模数转换器的内部结构解析

　　一、模数转换器简介

　　模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。

　　二、模数转换器的主要技术指标

　　分辨率

　　通常以输出二进制或十进制数字的位数表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位越小，对输入信号的分辨能力就越高。

　　例如：输入模拟电压的变化范围为 0～5 V，输出 8 位二进制数可以

　　分辨的最小模拟电压为 5 V&TImes;2-8 =20 mV;而输出 12 位二进制数可以

　　分辨的最小模拟电压为 5 V&TImes;2-12≈1.22 mV。

　　转换误差

　　它是指在零点和满度都校准以后，在整个转换范围内，分别测量各个 数字量所对应的模拟输入电压实测范围与理论范围之间的偏差，取其 中的最大偏差作为转换误差的指标。通常以相对误差的形式出现，并 以 LSB 为单位表示。例如 ADC0801 的相对误差为±¼ LSB。

　　转换速度

　　完成一次模数转换所需要的时间称为转换时间。大多数情况下，转换 速度是转换时间的倒数。

　　ADC 的转换速度主要取决于转换电路的类型，并联比较型 ADC 的转换速度最高（转换时间可小于 50 ns），逐次逼近型 ADC 次之（转 换时间在 10～100μs 之间），双积分型 ADC 转换速度最低（转换时 间在几十毫秒至数百毫秒之间）。

　　三、A/D转换器的工作原理

　　主要介绍以下三种方法：逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法

　　1）逐次逼近法

　　逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图所示。

　　基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。

　　逐次逼近法的转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为 Vo，与送入比较器的待转换的模拟量Vi进行比较，若Vo《Vi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的 Vo再与Vi比较，若Vo《Vi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。

　　2）双积分法

　　采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。如图所示。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Vi，Vi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间T的正向积分，时间T到后，开关再接通与Vi极性相反的基准电压VREF，将VREF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。Vi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Vi所对应的数字量，实现了A/D转换。