A/D轉換的基本原理

在一系列選定的瞬間對模擬信號進行取樣，然后再將這些取樣值轉換成輸出的數字量，并按一定的編碼形式給出轉換結果。
整個A/D轉換過程大致可分為取樣、量化、編碼三個過程。

取樣-保持電路

取樣-保持電路的基本形式如上圖，圖中T為Ｎ溝道增強型MOS管，作模擬開關使用。

當取樣控制信號Vi為高電平時T導通，輸入信號Vi經電阻R1和T向電容CH充電。若取R1=RF，且視運算放大器為理想運算放大器，則充電結束后，Vo=Vch=-Vi

當Vi返回低電平以后，MOS管T截止，由于CH上的電壓在一段時間內基本保持不變，所以Vo也保持不變，取樣結果被保存下來（CH的漏電流越小，運算放大器的輸入阻抗越高，Vo保持的時間也越長）。

該電路在取樣過程中需要輸入電壓經R1和T向電容CH充電，這就限制了取樣速度，而通過減少R1的辦法提高取樣速度又必將降低電路的輸入阻抗。

A/D轉化器分類：

并聯比較型A/D轉換器、

反饋比較型A/D轉換器（分為：計數型、逐次漸進型）

雙積分型A/D轉換器

并聯比較型A/D轉換器

并聯比較型A/D轉換器電路結構圖如下，它由電壓比較器、寄存器和代碼轉換電路三部分組成。輸入為0-Vref間的模擬電壓，輸出為3位二進制數碼d2d1d0。

電壓比較器中量化電平的方式：采用電阻鏈將參考電壓Vref分壓，得到(1/15)Vref到(3/15)Vref之間7個比較電平，量化單位為(2/15)Vref，將這7個比較電平分別接到7個電壓比較器C1-C7的輸入端作為比較基準，同時將輸入的模擬電壓同時加到每個比較器的另一個輸入端，與這7個比較基準進行比較。

若Vi<(1/15)Vref，則所有比較器的輸出全是低電平，CLK上升沿到來后寄存器中所有的觸發器都被置為0狀態

若(1/15)Vref

以此類推，便可列出Vi為不同電壓時寄存器的狀態

并聯比較型A/D轉換器的最大優點是轉換速度快，其一次轉換所需的時間只包括一級觸發器的翻轉時間和三級門電路的傳輸延遲時間。但，從電路可知，輸出為n位二進制代碼的轉換器應當有(2^n)-1個電壓比較器和(2^n)-1個觸發器，電路的規模隨著輸出代碼位數的增加而急劇膨脹，電路更加復雜。

反饋比較型A/D轉換器

反饋比較型A/D轉換器經常采用的有計數型和逐次漸近型兩種方案

1、計數型

如下圖，轉換器由比較器C、D/A轉換器、計數器、脈沖源、控制門G以及輸出寄存器等幾部分組成。

步驟一：轉換前先用復位信號將計數器置零，而且轉換控制信號應停留在VL=0的狀態。此時門G被封鎖，計數器不工作。由于此時計數器加給D/A轉換器的是全0的數字信號，故Vo=0。

步驟二：當VL變成高電平時開始轉換，脈沖源發出的脈沖經過門G加到計數器的時鐘信號輸入端CLK，計數器開始做加法計數。

步驟三：隨著計數的進行，D/A轉換器輸出的模擬電壓Vo也不斷增加。當Vo增加至Vo=Vi時，Vb=0，將門G封鎖、計數器停止計數。此時計數器中所存的數字就是所求的輸出數字信號。

因為在轉換過程中計數器中的數字不停地變化，所以不宜將計數器的狀態直接作為輸出信號，為此在輸出端設置了輸出寄存器，在每次轉換完成以后，用轉換控制信號VL的下降沿將計數器輸出的數字置入輸出寄存器中，以輸出寄存器的狀態作為最終的輸出信號。

這種方案的缺點是轉換時間太長，當輸出為n位二進制數碼時，最初的轉換時間可達(2^n)-1倍的時鐘信號周期。該方案電路比較簡單，適用于對轉換速度要求不高的場合。

2、逐次漸進型

如下圖，轉換器由比較器C、D/A轉換器、寄存器、時鐘脈沖源、控制邏輯等5部分組成。

步驟一：轉換前先將寄存器清零，所以加給D/A轉換器的數字量也是全0；

步驟二：轉換控制信號VL變成高電平時開始轉換，時鐘信號首先將寄存器的最高位置成1，使寄存器的輸出為100...0；

步驟三：輸出的數字量被D/A轉換器轉換成相應的模擬電壓，并送到比較器與輸入信號Vi進行比較。如果Vo>Vi，說明數字過大，則該1應去掉，如果Vo

步驟四：按同樣的方法將次高位置1，并比較Vo與Vi的大小以確定這一位的1是否應該保留，這樣逐位比較下去，直到最低位比較完成為止。此時寄存器里所存的數碼就是所求的數字量。

逐次漸近型比較A/D轉換器轉換速度比計數型A/D轉換器速度高很多，而且在輸出位數時，電路規模要比并聯比較型的小得多，因此逐次漸進型A/D轉換器是目前集成A/D轉換器產品中用的最多的一種電路。

雙積分型A/D轉換器

如下圖，轉換器包括積分器、比較器、計數器、控制邏輯、時鐘信號源等部分

步驟一：轉換開始前（轉換控制信號VL=0），先將計數器清零，并接通開關S0，使積分電容C完全放電；

步驟二：令開關S1合到輸入信號電壓Vi的一側，積分器對Vi進行固定時間T1的積分，則

故可得數字量：

若取T1為Tc的整數倍，則

雙積分型A/D轉換器的優點是工作性能比較穩定，抗干擾能力強，但由于先后進行了兩次積分，因此其工作速度低，一般都在每次幾十次以內。

另，雙積分型A/D轉換器轉換精度受計數器位數、比較器的靈敏度、運算放大器、比較器的零點漂移、積分電容的漏電、時鐘頻率的瞬時波動等多種因素的影響，因此為提高轉換精度僅靠增加計數的位數是遠不夠的。實用電路中為消除運放、比較器的零點漂移，常增加零點漂移自動補償電路，為防止時鐘信號頻率在轉換過程中發生波動，可以使用石英晶體振蕩器作為脈沖源。

審核編輯：劉清
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