模/数转换器简介：全面了解性能与应用C51单片机高效入门

1.模/数转换原理

ADC的转换原理根据ADC的电路形式有所不同。ADC电路通常由两部分组成，它们是采样、保持电路和量化、编码电路。其中量化、编码电路是最核心的部件，任何ADC转换电路都必须包含这种电路。ADC电路的形式很多，通常可以并为两类：

间接法：它是将采样-保持的模拟信号先转换成与模拟量成正比的时间或频率，然后再把它转换为数字量。通常采用时钟脉冲计数器，又被称为计数器式。它的工作特点是：工作速度低，转换精度高，抗干扰能力强。

直接法：通过基准电压与采样-保持信号进行比较，从而转换为数字量。它的工作特点是：工作速度高，转换精度容易保证。

模/数转换的过程有四个阶段，即采样、保持、量化和编码。

采样是将连续时间信号变成离散时间信号的过程。经过采样，时间连续、数值连续的模拟信号就变成了时间离散、数值连续的信号，称为采样信号。采样电路相当于一个模拟开关，模拟开关周期性地工作。理论上，每个周期内，模拟开关的闭合时间趋近于0。在模拟开关闭合的时刻（采样时刻），我们就“采”到模拟信号的一个“样本”。

量化是将连续数值信号变成离散数值信号的过程。理论上，经过量化，我们就可以将时间离散、数值连续的采样信号变成时间离散、数值离散的数字信号。

我们知道，在电路中，数字量通常用二进制代码表示。因此，量化电路的后面有一个编码电路，将数字信号的数值转换成二进制代码。

然而，量化和编码总是需要一定时间才能完成，所以，量化电路的前面还要有一个保持电路。保持是将时间离散、数值连续的信号变成时间连续、数值离散信号的过程。在量化和编码期间，保持电路相当于一个恒压源，它将采样时刻的信号电压“保持”在量化器的输入端。虽然逻辑上保持器是一个独立的单元，但是，工程上保持器总是与采样器做在一起。两者合称采样保持器。

2.模/数转换分类(www.xing528.com)

下面简要介绍几种常用的A/D转换器的基本原理及特点：积分型、逐次比较型、并行比较型/串并行比较型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。

1）积分型：积分型A/D转换器工作原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片A/D转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。

2）逐次比较型：逐次比较型A/D转换器由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地将每一位输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。

3）并行比较型/串并行比较型：并行比较型A/D转换器采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称快速（FLash）型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频A/D转换器等速度特别高的领域。

串并行比较型A/D转换器结构上介于并行比较型和逐次比较型之间，最典型的是由两个n/2位的并行型A/D转换器配合D/A转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为半快速（Half flash）型。还有分成三步或多步实现A/D转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型A/D转换器，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型A/D转换器，现代的分级型A/D转换器中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类A/D转换器速度比逐次比较型高，电路规模比并行比较型小。

4）Σ-Δ（Sigma-delta）调制型：Σ-Δ型A/D转换器由积分器、比较器、1位D/A转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。

5）电容阵列逐次比较型：电容阵列逐次比较型A/D转换器在内置D/A转换器中采用电容阵列方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列D/A转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片A/D转换器。最近的逐次比较型A/D转换器大多为电容阵列式的。

6）压频变换型：压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式实现A/D转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种A/D转换器的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辨率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成A/D转换。