模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理及不同類型ADC特點(diǎn)

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)，ADC作為電路中重要的元器件，本文將介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理、轉(zhuǎn)換步驟、主要技術(shù)指標(biāo)以及不同類型ADC的特點(diǎn)。

　　1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理

　　將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程稱為“模數(shù)轉(zhuǎn)換”。完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路 稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱 ADC(Analog to Digital Converter)。

　　2 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的步驟

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過采樣、保持和量化、編碼這幾個(gè)步驟。

　　采樣定理：當(dāng)采樣頻率大于模擬信號(hào)中最高頻率成分的兩倍時(shí)，采樣 值才能不失真的反映原來模擬信號(hào)。

　　3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

　　轉(zhuǎn)換精度 集成 ADC 用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。

　　(1)分辨率

　　通常以輸出二進(jìn)制或十進(jìn)制數(shù)字的位數(shù)表示分辨率的高低，因?yàn)槲粩?shù)越多，量化單位越小，對(duì)輸入信號(hào)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(jìn)制數(shù)可以

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

　　分辨的最小模擬電壓為 5 V×2-12≈1.22 mV。

　　(2) 轉(zhuǎn)換誤差

　　它是指在零點(diǎn)和滿度都校準(zhǔn)以后，在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，分別測(cè)量各個(gè) 數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬輸入電壓實(shí)測(cè)范圍與理論范圍之間的偏差，取其 中的最大偏差作為轉(zhuǎn)換誤差的指標(biāo)。通常以相對(duì)誤差的形式出現(xiàn)，并 以 LSB 為單位表示。例如 ADC0801 的相對(duì)誤差為±? LSB。

　　轉(zhuǎn)換速度

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

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

　　4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成及不同類型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器的種類很多，按工作原理的不同，可分成間接 ADC 和直 接 ADC。

　　間接 ADC 是先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后再把這些中 間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有中間量是時(shí)間的雙積分型 ADC。

　　直接 ADC 則直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有并聯(lián)比較型 ADC 和逐次 逼近型 ADC。

　　并聯(lián)比較型ADC：由于并聯(lián)比較型ADC采用各量級(jí)同時(shí)并行比較， 各位輸出碼也是同時(shí)并行產(chǎn)生，所以轉(zhuǎn)換速度快是它的突出優(yōu)點(diǎn)，同 時(shí)轉(zhuǎn)換速度與輸出碼位的多少無關(guān)。并聯(lián)比較型ADC的缺點(diǎn)是成本 高、功耗大。因?yàn)閚位輸出的ADC，需要 2n 個(gè)電阻，(2n -1)個(gè)比較器和D觸發(fā)器，以及復(fù)雜的編碼網(wǎng)絡(luò)，其元件數(shù)量隨位數(shù)的增加，以 幾何級(jí)數(shù)上升。所以這種ADC適用于要求高速、低分辯率的場(chǎng)合。 逐次逼近型ADC：逐次逼近型ADC是另一種直接ADC，它也產(chǎn)生一 系列比較電壓VR，但與并聯(lián)比較型ADC不同，它是逐個(gè)產(chǎn)生比較電壓， 逐次與輸入電壓分別比較，以逐漸逼近的方式進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的。逐次 逼近型ADC每次轉(zhuǎn)換都要逐位比較，需要(n+1)個(gè)節(jié)拍脈沖才能完 成，所以它比并聯(lián)比較型ADC 的轉(zhuǎn)換速度慢，比雙分積型ADC要快 得多，屬于中速ADC器件。另外位數(shù)多時(shí)，它需用的元器件比并聯(lián)比 較型少得多，所以它是集成ADC中，應(yīng)用較廣的一種。

　　雙積分型 ADC：屬于間接型 ADC，它先對(duì)輸入采樣電壓和基準(zhǔn)電壓 進(jìn)行兩次積分，以獲得與采樣電壓平均值成正比的時(shí)間間隔，同時(shí)在 這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，用計(jì)數(shù)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖(CP)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器輸 出的計(jì)數(shù)結(jié)果就是對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。雙積分型 ADC 優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力 強(qiáng);穩(wěn)定性好;可實(shí)現(xiàn)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度低，因此這種轉(zhuǎn)換器大多應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器 儀表中，例如用于多位高精度數(shù)字直流電壓表中。