一文了解A/D模数转换器

知识点：转换器

A/D转换器

A/D转换器是从自然界的现象（各种各样的应用）产生的模拟信号变换为数字信号（A/D变换）的东西。这个工作是指由模拟信号经过采样→量化→编码变换为数字信号的一系列步骤。

A/D转换器的基本操作

A/D转换器的基本操作请参见下方A/D转换器实例。

A/D转换器在离散周期内切出模拟信号的幅度，变换为用符号表示的数字信号。A/D转换了的数字信号位数叫做分辨率（这个情况下是3bit），最高位叫做MSB(Most Significant Bit)，最低位叫做LSB(Least Significant Bit)。

下方的图片展示了模拟信号（输入）和数字信号（输出）的关系。作为数字信号差，可识别的模拟信号最小振幅是最小分辨率(=1LSB)，在模拟信号和数字信号之间产生的误差叫做量化误差。

另外，第一个数字信号变化点(000→001)的0.5LSB下叫做零刻度，最后一个数字信号变化点(110→111）的0.5LSB上叫做满量程，从零刻度到满量程的这个区间叫满量程范围。

以下是模拟信号通过"采样→量化→编码"变换为数字信号的一系列步骤。

采样(Sampling)

在离散周期（采样周期：TS）内切出连续的模拟信号振幅值
<采样周期：ts＝1 采样频率:fs)>
进行采样的电路叫做采样和保持电路(简称S&H电路)

量化(Quantization)

在离散周期内切出的振幅值近似于离散振幅值。
<量化误差：(采样值)－(量化值)>

编码(Coding)

离散振幅用"0"和"1"这两个值来表示转换的代码。
转换了代码的电路叫做编码器(Encoder)。

A/D转换器的基本形式1（闪存）

工作

预先用比较器同时比较分压成2N-1个的参考电压和模拟信号，比较结果用编码器转换成数字信号。

特点

• 为了把模拟信号一次转为数字信号，模拟信号不需要采样电路（S&H回路)。

• 在A/D转换器的基本形式中可最高速度转换。（采样频率甚至可超过1GHz。）

• N位分辨率需要2N-1个比较器，由于电路规模和功耗增加，分辨率最高为8位左右。

A/D转换器的基本形式2（流水线）

工作

在一般1.5bit/级结构的情况下，从决定了MSB的第1级开始依次流水线操作，从而反复进行以下的处理。（VREF：参考电压）

• 采样(S&H)模拟输入。

• 同时用A/D转换器（ADC）把模拟输入转换成3值(1.5bit)的数字值。（此处确定级别的数字输出）

• 模拟输入≦-VREF/4→ D="00"

• -VREF/4 <模拟输入≦+vref → d=""01"

• +VREF/4 <模拟输入→d="10"< pan>

• 用D/A转换器（DAC）把3值(1.5bit)的数字值转换为模拟值。

• D="00" → DAC输出：-VREF/2

• D="01" → DAC输出：0

• D="10" → DAC输出：+VREF/2

• 从采样电压扩大到减去了DAC输出电压的2倍后，输出到下一级。

决定了LSB的N级处理完成之后，补偿了各级别间的延迟，通过加上各个数字输出，数字信号的转变完成。

特点

• 可实现高分辨率。（最多16位左右）

• 可高速转换。（采样频率高达约200MHz的）

• 通过流水线操作，由于需要等待数字信号输出的时间，不适用于需要控制等实时的应用。

A/D转换器的基本形式3（逐次比较＜SAR＞型）

工作

为了使采样的模拟信号和D/A转换器（DAC）的输出一致，从MSB开始逐次比较(Successive Approximation)。

• 模拟输入信号采样(S&H)

• 逐次逼近寄存器(SAR)的MSB设置为"1"。（其他为"0"）

• 逐次逼近寄存器(SAR)的数字值用D/A转换器（DAC）转换成模拟值。

• 比较采样电压和DAC输出电压的大小。

• 确定采样电压＞DAC输出电压 → MSB＝"1"

• 确定采样电压＜DAC输出电压 → MSB＝"0"

下方是通过到LSB为止重复相同的逐次逼近来完成数字信号的转换。

特点

• 可实现高分辨率。（最多18位左右）

• 为了转换以及需要（分辨率＋α）的时钟周期，转换速度为中度。（最多约10MHz的采样频率）

• 反应良好，输入时连接复用器，轻松切换模拟信号。

A/D转换器的基本形式4（ΔΣ型）

工作

模拟信号过采样，在转换为响应了使用ΔΣ调制的模拟信号振幅的脉冲串后，通过用数字滤波器除去频带外的噪音和数据细化，来完成在原始采样频率中的数字信号转换。

过采样

通过用比原始采样频率更高的频率来采样，来减少量化误差。

ΔΣ调制

通过过采样，用积分器积分（Σ）采样电压和D/A转换器(DAC)的差（Δ）。用比较器来比较积分值和参考电压的大小，转换成脉冲串。
通过在1个采样延迟输入中反馈输出脉冲，用比较器把产生的量化误差在低频区域调小，在高频区域调大。

除了原始信号成分，在高频区域中，从ΔΣ调制器输出的脉冲串具有大的量化误差成分。但是，这些成分分开了频率，为了用简单的数字滤波器仅除去量化误差成分，实现了其他方法不可能的高分辨率。

特点

• A/D转换器的基本形式中最高的分辨率。（最多约24位）

• 转换速度慢。（采样频率最多约200kHz）

• 由于反应较差，输入时连接复用器，不适合需要切换模拟信号的应用。

相关推荐：

1、GB5226.1-2008 机械电气安全

2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范