单片机A/D转换性能指标

A/D转换器是模拟信号源和计算机之间联系的桥梁，其任务是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号，以便计算机进行运算、存贮、控制和显示等。由于应用场合和要求不同，因此需要采用不同工作原理的A/D转换器，主要有逐次逼近式、双斜积分式、电压—频率式、并行式等几种。常见的ADC0809、AD574等A/D转换器是逐次逼近式，MC14433、CH7106等A/D转换器是双斜积分式。前者转换速度快；后者转换速度慢，但抗干扰能力强。这两类A/D在单片机测控系统中都获得了广泛的应用，本节将对这两类A/D作详细介绍。

1）逐次逼近式A/D转换原理

逐次逼近式A/D转换器也称为连续比较式A/D转换器。这是一种采用对分搜索原理来实现A/D转换的器件，逻辑框图如图7.17所示。它主要由N位寄存器、N位D/A转换器、比较器、控制逻辑以及输出锁存器共5部分组成。工作原理如图7.17所示。

图7.17　逐次逼近式A/D转换原理框图

启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，首先使寄存器的最高位为DN-1=1，其余位为“0”。N位寄存器的数字量一方面作为输出用，另一方面经D/A转换器转换成模拟量VH后送到比较器，在比较器中与被转换的模拟量VX进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。若VX≥VH，则保留这一位；若VX<VH，则使DN-1=0。DN-1位完成后比较，再对下一位DN-2进行比较，使DN-2=1，与上一位DN-1位一起送入D/A转换器，转换后再进入比较器，与VX比较……如此一位一位地继续下去，直到最后一位D0比较完毕为止。此时，DONE发出信号，表示转换结束。经过N次比较后，N位寄存器的数字量即为VX所对应的数字量。

2）双积分式A/D转换原

双积分式A/D转换器是基于间接测量原理，将被测电压值VX转换成时间常数，由测量时间常数而得到未知电压值。工作原理如图7.18（a）所示。它由电子开关、积分器、比较器、计数器、逻辑控制门等部件组成。

所谓双积分，就是进行一次A/D转换需要二次积分。转换时，控制门通过电子开关把被测电压VX加到积分器的输入端，在固定时间T0内对VX积分（称为定时积分），积分输出终值与VX成正比；控制门再将电子开关切换到极性与VX相反的基准电压VR上，进行反相积分；由于基准电压VR恒定，因此积分输出将按T0期间积分的值以恒定的斜率下降（称为定值积分），当比较器检测积分输出零时，停止积分器工作。反相积分的时间T1与定值积分的初值（即定时积分的终值）成正比。因此，我们可以通过测量反相积分时间T1计算出VX，即

图7.18　双积分式A/D转换原理

反相积分时间T1由计数器对时钟脉冲计数得到。图7.18（b）给出了两种不同输入电压（VX＞V′X）的积分情况，显然V′X值小，在T0定时积分期间积分器输出终值也小，而下降斜率相同，故反相积分时间T′1也小。(www.xing528.com)

由于双积分法二次积分的时间较长，故D/A转换速度较慢，但精度可以做得比较高；对周期变化的干扰信号为零，抗干扰性能也较好。

3）A/D转换器的性能指标

ADC（Analog to Digital Converter）是A/D转换器的简称。ADC的性能指标是正确选用ADC芯片的基本依据，也是衡量ADC质量的关键。ADC性能指标很多，有些指标定义和DAC相同，例如分辨率、线性度、偏移量误差、温度系数、功耗等。本书主要介绍两个性能指标。

（1）转换速度（Conversion Rate）

转移速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数。它是一个很重要的指标。ADC型号不同，转换速度差别很大，通常，8位逐次逼近式A/D的转换时间约为100 μs；双积分式A/D的转换时间约数百毫秒。

（2）转换精度（Conversion Accuracy）

ADC的转换精度分为绝对精度和相对精度两种。

绝对精度是指对应于一个给定的数字量A/D转换器的误差，其误差大小由实际模拟量输入值与理论值之差来量度。例如，理论上，5 V模拟输入电压应产生12位数字量的1/2，即800 H，但实际上从4.997～4.999 V都能产生数字量800 H，则绝对误差为：（4.997+4.999）/2-5=-2 mV。

由此可见，一个数字量对应的模拟输入量不是固定值，而是一个范围。一般情况下，产生已知数字量的模拟输入值，定义为输入范围的中间值。

绝对误差通常包括增益误差、零点误差和非线性误差等，它的测量应在标准条件下进行。

相对误差是指绝对误差和满刻度之比，一般用百分数表示，也常用最低有效值的位数LSB来表示：1LSB=满刻度值。

例如，一个8位0～5 V的ADC，如果相对误差为±1LSB，则其绝对误差为±19.5 mV，相对百分误差为0.39%。一般地，位数越多，相对误差（或绝对误差）越小。