A/D转换的基本原理 常见AD转换的类型

A/D转换的基本原理

将模拟信号转换成数字信号时，必须在一系列选定的时间点对输入的模拟信号进行采样然后再将这些采样值转换为数字量输出。整个A/D 转换过程通常包括采样、保持、量化和编码3个步骤。

1、采样(Sample)

所谓采样是指周期地采取模拟信号的瞬时值，得到一系列的脉冲样值。图 1表明了采样过程。U(t)是输入模拟信号，S(t)是采样输出信号，采样周期的长短决定了转换结果的精确度。采样周期太长将导致采样点太少，采样虽然能很快完成，但会失真；采样周期越短，采样频率越高，采样点越多，A/D 转换结果越精确，但A/D转换需要的时间也越长。

图1

采样脉冲频率的选择必须满足奈奎斯特采样定理:fs≥2fmax，即采样脉冲的频率fs应大于或等于输入模拟信号频谱中最高频率fmax的两倍。

2、保持(Hold)

在连续2次采样之间，为了使前一次采样所得信号保持不变，以便量化和编码，需要将其保存起来，这就要求在采样电路后面加上保持电路。采样-保持电路基本组成如图2所示。电路由1个存储样值的电容C，1个场效应管V及电压跟随运算放大器组成。当取样脉冲S(t)=1时，场效应管V导通，相当于开关闭合，输入模拟量U(t)经V向电容充电，电容的充电时间常数被设置为远小于采样脉冲宽度，在采样脉冲宽度内，电容电压跟随输入模拟信号变化，运算放大器的输出电压Uo(t)也将跟踪电容电压。当采样脉冲S(t)=0时，采样结束，V迅速截止，因其截止阻抗很高(10^10Ω左右)，运算放大器的输入阻抗也很高，所以电容漏电极小，电容上的电压在采样停止期间可基本保持不变。当下一个取样脉冲到来，V又导通，电容上的电压又跟随输入模拟信号的变化，获得新的采样—保持信号。

图2

3、量化和编码

经采样-保持所得电压信号仍是模拟量，不是数字量，因此量化和编码才是从模拟量产生数字量的过程，即A/D转换的主要阶段。量化是将采样-保持电路的输出信号按照某种近似方式归并到相应的离散电平上，也就是将模拟信号在取值上离散化的过程，离散后的电平称为量化电平。编码是将量化后的结果(离散电平)用数字代码即二进制数来表示。其中，单极性模拟信号，一般采用自然二进制编码；而双极性模拟信号，通常采用二进制补码。

任何一个数字量的大小，都是以某个最小数字量单位的整数倍来表示的，在用数字量表示模拟电压时，将数字量的最低有效位LSB的1所代表的模拟电压值，称为量化单位，记作△或S。在量化过程中，量化结果(离散电平)都是这个最小离散电平的整数倍。将采样电压按一定的等级进行分割，也就是说用近似的方法取值，这会带来了误差，我们称之为量化误差，用ε表示，误差的大小取决于量化的方法。而各种量化方法中，对模拟量分割的等级越细，则误差越小。

量化方法一般有2种，一种是采用只舍不入的方法，如图3所示，它是将取样保持信号中不足1个△的尾数舍去，取其原整数，它的最大误差εmax=△。另一种是采取四舍五入的方法，如图4 所示，当取样保持信号的尾数<△/2 时，用舍尾取整法得其量化值；当取样保持信号的尾数≥△/2 时，用舍尾入整法得其量化值，这种方法要比第1种方法误差要小，它的最大误差εmax=△/2。

图3

图4

常见AD转换的类型

ADC电路分成直接法和间接法2大类。直接 A/D转换是将模拟信号直接转换成数字信号。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。比较典型的有并行比较型A/D转换和逐次逼近型A/D转换。间接 A/D转换是先将模拟信号转换成某一中间变量(时间t或频率f)，然后再将中间变量转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强，一般在测试仪表中用的较多。比较典型的有双积分型 A/D转换和电压-频率转换型A/D转换。

1、并行比较型ADC电路

电路由电阻分压器、电压比较器、数码寄存器及编码器等组成，如图 5所示。

图5

下面分析电路的工作原理。

电阻分压器的作用是将输入参考电压门限Uref量化为U1 ~ U7共7个比较电平，其具体数值为：U1 = 1/16Uref，U2 = 3/16Uref，U3 = 5/16Uref，U4 = 7/16Uref，U5 = 9/16Uref，U6 = 11/16Uref，U7 = 13/16Uref。采用的四含五入量化方式，量化单位△ = 2/16Uref，最大量化误差:在0 ~ 15/16Uref范围内，εmax = △/2 = 1/16Uref。电压比较器的作用是将Us和参考电压门限16Uref进行比较。7个电平分别接到7个电压比较器C1~C7的相同输入端上。7个比较器的另一输入端连在一起，作为采样保持模拟电压的输入端。输入电压Us与参考电压的比较结果由比较器输出，送到寄存器保存，以消除各比较器由于速度不同而产生的逻辑错误输出。编码电路把寄存器送出的信号进行二进制编码，以输出3位二进制数字信号。其对应关系如表1所示。

表1

2、逐次逼近型ADC

逐次逼近型ADC的转换原理与天平称物体过程相似。假设物体质量为 163g，可以把标准砝码设置为与8位二进制相对应的位权值，即 128(2^7)g，64(2^6)g，32(2^5)g，16(2^4)g，8(2^3)g，4(2^2)g，2(2^1)g，1(2^0)g；先在码盘放128g码，经天平比较，163g>128g，则保留此码(D7=1)；再加64g砝码，经比较，163g<(128+64)g，则舍下64g码(D6=0)；依此类推，可得163=128+32+2+1，比较完成。最后转换结果为D1~D7 = 10100011。

逐次逼近型ADC是目前使用最多的一种。它由逐次逼近寄存器(SAR)、电压比较器逻辑控制电路及内部DAC组成电路如图6所示。当C=1时：采样-保持电路采样，ADC停止转换，将上一次转换的结果经输出电路输出；当C=0时：采样-保持电路停止采样，输出电路禁止输出，ADC工作。

图6

转换过程如下。在转换开始之前，先将n位逐次逼近寄存器SAR清零。在第1个CP作用下将SAR的最高位置1，寄存器输出为 100···000。这个数字量被 DAC 转换成相应的模拟电压。经偏移△/2后得到uo′=uo-△/2，然后将它送至比较器的正相输入端，与ADC输入模拟电压的样值us相比较。如果uo′>us，则比较器的输出 C=1，说明这个数字量过大了，逻辑控制电路将SAR的最高位复0；如果uo′

其中，逐次逼近型 ADC 采用了四舍五入的量化方式，量化单位△=Uref/2ⁿ，最大量化误差εmax=△/2。

逐次逼近型 ADC 电路的优点是，转换原理直观、电路简单、成本低、转换精度较高。其转换精度与输出数字量的位数有关，位数越多，转换精度越高。缺点是：工作速度较慢(完成1次n位转换需要n+1个TCP)。工作速度与位数和时间频率有关，位数越少，时间频率越高，工作速度越快。因此逐次逼近型ADC 适用于高精度、中速以下的场合。