基礎知識之A/D轉換器

A/D轉換器是從自然界的現象（各種各樣的應用）產生的模擬信號變換為數字信號（A/D變換）的東西。這個工作是指由模擬信號經過采樣→量化→編碼變換為數字信號的一系列步驟。

A/D轉換器的基本操作請參見下方A/D轉換器實例。

A/D轉換器在離散周期內切出模擬信號的幅度，變換為用符號表示的數字信號。A/D轉換了的數字信號位數叫做分辨率（這個情況下是3bit），最高位叫做MSB(Most Significant Bit)，最低位叫做LSB(Least Significant Bit)。

下方的圖片展示了模擬信號（輸入）和數字信號（輸出）的關系。作為數字信號差，可識別的模擬信號最小振幅是最小分辨率(=1LSB)，在模擬信號和數字信號之間產生的誤差叫做量化誤差。

另外，第一個數字信號變化點(000→001)的0.5LSB下叫做零刻度，最后一個數字信號變化點(110→111）的0.5LSB上叫做滿量程，從零刻度到滿量程的這個區間叫滿量程范圍。

以下是模擬信號通過“采樣→量化→編碼”變換為數字信號的一系列步驟。

在離散周期（采樣周期：TS）內切出連續的模擬信號振幅值

<采樣周期：Ts＝1/(采樣頻率:Fs)>

進行采樣的電路叫做采樣和保持電路(簡稱S&H電路)

在離散周期內切出的振幅值近似于離散振幅值。 <量化誤差：(采樣值)－(量化值)>

離散振幅用“0”和“1”這兩個值來表示轉換的代碼。 轉換了代碼的電路叫做編碼器(Encoder)。

預先用比較器同時比較分壓成2N-1個的參考電壓和模擬信號，比較結果用編碼器轉換成數字信號。

為了把模擬信號一次轉為數字信號，模擬信號不需要采樣電路（S&H回路)。 在A/D轉換器的基本形式中可最高速度轉換。（采樣頻率甚至可超過1GHz。） N位分辨率需要2N-1個比較器，由于電路規模和功耗增加，分辨率最高為8位左右。

在一般1.5bit/級結構的情況下，從決定了MSB的第1級開始依次流水線操作，從而反復進行以下的處理。（VREF：參考電壓）

• 采樣(S&H)模擬輸入。
• 同時用A/D轉換器（ADC）把模擬輸入轉換成3值(1.5bit)的數字值。（此處確定級別的數字輸出）

模擬輸入≦-VREF/4→ D=“00”

-VREF/4<模擬輸入≦+VREF/4→ D=“01”

• +VREF/4<模擬輸入→D=“10”
• 用D/A轉換器（DAC）把3值(1.5bit)的數字值轉換為模擬值。

D=“00” → DAC輸出：-VREF/2

D=“01” → DAC輸出：0

D=“10” → DAC輸出：+VREF/2

• 從采樣電壓擴大到減去了DAC輸出電壓的2倍后，輸出到下一級。 決定了LSB的N級處理完成之后，補償了各級別間的延遲，通過加上各個數字輸出，數字信號的轉變完成。

• 可實現高分辨率。（最多16位左右）
• 可高速轉換。（采樣頻率高達約200MHz的）
• 通過流水線操作，由于需要等待數字信號輸出的時間，不適用于需要控制等實時的應用。

為了使采樣的模擬信號和D/A轉換器（DAC）的輸出一致，從MSB開始逐次比較(Successive Approximation)。

• 模擬輸入信號采樣(S&H)
• 逐次逼近寄存器(SAR)的MSB設置為“1”。（其他為“0”）
• 逐次逼近寄存器(SAR)的數字值用D/A轉換器（DAC）轉換成模擬值。
• 比較采樣電壓和DAC輸出電壓的大小。

   確定采樣電壓＞DAC輸出電壓 → MSB＝"1"
   確定采樣電壓＜DAC輸出電壓 → MSB＝"0"

下方是通過到LSB為止重復相同的逐次逼近來完成數字信號的轉換。

• 可實現高分辨率。（最多18位左右）
• 為了轉換以及需要（分辨率＋α）的時鐘周期，轉換速度為中度。（最多約10MHz的采樣頻率）
• 反應良好，輸入時連接復用器，輕松切換模擬信號。

對模擬信號進行過采樣，并使用ΔΣ調制將其轉換為與模擬信號的幅度相對應的低位數據（比如１位），然后使用數字濾波器去除帶外噪聲并進行數據抽取處理，從而完成在原始采樣頻率下向數字信號的轉換。

通過用比原始采樣頻率更高的頻率來采樣，來減少量化誤差。

通過過采樣，積分器對采樣電壓和D/A轉換器(DAC)輸出電壓之間的差(Δ)進行積分(Σ)。用比較器來比較積分值和參考電壓的大小，并將積分值轉換為低位數據。 通過將輸出數據延遲1個采樣周期并反饋至輸入進行調制，使比較器產生的量化誤差在低頻區域較小，在高頻區域較大。

從ΔΣ調制器輸出的低位數據，除了原始信號分量外，在高頻區域還有較大的量化誤差分量。然而，由于這些分量在頻率上是分開的，并且只能用數字濾波器去除量化誤差分量，因此可以實現其他方式無法實現的高分辨率。

• A/D轉換器主要產品中最高的分辨率。（最多約32位）
• 通常，轉換速度比逐次比較型要慢。
• 響應性能較差，因此不適用于在輸入端連接了復用器、需要高速切換模擬信號的應用。