模數(shù)轉換器的內部結構解析

　　一、模數(shù)轉換器簡介

　　模數(shù)轉換器即A/D轉換器，或簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號的電子元件。通常的模數(shù)轉換器是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數(shù)轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準，比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。

　　二、模數(shù)轉換器的主要技術指標

　　分辨率

　　通常以輸出二進制或十進制數(shù)字的位數(shù)表示分辨率的高低，因為位數(shù)越多，量化單位越小，對輸入信號的分辨能力就越高。

　　例如：輸入模擬電壓的變化范圍為 0～5 V，輸出 8 位二進制數(shù)可以

　　分辨的最小模擬電壓為 5 V&TImes;2-8 =20 mV;而輸出 12 位二進制數(shù)可以

　　分辨的最小模擬電壓為 5 V&TImes;2-12≈1.22 mV。

　　轉換誤差

　　它是指在零點和滿度都校準以后，在整個轉換范圍內，分別測量各個 數(shù)字量所對應的模擬輸入電壓實測范圍與理論范圍之間的偏差，取其 中的最大偏差作為轉換誤差的指標。通常以相對誤差的形式出現(xiàn)，并 以 LSB 為單位表示。例如 ADC0801 的相對誤差為±? LSB。

　　轉換速度

　　完成一次模數(shù)轉換所需要的時間稱為轉換時間。大多數(shù)情況下，轉換 速度是轉換時間的倒數(shù)。

　　ADC 的轉換速度主要取決于轉換電路的類型，并聯(lián)比較型 ADC 的轉換速度最高（轉換時間可小于 50 ns），逐次逼近型 ADC 次之（轉 換時間在 10～100μs 之間），雙積分型 ADC 轉換速度最低（轉換時 間在幾十毫秒至數(shù)百毫秒之間）。

　　三、A/D轉換器的工作原理

　　主要介紹以下三種方法：逐次逼近法、雙積分法、電壓頻率轉換法

　　1）逐次逼近法

　　逐次逼近式A/D是比較常見的一種A/D轉換電路，轉換的時間為微秒級。采用逐次逼近法的A/D轉換器是由一個比較器、D/A轉換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成，如圖所示。

　　基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進行試探。

　　逐次逼近法的轉換過程是：初始化時將逐次逼近寄存器各位清零；轉換開始時，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A轉換器，經(jīng)D/A轉換后生成的模擬量送入比較器，稱為 Vo，與送入比較器的待轉換的模擬量Vi進行比較，若Vo《Vi，該位1被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為1，將寄存器中新的數(shù)字量送D/A轉換器，輸出的 Vo再與Vi比較，若Vo《Vi，該位1被保留，否則被清除。重復此過程，直至逼近寄存器最低位。轉換結束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。逐次逼近的操作過程是在一個控制電路的控制下進行的。

　　2）雙積分法

　　采用雙積分法的A/D轉換器由電子開關、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。如圖所示?；驹硎菍⑤斎腚妷鹤儞Q成與其平均值成正比的時間間隔，再把此時間間隔轉換成數(shù)字量，屬于間接轉換。雙積分法積分法A/D轉換的過程是：先將開關接通待轉換的模擬量Vi，Vi采樣輸入到積分器，積分器從零開始進行固定時間T的正向積分，時間T到后，開關再接通與Vi極性相反的基準電壓VREF，將VREF輸入到積分器，進行反向積分，直到輸出為0V時停止積分。Vi越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時間也越長。計數(shù)器在反向積分時間內所計的數(shù)值，就是輸入模擬電壓Vi所對應的數(shù)字量，實現(xiàn)了A/D轉換。