簡述模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器工作原理
2022/10/25 15:50:57 點擊：
A/D轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter)又叫模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,即是將模擬信號(電壓或是電流的形式)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這種數(shù)字信號可讓儀表,計算機外設(shè)接口或是微處理機來加以操作或勝作使用。
A/D 轉(zhuǎn)換器 (ADC)的型式有很多種，方式的不同會影響測量后的精準(zhǔn)度。
A/D 轉(zhuǎn)換器的功能是把模擬量變換成數(shù)字量。由于實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的工作原理和采用工藝技術(shù)不同，因此生產(chǎn)出種類繁多的A/D 轉(zhuǎn)換芯片。
A/D 轉(zhuǎn)換器按分辨率分為4 位、6 位、8 位、10 位、14 位、16 位和BCD碼的31/2 位、51/2 位等。按照轉(zhuǎn)換速度可分為超高速（轉(zhuǎn)換時間=330ns），次超高速（330~3.3μS），高速（轉(zhuǎn)換時間3.3~333μS），低速（轉(zhuǎn)換時間＞330μS）等。
A/D 轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換原理可分為直接A/D 轉(zhuǎn)換器和間接A/D 轉(zhuǎn)換器。所謂直接A/D 轉(zhuǎn)換器，是把 模擬信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，如逐次逼近型，并聯(lián)比較型等。其中逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器，易于用集成工藝實現(xiàn)，且能達(dá)到較高的分辨率和速度，故目前集成化A/D 芯片采用逐次逼近型者多；間接A/D 轉(zhuǎn)換器是先把模擬量轉(zhuǎn)換成中間量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如電壓/時間轉(zhuǎn)換型（積分型），電壓/頻率轉(zhuǎn)換型，電壓/脈寬轉(zhuǎn)換型等。 其中積分型A/D 轉(zhuǎn)換器電路簡單，抗干擾能力強，切能作到高分辨率，但轉(zhuǎn)換速度較慢。 有些轉(zhuǎn)換器還將多路開關(guān)、基準(zhǔn)電壓源、時鐘電路、譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個芯片內(nèi)，已超出了單純A/D 轉(zhuǎn)換功能，使用十分方便。
ADC 經(jīng)常用于通訊、數(shù)字相機、儀器和測量以及計算機系統(tǒng)中，可方便數(shù)字訊號處理和信息的儲存。大多數(shù)情況下，ADC 的功能會與數(shù)字電路整合在同一芯片上，但部份設(shè)備仍需使用獨立的ADC。行動電話是數(shù)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臺則需依賴獨立的ADC 以提供最佳性能。
ADC 具備一些特性，包括：
1. 模擬輸入，可以是單信道或多信道模擬輸入；
2. 參考輸入電壓，該電壓可由外部提供，也可以在ADC 內(nèi)部產(chǎn)生；
3. 頻率輸入，通常由外部提供，用于確定ADC 的轉(zhuǎn)換速率；
4. 電源輸入，通常有模擬和
數(shù)字電源接腳；
5. 數(shù)字輸出，ADC 可以提供平行或串行的數(shù)字輸出。
在輸出位數(shù)越多(分辨率越好)以及轉(zhuǎn)換時間越快的要求下，其制造成本與單價就越貴。
一個完整的A/D轉(zhuǎn)換過程中，必須包括取樣、保持、量化與編碼等幾部分電路。
AD轉(zhuǎn)換器需注意的項目：
取樣與保持
量化與編碼
分辨率
轉(zhuǎn)換誤差
轉(zhuǎn)換時間
絕對精準(zhǔn)度、相對精準(zhǔn)度
取樣與保持
由于取樣時間極短，取樣輸出為一串?dāng)嗬m(xù)的窄脈沖。要把每個取樣的窄脈沖信號數(shù)字化，是需要一定的時間。 因此在兩次取樣之間，應(yīng)將取樣的模擬信號暫時儲存到下個取樣脈沖到來，這個動作稱之為保持。在模擬電路設(shè)計上，因此需要增加一個取樣-保持電路。為了保證有正確轉(zhuǎn)換，模擬電路要保留著還未轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。 一個取樣-保持電路可保證模擬電路中取樣時，取樣時間的穩(wěn)定并儲存，通常使用電容組件來儲存電荷。根據(jù)數(shù)字信號處理的基本原理，Nyquist取樣定理，若要能正確且忠實地呈現(xiàn)所擷取的模擬信號，必須取樣頻率至少高于最大頻率的2倍。
例如，若是輸入一個100Hz的正弦波的話，最小的取樣頻率至少要2倍，即是200Hz。
雖說理論值是如此，但真正在應(yīng)用時，最好是接近10倍才會有不錯的還原效果(因取樣點越多)。若針對多信道的A/D轉(zhuǎn)換器來說，就必須乘上信道數(shù)，這樣平均下去，每一個通道才不會有失真的情況產(chǎn)生。
量化與編碼
量化與編碼 電路是A/D轉(zhuǎn)換器的核心組成的部分，一般對取樣值的量化方式有下列兩種：
只舍去不進(jìn)位
首先取一最小量化單位Δ=U/2n，U是輸入模擬電壓的最大值，n是輸出數(shù)字?jǐn)?shù)值的位數(shù)。 當(dāng)輸入模擬電壓U在0~Δ之間，則歸入0Δ，當(dāng)U在Δ~2Δ之間，則歸入1Δ。透過這樣的量化方法產(chǎn)生的最大量化誤差為Δ/2，而且量化誤差總是為正，+1/2LSB。
有舍去有進(jìn)位
如果量化單位Δ=2U/(2 n+1–1)，當(dāng)輸入電壓U在0～Δ/2之間，歸入0Δ，當(dāng)U在Δ/2~3/2Δ之間的話，就要歸入1Δ。這種量化方法產(chǎn)生的最大量化誤差為Δ/2，而且量化誤差有正，有負(fù)，為±1/2LSB。
量化結(jié)果也造成了所謂的量化誤差。
解析度
指A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小模擬輸入量。通常用轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8-bit，10-bit，12-bit與16-bit等。
位數(shù)越高，分辨率越高。若小于最小變化量的輸入模擬電壓的任何變化，將不會引起輸出數(shù)字值的變化。
采用12-bit 的AD574，若是滿刻度為10V的話，分辨率即為10V / 212 = 2.44mV。
而常用的8-bit 的ADC0804，若是滿刻度為5V的話，分辨率即為5V / 28 = 19.53mV。
選擇適用的A/D轉(zhuǎn)換器是相當(dāng)重要的，并不是分辨率越高越好。
不需要分辨率高的場合，所擷取到的大多是噪聲。
分辨率太低，會有無法取樣到所需的信號。
轉(zhuǎn)換誤差
通常以相對誤差的形式輸出，其表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出數(shù)字值與理想輸出數(shù)字值的差別，并用最低有效位LSB的倍數(shù)表示。
轉(zhuǎn)換時間
轉(zhuǎn)換時間是A/D轉(zhuǎn)換完成一次所需的時間。
從啟動信號開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束并得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出值為止的時間間隔。轉(zhuǎn)換時間越短則轉(zhuǎn)換速度就越快。
精準(zhǔn)度
對于A/D轉(zhuǎn)換器，精準(zhǔn)度指的是在輸出端產(chǎn)生所設(shè)定的數(shù)字?jǐn)?shù)值，其實際需要的模擬輸入值與理論上要求的模擬輸入值之差。
精確度依計算方式不同，可以區(qū)分為
絕對精確度
相對精確度；
所謂的絕對精確度是指實際輸出值與理想理論輸出值的接近程度，其相關(guān)的關(guān)系是如下式子所列：
絕對精確度＝
相對精準(zhǔn)度指的是滿刻度值校準(zhǔn)以后，任意數(shù)字輸出所對應(yīng)的實際模擬輸入值(中間值)與理論值(中間值)之差。
對于線性A/D轉(zhuǎn)換器，相對精準(zhǔn)度就是它的線性程度。由于電路制作上影響，會產(chǎn)生像是非線性誤差，或是量化誤差等減低相對精準(zhǔn)度的因素。
相對精確度是指實際輸出值與一理想理論之滿刻輸出值之接近程度，其相關(guān)的關(guān)系是如下式子所列：
相對精準(zhǔn)度＝
基本上，一個n-bit的轉(zhuǎn)換器就有n個數(shù)字輸出位。這種所產(chǎn)生的位數(shù)值是等效于在A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端的模擬大小特性值。
如果外部所要輸入電壓或是電流量較大的話，所轉(zhuǎn)換后的的位數(shù)值也就較大。
透過并列端口接口或是微處理機連接A/D轉(zhuǎn)換器時，必須了解如何去控制或是驅(qū)動這顆A/D轉(zhuǎn)換器的問題。因此需要了解到A/D轉(zhuǎn)換器上的控制信號有哪些。
輸出引線(D0~D7，以8-bit為例)，
一個開始轉(zhuǎn)換(Start of Converter，SOC)
結(jié)束轉(zhuǎn)換(End of Conversion，EOC)信號。
輸出致能腳位
A/D 轉(zhuǎn)換器 (ADC)的型式有很多種，方式的不同會影響測量后的精準(zhǔn)度。
A/D 轉(zhuǎn)換器的功能是把模擬量變換成數(shù)字量。由于實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的工作原理和采用工藝技術(shù)不同，因此生產(chǎn)出種類繁多的A/D 轉(zhuǎn)換芯片。
A/D 轉(zhuǎn)換器按分辨率分為4 位、6 位、8 位、10 位、14 位、16 位和BCD碼的31/2 位、51/2 位等。按照轉(zhuǎn)換速度可分為超高速（轉(zhuǎn)換時間=330ns），次超高速（330~3.3μS），高速（轉(zhuǎn)換時間3.3~333μS），低速（轉(zhuǎn)換時間＞330μS）等。
A/D 轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換原理可分為直接A/D 轉(zhuǎn)換器和間接A/D 轉(zhuǎn)換器。所謂直接A/D 轉(zhuǎn)換器，是把 模擬信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，如逐次逼近型，并聯(lián)比較型等。其中逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器，易于用集成工藝實現(xiàn)，且能達(dá)到較高的分辨率和速度，故目前集成化A/D 芯片采用逐次逼近型者多；間接A/D 轉(zhuǎn)換器是先把模擬量轉(zhuǎn)換成中間量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如電壓/時間轉(zhuǎn)換型（積分型），電壓/頻率轉(zhuǎn)換型，電壓/脈寬轉(zhuǎn)換型等。 其中積分型A/D 轉(zhuǎn)換器電路簡單，抗干擾能力強，切能作到高分辨率，但轉(zhuǎn)換速度較慢。 有些轉(zhuǎn)換器還將多路開關(guān)、基準(zhǔn)電壓源、時鐘電路、譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個芯片內(nèi)，已超出了單純A/D 轉(zhuǎn)換功能，使用十分方便。
ADC 經(jīng)常用于通訊、數(shù)字相機、儀器和測量以及計算機系統(tǒng)中，可方便數(shù)字訊號處理和信息的儲存。大多數(shù)情況下，ADC 的功能會與數(shù)字電路整合在同一芯片上，但部份設(shè)備仍需使用獨立的ADC。行動電話是數(shù)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臺則需依賴獨立的ADC 以提供最佳性能。
ADC 具備一些特性，包括：
1. 模擬輸入，可以是單信道或多信道模擬輸入；
2. 參考輸入電壓，該電壓可由外部提供，也可以在ADC 內(nèi)部產(chǎn)生；
3. 頻率輸入，通常由外部提供，用于確定ADC 的轉(zhuǎn)換速率；
4. 電源輸入，通常有模擬和
數(shù)字電源接腳；
5. 數(shù)字輸出，ADC 可以提供平行或串行的數(shù)字輸出。
在輸出位數(shù)越多(分辨率越好)以及轉(zhuǎn)換時間越快的要求下，其制造成本與單價就越貴。
一個完整的A/D轉(zhuǎn)換過程中，必須包括取樣、保持、量化與編碼等幾部分電路。
AD轉(zhuǎn)換器需注意的項目：
取樣與保持
量化與編碼
分辨率
轉(zhuǎn)換誤差
轉(zhuǎn)換時間
絕對精準(zhǔn)度、相對精準(zhǔn)度
取樣與保持
由于取樣時間極短，取樣輸出為一串?dāng)嗬m(xù)的窄脈沖。要把每個取樣的窄脈沖信號數(shù)字化，是需要一定的時間。 因此在兩次取樣之間，應(yīng)將取樣的模擬信號暫時儲存到下個取樣脈沖到來，這個動作稱之為保持。在模擬電路設(shè)計上，因此需要增加一個取樣-保持電路。為了保證有正確轉(zhuǎn)換，模擬電路要保留著還未轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。 一個取樣-保持電路可保證模擬電路中取樣時，取樣時間的穩(wěn)定并儲存，通常使用電容組件來儲存電荷。根據(jù)數(shù)字信號處理的基本原理，Nyquist取樣定理，若要能正確且忠實地呈現(xiàn)所擷取的模擬信號，必須取樣頻率至少高于最大頻率的2倍。
例如，若是輸入一個100Hz的正弦波的話，最小的取樣頻率至少要2倍，即是200Hz。
雖說理論值是如此，但真正在應(yīng)用時，最好是接近10倍才會有不錯的還原效果(因取樣點越多)。若針對多信道的A/D轉(zhuǎn)換器來說，就必須乘上信道數(shù)，這樣平均下去，每一個通道才不會有失真的情況產(chǎn)生。
量化與編碼
量化與編碼 電路是A/D轉(zhuǎn)換器的核心組成的部分，一般對取樣值的量化方式有下列兩種：
只舍去不進(jìn)位
首先取一最小量化單位Δ=U/2n，U是輸入模擬電壓的最大值，n是輸出數(shù)字?jǐn)?shù)值的位數(shù)。 當(dāng)輸入模擬電壓U在0~Δ之間，則歸入0Δ，當(dāng)U在Δ~2Δ之間，則歸入1Δ。透過這樣的量化方法產(chǎn)生的最大量化誤差為Δ/2，而且量化誤差總是為正，+1/2LSB。
有舍去有進(jìn)位
如果量化單位Δ=2U/(2 n+1–1)，當(dāng)輸入電壓U在0～Δ/2之間，歸入0Δ，當(dāng)U在Δ/2~3/2Δ之間的話，就要歸入1Δ。這種量化方法產(chǎn)生的最大量化誤差為Δ/2，而且量化誤差有正，有負(fù)，為±1/2LSB。
量化結(jié)果也造成了所謂的量化誤差。
解析度
指A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小模擬輸入量。通常用轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8-bit，10-bit，12-bit與16-bit等。
位數(shù)越高，分辨率越高。若小于最小變化量的輸入模擬電壓的任何變化，將不會引起輸出數(shù)字值的變化。
采用12-bit 的AD574，若是滿刻度為10V的話，分辨率即為10V / 212 = 2.44mV。
而常用的8-bit 的ADC0804，若是滿刻度為5V的話，分辨率即為5V / 28 = 19.53mV。
選擇適用的A/D轉(zhuǎn)換器是相當(dāng)重要的，并不是分辨率越高越好。
不需要分辨率高的場合，所擷取到的大多是噪聲。
分辨率太低，會有無法取樣到所需的信號。
轉(zhuǎn)換誤差
通常以相對誤差的形式輸出，其表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出數(shù)字值與理想輸出數(shù)字值的差別，并用最低有效位LSB的倍數(shù)表示。
轉(zhuǎn)換時間
轉(zhuǎn)換時間是A/D轉(zhuǎn)換完成一次所需的時間。
從啟動信號開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束并得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出值為止的時間間隔。轉(zhuǎn)換時間越短則轉(zhuǎn)換速度就越快。
精準(zhǔn)度
對于A/D轉(zhuǎn)換器，精準(zhǔn)度指的是在輸出端產(chǎn)生所設(shè)定的數(shù)字?jǐn)?shù)值，其實際需要的模擬輸入值與理論上要求的模擬輸入值之差。
精確度依計算方式不同，可以區(qū)分為
絕對精確度
相對精確度；
所謂的絕對精確度是指實際輸出值與理想理論輸出值的接近程度，其相關(guān)的關(guān)系是如下式子所列：
絕對精確度＝
相對精準(zhǔn)度指的是滿刻度值校準(zhǔn)以后，任意數(shù)字輸出所對應(yīng)的實際模擬輸入值(中間值)與理論值(中間值)之差。
對于線性A/D轉(zhuǎn)換器，相對精準(zhǔn)度就是它的線性程度。由于電路制作上影響，會產(chǎn)生像是非線性誤差，或是量化誤差等減低相對精準(zhǔn)度的因素。
相對精確度是指實際輸出值與一理想理論之滿刻輸出值之接近程度，其相關(guān)的關(guān)系是如下式子所列：
相對精準(zhǔn)度＝
基本上，一個n-bit的轉(zhuǎn)換器就有n個數(shù)字輸出位。這種所產(chǎn)生的位數(shù)值是等效于在A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端的模擬大小特性值。
如果外部所要輸入電壓或是電流量較大的話，所轉(zhuǎn)換后的的位數(shù)值也就較大。
透過并列端口接口或是微處理機連接A/D轉(zhuǎn)換器時，必須了解如何去控制或是驅(qū)動這顆A/D轉(zhuǎn)換器的問題。因此需要了解到A/D轉(zhuǎn)換器上的控制信號有哪些。
輸出引線(D0~D7，以8-bit為例)，
一個開始轉(zhuǎn)換(Start of Converter，SOC)
結(jié)束轉(zhuǎn)換(End of Conversion，EOC)信號。
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