深入了解A/D转换器的工作原理

数字产品在处理连续变化的物理量(往往是非电量)时，如语音信号，需要将该物理量通过两次转换才能进行数字处理。首先，要将语音信号经过麦克风转换为连续变化的电信号，即模拟电量;其次，将这些连续变化的电信号经过模/数(A/D)转换器变成数字量后，才能送给计算机或数字控制电路进行处理，如图7-1所示。

图7-1 数字处理系统

1.A/D转换器的工作原理

由于输入的模拟信号在时间上是连续的，输出的数字信号在时间和幅值上都是离散的，因此转换时一般要经过取样、保持、量化和编码4个过程。实际中有时取样和保持、量化和编码会同时进行。所以A/D转换过程为首先对输入模拟电压信号进行取样，然后保持取样结果并将取样结果量化为数字量，按一定的编码形式给出转换结果。

(1)取样定理

取样是为了将随时间连续变化的模拟量转换为在时间上离散的模拟量。图7-2所示为对某模拟信号进行采样后的波形，其中VI为输入的模拟信号，Vs为取样信号，Vo为取样后的输出信号。为了使得取样信号能逼近输入模拟信号，取样信号应有足够高的频率。为了保证取样后的信号能被还原为模拟信号，取样信号和模拟信号的频率必须满足取样定理或香农(Shannon)定理。

图7-2 模拟信号采样后的波形

取样定理：若fs为取样信号的频率，fi(max)为输入模拟信号分量的最高频率，则它们必须满足fs≥2fi(max)，一般取fs≥(3～5)fi(max)。

取样电路每次将模拟信号转换为数字信号时都需要一定的时间，为了给后续的量化编码提供一个稳定值，每次取得的模拟信号还必须通过保持电路保持一段时间。取样和保持过程一般是通过取样-保持电路同时完成的。

图7-3所示为常见的取样-保持电路。图中VT为N沟道增强型MOS管，作为模拟开关使用。当取样控制信号Vs为高电平时，VT导通，输入信号VI经过电阻RI和VT向保持电容CH充电，充电结束后Vo=VC=-VI。VC为电容CH两端的电压。当Vs返回低电平以后，MOS管VT截止，因保持电容CH上的电荷无泄放回路，CH上的电压在一段时间上就基本保持不变，所以Vo也保持不变，取样结果被保存下来。

图7-3 取样－保持电路

(2)量化与编码

数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的，即任何一个数字量的大小只能是某个规定值的最小数量单位的整数倍。在进行A/D转换时，必须将取样输出电压表示为这个最小单位的整数倍，这个转换过程称为量化。所取的最小数量单位称为量化单位，常用△表示。

将量化的结果用代码表示出来，称为编码。代码可以是二进制数，也可以是其他进制数，这些代码就是A/D转换的输出结果。对模拟信号的量化有两种方法，如图7-4所示。一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多(n越大)，量化误差越小。

图7-4 电压量化编码的两种方法

假设输入的模拟电压为0～+1V，用3位二进制编码表示。在图7-4(a)中，取最小量化单位△=1/8V，并规定：输入的模拟电压为0～1/8V时，经量化后记为0△，用二进制数表示为000;输入的模拟电压为1/8～2/8V时，经量化后记为1△，用二进制数001表示，以此类推。这种量化方法带来的最大量化误差为1△，即1/8V。

为了减少量化误差，通常采用图7-4(b)的量化电平方法。在图7-4(b)中，取量化单位△=2/15V，并规定：输入的模拟电压为0～1/15V时，经量化后记为0△，用二进制数表示为000;输入的模拟电压为1/15～3/15V时，量化后记为1△=2/15V，用二进制数001表示，以此类推。这种量化方法带来的最大量化误差为1△，即2/15V，因最大量化误差减少为1△/2，即1/15V，所以在实际中普遍采用。

2.A/D转换器类型

A/D转换器根据转换方式不同有直接转换法和间接转换法两大类。

直接转换法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接A/D转换器有计数型A/D转换器、逐次比较型A/D转换器、并行比较型A/D转换器等。

间接转换法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f，再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度较高，且抗干扰性强。间接A/D转换器有单次积分型A/D转换器、双积分型A/D转换器等。

逐次比较型转换精度较高，成本较低，速度适中;并行比较型转换速率高，但要求集成度高，且易受干扰;双积分型精度高，抗干扰能力强，对元件稳定性要求较低，但转换速率低。

3.A/D转换器主要技术指标

(1)转换精度

单片集成A/D转换器的转换精度采用分辨率和转换误差来描述。

①分辨率。A/D转换器的分辨率用输出二进制数或十进制数的位数来表示。它表示A/D转换器对输入信号的分辨能力。

从理论上讲，n位二进制数字输出的A/D转换器能区分2n不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为FSR/2n(FSR为输入电压满量程刻度);分辨率所描述的为A/D转换器的固有误差——量化误差△。在最大输入电压一定时，其输出位数越多，量化误差越小，分辨率越高。例如，10位二进制A/D转换器，若最大输入信号为5V，则能区分输入信号的最小电压为5V/210=4.88mV。

②转换误差。转换误差一般是以输出误差的最大值形式给出的，它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。通常以最低有效位的倍数给出，如若转换误差为<±LSB/2，则说明实际输出的数字量和理论上应得的输出数字量之间的最小误差小于最低有效位的半个字。

(2)转换时间

转换时间是指A/D转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。

A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差很大。双积分型A/D转换器的转换速度最慢，约需几百毫秒;逐次逼近型A/D转换器的转换速度较快，需几十微秒;并行比较型A/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。

【例7-1】某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1s内对16个热电偶的输出电压分时进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为0～25mV(对应于0～450℃温度范围)，需分辨的温度为0.1℃。试问应选择几位的A/D转换器？其转换时间为多少？

解：

分辨率为

12位ADC的分辨率为

故需选用13位A/D转换器。

转换时间为

4.集成A/D转换器(https://www.xing528.com)

集成A/D转换器规格品种繁多，常见的有ADC0809、MC14433、ADC0804等。

(1)逐次逼近型集成A/D转换器ADC0809

ADC0809是一片8位的逐次逼近型集成A/D转换器，它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成，如图7-5所示。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才能从三态输出锁存器取走转换完的数据。

图7-6所示为ADC0809的引脚图。ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，各引脚功能如下。

图7-5 ADC0809内部结构图

图7-6 ADC0809引脚图

IN0～IN7：8路模拟量输入端。ADC0809对输入模拟量的要求是应为单极性信号，电压范围为0～5V，若信号太小，必须进行放大;输入的模拟量在转换过程中应保持不变，若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

D1～D7：8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路，通道选择如表7-1所示。

表7-1 ADC0809输入模拟量通道地址选择表

ALE：地址锁存允许信号，输入高电平有效。

START：A/D转换启动信号，输入高电平有效。

EOC：A/D转换结束信号。当A/D转换结束时，此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。

OE：数据输出允许信号，高电平有效。当A/D转换结束时，在此端输入一个高电平，则输出三态门被打开，输出数字量。

CLK：时钟脉冲输入端，要求时钟频率不高于640kHz。

VREF(+)、VREF(-)：基准电压。

ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，然后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换后的数字量输出到数据总线上。

(2)双积分型集成A/D转换器MC14433

MC14433是美国Motorola公司推出的单片位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路，转换速度每秒最高为25次，量程为1.999V或199.9mV，以BCD码的形式输出。MC14433具有外接元件少、输入阻抗高(大于1000MΩ)、功耗低(8mW)、电源电压范围宽、精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，内部结构图如图7-7所示。

图7-8所示为MC14433的引脚图。MC14433芯片有24条引脚，采用双列直插式封装，各引脚功能如下。

图7-7 MC14433内部结构图

图7-8 MC14433引脚图

VAG：模拟地，为高阻输入端，被测电压和基准电压的接入地。

VREF：基准电压，此引脚为外接基准电压的输入端。MC14433只要一个正基准电压即可测量正、负极性的电压。此外，VREF端只要加上一个大于5个时钟周期的负脉冲，就能够复位至转换周期的起始点。

VX：被测电压的输入端，MC14433属于双积分型A/D转换器，因而被测电压与基准电压有以下关系。

满量程的VX=VREF。当满量程为1.999V时，VREF可取2.000V;而当满量程为199.9mV时，VREF取200.0mV。在实际的应用电路中，根据需要，VREF值可在200mV～2.000V之间选取。

R1/C1、C1：外接积分元件端。这3个引脚外接积分电阻和电容，积分电容一般为0.1μF聚脂薄膜电容，如果需每秒转换4次，时钟频率为66kHz，在2.000V满量程时，电阻R1约为470kΩ，而满量程为200mV时，R1为27kΩ。

C01、C02：外接失调补偿电容端，电容一般也为0.1μF聚脂薄膜电容即可。

DU：更新显示控制端，此引脚用来控制转换结果的输出。如果在积分器反向积分周期之前，DU端输入一个正跳变脉冲，该转换周期所得到的结果将被送入输出锁存器，经多路开关选择后输出;否则继续输出上一个转换周期所测量的数据。其作用是可用于保存测量数据，若不需要保存数据而是直接输出测量数据，则将DU端与EOC引脚直接短接即可。

CLK1、CLK0：时钟外接元件端，MC14433内置了时钟振荡电路，改变外接R2的大小可改变时钟频率，如R2为360kΩ，f=100kHz;R2为470kΩ时，f=66kHz。每个A/D转换周期需16×103个时钟脉冲。时钟频率为66kHz时，每秒钟做4次A/D变换。对时钟频率要求不高的场合，可选择一个外接电阻为470kΩ，时钟频率为66kHz。若需要较高的时钟频率稳定度，则需采用外接石英晶体或LC电路。

VEE：负电源端。VEE是整个电路的电压最低点，此引脚的电流约为0.8mA，驱动电流并不流经此引脚，故对提供此负电压的电源供给电流要求不高。

VSS：数字电路的负电源引脚。VSS工作电压范围为VDD-5V≥VSS≥VEE。除CLK0外，所有输出端均以VSS为低电平基准。

EOC：转换周期结束标志位。每个转换周期结束时，EOC将输出一个正脉冲信号。

过量程标志位，当|VX|>VREF时，输出为低电平。

DS4、DS3、DS2、DS1：多路选通脉冲输出端。DS1、DS2、DS3和DS4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号。当某一位DS信号有效(高电平)时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出，两个选通脉冲之间的间隔为两个时钟周期，以保证数据有充分的稳定时间。

Q0、Q1、Q2、Q3：BCD码数据输出端。该A/D转换器以BCD码的方式输出，通过多路开关分时选通输出个位、十位、百位和千位的BCD数据，同时在DS1期间输出的千位BCD码还包含过量程、欠量程和极性标志信息。

VDD：正电源电压端。