一天一个设计实例-AD转换器原理
AD转换器原理
A/D 转换器的基本原理
图7‑2 A/D转换器功能示意图
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是工作使用。
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转换器分类
①并联比较型
特点: 转换速度快,转换时间 10ns ~1s, 但电路复杂。
②逐次逼近型
特点: 转换速度适中,转换时间 为几s ~100 s, 转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。
③双积分型
特点: 转换速度慢,转换时间 几百s ~几ms,但抗干扰能力最强。
④计数式
特点: 结构简单、原理清楚，转换速度慢、精度低，少用
⑤高速并行式
特点: 转换速度快，价格高。
每个型号具体参数、结构及工作原理可以参考每个相关类型ADC的数据手册。
A/D转换的一般工作过程
图7‑3 A/D转换的一般工作过程
A/D转换器一般要包括取样， 保持，量化及编码4个过程。
1. 取样与保持
采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量。采样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。采样定理：设采样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号I(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs ≥ 2fimax。
图7‑4 取样与保持电路及工作原理
采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。
图7‑5 波形图
2. 量化与编码
量化：数字信号在数值上是离散的。采样–保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。
编码：量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。
量化误差：量化前的电压与量化后的电压差。在量化过程中由于所采样电压不一定能被整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用e表示。
量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。
量化方式：两种近似量化方式，只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。
a ) 只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。
例：将0~1V电压转换为3位二进制代码
图7‑6 0~1V电压转换为3位二进制代码
上图中最小量化单位：Δ=1LSB=1/8 V
最大量化误差为
：
b )四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。
例：将0~1V电压转换为3位二进制代码
图7‑7 0~1V电压转换为3位二进制代码
上图中最小量化单位：Δ=1LSB=2/15 V
最大量化误差为
：
A/D转换器的技术指标
主要包括：1. 分辨率；2. 转换精度；3. 转换时间和转换率。
1．分辨率
指A/D转换器所能分辨的最小模拟输入量，或指转换器满量程模拟输入量被分离的级数。
在ADC中，模拟量和数字量之间不是一一对应的关系。
图7‑8 在ADC中模拟量和数字量之间对应的关系
ADC的分辨率通常用能转换成的数字量位数表示。如：8位A/D转换器的分辨率为8位。10位A/D转换器的分辨率为10位。
2．转换精度
实际输出的数字量与理论输出的数字量之间的偏差。反应ADC的实际输出接近理想输出的精确程度。
这种偏差由两部分构成：
a: 量化误差。量化误差是把连续的模拟量转换为离散的数字量（这一过程称为量化）时必然存在的，是不可避免的。例如，8位ADC，单极性输入0～5V，数字量为0～255，它能分辨的最小输入信号是Δ=5V/256＝20mV，如4.98～5.00V输入对应的数字均为255，这是不可避免的。
b: 器件误差。器件误差是由于器件制造精度、温度漂移等造成的，可以通过提高产品质量来降低。
由于在一定范围内的模拟值产生相同的数字量，取该范围内的中间模拟值计算。
A/D转换精度用数字量的最低有效位（LSB）来表示。如果模拟量在(±Δ/2)范围内，都产生相对应的唯一数字量，称为这个ADC是无误差的，或者称其精度为±0LSB。
如果模拟量在-Δ~+Δ范围内，都产生相对应的唯一数字量，这个ADC的精度为±1/2LSB 。
如果模拟量在(+3Δ/4～－3Δ/4)范围内，都产生相对应的唯一数字量，这个ADC的精度为±1/4LSB。
图7‑9 精度的概念
3．转换时间和转换率
转换时间指完成一次A/D转换所需的时间，从启动信号开始到转换结束，得到稳定数字量的时间。转换率是转换时间的倒数。