模数转换的原理

时间：2021-10-20 18:37:19

关键字：模数转换

[导读]模数(A/D)转换器工作原理

模数(A/D)转换器工作原理

A/D转换器(Analog-to-Digital Converter)又叫模/数转换器,即是将模拟信号(电压或是电流的形式)转换成数字信号。这种数字信号可让仪表,计算机外设接口或是微处理机来加以操作或胜作使用。

A/D 转换器 (ADC)的型式有很多种，方式的不同会影响测量后的精准度。

A/D 转换器的功能是把模拟量变换成数字量。由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此生产出种类繁多的A/D 转换芯片。

A/D 转换器按分辨率分为4 位、6 位、8 位、10 位、14 位、16 位和BCD码的31/2 位、51/2 位等。按照转换速度可分为超高速(转换时间=330ns)，次超高速(330~3.3μS)，高速(转换时间3.3~333μS)，低速(转换时间>330μS)等。

A/D 转换器按照转换原理可分为直接A/D 转换器和间接A/D 转换器。所谓直接A/D 转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。其中逐次逼近型A/D 转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化A/D 芯片采用逐次逼近型者多;间接A/D 转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型(积分型)，电压/频率转换型，电压/脉宽转换型等。其中积分型A/D 转换器电路简单，抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转换速度较慢。有些转换器还将多路开关、基准电压源、时钟电路、译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯A/D 转换功能，使用十分方便。

ADC 经常用于通讯、数字相机、仪器和测量以及计算机系统中，可方便数字讯号处理和信息的储存。大多数情况下，ADC 的功能会与数字电路整合在同一芯片上，但部份设备仍需使用独立的ADC。行动电话是数字芯片中整合ADC 功能的例子，而具有更高要求的蜂巢式基地台则需依赖独立的ADC 以提供最佳性能。

ADC 具备一些特性，包括：

1. 模拟输入，可以是单信道或多信道模拟输入;

2. 参考输入电压，该电压可由外部提供，也可以在ADC 内部产生;

3. 频率输

入，通常由外部提供，用于确定ADC 的转换速率;

4. 电源输入，通常有模拟和

数字电源接脚;

5. 数字输出，ADC 可以提供平行或串行的数字输出。

在输出位数越多(分辨率越好)以及转换时间越快的要求下，其制造成本与单价就越贵。

一个完整的A/D转换过程中，必须包括取样、保持、量化与编码等几部分电路。

AD转换器需注意的项目：

取样与保持

量化与编码

分辨率

转换误差

转换时间

绝对精准度、相对精准度

取样与保持

由于取样时间极短，取样输出为一串断续的窄脉冲。要把每个取样的窄脉冲信号数字化，是需要一定的时间。因此在两次取样之间，应将取样的模拟信号暂时储存到下个取样脉冲到来，这个动作称之为保持。在模拟电路设计上，因此需要增加一个取样-保持电路。为了保证有正确转换，模拟电路要保留着还未转换的数据。一个取样-保持电路可保证模拟电路中取样时，取样时间的稳定并储存，通常使用电容组件来储存电荷。根据数字信号处理的基本原理，Nyquist取样定理，若要能正确且忠实地呈现所撷取的模拟信号，必须取样频率至少高于最大频率的2倍。

例如，若是输入一个100Hz的正弦波的话，最小的取样频率至少要2倍，即是200Hz。

虽说理论值是如此，但真正在应用时，最好是接近10倍才会有不错的还原效果(因取样点越多)。若针对多信道的A/D转换器来说，就必须乘上信道数，这样平均下去，每一个通道才不会有失真的情况产生。

量化与编码

量化与编码电路是A/D转换器的核心组成的部分，一般对取样值的量化方式有下列两种：

只舍去不进位

首先取一最小量化单位Δ=U/2n，U是输入模拟电压的最大值，n是输出数字数值的位数。当输入模拟电压U在0~Δ之间，则归入0Δ，当U在Δ~2Δ之间，则归入1Δ。透过这样的量化方法产生的最大量化误差为Δ/2，而且量化误差总是为正，+1/2LSB。

有舍去有进位

如果量化单位Δ=2U/(2 n+1–1)，当输入电压U在0～Δ/2之间，归入0Δ，当U在Δ/2~3/2Δ之间的话，就要归入1Δ。这种量化方法产生的最大量化误差为Δ/2，而且量化误差有正，有负，为±1/2LSB。

量化结果也造成了所谓的量化误差。

解析度

指A/D转换器所能分辨的最小模拟输入量。通常用转换成数字量的位数来表示，如8-bit，10-bit，12-bit与16-bit等。

位数越高，分辨率越高。若小于最小变化量的输入模拟电压的任何变化，将不会引起输出数字值的变化。