模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡(jiǎn)稱ADC，通常是指一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="/tags/數(shù)字信號(hào)" target="_blank">數(shù)字信號(hào)的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(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)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見(jiàn)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 [1]。將模擬信號(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A/D轉(zhuǎn)換器或ADC，Analog to Digital Converter)，A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào)，因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過(guò)取樣、保持、量化及編碼4個(gè)過(guò)程。在實(shí)際電路中，這些過(guò)程有的是合并進(jìn)行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉(zhuǎn)換過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)的 [2]。

這種轉(zhuǎn)換器的基本原理是把輸入的模擬信號(hào)按規(guī)定的時(shí)間間隔采樣，并與一系列標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)相比較，數(shù)字信號(hào)逐次收斂，直至兩種信號(hào)相等為止。然后顯示出代表此信號(hào)的二進(jìn)制數(shù)，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器有很多種，如直接的、間接的、高速高精度的、超高速的等。每種又有許多形式。同模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器功能相反的稱為“數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器”，亦稱“譯碼器”，它是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬量的裝置，也有許多種和許多形式 [3]。

A/D轉(zhuǎn)換的基本原理在于，對(duì)模擬信號(hào)在精心挑選的時(shí)刻進(jìn)行取樣，隨后將這些取樣值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，并按照特定的編碼方式呈現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果。整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換流程可概括為取樣、量化及編碼三個(gè)連續(xù)環(huán)節(jié)。接下來(lái)，我們將深入探討取樣-保持電路的工作原理。取樣保持電路的基本構(gòu)成，其中T代表N溝道增強(qiáng)型MOS管，被用作模擬開(kāi)關(guān)。當(dāng)取樣控制信號(hào)Vi呈現(xiàn)高電平狀態(tài)時(shí)，MOS管T將導(dǎo)通，使得輸入信號(hào)Vi能夠通過(guò)電阻R1和T向電容CH充電。在理想條件下，若R1與RF相等，且運(yùn)算放大器被視為理想設(shè)備，那么在充電過(guò)程結(jié)束后，輸出電壓Vo將等于電容CH上的電壓Vch，也即Vi。一旦Vi降低至低電平，MOS管T將截止，由于電容CH上的電壓在短時(shí)間內(nèi)基本保持穩(wěn)定，因此Vo同樣保持不變，從而成功保存了取樣結(jié)果。(值得注意的是，電容CH的漏電流越小，運(yùn)算放大器的輸入阻抗越高，那么Vo能夠保持的時(shí)間也就越長(zhǎng)。)

然而，這種取樣保持電路在執(zhí)行取樣功能時(shí)，需要輸入電壓經(jīng)過(guò)R1和T對(duì)電容CH進(jìn)行充電，這在一定程度上限制了取樣的速度。通過(guò)減小R1來(lái)提升取樣速度，又可能會(huì)降低電路的輸入阻抗。此外，A/D轉(zhuǎn)換器有多種類型，包括并聯(lián)比較型、反饋比較型(進(jìn)一步細(xì)分為計(jì)數(shù)型和逐次漸進(jìn)型)以及雙積分型。不同類型的A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換速度、穩(wěn)定性和電路復(fù)雜度方面各有特點(diǎn)。例如，并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器由電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換電路組成，能夠處理0Vref間的模擬電壓輸入，并輸出3位二進(jìn)制數(shù)碼d2d1d0。然而，其電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

1. 按轉(zhuǎn)換原理分類

逐次逼近型ADC(SAR ADC)逐次逼近型ADC是目前應(yīng)用最為廣泛的ADC類型之一。其工作原理類似于天平稱重的過(guò)程。首先，將輸入模擬信號(hào)與參考電壓的一半進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果確定最高位的數(shù)字值;然后，依次對(duì)剩余位進(jìn)行比較，每次比較都將參考電壓調(diào)整為當(dāng)前位對(duì)應(yīng)的電壓值，直至完成所有位的轉(zhuǎn)換。SAR ADC具有轉(zhuǎn)換速度快、精度較高、功耗較低等優(yōu)點(diǎn)，適用于中等精度要求(一般為8位至16位)且對(duì)轉(zhuǎn)換速度有一定要求的應(yīng)用場(chǎng)景，如數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的傳感器信號(hào)采集等。例如，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，使用SAR ADC可以快速準(zhǔn)確地將溫度傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)環(huán)境的溫度變化。

雙積分型ADC雙積分型ADC的原理是將輸入模擬信號(hào)在一個(gè)積分周期內(nèi)轉(zhuǎn)換為時(shí)間或頻率信號(hào)，再通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。其特點(diǎn)是精度高、抗干擾能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度相對(duì)較慢。雙積分型ADC常用于對(duì)精度要求極高(可達(dá)16位以上)且信號(hào)變化緩慢的場(chǎng)合，如電子秤、精密電壓表等。在電子秤中，雙積分型ADC能夠精確地將稱重傳感器輸出的微弱模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，確保稱重結(jié)果的準(zhǔn)確性，即使在存在電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境下也能保持穩(wěn)定的性能。

Σ - Δ型ADC(Sigma - Delta ADC)Σ - Δ型ADC采用過(guò)采樣技術(shù)和噪聲整形技術(shù)，通過(guò)在高頻下對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣和量化，將量化噪聲推移到高頻段，再經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器濾除高頻噪聲，從而實(shí)現(xiàn)高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。其優(yōu)點(diǎn)是分辨率高(可達(dá)24位甚至更高)、動(dòng)態(tài)范圍寬、線性度好，但轉(zhuǎn)換速度相對(duì)較慢。Σ - Δ型ADC廣泛應(yīng)用于音頻信號(hào)處理、高精度傳感器信號(hào)采集等領(lǐng)域。在音頻設(shè)備中，如專業(yè)音頻接口卡，Σ - Δ型ADC能夠精確地將模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為高精度的數(shù)字音頻信號(hào)，保留音頻信號(hào)的細(xì)微細(xì)節(jié)，為高質(zhì)量的音頻錄制和播放提供保障。

并行比較型ADC(Flash ADC)并行比較型ADC是速度最快的ADC類型。它由多個(gè)比較器同時(shí)對(duì)輸入模擬信號(hào)與一組參考電壓進(jìn)行比較，每個(gè)比較器的輸出對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字位，通過(guò)編碼器將比較結(jié)果編碼為最終的數(shù)字輸出。Flash ADC的轉(zhuǎn)換速度可達(dá)納秒級(jí)，但其缺點(diǎn)是功耗大、成本高、精度相對(duì)較低(一般為8位左右)，因此主要用于對(duì)速度要求極高而對(duì)精度和成本要求相對(duì)較低的場(chǎng)合，如雷達(dá)信號(hào)處理、高速通信系統(tǒng)中的信號(hào)采樣等。在雷達(dá)系統(tǒng)中，F(xiàn)lash ADC能夠快速捕捉雷達(dá)回波信號(hào)，為雷達(dá)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理和目標(biāo)識(shí)別提供高速數(shù)據(jù)支持。

2. 按分辨率分類

低分辨率ADC(< 8位)低分辨率ADC通常用于對(duì)精度要求不高的簡(jiǎn)單應(yīng)用，如一些基本的傳感器信號(hào)檢測(cè)、簡(jiǎn)單的狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。這類ADC芯片成本低廉，功耗低，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在一些對(duì)成本和功耗極為敏感的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中較為常見(jiàn)。例如，在一些低成本的玩具中，使用低分辨率ADC可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的動(dòng)作感應(yīng)功能，如檢測(cè)玩具的傾斜角度等。

中分辨率ADC(8位至16位)中分辨率ADC是目前應(yīng)用最為廣泛的ADC類型，涵蓋了從一般的工業(yè)控制到較為復(fù)雜的信號(hào)處理等多種應(yīng)用場(chǎng)景。8位至16位的ADC芯片在精度、速度、功耗和成本之間取得了較好的平衡，能夠滿足大多數(shù)常規(guī)應(yīng)用的需求。如前文提到的SAR ADC和雙積分型ADC大多屬于這一分辨率范圍。在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上的電機(jī)控制系統(tǒng)中，使用12位或16位的中分辨率ADC可以精確地采集電機(jī)的電流、電壓等模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和精確控制，確保生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。

高分辨率ADC(> 16位)高分辨率ADC主要用于對(duì)精度要求極高的專業(yè)領(lǐng)域，如科學(xué)研究、高端醫(yī)療設(shè)備、精密儀器儀表等。24位甚至更高分辨率的ADC芯片能夠提供極其精確的測(cè)量結(jié)果，對(duì)于微弱信號(hào)的檢測(cè)和高精度數(shù)據(jù)采集具有重要意義。例如，在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備如磁共振成像(MRI)系統(tǒng)中，高分辨率ADC可以精確地采集人體組織的微弱信號(hào)，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的重建算法處理后，生成高清晰度的醫(yī)學(xué)影像，為疾病的診斷和治療提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

3. 按輸入通道數(shù)分類

單通道ADC單通道ADC只有一個(gè)模擬信號(hào)輸入通道，適用于單一信號(hào)源的測(cè)量與轉(zhuǎn)換。其電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，在一些只需要測(cè)量單一參數(shù)的應(yīng)用中非常實(shí)用。例如，在一些簡(jiǎn)單的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，只需要測(cè)量一個(gè)溫度傳感器的輸出信號(hào)，使用單通道ADC即可滿足需求，既節(jié)省成本又簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

多通道ADC多通道ADC具有多個(gè)模擬信號(hào)輸入通道，可以同時(shí)或分時(shí)采集多個(gè)信號(hào)源的模擬信號(hào)。這對(duì)于需要同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)參數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景非常方便，如工業(yè)過(guò)程控制中的多傳感器數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的多參數(shù)監(jiān)測(cè)等。例如，在一個(gè)化工生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，需要同時(shí)采集溫度、壓力、流量等多個(gè)傳感器的信號(hào)，使用多通道ADC可以高效地實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同步采集與轉(zhuǎn)換，為生產(chǎn)過(guò)程的綜合監(jiān)控和優(yōu)化控制提供全面的數(shù)據(jù)支持。