A/D轉換器原理及分類

模擬數(shù)字轉換器即A/D轉換器，或簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉變?yōu)閿?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.

將模擬信號轉換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉換器(簡稱A/D轉換器或ADC，Analog to Digital Converter)，A/D轉換的作用是將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號轉換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號，因此，A/D轉換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合并進行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現(xiàn)的.

這種轉換器的基本原理是把輸入的模擬信號按規(guī)定的時間間隔采樣，并與一系列標準的數(shù)字信號相比較，數(shù)字信號逐次收斂，直至兩種信號相等為止。然后顯示出代表此信號的二進制數(shù)，模擬數(shù)字轉換器有很多種，如直接的、間接的、高速高精度的、超高速的等。每種又有許多形式。同模擬數(shù)字轉換器功能相反的稱為“數(shù)字模擬轉換器”，亦稱“譯碼器”，它是把數(shù)字量轉換成連續(xù)變化的模擬量的裝置，也有許多種和許多形式。

模數(shù)轉換一般要經(jīng)過采樣、量化和編碼這幾個步驟。采樣是指用每隔一定時間的信號樣值序列來代替原來在時間上連續(xù)的信號，也就是在時間上將模擬信號離散化。量化是用有限個幅度值近似原來連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的有一定間隔的離散值。編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用二進制數(shù)字表示，然后轉換成二值或多值的數(shù)字信號流。這樣得到的數(shù)字信號可以通過電纜、微波干線、衛(wèi)星通道等數(shù)字線路傳輸。

模數(shù)轉換器的種類很多，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換成時間或頻率，然后再把這些中間量轉換成數(shù)字量，常用的有中間量是時間的雙積分型ADC。并聯(lián)比較型ADC：由于并聯(lián)比較型ADC采用各量級同時并行比較，各位輸出碼也是同時并行產(chǎn)生，所以轉換速度快是它的突出優(yōu)點，同時轉換速度與輸出碼位的多少無關。并聯(lián)比較型ADC的缺點是成本高、功耗大。因為n位輸出的ADC，需要2n個電阻，(2n-1)個比較器和D觸發(fā)器，以及復雜的編碼網(wǎng)絡，其元件數(shù)量隨位數(shù)的增加，以幾何級數(shù)上升。所以這種ADC適用于要求高速、低分辯率的場合。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行模數(shù)轉換的。逐次逼近型ADC每次轉換都要逐位比較，需要(n+1)個節(jié)拍脈沖才能完成，所以它比并聯(lián)比較型ADC的轉換速度慢，比雙分積型ADC要快得多，屬于中速ADC器件。另外位數(shù)多時，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，應用較廣的一種。雙積分型ADC：屬于間接型ADC，它先對輸入采樣電壓和基準電壓進行兩次積分，以獲得與采樣電壓平均值成正比的時間間隔，同時在這個時間間隔內(nèi)，用計數(shù)器對標準時鐘脈沖(CP)計數(shù)，計數(shù)器輸出的計數(shù)結果就是對應的數(shù)字量。雙積分型ADC優(yōu)點是抗干擾能力強;穩(wěn)定性好;可實現(xiàn)高精度模數(shù)轉換。主要缺點是轉換速度低，因此這種轉換器大多應用于要求精度較高而轉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。