如何选择模拟/数字转换器？

模拟/数字转换器是将模拟量转换为数字量的装置，简称A/D转换器。模拟量是连续变化的物理量，它的范围很广，例如时间、压力、电压等都是。这里只讨论电压/数字转换器。电压/数字转换的方法很多，只介绍有代表性的三种A/D转换器。

1.逐次逼近式A/D转换器

这种A/D转换器是由一个控制电路按一定编码顺序操纵一系列开关，把标准电压E通过一个电阻网络分压。分压所得的电压Uc是按8421码排列的，即0.8E，0.4E，0.2E，0.1E，0.08E，0.04E，0.02E，0.01E，…，Uc与输入电压Ux相比较，直到二者逼近到一定程度，控制电路所编成的码即为Ux的数字量。比较过程是从Uc的最高位开始，由高位到低位逐次比较。根据每次比较的结果取舍Uc，当Ux≥Uc时保留Uc，开关位量闭合，数字量对应为“1”，当Ux＜Uc时，舍去Uc，开关位置断开，数字量对应“0”。这样从高到低，依次比较，逐次逼近，则保留下来的Uc的总和即可近似等于Ux。图8-8是它的原理方框图。下面以三位8421编码的A/D转换器测量Ux＝0.531V电压为例说明其转换过程。

图8-8　逐次逼近式A/D转换器原理框图

设E＝1V，则经电阻网络分压可得一组标准电压，其值分别是0.8、0.4、0.2、0.1、0.08、0.04、0.02、0.01、0.008、0.004、0.002V和0.001V。首先，Uc＝0.8V电压与被测电压Ux＝0.531V进行比较，比较结果是Ux＜Uc，舍去Ux，开关位置寄存器第一位置0。再把Uc＝0.4V电压输入比较器，与Ux＝0.531V被测电压比较，结果是Ux＞Uc，保留Uc，开关位置寄存器第二位置1。第三步是原来保留的0.4V电压与0.2V电压一起输入到比较器与被测器电压比较，结果是Ux＜Uc＝0.6V，所以0.2V电压被舍去，开关位置寄存器第三位置0。第四步是0.4V电压与0.1V电压一起与被测电压Ux比较，结果是Ux＞Uc＝0.5V，因而0.1V电压被保留，开关位置寄存器第四位置1。第五步是已保留的0.4V、0.1V电压与0.08V电压一起去和Ux＝0.581V电压比较，结果是Ux＜Uc＝0.58V，0.08V电压舍去，开关位置寄存器第五位置0。就这样在控制电路的控制下，由高位到低位逐次比较下去，被保留的电压之和与被测电压之间的差值逐渐减小，最后被保留的电压之和近似于被测电压。在开关位置寄存器中就记下了010100110001，模拟电压0.531V被转换为数字量，该数字量可经译码显示器显示出来，也可被微处理器CPU取走。

这种转换器的特点是测量速度快，每秒可达数千次，例如AD574模数转换芯片一次转换时间仅为25μs；但对混入被测电压中的串模干扰抑制能力较差，即抗干扰性能差。目前大多数A/D转换器都采用这种方法，如8位的ADC0809；10位的AD573；12位的AD574等。

2.双斜率积分式A/D转换器

双斜率积分式A/D转换器的核心部件是积分器，在转换过程中首先输入模拟电压Ux，对Ux进行定时积分，然后在同一积分器的输入端换接反极性的基准电压Un（参考电压），对Ux进行定值的反向积分，通过两次积分，将输入电压转换成与其正比的时间间隔，这个时间间隔可用脉冲计数去准确地测出，从而获得数字化的转换效果。图8-9是双斜率积分式A/D转换器的原理框图，其工作过程分采样和比较两个阶段。

图8-9　双斜率积分式A/D转换器的原理框图

在测量开始时，逻辑电路闭合开关S1，采样阶段就从这里开始，同时定时器开始累计对应于时间T确定的时钟脉冲个数。在时间T期间，将Ux连到运算放大器，电容器C对输入电压积分，因此在这个周期结束时，电容电压Uc为

式中　——Ux在时间T期间的平均值。

接着是比较阶段，即在时间T结束后，逻辑电路打开S1，闭合S2，将参考电压Un送到积分器。如果我们假定Un与Ux的极性相反，则电容C开始放电。由于参考电压Un是恒定的，放电的斜率也是不变的。图8-10示出了电容电压Uc的充放电波形图。时间t后电容器放电完毕，此时有

于是得(www.xing528.com)

即

时间t由计数器进行测量。当零检测器指出电容器已放电完毕，时间t结束，由逻辑电路发出停止信号。假定计数器在T期间累计脉冲个数为N1，电容放电时间t期间累计脉冲个数为N2，由于UN、T和N1是预先给定的，则与脉冲N2成正比，脉冲个数N2反映了时间t的大小，由式（8-11）可知，N2也反映了或说Ux在采样周期T内平均值的大小，从而达到了A/D转换的目的。同时应指出的是，当输入被测电压为，且＞Ux，则同样得出反映在采样周期T内平均值大小的电容器放电时间t′，由前所述，t′＞t，电容器充放电的波形图见图8-10虚线所示。

图8-10　电容C充放电波形图

双斜率积分式A/D转换器的特点我们可归纳为：

（1）抗干扰能力强。由于测得结果反映的是被测电压在T时间段内的平均值，故混入被测电压信号中的交流干扰成分通过积分过程被削弱。

（2）测量准确度高。该A/D转换器的准确度主要取决于基准电压Un的准确度和稳定性，而与元件参数R和C基本无关，即对积分器元件R和C可不必选精密元件，也能达到相当高的测量准确度。再则，由于两次积分计数的时钟取自同一振荡器，从而降低对振荡器脉冲频率准确度的要求，从而可降低了A/D转换器的成本，得到了广泛的使用。

（3）转换速度慢。因为有两次积分，影响了转换速度。

3.电压/频率变换式A/D转换器

电压/频率变换式A/D转换器原理框图如图8-11所示，运算放大器对输入电压Ux进行积分，其输出电压。一旦Uout达到固定的开关电平Us，电平检测器就传出一个控制脉冲，使电容C并联的开关闭合，电容C瞬间放电。然后开关再次打开，又重复下一个测量周期。

开关的每次闭合，电平检测器就输出一个脉冲到计数器。Uout从建立至到达开关电平Us的时间t与输入电压Ux大小成反比，若忽略电容C放电时间，则电平检测器输出至计数器的脉冲频率与输入电压Ux的大小成正比关系。计数器在选定的时间间隔内对脉冲群计数，从而实现A/D转换。

图8-11　电压/频率变换式A/D转换器原理框图

这种形式的A/D转换器还是属于积分型的，其抗干扰能力强，但转换速度低。