模数转换器

A/D转换器

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。

模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。

A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。

一般来说，AD比DA贵，尤其是高速的AD，因为在某些特殊场合，如导弹的摄像头部分要求有高速的转换能力。一般那样AD要上千美元。还有通过AD的并联可以提高AD的转换效率，多个AD同时处理数据，能满足处理器的数字信号需求了。模数转换过程包括量化和编码。量化是将模拟信号量程分成许多离散量级，并确定输入信号所属的量级。编码是对每一量级分配唯一的数字码，并确定与输入信号相对应的代码。最普通的码制是二进制，它有2n个量级（n为位数）,可依次逐个编号。模数转换的方法很多，从转换原理来分可分为直接法和间接法两大类。 直接法是直接将电压转换成数字量。它用数模网络输出的一套基准电压，从高位起逐位与被测电压反复比较，直到二者达到或接近平衡（见图）。控制逻辑能实现对分搜索的控制，其比较方法如同天平称重。先使二进位制数的最高位Dn-1＝1，经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压VS，与输入电压Vin相比较，若Vin>VS,则保留这一位；若VinVS还是Vin

间接法不将电压直接转换成数字，而是首先转换成某一中间量,再由中间量转换成数字。常用的有电压-时间间隔(V/T)型和电压-频率(V/F)型两种，其中电压-时间间隔型中的双斜率法（又称双积分法）用得较为普遍。

模数转换器的选用具体取决于输入电平、输出形式、控制性质以及需要的速度、分辨率和精度。

用半导体分立元件制成的模数转换器常常采用单元结构，随着大规模集成电路技术的发展，模数转换器体积逐渐缩小为一块模板、一块集成电路

A/D转换器的选型技巧及注意事项

AD的选择，首先看精度和速度，然后看是几路的，什么输出的比如SPI或者并行的，差分还是单端输入的，输入范围是多少，这些都是选AD需要考虑的。DA的选择，主要是精度和输出，比如是电压输出还是电流输出等等。

在进行电路设计时，面对种类繁多的A/D、D/A芯片，如何选择你所需要的器件呢？这要综合设计的诸项因素，系统技术指标、成本、功耗、安装等，最重要的依据还是速度和精度。

精度：与系统中所测量控制的信号范围有关，但估算时要考虑到其他因素，转换器位数应该比总精度要求的最低分辩率高一位。常见的A/D、D/A器件有8位，10位，12位，14位，16位等。

速度：应根据输入信号的最高频率来确定，保证转换器的转换速率要高于系统要求的采样频率。

通道：有的单芯片内部含有多个A/D、D/A模块，可同时实现多路信号的转换；常见的多路A/D器件只有一个公共的A/D模块，由一个多路转换开关实现分时转换。

数字接口方式：接口有并行/串行之分，串行又有SPI、I2C、SM等多种不同标准。数值编码通常是二进制，也有BCD（二~十进制）、双极性的补码、偏移码等。

模拟信号类型：通常AD器件的模拟输入信号都是电压信号，而D/A器件输出的模拟信号有电压和电流两种。

根据信号是否过零，还分成单极性（Unipolar）和双极性（Bipolar）。

电源电压：有单电源，双电源和不同电压范围之分，早期的A/D、D/A器件要有+15V/-15V，如果选用单+5V电源的芯片则可以使用单片机系统电源。

基准电压：有内、外基准和单、双基准之分。

功耗 ：一般CMOS工艺的芯片功耗较低，对于电池供电的手持系统对功耗要求比较高的场合一定要注意功耗指标。

封装：常见的封装是DIP，现在表面安装工艺的发展使得表贴型封装的应用越来越多。

跟踪/保持（Track/Hold缩写T/H）： 原则上直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持，其他情况都应加采样保持。

满幅度输出(Rail-to Rail) 新近业界出现的新概念，最先应用于运算放大器领域，指输出电压的幅度可达输入电压范围。在D/A中一般是指输出信号范围可达到电源电压范围。

1、A/D转换的基本原理

模拟信号是连续的，数字信号是离散的，因此需要在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号取样，然后保持、量化、编码，再开始下一次取样。

⑴ 取样——时间上离散

取样定理：

取样输出vS，模拟输入vI ，必须满足fS≥2fi(max)

fS －取样频率；fi (max)－模拟信号的最高谐波分量的频率。一般取fS＝3～5fi (max)

⑵ 取样——保持电路

为了保证采得的瞬时模拟信号都能通过量化、编码，需要将其值保持一段时间。

⑶ 量化与编码

将模拟信号数值上离散，采样电压表示成最小单位的整数倍，叫量化。

最小单位叫量化单位，用△表示。即数字信号最低有效位（LSB）的1所代表的数量大小为△ 。量化过程必然产生量化误差。量化结果用二进制表示出来叫编码。

2、A/D转换器分类

A/D转换器可分成直接型ADC和间接型ADC。前者输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何中间变量；后者首先把输入的模拟电压转换成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等），然后再把这个中间变量转换为数字代码输出。直接型ADC又可分为电荷再分配型、反馈比较型和非反馈比较型，间接型ADC则可分为电压—时间变换型、电压—频率（V/F）变换型和∑-△型等。

由于A/D转换器的设计思想和制造技术不断创新，同时为满足不同的检测和控制任务，结构不同、性能各异的A/D转换电路层出不穷。目前应用较广泛的类型主要有逐次逼近式ADC、双积分式ADC、V/F变换式ADC和∑-△型ADC。逐次逼近式ADC在精度、速度和价格上较为适中，因而经常使用；双积分式ADC精度高，抗干扰性能好，但转换速度较慢；∑-△型ADC综合了上述两者的优点，抗干扰能力强，速度快，应用越来越广泛；V/F变换ADC多用于转换速度要求不高和信号需要远距离传输的场合。

ADC的发展趋势主要表现在速度和精度两个方面，目前的速度已达到l 000 MHz，而分辨率可达到24位。但速度和精度实际上是矛盾的，如1 000 MHz高速ADC的精度只有8位，而24位A/D转换器ADSl210/121 1在保证精度时的转换速度仅为10 Hz。

高速ADC多采用并行转换、流水线（pipeline）结构，传统的高精度ADC大多采用逐次逼近方式，目前主要是基于∑-△调制及数字滤波技术、多斜率转换技术等。

实现高精度转换需要十分复杂的结构，如ADSl210/1211内部有两阶∑-△调制器、3阶数字滤波，采用多种自校正技术，输入端有可编程增益放大器，输出部分包括内部微处理器、指令寄存器、命令寄存器、数据输出寄存器、失调校正和满量程校正寄存器，以及基准电压源、时钟产生电路等。由于位数较多，高精度ADC经常采用串行输出方式。

1、直接A/D转换器

主要通过 2n个量化级电压与输入采样——保持模拟信号进行比较，从而直接转换成数字量。

特点：工作速度快，调整方便，但转换精度比间接法低。

常见的直接A/D转换器有：并联比较型、反馈比较型

⑴ 并联比较型A/D转换器

三部分组成：

电压比较器、寄存器、代码转换电路

△＝2/15VREF比较结果：0000000，0000001，……，1111111共8种CP↑寄存。

（2）反馈比较型A/D转换器

取一个数字量加到D/A转换器上，得到模拟电压，将这个模拟电压和输入的模拟电压信号进行比较，如果不等，则调整所取的数字量，直到两模拟电压相等为止，最后，所取数字量为所求转换结果。

常见的反馈比较型A/D转换器有：计数器型A/D、逐次渐进型A/D。

① 计数器型A/D转换器

② 逐次渐进型A/D转换器

原理：类似天平称重原理从寄存器最高位开始置1，判断保留或去除；次高位置1，判断保留或去除；最低位置1，判断保留或去除；

3、ADC的主要特性参数

ADC和DAC的技术指标有密切的联系和相同的概念，如分辨率、量化误差、线性度、转换精度、稳定时间等。另外，转换速率（Conversion Rate）也是衡量ADC转换速度的指标，即每秒完成转换的次数，等于完成一次A/D转换所需时间（稳定时间）的倒数。

这里，结合A/D转换器的特性参数给出设计时的选择要点。

（1）分辨率。

分辨率与系统要求的范围和精度有关，是系统各个环节如传感器、信号预处理电路、输出电路精度，甚至软件算法中的一部分。通常来说，与DAC相同，A/D转换器的分辨率至少要比总精度要求的最低分辨率高一位，并与其他环节所能达到的精度相匹配。

（2）转换速率。

速率是个相对的概念，一般来说，积分型、电荷平衡型和跟踪比较型的A/D转换速度较慢，转换时间为毫秒级，通常构成低速转换器，适用于对温度、压力、流量等缓变参量的检测和控制。逐次比较型的A/D转换器的转换时间为微秒级，属于中速A/D转换器，常用于工业多通道单片机控制系统等。高速A/D转换器一般是用双极型或CMOS工艺制成的全并行型、串并行型和电压转移函数型的转换器，转换时间约20ns～100ns，即转换速率可达5000万次/秒，多用于雷达和数字通信、实时瞬态记录和分析。

假定单片机的机器周期为1ms～2ms，考虑到读数据、启动转换、存数据及处理等任务，宜选用转换时间为100ms左右的A/D转换器，其转换速率为10 k次/秒。实际中，若一个周期的波形采样10个点，这时A/D转换器最高可处理的信号频率为1kHz。如果要求转换时间为10ms或更短，即信号频率在100 kHz以上，则应提高单片机的速度或者采用先采样后处理的策略。

（3）采样/保持（sample/hold）电路。

采样/保持电路的目的是在A/D转换过程中，使模拟电压保持稳定，减小模拟电压变化带来的误差。是否加采样保持器应根据分辨率、转换时间和信号带宽关系综合确定。原则上，直流和变化非常缓慢的信号可不用采样保持器，其他情况都应加采样保持器。

（4）接口方式。

A/D转换器的数据输出有并行和串行两种方式。带有串行接口的单片机可与相应的串行ADC连接。MCS-51单片机可通过并行接口模拟串行协议，与串行ADC连接，减少连线和电路空间。

（5）量程控制引脚。

A/D转换器的模拟量输入可能是双极性或单极性，应注意A/D转换器是否提供了不同量程的引脚。有的A/D转换器提供了双极性偏置控制引脚（bi-offset

contr01），当此引脚接地时，信号办公设备为单极性方式；当此引脚接参考电压时，信号输入为双极性方式。有的A/D转换器（如AD574A等）还提供两个模拟输入引脚，分别为10V IN和20V IN，不同量程的输入电压可从不同引脚输入。

另外，还应考虑影响A/D转换器技术指标的主要因素，如电源的稳定性、温度因素及电磁干扰等。