1   前言

自然界中的物理量，例如壓力、溫度等都是模擬量，要對(duì)這些物理量進(jìn)行控制和檢測(cè)，就需要一種能在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間起轉(zhuǎn)換作用的電路—— 模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

能把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱ADC），反之，能把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱DAC）。

一般的ADC 是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對(duì)大小，故任何一個(gè)ADC 都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小，而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小。

2 AD轉(zhuǎn)換過程

A/D轉(zhuǎn)換器要將時(shí)間和幅值都連續(xù)的模擬量，轉(zhuǎn)換為時(shí)間、幅值都離散的數(shù)字量，一般要經(jīng)過取樣、保持、量化、編碼這幾個(gè)過程。

取樣（采樣）

如下是取樣電路示意圖（取樣電路可將輸人模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模擬量：

傳輸門TG 由取樣信號(hào)S(t) 控制，在S(t) 高電平期間，TG 導(dǎo)通，輸出信號(hào)v_o(t) 等于輸入信號(hào)v_i(t)，而在S(t) 低電平期間，傳輸門關(guān)閉，輸出信號(hào)v_o(t)=0。

這是電路工作的波形圖：

可以看到，取樣信號(hào)S(t) 的頻率越高，取得的信號(hào)經(jīng)低通濾波器后越能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。取樣頻率要滿足取樣定理（即奈奎斯特采樣定理（Nyquist），1928年由美國(guó)電信工程師H. 奈奎斯特首先提出來）。設(shè)取樣信號(hào)S(t) 的頻率為fs，輸入模擬信號(hào)vt(t) 的最高頻率分量的頻率為fi max，則fs 與fi max 必須滿足下面的關(guān)系：

f_s≥2f_imax

一般取f_s>2 f_imax。

取樣的目的是為了利用有限的采用率，無失真的還原出原有信號(hào)的樣子，按照奈奎斯特采樣定理一個(gè)正弦波每個(gè)周期最少取兩個(gè)點(diǎn)才能把正弦波還原回去。

保持

一般取樣和保持過程都是同時(shí)完成的，這是取樣和保持電路的原理圖：

它由輸入放大器A₁、輸出放大器A₂、保持電容C_H和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路組成，電路中Av₁*Av₂=1，且A₁具有較高的輸入阻抗，以減小對(duì)輸入信號(hào)源的影響；A₂選用有較高輸入阻抗和低輸出阻抗的運(yùn)放，這樣不僅C_H上所存電荷不易泄露，而且電路還具有較高的帶負(fù)載能力。

這是取樣和保持電路的輸出波形圖：

t₀~t₁ 時(shí)段，開關(guān)S 閉合，電路處于取樣階段，電容器CH 充電，由于Av₁*Av₂=1，因此v_o(t)=v_i(t)；t₁~t₂時(shí)段為保持階段，此期間S斷開，若A2的輸入阻抗足夠大，且S 為較理想的開關(guān)，可認(rèn)為C_H 幾乎沒有放電回路，輸出電壓保持不變。

量化

量化的過程是將取樣- 保持電路的輸出表示為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。最小數(shù)量單位稱為量化單位，量化單位是數(shù)值信號(hào)最低位為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬量，即1 LSB。

由于被取樣電壓是連續(xù)的，它的值不一定都能被量化單位整除，所以，在量化過程中，不可避免地存在誤差，稱為量化誤差。量化誤差屬于原理誤差，是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，1 LSB所對(duì)應(yīng)的量化單位越小，量化誤差的絕對(duì)值也越小。

量化有兩種方法，分別是舍尾取整法和四舍五入法。

舍尾取整的處理方法是：如果輸入電壓v_i 在兩個(gè)相鄰的量化值之間時(shí)，即(n-1)Δ<v_i<nΔ 時(shí)，取v_i 的量化值為(n-1)Δ（備注：最小數(shù)量單位稱為Δ 量化單位）。

四舍五入的處理方法是：當(dāng)v_i 的尾數(shù)不足Δ/2 時(shí)，舍去尾數(shù)取整數(shù)；當(dāng)v_i 的尾數(shù)大于或等于Δ/2 時(shí)，則其量化單位在原數(shù)上加一個(gè)Δ。

例如要將0~1 V 的模擬電壓轉(zhuǎn)換為3 位二進(jìn)制碼，取Δ=1/8 V，采用舍尾取整法，凡數(shù)值在0~1/8 V 之間的模擬量，都當(dāng)作0 Δ；凡數(shù)值在1/8~2/8 之間的模擬量，都當(dāng)作1 Δ，以此類推。

采用四舍五入量化的方式，則取量化單位Δ=2/15 V，凡數(shù)值在0~1/15 V 之間的模擬電壓都當(dāng)作0 Δ；而數(shù)值在1/15~3/15 V 之間的模擬電壓都當(dāng)作1 Δ，以此類推。

可以看到，舍尾取整量化方法，最大量化誤差為1 LSB，而四舍五入量化方法的最大量化誤差為L(zhǎng)SB/2。由于后者量化誤差小，所以大多數(shù)A/D 轉(zhuǎn)換器采用四舍五入量化方法。

編碼

將量化后的結(jié)果用二進(jìn)制碼或者其他代碼表示出來的過程叫編碼。

如果將0~1 V 的模擬電壓轉(zhuǎn)換為3 位二進(jìn)制碼。編碼時(shí)0 Δ 用000 表示，1 Δ 用001 表示，2 Δ 用010 表示，以此類推，7 Δ 用111 表示。

3 A/D轉(zhuǎn)換器典型電路分類

A/D轉(zhuǎn)換器按其工作原理的不同，分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器。

直接A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這類A/D轉(zhuǎn)換器具有較快的轉(zhuǎn)換速度，典型電路有：

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

間接A/D 轉(zhuǎn)換器先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成某一中間量（時(shí)間或頻率），然后再將中間量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。

此類A/D 轉(zhuǎn)換器的速度較慢，典型電路有：

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

電壓頻率轉(zhuǎn)換型A/D轉(zhuǎn)換器

因?yàn)镈E10-Standard 板卡上的LTC2308 是逐次比較型ADC，所以下面重點(diǎn)介紹這種類型。

4   逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

直接A/D轉(zhuǎn)換器中，逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器是采用較多的一種。它的轉(zhuǎn)換過程是將輸入模擬信號(hào)與不同的參考電壓多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量。

這是一個(gè)8位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器框圖，它由控制邏輯電路、數(shù)據(jù)寄存器、移位寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器及電壓比較器組成：

假設(shè)輸入的模擬量為3.2 V， A/D 轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓是5 V，根據(jù)逐次比較型A/D 轉(zhuǎn)換器的工作原理，電路啟動(dòng)后，第一個(gè)CP 將移位寄存器置為10000000，該數(shù)字經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器送入D/A 轉(zhuǎn)換器。

輸入模擬電壓v_i 首先與10000000 所對(duì)應(yīng)的電壓V_REF/2 相比較，如果v_i ≥ V_REF/2，則比較器輸出為1；如果v_i<V_REF/2，則比較器輸出為0。

第二個(gè)CP 使移位寄存器為01000000，如果最高位已存1，則此時(shí)D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓v_o`=3 V<sub>REF</sub>/4，v<sub>i</sub> 再與3 V<sub>REF</sub>/4 相比較，如果v<sub>i</sub> ≥ 3 V<sub>REF</sub>/4，則次高位D<sub>6</sub> 為1；否則D<sub>6</sub> = 0；如果最高位為0，則v<sub>o</sub>`=V_REF/4，v_i 與v_o` 比較，如果v_i ≥ V_REF/4，則次高位D₆ 為1；否則D₆=0。

依此類推，逐次比較得到輸出數(shù)字量。

8位逐次比較型AD轉(zhuǎn)換波形圖：

5   A/D轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)

分辨率

A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率代表其對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)越多，量化單位越小，分辨率越高。

從理論上講，n 位輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/2 n。例如12 位ADC，基準(zhǔn)電壓5 V → 分辨率=5 V/4096 ≈ 1.22 mV。

轉(zhuǎn)換時(shí)間

轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D 轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。

（本文來源于《EEPW》202509）