A/D转换器的基本原理和分类

在仪器仪表系统中，常常需要将检测到的连续变化的模拟量如：温度、压力、流量、速度、光强等转变成离散的数字量，才能输入到计算机中进行处理。这些模拟量经过传感器转变成电信号（一般为电压信号），经过放大器放大后，就需要经过一定的处理变成数字量。实现模拟量到数字量转变的设备通常称为模数转换器（ADC），简称A/D。

通常情况下，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。

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vO(t)为输入信号v1,而在（Ts-τ）期间，传输门关闭，输出信号vO(t)=0。电路中各信号波形如图（b）所示。

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fs，输入模拟信号v1(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs与fimax必须满足下面的关系fs≥2fimax，工程上一般取fs>(3～5)fimax。

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。

 

电路由输入放大器A1、输出放大器A2、保持电容CH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CH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AV1·AV2=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AV1·AV2=1，因此v0=vI，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CH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。

 

随着集成电路的飞速发展，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。为满足各种不同的检测及控制需要而设计的结构不同、性能各异的A/D转换器应运而生。

下面简单讲讲A/D转换器的基本原理和分类：

根据A/D转换器的原理可将A/D转换器分成两大类。一类是直接型A/D转换器，将输入的电压信号直接转换成数字代码，不经过中间任何变量；另一类是间接型A/D转换器，将输入的电压转变成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等），然后再将这个中间量变成数字代码输出。

尽管A/D转换器的种类很多，但目前广泛应用的主要有三种类型：逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器、V/F变换式A/D转换器。另外，近些年有一种新型的Σ-Δ型A/D转换器异军突起，在仪器中得到了广泛的应用。

逐次逼近式（SAR）A/D转换器（SAR）的基本原理是：将待转换的模拟输入信号与一个推测信号进行比较，根据二者大小决定增大还是减小输入信号，以便向模拟输入信号逼进。推测信号由D/A转换器的输出获得，当二者相等时，向D/A转换器输入的数字信号就对应的时模拟输入量的数字量。这种A/D转换器一般速度很快，但精度一般不高。

双积分式A/D转换器的基本原理是：先对输入模拟电压进行固定时间的积分，然后转为对标准电压的反相积分，直至积分输入返回初始值，这两个积分时间的长短正比于二者的大小，进而可以得出对应模拟电压的数字量。这种A/D转换器的转换速度较慢，但精度较高。由双积分式发展为四重积分、五重积分等多种方式，在保证转换精度的前提下提高了转换速度。

Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位D/A转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。这种转换器的转换精度极高，达到16到24位的转换精度，价格低廉，弱点是转换速度比较慢，比较适合用于对检测精度要求很高但对速度要求不是太高的检验设备。

V/F转换器是把电压信号转换成频率信号，由良好的精度和线性，而且电路简单，对环境适应能力强，价格低廉。适用于非快速的远距离信号的A/D转换过程。

编辑：黄飞