模数转换的原理

模数(A/D)转换器工作原理

A/D转换器(Analog-to-Digital Converter)又叫模/数转换器,即是将模拟信号(电压或是电流的形式)转换成数字信号。这种数字信号可让仪表,计算机外设接口或是微处理机来加以操作或胜作使用。

A/D 转换器 (ADC)的型式有很多种，方式的不同会影响测量后的精准度。

A/D 转换器的功能是把模拟量变换成数字量。由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此生产出种类繁多的A/D 转换芯片。

A/D 转换器按分辨率分为4 位、6 位、8 位、10 位、14 位、16 位和BCD码的31/2 位、51/2 位等。按照转换速度可分为超高速(转换时间=330ns)，次超高速(330~3.3μS)，高速(转换时间3.3~333μS)，低速(转换时间>330μS)等。

A/D 转换器按照转换原理可分为直接A/D 转换器和间接A/D 转换器。所谓直接A/D 转换器，是把 模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。其中逐次逼近型A/D 转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化A/D 芯片采用逐次逼近型者多;间接A/D 转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型(积分型)，电压/频率转换型，电压/脉宽转换型等。 其中积分型A/D 转换器电路简单，抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转换速度较慢。 有些转换器还将多路开关、基准电压源、时钟电路、译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯A/D 转换功能，使用十分方便。

ADC 经常用于通讯、数字相机、仪器和测量以及计算机系统中，可方便数字讯号处理和信息的储存。大多数情况下，ADC 的功能会与数字电路整合在同一芯片上，但部份设备仍需使用独立的ADC。行动电话是数字芯片中整合ADC 功能的例子，而具有更高要求的蜂巢式基地台则需依赖独立的ADC 以提供最佳性能。

ADC 具备一些特性，包括：

1. 模拟输入，可以是单信道或多信道模拟输入;

2. 参考输入电压，该电压可由外部提供，也可以在ADC 内部产生;

3. 频率输

入，通常由外部提供，用于确定ADC 的转换速率;

4. 电源输入，通常有模拟和

数字电源接脚;

5. 数字输出，ADC 可以提供平行或串行的数字输出。

在输出位数越多(分辨率越好)以及转换时间越快的要求下，其制造成本与单价就越贵。

一个完整的A/D转换过程中，必须包括取样、保持、量化与编码等几部分电路。

AD转换器需注意的项目：

取样与保持

量化与编码

分辨率

转换误差

转换时间

绝对精准度、相对精准度

取样与保持

由于取样时间极短，取样输出为一串断续的窄脉冲。要把每个取样的窄脉冲信号数字化，是需要一定的时间。 因此在两次取样之间，应将取样的模拟信号暂时储存到下个取样脉冲到来，这个动作称之为保持。在模拟电路设计上，因此需要增加一个取样-保持电路。为了保证有正确转换，模拟电路要保留着还未转换的数据。 一个取样-保持电路可保证模拟电路中取样时，取样时间的稳定并储存，通常使用电容组件来储存电荷。根据数字信号处理的基本原理，Nyquist取样定理，若要能正确且忠实地呈现所撷取的模拟信号，必须取样频率至少高于最大频率的2倍。

例如，若是输入一个100Hz的正弦波的话，最小的取样频率至少要2倍，即是200Hz。

虽说理论值是如此，但真正在应用时，最好是接近10倍才会有不错的还原效果(因取样点越多)。若针对多信道的A/D转换器来说，就必须乘上信道数，这样平均下去，每一个通道才不会有失真的情况产生。

量化与编码

量化与编码 电路是A/D转换器的核心组成的部分，一般对取样值的量化方式有下列两种：

只舍去不进位

首先取一最小量化单位Δ=U/2n，U是输入模拟电压的最大值，n是输出数字数值的位数。 当输入模拟电压U在0~Δ之间，则归入0Δ，当U在Δ~2Δ之间，则归入1Δ。透过这样的量化方法产生的最大量化误差为Δ/2，而且量化误差总是为正，+1/2LSB。

有舍去有进位

如果量化单位Δ=2U/(2 n+1–1)，当输入电压U在0～Δ/2之间，归入0Δ，当U在Δ/2~3/2Δ之间的话，就要归入1Δ。这种量化方法产生的最大量化误差为Δ/2，而且量化误差有正，有负，为±1/2LSB。

量化结果也造成了所谓的量化误差。

解析度

指A/D转换器所能分辨的最小模拟输入量。通常用转换成数字量的位数来表示，如8-bit，10-bit，12-bit与16-bit等。

位数越高，分辨率越高。若小于最小变化量的输入模拟电压的任何变化，将不会引起输出数字值的变化。

采用12-bit 的AD574，若是满刻度为10V的话，分辨率即为10V / 212 = 2.44mV。

而常用的8-bit 的ADC0804，若是满刻度为5V的话，分辨率即为5V / 28 = 19.53mV。

选择适用的A/D转换器是相当重要的，并不是分辨率越高越好。

不需要分辨率高的场合，所撷取到的大多是噪声。

分辨率太低，会有无法取样到所需的信号。

转换误差

通常以相对误差的形式输出，其表示A/D转换器实际输出数字值与理想输出数字值的差别，并用最低有效位LSB的倍数表示。

转换时间

转换时间是A/D转换完成一次所需的时间。

从启动信号开始到转换结束并得到稳定的数字输出值为止的时间间隔。转换时间越短则转换速度就越快。

精准度

对于A/D转换器，精准度指的是在输出端产生所设定的数字数值，其实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差。

精确度依计算方式不同，可以区分为

绝对精确度

相对精确度;

所谓的绝对精确度是指实际输出值与理想理论输出值的接近程度，其相关的关系是如下式子所列：

绝对精确度=

相对精准度指的是满刻度值校准以后，任意数字输出所对应的实际模拟输入值(中间值)与理论值(中间值)之差。

对于线性A/D转换器，相对精准度就是它的线性程度。由于电路制作上影响，会产生像是非线性误差，或是量化误差等减低相对精准度的因素。

相对精确度是指实际输出值与一理想理论之满刻输出值之接近程度，其相关的关系是如下式子所列：

相对精准度=

基本上，一个n-bit的转换器就有n个数字输出位。这种所产生的位数值是等效于在A/D转换器的输入端的模拟大小特性值。

如果外部所要输入电压或是电流量较大的话，所转换后的的位数值也就较大。

透过并列端口接口或是微处理机连接A/D转换器时，必须了解如何去控制或是驱动这颗A/D转换器的问题。因此需要了解到A/D转换器上的控制信号有哪些。

图1、A/D转换器的基本引脚配置电路图

如图1所示，一个A/D转换器具备了：

输出引线(D0~D7，以8-bit为例)，

一个开始转换(Start of Converter，SOC)

结束转换(End of Conversion，EOC)信号。

输出致能脚位