再经过数字滤波器滤除高频噪声，从而实现高精度的模数转换。其优点是分辨率高(可达24位甚至更高)、动态范围宽、线性度好，但转换速度相对较慢。Σ - Δ型ADC广泛应用于音频信号处理、高精度传感器信号采集等领域。在音频设备中，如专业音频接口卡，Σ - Δ型ADC能够精确地将模拟音频信号转换为高精度的数字音频信号，保留音频信号的细微细节，为高质量的音频录制和播放提供保障。

并行比较型ADC(Flash ADC)并行比较型ADC是速度最快的ADC类型。它由多个比较器同时对输入模拟信号与一组参考电压进行比较，每个比较器的输出对应一个数字位，通过编码器将比较结果编码为最终的数字输出。Flash ADC的转换速度可达纳秒级，但其缺点是功耗大、成本高、精度相对较低(一般为8位左右)，因此主要用于对速度要求极高而对精度和成本要求相对较低的场合，如雷达信号处理、高速通信系统中的信号采样等。在雷达系统中，Flash ADC能够快速捕捉雷达回波信号，为雷达信号的实时处理和目标识别提供高速数据支持。

2. 按分辨率分类

低分辨率ADC(< 8位)低分辨率ADC通常用于对精度要求不高的简单应用，如一些基本的传感器信号检测、简单的状态监测等。这类ADC芯片成本低廉，功耗低，电路设计简单，在一些对成本和功耗极为敏感的消费类电子产品中较为常见。例如，在一些低成本的玩具中，使用低分辨率ADC可以实现简单的动作感应功能，如检测玩具的倾斜角度等。

中分辨率ADC(8位至16位)中分辨率ADC是目前应用最为广泛的ADC类型，涵盖了从一般的工业控制到较为复杂的信号处理等多种应用场景。8位至16位的ADC芯片在精度、速度、功耗和成本之间取得了较好的平衡，能够满足大多数常规应用的需求。如前文提到的SAR ADC和双积分型ADC大多属于这一分辨率范围。在工业自动化生产线上的电机控制系统中，使用12位或16位的中分辨率ADC可以精确地采集电机的电流、电压等模拟信号，实现对电机运行状态的实时监控和精确控制，确保生产过程的稳定性和产品质量。

高分辨率ADC(> 16位)高分辨率ADC主要用于对精度要求极高的专业领域，如科学研究、高端医疗设备、精密仪器仪表等。24位甚至更高分辨率的ADC芯片能够提供极其精确的测量结果，对于微弱信号的检测和高精度数据采集具有重要意义。例如，在医学影像设备如磁共振成像(MRI)系统中，高分辨率ADC可以精确地采集人体组织的微弱信号，经过复杂的重建算法处理后，生成高清晰度的医学影像，为疾病的诊断和治疗提供准确的依据。

3. 按输入通道数分类

单通道ADC单通道ADC只有一个模拟信号输入通道，适用于单一信号源的测量与转换。其电路结构相对简单，成本较低，在一些只需要测量单一参数的应用中非常实用。例如，在一些简单的温度监测系统中，只需要测量一个温度传感器的输出信号，使用单通道ADC即可满足需求，既节省成本又简化了系统设计。

多通道ADC多通道ADC具有多个模拟信号输入通道，可以同时或分时采集多个信号源的模拟信号。这对于需要同时监测多个参数的应用场景非常方便，如工业过程控制中的多传感器数据采集、环境监测系统中的多参数监测等。例如，在一个化工生产过程的监测系统中，需要同时采集温度、压力、流量等多个传感器的信号，使用多通道ADC可以高效地实现多路信号的同步采集与转换，为生产过程的综合监控和优化控制提供全面的数据支持。