探究ADC的工作机制

图10.13　ADC的图形符号

ADC的图形符号如图10.13所示。ADC的功能就是就是将模拟信号Ui转换成数字信号dn-1…d0的电路。它是数/模转换的逆过程。模拟信号在时间上是连续的，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（时间坐标轴上一些规定的点）对输入模拟信号进行采样，然后进入采样保持时间，在采样保持时间内把采样的电压量转换为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。通常ADC需经过采样、保持、量化和编码这几个步骤来完成。

1）采样和保持

采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。采样保持电路原理图如图10.14（a）所示，图中场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。采样保持过程波形如图10.14（b）所示，图中ui（t）为输入模拟信号；CP为采样脉冲；uo（t）为输出电压。在采样脉冲CP=1的时间内，场效应管VT导通，输入模拟量ui（t）向电容充电，由于充电时间常数很小（场效应管的导通电阻很小），那么C上的充电电压能及时跟上ui（t）的采样值。采样结束，VT迅速截止，电容上的充电电压就保持了前一采样时的输入电压ui（t）值。一直保持到下一个采样脉冲CP=1为止。在输入一连串采样脉冲序列后，采样保持电路的放大器输出电压uo（t）便得到图10.14（b）中的波形。

图10.14　采样保持电路原理和工作波形图(www.xing528.com)

2）量化和编码

输入模拟电压经过采样保持以后，得到的是阶梯波。该阶梯波仍是一个可能是任意取值的电压量，而任何一个数字量的大小只能是规定的最小数量单位的整数倍。另外，由于数字量的位数有限，只能表示有限个数值（n位数字量只能表示2n个数值）。因此，用数字量来表示模拟量时就须将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化；用二进制码来表示各个量化电平称为编码。量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。如图10.15所示

图10.15　两种量化方法比较

只舍不入法是将采样保持信号uo不足一个量化间隔的舍去，取其原整数。如图10.15（a）所示，区域（3）中Uo=3.6 V，将它归并到3 V的量化电平。因此，编码以后的输出为011。

有舍有入法是：当采样保持信号uo的尾数＜0.5 V时，用舍尾取整法将其量化；当采样保持信号uo的尾数＞0.5 V时，用舍尾入整法将其量化。如图10.15（b）所示。区域（3）中Uo=3.6 V，尾数0.6＞0.5，因此归化到4 V，编码后的输出为100。区域（5）中Uo=4.1 V，尾数0.1＜0.5，因此归化到4 V，编码后的输出为100。

有舍有入法的误差比只舍不入法小。