A/D转换器的电路结构和工作原理

A/D转换的基本原理

1.取样定理

为了保证能从取样信号将原来的被取样信号恢复，必须满足：取样频率大于等于2倍的输入模拟信号的最高频率分量的频率。即

由于转换是在取样后的保持时间内完成的，所以转换结果所对应的模拟电压是每次取样结束时的V1值。

2.量化和编码

数字信号在时间上是离散的，数值的大小变化也是不连续的。

A/D转换时，必须将取样电压表示为某个规定的最小单位的整倍数，转化过程称为量化;所取的最小数量单位是量化单位。

数字信号的最低有效位(LSB)的1所表示的数量大小就等于量化单位。

将量化的结果用代码(二进制等)表示出来称为编码。

量化误差：量化过程中引入的误差。

3.取样-保持电路

T为N沟道增强型MOS管，作模拟开关使用。

取样过程中电容上的电压达到稳态值所需要的时间称为获取时间。

保持阶段输出电压的下降率△V0/△T是衡量取样-保持是重要指标。

A/D转换器的电路结构和工作原理

1.并联比较型A/D转换器

并联比较型A/D转换器又称为闪速A/D转换器。直接将模拟量转换为数字量，不需要经过中间变量。

电路由电压比较器、寄存器和代码转换电路组成。

代码转换器是一个多输出组合逻辑电路。

并联比较型A/D转换电路的转换精度取决于：量化电平的划分，分的越细，精度越高。

精度还受到：参考电压的稳定度和分压电阻相对精度以及电压比较器的灵敏度的影响。

突出特点：转换速度快。

缺点：必须使用比较多的电压比较器和规模较大的代码转换电路。

2.流水线型A/D转换器

是一种多路串联形式的A/D转换器。

逐级将残压传递给下一级进行转换，最终得到最后结果。

增加串联转换电路的级数，既可以提高流水型A/D转换器的转换精度。

转换级数的增加意味着，总转换时间加长。用流水线工作的方式提高转换速度。每一时刻各级是同时在对不同时间的取样信号进行转换。最后用移位寄存器进行暂存。

3.逐次逼近型A/D转换器

采用一种反馈比较型电路结构：取一个数字量加到D/A转换器上，将得到的对应的模拟电压和输入的模拟电压进行比较。调整所取得数字量，知道两个模拟电压相同。最后取得数字量就是所求的结果。

由C、D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑等5部分组成。

整个过程像用天平称量一个未知重量的物体。

4.双积分型A/D转换器

一种间接A/D转换器。先将输入的模拟电压转换为成正比的时间宽度信号，然后再这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。

双积分型A/D转换器也被称为：电压时间变换型A/D转换器。

由积分器、比较器、计数器、控制逻辑和时钟信号源组成。

突出优点：

工作性能稳定。R、C参数的变化不影响电路的转换精度，不要求RC的数值十分精确。转换结果与时钟信号周期无关。

抗干扰能力强。输入端的积分器对各种噪声有很强的抑制作用。

主要缺点：工作速度低，每秒几十次的转换速度。

5.∑-△型A/D转换器

∑-△型A/D转换器工作原理：将两次相邻的取样值之差(增量)进行量化和编码。

由线性电压积分器、一位输出的量化器、一位输入的D/A转换器和一个求和电路组成。

6.V-F变换型A/D转换器

电压-频率变换型A/D转换器中，先将输入的模拟信号转换成与之成正比的频率信号，然后在一个固定的时间间隔里对得到的频率信号计数，所得到的技术结果就是正比于输入模拟电压的数字量。

由V-F变换器(压控振荡器)、计数器、时钟控制闸门、寄存器、单稳态电路等组成。

转换精度受V-F变换器的精度影响，和计数器计数容量的影响。

A/D转换器的转换精度和转换速度

1.用分辨率(分解度)和转换误差来描述转换精度。

2.分辨率以输出二进制数或十进制数的位数表示，它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。

3.转换误差通常以输出误差最大值的形式，表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别，一般多以最低有效位的倍数给出。

4.通常用转换时间或速率来描述A/D转换器的转换速度。

5.并联比较型A/D转换器的转换速度最快。