A-D转换器概述-《单片微机原理及接口技术》

A-D转换器的作用就是将模拟信号转换成数字量，以便计算机进行处理。按转换原理可将A-D转换器分成4种：计数式、双积分式、逐次逼近式和并行式A-D转换器。其中双积分式、逐次逼近式的A-D转换器在实际应用中比较常见。

双积分式A-D转换器的主要优点是转换精度高、抗干扰性能好、价格相对低廉；缺点是转换速度慢。并行式A-D转换器的特点是转换速度快、价格较昂贵，主要用于要求高速度的场合。逐次逼近式A-D转换器在精度、速度和价格上都适中，转换速度在几微秒到几百微秒之间，是最常用的A-D转换器。

按接口方式不同可将A-D转换器分为串行接口和并行接口A-D转换器。串行接口A-D转换器电路连接简单，可以降低制板成本，是今后主要应用的一种接口方式。但这种A-D转换器读/写速度相对偏低，适用于对采样速度要求不高的场合。并行接口A-D转换器读/写速度快，但电路接线复杂，需要占用的I/O线多，适合应用于高速数据采集的场合。

随着超大规模集成电路技术的飞速发展，很多单片机片内也集成了A-D转换器。因此，在实际应用中，如果要求高精度、高分辨率，一般要选择片外A-D转换器。如果要求分辨率不高（如10位或8位），可以选择片内带A-D转换器的单片机，以便降低设计成本。

1.A-D转换器的主要技术指标

（1）分辨率

A-D转换器的分辨率通常用输出二进制位数或BCD码位数表示，是满刻度电压值与2ⁿ的比值（n为A-D转换器的位数），该指标表明对输入信号的敏感度或转换1LSB对应的电压值。

【例14-1】 一个可输出12位二进制数的A-D转换器，能够分辨出满刻度的1/2¹²，用百分数表示为0.0244%，用2¹²的级数进行量化，其分辨率为1LSB。如果满刻度为10V，则12位A-D可分辨的最小电压变化值为10V×0.0244%=2.4mV，即1LSB=2.4mV。【例14-2】 输出为BCD码的A-D转换器，其分辨率为三位半，满数字值为1999，用百分数表示其分辨率为1/1999×100%=0.05%。

A-D转换器分为二进制输出的4位、8位、10位、12位、14位、16位、20位和24位，以及BCD码输出的3位、位、位、位、位和位等多种。按照输出代码的有效位数划分A-D转换器可分为低、中、高三类：将输出3～8位二进制数的A-D转换器视为低分辨率；9～12位的A-D转换器视为中分辨率，输出BCD码的A-D转换器也属于中分辨率；13位以上A-D转换器为高分辨率。

（2）转换时间和转换速率

A-D转换器从启动转换到转换结束，最终输出稳定的数字量，需要一定的时间，完成一次转换所需要的时间就是A-D转换器的转换时间。转换速率就是每秒能够完成的转换次数。转换速率描述的是A-D转换器能够重复进行数据转换的速度，转换时间与转换速率互为倒数关系。

根据转换速率的不同，A-D转换器可分为超高速（转换时间≤1ns，转换次数为每秒几兆次）、高速（转换时间≤1μs，转换次数为每秒几十万次）、中速（转换时间≤1ms，转换次数为每秒几万次）和低速（转换时间≤1s，转换次数为每秒几次）等几种不同转换速率的芯片。转换速率越快，进行A-D采样的频率越高，单位时间内采集到的数据越多，误差也越小。

对于并行式A-D转换器，转换时间最短的为20～50ns，速率为5×10⁷～2×10⁷次/s；双极性逐次比较式转换时间为0.4_μs，速率为2.5×10⁶次/s。

（3）转换精度

将连续的模拟信号转换成离散的数字量会产生一定的误差，这个误差的大小就是转换精度。A-D转换器的转换精度是指一个实际的输出与理想的输出在量化值上的差值，它反映了A-D转换器的实际输出接近理想输出的精确程度，可用绝对误差或相对误差表示。

（4）量化误差

量化误差是由A-D转换器的有限分辨率引起的误差。在不计其他误差的情况下，一个分辨率有限的A-D转换器的阶梯状转换特性曲线，与具有无限分辨率的A-D转换特性曲线之间的最大偏差，称为量化误差。量化误差理论上规定为1个单位分辨率的±1/2LSB。提高A-D的分辨率可降低量化误差。

2.A-D转换器的选择

在设计数据采集系统、测控系统或智能仪器仪表时，都需要使用A-D转换器。选择A-D转换器时，既要满足应用系统设计要求，又要考虑产品性价比。因此，如何选择合适的A-D转换器是设计采集系统的关键。下面从不同角度介绍选择A-D转换器的要点。(www.xing528.com)

（1）根据检测精度要求选择A-D转换器

对于一个具体的测控系统，其技术指标中包括检测精度。根据这个指标可以换算出所需要的A-D转换器的最低指标。只要选择转换精度比这个换算出来的最低指标高一些的A-D器件就可以满足系统的设计要求。通常精度和分辨率是不同的。受非线性误差的影响，分辨率高的A-D转换器其精度不一定高。当器件的非线性误差控制在1位以内时，A-D转换器用“位数”表示的分辨率与其转换精度基本相同，因此，习惯上就用“位数”来衡量其转换精度。

A-D转换器位数在一定程度上可以衡量测控系统的精度，但又不能唯一地确定系统的精度。因为系统精度涉及的环节包括传感器变换精度、信号调理电路精度和A-D转换器、输出电路及控制机构的精度，甚至还与软件控制算法有关。所以实际选取的A-D转换器的位数应与其他环节所能达到的精度相对应。原则上选择A-D转换器的位数至少要比系统精度要求的最低分辨率高出1～2位，在精度要求更高的场合，可以高出2～4位。但器件的选择不是精度越高越好，精度越高的A-D器件越贵，对信号调理电路的要求也越高。所以，选取太高精度的A-D转换器既无意义，也不利于控制系统的成本。

（2）根据采样频率要求选择A-D转换器

被检测的信号有其频率特性，为了获取该信号的真实数据，采样频率至少要超过被测信号上限频率的两倍。由于工作原理和制造工艺的不同，A-D转换器件的工作频率也不同。因此，应该根据不同的采样频率选择工作频率不同的A-D转换器件。

积分型、电荷平衡型及跟踪比较型A-D转换器转换速度慢，转换时间从几毫秒到几十毫秒不等，只能构成低速A-D转换器，可用于对温度、压力和流量等缓慢变化的信号进行检测和控制。逐次比较型A-D的转换时间在1～100μs之间，属中速A-D转换器，可用于工业多通道控制系统和声频数字转换等系统。双极型或CMOS工艺制成的全并行型、串并行型和电压转移函数型的高速A-D，其转换时间在20～100ns之间，适用于雷达、数字通信、实时光谱分析、实时瞬态记录及视频数字转换等系统。

例如，选用转换时间为100μs的集成A-D转换器，其转换速率为10⁴次/s。根据采样定理和实际需要，1个周期需采样10次，这样的A-D转换器最高只能处理1kHz的信号；如果选择转换时间为10μs的A-D转换器，那么可以采样处理10kHz频率的信号。但对一般单片机或其他微处理器来说，要在10μs内连续完成A-D转换、数据读取、数据存储以及循环计数等工作比较困难。因此，在高速采集数据系统中，一般不能使用CPU控制，而必须采用直接存储器访问技术（DMA）实现。

（3）采样保持器

一般对直流和变化缓慢的信号进行采样时不需要采样保持器，而在其他情况下，在A-D转换器的输入端应加采样保持电路。在理想的数据采集系统中，为了使采样输出信号能够无失真地复现原输入信号，根据采样定理，必须使采样频率f_s至少为输入信号最高有效频率f_max的2倍，即f_s≥2f_max，否则会出现频率混叠误差。但在实际使用时，为了保证数据采集精度，一般需要增加每个周期的采样数，通常f_s=（5～10）f_max。

采样保持器可根据分辨率、转换时间和信号带宽确定。例如，一个8位A-D转换器的转换时间是100ms，在没有采样保持器时，允许输入信号频率≤10.12Hz；若采用12位A-D转换器，则输入信号频率≤10.0077Hz。如果8位A-D转换器的转换时间是100μs，则输入信号频率≤12Hz；而12位时的输入信号频率≤10.77Hz。

（4）工作电压和基准电压

一般A-D转换器需要工作电源和基准电压。有的A-D转换器的工作电压为±15V电源，有的A-D转换器的工作电压在+12～+15V范围内，因此设计单片机测量系统时就需要多种电源。如果选择单电源+5V工作电压的A-D转换芯片，就可以与单片机系统共用一个电源。

基准电压是A-D转换器在转换时所需要的参考电压，这是保证A-D转换精度的基本条件。在要求较高的转换精度时，基准电压要单独用高精度稳压电源提供给A-D转换器。

为适应系统集成的需要，有些A-D转换器还将多路转换开关、时钟电路、基准电压源、二-十进制译码器和转换电路集成在一个芯片内，为用户提供了很多方便。

（5）其他选择考虑条件

1）片内A-D：当精度要求不超过12位时，可选用片内集成A-D转换部件的单片机，使应用系统结构更加紧凑。

2）串行A-D：今后单片机应用系统的发展趋势是“单芯片系统”，使用没有三总线的设计方案可以简化电路设计。

3）封装：常见的封装是DIP。现在表面安装工艺的发展使得表贴型SO封装的应用越来越多。