A/D轉(zhuǎn)換的基本原理

1.取樣定理

為了保證能從取樣信號(hào)將原來的被取樣信號(hào)恢復(fù)，必須滿足：取樣頻率大于等于2倍的輸入模擬信號(hào)的最高頻率分量的頻率。即

由于轉(zhuǎn)換是在取樣后的保持時(shí)間內(nèi)完成的，所以轉(zhuǎn)換結(jié)果所對(duì)應(yīng)的模擬電壓是每次取樣結(jié)束時(shí)的V1值。

2.量化和編碼

數(shù)字信號(hào)在時(shí)間上是離散的，數(shù)值的大小變化也是不連續(xù)的。

A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，必須將取樣電壓表示為某個(gè)規(guī)定的最小單位的整倍數(shù)，轉(zhuǎn)化過程稱為量化;所取的最小數(shù)量單位是量化單位。

數(shù)字信號(hào)的最低有效位(LSB)的1所表示的數(shù)量大小就等于量化單位。

將量化的結(jié)果用代碼(二進(jìn)制等)表示出來稱為編碼。

量化誤差：量化過程中引入的誤差。

3.取樣-保持電路

T為N溝道增強(qiáng)型MOS管，作模擬開關(guān)使用。

取樣過程中電容上的電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間稱為獲取時(shí)間。

保持階段輸出電壓的下降率△V0/△T是衡量取樣-保持是重要指標(biāo)。

A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理

1.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器又稱為閃速A/D轉(zhuǎn)換器。直接將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，不需要經(jīng)過中間變量。

電路由電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換電路組成。

代碼轉(zhuǎn)換器是一個(gè)多輸出組合邏輯電路。

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度取決于：量化電平的劃分，分的越細(xì)，精度越高。

精度還受到：參考電壓的穩(wěn)定度和分壓電阻相對(duì)精度以及電壓比較器的靈敏度的影響。

突出特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快。

缺點(diǎn)：必須使用比較多的電壓比較器和規(guī)模較大的代碼轉(zhuǎn)換電路。

2.流水線型A/D轉(zhuǎn)換器

是一種多路串聯(lián)形式的A/D轉(zhuǎn)換器。

逐級(jí)將殘壓傳遞給下一級(jí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終得到最后結(jié)果。

增加串聯(lián)轉(zhuǎn)換電路的級(jí)數(shù)，既可以提高流水型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。

轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)的增加意味著，總轉(zhuǎn)換時(shí)間加長(zhǎng)。用流水線工作的方式提高轉(zhuǎn)換速度。每一時(shí)刻各級(jí)是同時(shí)在對(duì)不同時(shí)間的取樣信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。最后用移位寄存器進(jìn)行暫存。

3.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器

采用一種反饋比較型電路結(jié)構(gòu)：取一個(gè)數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，將得到的對(duì)應(yīng)的模擬電壓和輸入的模擬電壓進(jìn)行比較。調(diào)整所取得數(shù)字量，知道兩個(gè)模擬電壓相同。最后取得數(shù)字量就是所求的結(jié)果。

由C、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、時(shí)鐘脈沖源和控制邏輯等5部分組成。

整個(gè)過程像用天平稱量一個(gè)未知重量的物體。

4.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。先將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為成正比的時(shí)間寬度信號(hào)，然后再這個(gè)時(shí)間寬度里對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號(hào)。

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器也被稱為：電壓時(shí)間變換型A/D轉(zhuǎn)換器。

由積分器、比較器、計(jì)數(shù)器、控制邏輯和時(shí)鐘信號(hào)源組成。

突出優(yōu)點(diǎn)：

工作性能穩(wěn)定。R、C參數(shù)的變化不影響電路的轉(zhuǎn)換精度，不要求RC的數(shù)值十分精確。轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)鐘信號(hào)周期無關(guān)。

抗干擾能力強(qiáng)。輸入端的積分器對(duì)各種噪聲有很強(qiáng)的抑制作用。

主要缺點(diǎn)：工作速度低，每秒幾十次的轉(zhuǎn)換速度。

5.∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器

∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理：將兩次相鄰的取樣值之差(增量)進(jìn)行量化和編碼。

由線性電壓積分器、一位輸出的量化器、一位輸入的D/A轉(zhuǎn)換器和一個(gè)求和電路組成。

6.V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器

電壓-頻率變換型A/D轉(zhuǎn)換器中，先將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的頻率信號(hào)，然后在一個(gè)固定的時(shí)間間隔里對(duì)得到的頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，所得到的技術(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量。

由V-F變換器(壓控振蕩器)、計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘控制閘門、寄存器、單穩(wěn)態(tài)電路等組成。

轉(zhuǎn)換精度受V-F變換器的精度影響，和計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)容量的影響。

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度

1.用分辨率(分解度)和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。

2.分辨率以輸出二進(jìn)制數(shù)或十進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，它說明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。

3.轉(zhuǎn)換誤差通常以輸出誤差最大值的形式，表示實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)有的輸出數(shù)字量之間的差別，一般多以最低有效位的倍數(shù)給出。

4.通常用轉(zhuǎn)換時(shí)間或速率來描述A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。

5.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快。