A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理和分類

在儀器儀表系統(tǒng)中，常常需要將檢測到的連續(xù)變化的模擬量如：溫度、壓力、流量、速度、光強(qiáng)等轉(zhuǎn)變成離散的數(shù)字量，才能輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。這些模擬量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)（一般為電壓信號(hào)），經(jīng)過放大器放大后，就需要經(jīng)過一定的處理變成數(shù)字量。實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)變的設(shè)備通常稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），簡稱A/D。

通常情況下，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個(gè)過程。

取樣和保持

取樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散的模擬量。取樣過程示意圖如圖11.8.1所示。圖（a）為取樣電路結(jié)構(gòu)，其中，傳輸門受取樣信號(hào)S(t)控制，在S(t)的脈寬τ期間，傳輸門導(dǎo)通，輸出信號(hào)vO(t)為輸入信號(hào)v1,而在（Ts-τ）期間，傳輸門關(guān)閉，輸出信號(hào)vO(t)=0。電路中各信號(hào)波形如圖（b）所示。

通過分析可以看到，取樣信號(hào)S(t)的頻率愈高，所取得信號(hào)經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。但帶來的問題是數(shù)據(jù)量增大，為保證有合適的取樣頻率，它必須滿足取樣定理。

取樣定理：設(shè)取樣信號(hào)S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號(hào)v1(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs與fimax必須滿足下面的關(guān)系fs≥2fimax，工程上一般取fs>(3～5)fimax。

將取樣電路每次取得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個(gè)穩(wěn)定值，每次取得的模擬信號(hào)必須通過保持電路保持一段時(shí)間?！?/p>

取樣與保持過程往往是通過取樣-保持電路同時(shí)完成的。取樣-保持電路的原理圖及輸出波形如圖11.8.2所示。

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電路由輸入放大器A1、輸出放大器A2、保持電容CH和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路組成。電路中要求A1具有很高的輸入阻抗，以減少對(duì)輸入信號(hào)源的影響。為使保持階段CH上所存電荷不易泄放，A2也應(yīng)具有較高輸入阻抗，A2還應(yīng)具有低的輸出阻抗，這樣可以提高電路的帶負(fù)載能力。一般還要求電路中AV1·AV2=1。

現(xiàn)結(jié)合圖11.8.2來分析取樣-保持電路的工作原理。在t=t0時(shí)，開關(guān)S閉合，電容被迅速充電，由于AV1·AV2=1，因此v0=vI，在t0～t1時(shí)間間隔內(nèi)是取樣階段。在t=t1時(shí)刻S斷開。若A2的輸入阻抗為無窮大、S為理想開關(guān)，這樣可認(rèn)為電容CH沒有放電回路，其兩端電壓保持為v0不變，圖11.8.2(b)中t1到t2的平坦段，就是保持階段。

取樣-保持電路以由多種型號(hào)的單片集成電路產(chǎn)品。如雙極型工藝的有AD585、AD684；混合型工藝的有AD1154、SHC76等。

量化與編碼

數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在幅值上也是不連續(xù)的。任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，還必須將取樣-保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到相應(yīng)的離散電平上，這一轉(zhuǎn)化過程稱為數(shù)值量化，簡稱量化。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個(gè)代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。

量化過程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位，用△表示。它是數(shù)字信號(hào)最低位為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬量，即1LSB。

在量化過程中，由于取樣電壓不一定能被△整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，此誤差稱之為量化誤差，用ε表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。

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量化過程常采用兩種近似量化方式：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轉(zhuǎn)換器為例，設(shè)輸入信號(hào)v1的變化范圍為0～8V，采用只舍不入量化方式時(shí)，取△=1V，量化中不足量化單位部分舍棄，如數(shù)值在0～1V之間的模擬電壓都當(dāng)作0△，用二進(jìn)制數(shù)000表示，而數(shù)值在1～2V之間的模擬電壓都當(dāng)作1△，用二進(jìn)制數(shù)001表示……這種量化方式的最大誤差為△。

２.四舍五入量化方式　

如采用四舍五入量化方式，則取量化單位△=8V/15，量化過程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。它將數(shù)值在0～8V/15之間的模擬電壓都當(dāng)作0△對(duì)待，用二進(jìn)制000表示，而數(shù)值在8V/15～24V/15之間的模擬電壓均當(dāng)作1△，用二進(jìn)制數(shù)001表示等。

３.比較

采用前一種只舍不入量化方式最大量化誤差│εmax│=1LSB,而采用后一種有舍有入量化方式│εmax│=1LSB/2，后者量化誤差比前者小，故為多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器所采用。

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隨著集成電路的飛速發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器的新設(shè)計(jì)思想和制造技術(shù)層出不窮。為滿足各種不同的檢測及控制需要而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不同、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)運(yùn)而生。

下面簡單講講A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理和分類：

根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的原理可將A/D轉(zhuǎn)換器分成兩大類。一類是直接型A/D轉(zhuǎn)換器，將輸入的電壓信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，不經(jīng)過中間任何變量；另一類是間接型A/D轉(zhuǎn)換器，將輸入的電壓轉(zhuǎn)變成某種中間變量（時(shí)間、頻率、脈沖寬度等），然后再將這個(gè)中間量變成數(shù)字代碼輸出。

盡管A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，但目前廣泛應(yīng)用的主要有三種類型：逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、V/F變換式A/D轉(zhuǎn)換器。另外，近些年有一種新型的Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器異軍突起，在儀器中得到了廣泛的應(yīng)用。

逐次逼近式（SAR）A/D轉(zhuǎn)換器（SAR）的基本原理是：將待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)與一個(gè)推測信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)二者大小決定增大還是減小輸入信號(hào)，以便向模擬輸入信號(hào)逼進(jìn)。推測信號(hào)由D/A轉(zhuǎn)換器的輸出獲得，當(dāng)二者相等時(shí)，向D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字信號(hào)就對(duì)應(yīng)的時(shí)模擬輸入量的數(shù)字量。這種A/D轉(zhuǎn)換器一般速度很快，但精度一般不高。

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理是：先對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行固定時(shí)間的積分，然后轉(zhuǎn)為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓的反相積分，直至積分輸入返回初始值，這兩個(gè)積分時(shí)間的長短正比于二者的大小，進(jìn)而可以得出對(duì)應(yīng)模擬電壓的數(shù)字量。這種A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較慢，但精度較高。由雙積分式發(fā)展為四重積分、五重積分等多種方式，在保證轉(zhuǎn)換精度的前提下提高了轉(zhuǎn)換速度。

Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間（脈沖寬度）信號(hào)，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。這種轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度極高，達(dá)到16到24位的轉(zhuǎn)換精度，價(jià)格低廉，弱點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度比較慢，比較適合用于對(duì)檢測精度要求很高但對(duì)速度要求不是太高的檢驗(yàn)設(shè)備。

V/F轉(zhuǎn)換器是把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，由良好的精度和線性，而且電路簡單，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，價(jià)格低廉。適用于非快速的遠(yuǎn)距離信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換過程。

編輯：黃飛

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