模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器工作原理

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(hào)(電壓或是電流的形式)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這種數(shù)字信號(hào)可讓儀表,計(jì)算機(jī)外設(shè)接口或是微處理機(jī)來(lái)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(huì)影響測(cè)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(shí)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(lèi)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(shí)間=330ns)，次超高速(330~3.3μS)，高速(轉(zhuǎn)換時(shí)間3.3~333μS)，低速(轉(zhuǎn)換時(shí)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(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，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(shí)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(shí)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(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，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(kāi)關(guān)、基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘電路、譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)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(jī)、儀器和測(cè)量以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，可方便數(shù)字訊號(hào)處理和信息的儲(chǔ)存。大多數(shù)情況下，ADC 的功能會(huì)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(dú)立的ADC。行動(dòng)電話(huà)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(tái)則需依賴(lài)獨(dú)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(shí)間越快的要求下，其制造成本與單價(jià)就越貴。

一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)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(xiàng)目：

取樣與保持

量化與編碼

分辨率

轉(zhuǎn)換誤差

轉(zhuǎn)換時(shí)間

絕對(duì)精準(zhǔn)度、相對(duì)精準(zhǔn)度

取樣與保持

由于取樣時(shí)間極短，取樣輸出為一串?dāng)嗬m(xù)的窄脈沖。要把每個(gè)取樣的窄脈沖信號(hào)數(shù)字化，是需要一定的時(shí)間。 因此在兩次取樣之間，應(yīng)將取樣的模擬信號(hào)暫時(shí)儲(chǔ)存到下個(gè)取樣脈沖到來(lái)，這個(gè)動(dòng)作稱(chēng)之為保持。在模擬電路設(shè)計(jì)上，因此需要增加一個(gè)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(gè)取樣-保持電路可保證模擬電路中取樣時(shí)，取樣時(shí)間的穩(wěn)定并儲(chǔ)存，通常使用電容組件來(lái)儲(chǔ)存電荷。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的基本原理，Nyquist取樣定理，若要能正確且忠實(shí)地呈現(xiàn)所擷取的模擬信號(hào)，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(gè)100Hz的正弦波的話(huà)，最小的取樣頻率至少要2倍，即是200Hz。

雖說(shuō)理論值是如此，但真正在應(yīng)用時(shí)，最好是接近10倍才會(huì)有不錯(cuò)的還原效果(因取樣點(diǎn)越多)。若針對(duì)多信道的A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，就必須乘上信道數(shù)，這樣平均下去，每一個(gè)通道才不會(huì)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(duì)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(guò)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(huà)，就要?dú)w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(lái)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(huì)引起輸出數(shù)字值的變化。

采用12-bit 的AD574，若是滿(mǎn)刻度為10V的話(huà)，分辨率即為10V / 212 = 2.44mV。

而常用的8-bit 的ADC0804，若是滿(mǎn)刻度為5V的話(huà)，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(chǎng)合，所擷取到的大多是噪聲。

分辨率太低，會(huì)有無(wú)法取樣到所需的信號(hào)。

轉(zhuǎn)換誤差

通常以相對(duì)誤差的形式輸出，其表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)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(shí)間

轉(zhuǎn)換時(shí)間是A/D轉(zhuǎn)換完成一次所需的時(shí)間。

從啟動(dòng)信號(hào)開(kāi)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(shí)間間隔。轉(zhuǎn)換時(shí)間越短則轉(zhuǎn)換速度就越快。

精準(zhǔn)度

對(duì)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(shí)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(jì)算方式不同，可以區(qū)分為

絕對(duì)精確度

相對(duì)精確度;

所謂的絕對(duì)精確度是指實(shí)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(duì)精確度=

相對(duì)精準(zhǔn)度指的是滿(mǎn)刻度值校準(zhǔn)以后，任意數(shù)字輸出所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬輸入值(中間值)與理論值(中間值)之差。

對(duì)于線(xiàn)性A/D轉(zhuǎn)換器，相對(duì)精準(zhǔn)度就是它的線(xiàn)性程度。由于電路制作上影響，會(huì)產(chǎn)生像是非線(xiàn)性誤差，或是量化誤差等減低相對(duì)精準(zhǔn)度的因素。

相對(duì)精確度是指實(shí)際輸出值與一理想理論之滿(mǎn)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(duì)精準(zhǔn)度=

基本上，一個(gè)n-bit的轉(zhuǎn)換器就有n個(gè)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(huà)，所轉(zhuǎn)換后的的位數(shù)值也就較大。

透過(guò)并列端口接口或是微處理機(jī)連接A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須了解如何去控制或是驅(qū)動(dòng)這顆A/D轉(zhuǎn)換器的問(wèn)題。因此需要了解到A/D轉(zhuǎn)換器上的控制信號(hào)有哪些。

圖1、A/D轉(zhuǎn)換器的基本引腳配置電路圖

如圖1所示，一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器具備了：

輸出引線(xiàn)(D0~D7，以8-bit為例)，

一個(gè)開(kāi)始轉(zhuǎn)換(Start of Converter，SOC)

結(jié)束轉(zhuǎn)換(End of Conversion，EOC)信號(hào)。

輸出致能腳位