什么是ADC（模数转换器）

A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、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。

取样和保持
取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。取样过程示意图如图11.8.1所示。图（a）为取样电路结构，其中，传输门受取样信号S(t)控制，在S(t)的脉宽τ期间，传输门导通，输出信号v_O(t)为输入信号v₁,而在（T_s-τ）期间，传输门关闭，输出信号v_O(t)=0。电路中各信号波形如图（b）所示。

图11.8.1 取样电路结构(a)

图11.8.1 取样电路中的信号波形(b)
通过分析可以看到，取样信号S(t)的频率愈高，所取得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。但带来的问题是数据量增大，为保证有合适的取样频率，它必须满足取样定理。
取样定理：设取样信号S(t)的频率为f_s，输入模拟信号v₁(t)的最高频率分量的频率为f_imax，则f_s与f_imax必须满足下面的关系f_s≥2f_imax，工程上一般取f_s>(3～5)f_imax。
将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。
取样与保持过程往往是通过取样-保持电路同时完成的。取样-保持电路的原理图及输出波形如图11.8.2所示。

图11.8.2 取样-保持电路原理图

图11.8.2 取样-保持电路波形图
电路由输入放大器A₁、输出放大器A₂、保持电容C_H和开关驱动电路组成。电路中要求A₁具有很高的输入阻抗，以减少对输入信号源的影响。为使保持阶段C_H上所存电荷不易泄放，A₂也应具有较高输入阻抗，A₂还应具有低的输出阻抗，这样可以提高电路的带负载能力。一般还要求电路中A_V1·A_V2=1。
现结合图11.8.2来分析取样-保持电路的工作原理。在t=t₀时，开关S闭合，电容被迅速充电，由于A_V1·A_V2=1，因此v₀=v_I，在t₀～t₁时间间隔内是取样阶段。在t=t₁时刻S断开。若A₂的输入阻抗为无穷大、S为理想开关，这样可认为电容C_H没有放电回路，其两端电压保持为v₀不变，图11.8.2(b)中t₁到t₂的平坦段，就是保持阶段。
取样-保持电路以由多种型号的单片集成电路产品。如双极型工艺的有AD585、AD684；混合型工艺的有AD1154、SHC76等。

量化与编码
数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，还必须将取样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。
量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用△表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。
在量化过程中，由于取样电压不一定能被△整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差称之为量化误差，用ε表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D 转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。
量化过程常采用两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。
１.只舍不入量化方式
以3位A/D转换器为例，设输入信号v₁的变化范围为0～8V，采用只舍不入量化方式时，取△=1V，量化中不足量化单位部分舍弃，如数值在0～1V之间的模拟电压都当作0△，用二进制数000表示，而数值在1～2V之间的模拟电压都当作1△，用二进制数001表示……这种量化方式的最大误差为△。
２.四舍五入量化方式　
如采用四舍五入量化方式，则取量化单位△=8V/15，量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。它将数值在0～8V/15之间的模拟电压都当作0△对待，用二进制000表示，而数值在8V/15～24V/15之间的模拟电压均当作1△，用二进制数001表示等。
３.比较
采用前一种只舍不入量化方式最大量化误差│εmax│=1LSB,而采用后一种有舍有入量化方式│εmax│=1LSB/2，后者量化误差比前者小，故为多数A/D转换器所采用。
A/D转换器的种类很多，按其工作原理不同分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两类。直接A/D转换器可将模拟信号直接转换为数字信号，这类A/D转换器具有较快的转换速度，其典型电路有并行比较型A/D转换器、逐次比较型A/D转换器。而间接A/D转换器则是先将模拟信号转换成某一中间电量(时间或频率)，然后再将中间电量转换为数字量输出。此类A/D转换器的速度较慢，典型电路是双积分型A/D转换器、电压频率转换型A/D转换器。