ADC基本概念解析

模-数转换是将模拟信号转换为相应的数字信号，把模拟信号转换为数字信号称为模-数转换，简称A-D（Analog to Digital）转换。实现A-D转换的电路称为A-D转换器，或写为ADC（Analog-Digital Converter）；实际应用中用到大量的连续变化的物理量，如温度、流量、压力、图像、文字等信号，需要经过传感器变成电信号，但这些电信号是模拟量，它必须变成数字量才能在数字系统中进行加工、处理。因此，模-数转换是数字电子技术中非常重要的组成部分，在自动控制和自动检测等系统中应用非常广泛。

A-D转换器是模拟系统和数字系统之间的接口电路，A-D转换器在进行转换期间，要求输入的模拟电压保持不变，但在A-D转换器中，因为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的模拟信号进行采样，然后再把这些采样值转化为输出的数字量，一般来说，转换过程包括取样、保持、量化和编码四个步骤。

图12-3 DAC0832的三种工作方式

a）双缓冲器型 b）单缓冲器型 c）直通型

A-D转换的一般步骤如下：

1.采样和保持

采样（又称抽样或取样）是对模拟信号进行周期性地获取样值的过程，即将时间上连续变化的模拟信号转换为时间上离散、幅度上等于采样时间内模拟信号大小的模拟信号，即转换为一系列等间隔的脉冲。其采样原理如图12-4所示。

图12-4a中，u_i为模拟输入信号，u_s为采样脉冲，u_o为取样后的输出信号。

采样电路实质上是一个受采样脉冲控制的电子开关，其工作波形如图12-4b所示。在采样脉冲u_s有效期（高电平期间）内，采样开关S闭合接通，使输出电压等于输入电压，即u_o=u_i；在采样脉冲u_s无效期（低电平期间）内，采样开关S断开，使输出电压等于0，即u_o=0。因此，每经过一个采样周期，在输出端便得到输入信号的一个采样值。u_s按照一定频率f_S变化时，输入的模拟信号就被采样为一系列的样值脉冲。当然采样频率f_S越高，在时间一定的情况下采样到的样值脉冲越多，因此输出脉冲的包络线就越接近于输入的模拟信号。

图12-4 采样原理图

a）采样原理图 b）工作波形

为了不失真地用采样后的输出信号u_o来表示输入模拟信号u_i，采样频率f_S必须满足：采样频率应不小于输入模拟信号最高频率分量的两倍，即f_S≥2f_max（此式就是广泛使用的采样定理）。其中，f_max为输入信号u_i的上限频率（即最高次谐波分量的频率）。

ADC把采样信号转换成数字信号需要一定的时间，所以在每次采样结束后，都需要将这个断续的脉冲信号，保持一定时间以便进行转换。图12-5a是一种常见的采样保持电路，它由采样开关、保持电容和缓冲放大器组成。

图12-5 基本采样-保持电路

a）电路 b）输入输出波形

在图12-5a中，利用场效应晶体管做模拟开关。在采样脉冲CP到来的时间τ内，开关接通，输入模拟信号u_i（t）向电容C充电，当电容C的充电时间常数为t_C时，电容C上的电压在时间τ内跟随u_i（t）变化。采样脉冲CP结束后，开关断开，因电容的漏电很小且运算放大器的输入阻抗又很高，所以电容C上电压可保持到下一个采样脉冲到来为止。运算放大器构成电压跟随器，具有缓冲作用，以减小负载对保持电容的影响。在输入一连串采样脉冲后，输出电压u_o（t）波形如图12-5b所示。

2.量化和编码

输入的模拟信号经采样—保持电路后，得到的是阶梯形模拟信号，它们是连续模拟信号在给定时刻上的瞬时值，但仍然不是数字信号。必须进一步将阶梯形模拟信号的幅度等分成n级，并给每级规定一个基准电平值，然后将阶梯电平分别归并到最邻近的基准电平上。这个过程称为量化。量化中采用的基准电平称为量化电平，采样保持后未量化的电平u_o值与量化电平u_q值之差称为量化误差δ，即δ=u_o-u_q。量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法（或称四舍五入法）。我们将用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。此时把每个样值脉冲都转换成与它的幅度成正比的数字量，才算全部完成了模拟量到数字量的转换。

只舍不入的方法是：取最小量化单位Δ=U_m/2ⁿ，其中U_m为模拟电压最大值，n为数字代码位数，将0～Δ之间的模拟电压归并到0·Δ，把Δ～2Δ之间的模拟电压归并到1·Δ，依此类推。这种方法产生的最大量化误差为Δ。比如，将0～1V的模拟电压信号转换成三位二进制代码。有，那么之间的模拟电压归并到0·Δ，用000表示，之间的模拟电压归并到1·Δ，用001表示，…，依此类推直到将之间的模拟电压归并到7·Δ，用111表示，此时最大量化误差为。该方法简单易行，但量化误差比较大，为了减小量化误差，通常采用另一种量化编码方法，即有舍有入法。有舍有入的方法是：取最小量化单位，其中U_m仍为模拟电压最大值，n为数字代码位数，将之间的模拟电压归并到0·Δ，把之间的模拟电压归并到1·Δ，…，依此类推。这种方法产生的最大量化误差为。用此法重做上例，将0～1V的模拟电压信号转换成三位二进制代码。有，那么将之间的模拟电压归并到0·Δ，用000表示，把以内的模拟电压归并到1·Δ，用001表示…，直到将之间的模拟电压归并到7·Δ，用111表示，很明显此时最大量化误差为。比上述只舍不入方法的最大量化误差明显减小了（减小了近一半）。因而实际中广泛采用有舍有入的方法。当然，无论采用何种划分量化电平的方法都不可避免地存在量化误差，量化级分得越多（即ADC的位数越多），量化误差就越小，但同时输出二进制数的位数就越多，要实现这种量化的电路将更加复杂。因而在实际工作中，并不是量化级分的越多越好，而是根据实际要求，合理地选择A-D转换器的位数。图12-6表示了两种不同的量化编码方法。

3.A-D转换器的分类

目前，A-D转换器的种类虽然很多，但从转换过程来看，可以归结成两大类，一类是直接A-D转换器，另一类是间接A-D转换器。在直接A-D转换器中，输入模拟信号不需要中间变量就直接被转换成相应的数字信号输出，如计数型A-D转换器、逐次逼近型A-D转换器和并联比较型A-D转换器等，其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。而在间接A-D转换器中，输入模拟信号先被转换成某种中间变量（如时间、频率等），然后再将中间变量转换为最后的数字量，如单次积分型A-D转换器、双积分型A-D转换器等，其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性能强，一般在测试仪表中用得较多。我们将A-D转换器的分类归纳如下：

图12-6 两种量化编码方法的比较

a）只舍不入法 b）有舍有入法

下面将以最常用的两种A-D转换器（逐次逼近型A-D转换器、双积分型A-D转换器）为例，介绍A-D转换器的基本工作原理。

4.逐次逼近型A-D转换器

逐次逼近型A-D转换器又称逐次渐近型A-D转换器，是一种反馈比较型A-D转换器。逐次逼近型A-D转换器进行转换的过程类似于天平称物体重量的过程。天平的一端放着被称的物体，另一端加砝码，各砝码的重量按二进制关系设置，一个比一个重量减半。称重时，把砝码从大到小依次放在天平上，与被称物体比较，如砝码不如物体重，则该砝码予以保留，反之去掉该砝码，多次试探，经天平比较加以取舍，直到天平基本平衡称出物体的重量为止。这样就以一系列二进制码的重量之和表示了被称物体的重量。例如设物体重11克，砝码的重量分别为1克、2克、4克和8克。称重时，物体天平的一端，在另一端先将8克的砝码放上，它比物体轻，该砝码予以保留（记为1），我们将被保留的砝码记为1，不被保留的砝码记为0。然后再将4克的砝码放上，现在砝码总和比物体重了，该砝码不予保留（记为0），依次类推，我们得到的物体重量用二进制数表示为1011。用表12-1表示整个称重过程。

表12-1 逐次逼近法称重物体过程表

利用上述天平称物体重量的原理可构成逐次逼近型A-D转换器。(www.xing528.com)

逐次逼近型A-D转换器的结构框图如图12-7所示。包括四个部分：电压比较器、D-A转换器、逐次逼近寄存器和顺序脉冲发生器及相应的控制逻辑。

图12-7 逐次逼近型A-D转换器框图

逐次逼近型A-D转换器是将大小不同的参考电压与输入模拟电压逐步进行比较，比较结果以相应的二进制代码表示。转换开始前先将寄存器清零，即送给D-A转换器的数字量为0，三个输出门G₇、G₈、G₉被封锁，没有输出。转换控制信号有效后（为高电平）开始转换，在时钟脉冲作用下，顺序脉冲发生器发出一系列节拍脉冲，寄存器受顺序脉冲发生器及控制电路的控制，逐位改变其中的数码。首先控制逻辑将寄存器的最高位置为1，使其输出为100……00。这个数码被D-A转换器转换成相应的模拟电压U_o，送到比较器与待转换的输入模拟电压U_i进行比较。若U_o>U_i，说明寄存器输出数码过大，故将最高位的1变成0，同时将次高位置1；若U_o≤U_i，说明寄存器输出数码还不够大，则应将这一位的1保留。数码的取舍通过电压比较器的输出经控制器来完成的。依次类推按上述方法将下一位置1进行比较确定该位的1是否保留，直到最低位为止。此时寄存器里保留下来的数码即为所求的输出数字量。

5.A-D转换器的主要技术指标

（1）分辨率

A-D转换器的分辨率指A-D转换器对输入模拟信号的分辨能力，即A-D转换器输出数字量的最低位变化一个数码时，对应的输入模拟量的变化量。常以输出二进制码的位数n来表示。

式中，u_I是输入的满量程模拟电压，n为A-D转换器的位数。显然A-D转换器的位数越多，可以分辨的最小模拟电压的值就越小，也就是说A-D转换器的分辨率就越高。

例如，n=8，u_I=5V，A-D转换器的分辨率

当n=10，u_I=5V，A-D转换器的分辨率为

由此可知，同样输入情况下，10位ADC的分辨率明显高于8位ADC的分辨率。

实际工作中经常用A-D转换器的位数来表示A-D转换器的分辨率。和D-A转换器一样，A-D转换器的分辨率也是一个设计参数，不是测试参数。

（2）转换速度 转换速度是指完成一次A-D转换所需的时间。转换时间是从模拟信号输入开始，到输出端得到稳定的数字信号所经历的时间。转换时间越短，说明转换速度越高。并联型A-D转换器的转换速度最高，约为数十纳秒；逐次逼近型转换速度次之，约为数十微秒；双积分型A-D转换器的转换速度最慢，约为数十毫秒。

（3）相对精度 在理想情况下，所有的转换点应在一条直线上。相对精度是指A-D转换器实际输出数字量与理论输出数字量之间的最大差值。一般用最低有效位LSB的倍数来表示。如果相对精度不大于LSB的一半，就说明实际输出数字量与理论输出数字量的最大差值不超过LSB的一半。

6.常用集成ADC简介

ADC0809是一种逐次比较型ADC。它是采用CMOS工艺制成的8位8通道A-D转换器，采用28只引脚的双列直插封装，其原理和引脚如图12-8所示。

图12-8 ADC0809原理和引脚

a）功能框图 b）引脚图

ADC0809有三个主要组成部分：256个电阻组成的电阻阶梯及树状开关、逐次比较寄存器SAR和比较器。电阻阶梯和树状开关是ADC0809的一个特点。另一个特点是，它含有一个8通道单端信号模拟开关和一个地址译码器。地址译码器选择8个模拟信号之一送入ADC进行A-D转换，因此适用于数据采集系统。表12-2为通道选择。

表12-2 通道选择

图12-8b为引脚图。各引脚功能如下：

1）IN₀～IN₇是八路模拟输入信号；

2）ADDA、ADDB、ADDC为地址选择端；

3）2^-8～2^-1为变换后的数据输出端；

4）START（6脚）是启动输入端。

5）ALE（22脚）是通道地址锁存输入端。当ALE上升沿到来时，地址锁存器可对AD-DA、ADDB、ADDC锁定。下一个ALE上升沿允许通道地址更新。实际使用中，要求ADC开始转换之前地址就应锁存，所以通常将ALE和TART连在一起，使用同一个脉冲信号，上升沿锁存地址，下降沿则启动转换。

6）OE（9脚）为输出允许端，它控制ADC内部三态输出缓冲器。

7）EOC（7脚）是转换结束信号，由ADC内部控制逻辑电路产生。当EOC=0时表示转换正在进行，当EOC=1表示转换已经结束。因此EOC可作为微机的中断请求信号或查询信号。显然只有当EOC=1以后，才可以让OE为高电平，这时读出的数据才是正确的转换结果。