AD转换基本原理

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一、AD的基本概念

AD转换是将时间连续和幅值连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字量。使输出的数字量与输入的模拟量成正比。

AD转换的过程有四个阶段，即采样、保持、量化和编码。

采样是将连续时间信号变成离散时间信号的过程。经过采样，时间连续、数值连续的模拟信号就变成了时间离散、数值连续的信号，称为采样信号。采样电路相当于一个模拟开关,模拟开关周期性地工作。理论上，每个周期内，模拟开关的闭合时间趋近于0。在模拟开关闭合的时刻（采样时刻），我们就“采”到模拟信号的一个“样本”。

量化是将连续数值信号变成离散数值信号的过程。理论上，经过量化，我们就可以将时间离散、数值连续的采样信号变成时间离散、数值离散的数字信号。

我们知道，在电路中，数字量通常用二进制代码表示。因此，量化电路的后面有一个编码电路，将数字信号的数值转换成二进制代码。

然而，量化和编码总是需要一定时间才能完成，所以，量化电路的前面还要有一个保持电路。保持是将时间离散、数值连续的信号变成时间连续、数值离散信号的过程。在量化和编码期间，保持电路相当于一个恒压源，它将采样时刻的信号电压“保持”在量化器的输入端。虽然逻辑上保持器是一个独立的单元，但是，工程上保持器总是与采样器做在一起。两者合称采样保持器。

二、ADC的主要技术参数

1.分辨率

对于ADC来说，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需要输入模拟电压的变化量。通常定义为满刻度电压与2ⁿ的比值，其中n为ADC的位数。例如具有12位分辨率的ADC能够分辨出满刻度的1/12¹²（0.0244%）。
有时分辨率也用A/D转换器的位数来表示，如ADC0809的分辨率为8位，AD574的分辨率为12位。

2.量化误差

量化误差是由于ADC的有限分辨率引起的误差，这是连续的模拟信号在整数量化后的固有误差。对于四舍五入的量化法，量化误差在±1/2LSB之间。

3.绝对精度

绝对精度是指在输出端产生给定的数字代码所表示的实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差。

4.相对精度

它与绝对精度相似，所不同的是把这个偏差表示为满刻度模拟电压的百分数。

5.转换时间

转换时间是ADC完成一次转换所需要的时间，即从启动信号开始到转换结束并得到稳定的数字输出量所需要的时间，通常为微秒级。

6.量程

量程是指能转换的输入电压范围。

三、AD转换的一般步骤

采样和保持通常在采样保持电路中完成，量化和编码通常在AD转换电路中完成。

由于AD转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。

s(t)有效期间，VT导通，u向C充电，u₀(=u_c)跟随u_I的变化而变化；
s(t)无效期间，VT截止，u₀(=u_c)保持不变，直到下次采样。
由于集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放。

四、AD转换器的一般分类

AD 转换器按照转换原理可分为直接AD 转换器和间接AD 转换器。
所谓直接AD 转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。其中逐次逼近型AD 转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化AD 芯片采用逐次逼近型者多；
间接AD 转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型（积分型）、电压/频率转换型、电压/脉宽转换型等。 其中积分型A/D 转换器电路简单，抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转换速度较慢。 有些转换器还将多路开关、基准电压源、时钟电路、译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯A/D 转换功能，使用十分方便。

五、ADC的一般特性

1. 模拟输入，可以是单信道或多信道模拟输入；
2. 参考输入电压，该电压可由外部提供，也可以在ADC 内部产生；
3. 频率输入，通常由外部提供，用于确定ADC 的转换速率；
4. 电源输入，通常有模拟和数字电源接脚；
5. 数字输出，ADC 可以提供平行或串行的数字输出。
   在输出位数越多(分辨率越好)以及转换时间越快的要求下，其制造成本与单价就越贵。