A/D转换的一般步骤详解

在进行A/D转换时，输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散的，所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间对输入信号取样，然后再把这些取样的值转换为输出的数字量。因此一般的A/D转换过程要经过取样、保持、量化和编码这四个步骤进行。前两个步骤在取样－保持电路中完成，后两个步骤在A/D转换器中完成。

一、取样与保持电路

取样是对模拟信号进行周期性抽取样值的过程。图8.3.1为取样保持电路的基本形式。N沟道增强型MOS管，受取样脉冲信号uS的控制，运算放大器构成电压跟随器。

当取样脉冲uS为高电平时，NMOS管导通，存储电容C迅速充电，使电容C上的电压uC跟上输入电压uI变化；当uS为低电平时，NMOS管截止，C上的电压在此期间保持不变，直到下一个取样脉冲的到来。电压跟随器的输出电压始终跟随存储电容上的电压变化。该电路在每次取样结束后A/D转换器输出电压保持一段时间，以便进行量化和编码。输入电压、取样脉冲信号和A/D转换器的输出电压波形如图8.3.2所示。

图8.3.1　取样—保持电路

图8.3.2　取样－保持电路工作波形图

可以证明，为了正确无误地用图8.3.3中所示的取样信号uS表示模拟信号uI，必须满足：取样信号的频率大于等于输入模拟信号频谱中最高频率的2倍，即

图8.3.3　对输入模拟信号的采样

式中，fS为取样频率；fimax为输入信号uI的最高频率分量的频率。

在满足取样定理的条件下，可以用一个低通滤波器将信号uS还原为uI，这个低通滤波器的电压传输系数｜A（f）｜在低于fimax的范围内应保持不变，而在fS－fimax以前应迅速下降为零，如图8.3.4所示。因此，取样定理规定了A/D转换的频率下限。(www.xing528.com)

图8.3.4　还原取样信号所用滤波器的频率特性

因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。可见，进行A/D转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的uI值。

二、量化和编码

我们知道，数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上的变化也不是连续的。这就是说，任何一个数字量的大小，都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的。因此，在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数，这个转化过程就叫作量化。所规定的最小数量单位叫作量化单位，用Δ表示。显然，数字信号最低有效位中的1表示的数量大小，就等于Δ。把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。这个二进制代码就是A/D转换器的输出信号。

既然模拟电压是连续的，那么它就不一定能被Δ整除，因而不可避免地会引入误差，我们把这种误差称为量化误差。在把模拟信号划分为不同的量化等级时，用不同的划分方法可以得到不同的量化误差。

假定需要把0～＋1V的模拟电压信号转换成3位二进制代码，这时便可以取Δ＝（1/8）V，并规定凡数值在0～（1/8）V的模拟电压都当作0×Δ看待，用二进制的000表示；凡数值在1/8～（2/8）V的模拟电压都当作1×Δ看待，用二进制的001表示，等等，如图8.3.5（a）所示。不难看出，最大的量化误差可达Δ，即（1/8）V。

图8.3.5　划分量化电平的两种方法

为了减少量化误差，通常采用图8.3.5（b）所示的划分方法，取量化单位Δ＝（2/15）V，并将000代码所对应的模拟电压规定为0～（1/15）V，即0～Δ/2。这时，最大量化误差将减少为Δ/2＝（1/15）V。这个道理不难理解，因为现在把每个二进制代码所代表的模拟电压值规定为它所对应的模拟电压范围的中点，所以最大的量化误差自然就缩小为Δ/2了。