1前言

自然界中的物理量，例如壓力、溫度等都是模擬量，要對(duì)這些物理量進(jìn)行控制和檢測，就需要一種能在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間起轉(zhuǎn)換作用的電路——模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

能把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱ADC），反之，能把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（簡稱DAC）。

一般的ADC是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對(duì)大小，故任何一個(gè)ADC都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小，而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小。

2AD轉(zhuǎn)換過程

A/D轉(zhuǎn)換器要將時(shí)間和幅值都連續(xù)的模擬量，轉(zhuǎn)換為時(shí)間、幅值都離散的數(shù)字量，一般要經(jīng)過取樣、保持、量化、編碼這幾個(gè)過程。

取樣（采樣）

如下是取樣電路示意圖（取樣電路可將輸人模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模擬量。）:

傳輸門TG由取樣信號(hào)S(t)控制，在S(t)高電平期間，TG導(dǎo)通，輸出信號(hào)vo(t)等于輸入信號(hào)vi(t)，而在S(t)低電平期間，傳輸門關(guān)閉，輸出信號(hào)vo(t)=0。

這是電路工作的波形圖：

可以看到，取樣信號(hào)S(t)的頻率越高，取得的信號(hào)經(jīng)低通濾波器后越能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。取樣頻率要滿足取樣定理（即奈奎斯特采樣定理（Nyquist），1928年由美國電信工程師H.奈奎斯特首先提出來）。設(shè)取樣信號(hào)S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號(hào)vt(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs與fimax必須滿足下面的關(guān)系：

fs≥2fimax

一般取fs>2fimax。

取樣的目的是為了利用有限的采用率，無失真的還原出原有信號(hào)的樣子，按照奈奎斯特采樣定理一個(gè)正弦波每個(gè)周期最少取兩個(gè)點(diǎn)才能把正弦波還原回去。

保持

一般取樣和保持過程都是同時(shí)完成的，這是取樣和保持電路的原理圖：

它由輸入放大器A1、輸出放大器A2、保持電容CH和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路組成，電路中Av1*Av2=1，且A1具有較高的輸入阻抗，以減小對(duì)輸入信號(hào)源的影響；A2選用有較高輸入阻抗和低輸出阻抗的運(yùn)放，這樣不僅CH上所存電荷不易泄露，而且電路還具有較高的帶負(fù)載能力。

這是取樣和保持電路的輸出波形圖：

t0~t1時(shí)段開關(guān)S閉合，電路處于取樣階段，電容器CH充電，由于Av1*Av2=1，因此vo(t)=vi(t)；

t1~t2時(shí)段為保持階段，此期間S斷開，若A2的輸入阻抗足夠大，且S為較理想的開關(guān)，可認(rèn)為CH幾乎沒有放電回路，輸出電壓保持不變。

量化

量化的過程是將取樣-保持電路的輸出表示為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。最小數(shù)量單位稱為量化單位，量化單位是數(shù)值信號(hào)最低位為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬量，即1LSB。

由于被取樣電壓是連續(xù)的，它的值不一定都能被量化單位整除，所以，在量化過程中，不可避免地存在誤差，稱為量化誤差。量化誤差屬于原理誤差，是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，1LSB所對(duì)應(yīng)的量化單位越小，量化誤差的絕對(duì)值也越小。

量化有兩種方法，分別是舍尾取整法和四舍五入法。

舍尾取整的處理方法是：如果輸入電壓vi在兩個(gè)相鄰的量化值之間時(shí)，即(n-1)Δ

四舍五入的處理方法是：當(dāng)vi的尾數(shù)不足Δ/2時(shí)，舍去尾數(shù)取整數(shù)；當(dāng)vi的尾數(shù)大于或等于Δ/2時(shí)，則其量化單位在原數(shù)上加一個(gè)Δ。

例如要將0~1V的模擬電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制碼，取Δ=1/8V，采用舍尾取整法，凡數(shù)值在0~1/8V之間的模擬量，都當(dāng)作0Δ；凡數(shù)值在1/8~2/8之間的模擬量，都當(dāng)作1Δ，以此類推。

采用四舍五入量化的方式，則取量化單位Δ=2/15V，凡數(shù)值在0~1/15V之間的模擬電壓都當(dāng)作0Δ；而數(shù)值在1/15~3/15V之間的模擬電壓都當(dāng)作1Δ，以此類推。

可以看到，舍尾取整量化方法，最大量化誤差為1LSB，而四舍五入量化方法的最大量化誤差為LSB/2。由于后者量化誤差小，所以大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器采用四舍五入量化方法。

編碼

將量化后的結(jié)果用二進(jìn)制碼或者其他代碼表示出來的過程叫編碼。

如果將0~1V的模擬電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制碼。編碼時(shí)0Δ用000表示，1Δ用001表示，2Δ用010表示，以此類推，7Δ用111表示。

3A/D轉(zhuǎn)換器典型電路分類

A/D轉(zhuǎn)換器按其工作原理的不同，分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器。

直接A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這類A/D轉(zhuǎn)換器具有較快的轉(zhuǎn)換速度，典型電路有：

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

間接A/D轉(zhuǎn)換器先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成某一中間量（時(shí)間或頻率），然后再將中間量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。

此類A/D轉(zhuǎn)換器的速度較慢，典型電路有：

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

電壓頻率轉(zhuǎn)換型A/D轉(zhuǎn)換器

因?yàn)镈E10-Standard板卡上的LTC2308是逐次比較型ADC，所以下面重點(diǎn)介紹這種類型。

4逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

直接A/D轉(zhuǎn)換器中，逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器是采用較多的一種。它的轉(zhuǎn)換過程是將輸入模擬信號(hào)與不同的參考電壓多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量。

這是一個(gè)8位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器框圖,它由控制邏輯電路、數(shù)據(jù)寄存器、移位寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器及電壓比較器組成:

假設(shè)輸入的模擬量為3.2V， A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓是5V，根據(jù)逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，電路啟動(dòng)后，第一個(gè)CP將移位寄存器置為10000000，該數(shù)字經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器送入D/A轉(zhuǎn)換器。

輸入模擬電壓vi首先與10000000所對(duì)應(yīng)的電壓VREF/2相比較，如果vi≥VREF/2，則比較器輸出為1；如果vi

第二個(gè)CP使移位寄存器為01000000，如果最高位已存1，則此時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓vo`=3VREF/4，vi再與3VREF/4相比較，如果vi≥3VREF/4，則次高位D6為1；否則D6=0；

如果最高位為0，則vo`=VREF/4，vi與vo`比較，如果vi≥VREF/4，則次高位D6為1；否則D6=0；

依此類推，逐次比較得到輸出數(shù)字量。

8位逐次比較型AD轉(zhuǎn)換波形圖：

5A/D轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)

分辨率

A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率代表其對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)越多，量化單位越小，分辨率越高。

從理論上講，n位輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/2n。例如12位ADC，基準(zhǔn)電壓5V → 分辨率 = 5V/4096≈1.22mV。

轉(zhuǎn)換時(shí)間

轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。