A/D轉換的基本原理

1.取樣定理

為了保證能從取樣信號將原來的被取樣信號恢復，必須滿足：取樣頻率大于等于2倍的輸入模擬信號的最高頻率分量的頻率。即

由于轉換是在取樣后的保持時間內完成的，所以轉換結果所對應的模擬電壓是每次取樣結束時的V1值。

2.量化和編碼

數字信號在時間上是離散的，數值的大小變化也是不連續的。

A/D轉換時，必須將取樣電壓表示為某個規定的最小單位的整倍數，轉化過程稱為量化;所取的最小數量單位是量化單位。

數字信號的最低有效位(LSB)的1所表示的數量大小就等于量化單位。

將量化的結果用代碼(二進制等)表示出來稱為編碼。

量化誤差：量化過程中引入的誤差。

3.取樣-保持電路

T為N溝道增強型MOS管，作模擬開關使用。

取樣過程中電容上的電壓達到穩態值所需要的時間稱為獲取時間。

保持階段輸出電壓的下降率△V0/△T是衡量取樣-保持是重要指標。

A/D轉換器的電路結構和工作原理

1.并聯比較型A/D轉換器

并聯比較型A/D轉換器又稱為閃速A/D轉換器。直接將模擬量轉換為數字量，不需要經過中間變量。

電路由電壓比較器、寄存器和代碼轉換電路組成。

代碼轉換器是一個多輸出組合邏輯電路。

并聯比較型A/D轉換電路的轉換精度取決于：量化電平的劃分，分的越細，精度越高。

精度還受到：參考電壓的穩定度和分壓電阻相對精度以及電壓比較器的靈敏度的影響。

突出特點：轉換速度快。

缺點：必須使用比較多的電壓比較器和規模較大的代碼轉換電路。

2.流水線型A/D轉換器

是一種多路串聯形式的A/D轉換器。

逐級將殘壓傳遞給下一級進行轉換，最終得到最后結果。

增加串聯轉換電路的級數，既可以提高流水型A/D轉換器的轉換精度。

轉換級數的增加意味著，總轉換時間加長。用流水線工作的方式提高轉換速度。每一時刻各級是同時在對不同時間的取樣信號進行轉換。最后用移位寄存器進行暫存。

3.逐次逼近型A/D轉換器

采用一種反饋比較型電路結構：取一個數字量加到D/A轉換器上，將得到的對應的模擬電壓和輸入的模擬電壓進行比較。調整所取得數字量，知道兩個模擬電壓相同。最后取得數字量就是所求的結果。

由C、D/A轉換器、寄存器、時鐘脈沖源和控制邏輯等5部分組成。

整個過程像用天平稱量一個未知重量的物體。

4.雙積分型A/D轉換器

一種間接A/D轉換器。先將輸入的模擬電壓轉換為成正比的時間寬度信號，然后再這個時間寬度里對固定頻率的時鐘脈沖計數，計數的結果就是正比于輸入模擬電壓的數字信號。

雙積分型A/D轉換器也被稱為：電壓時間變換型A/D轉換器。

由積分器、比較器、計數器、控制邏輯和時鐘信號源組成。

突出優點：

工作性能穩定。R、C參數的變化不影響電路的轉換精度，不要求RC的數值十分精確。轉換結果與時鐘信號周期無關。

抗干擾能力強。輸入端的積分器對各種噪聲有很強的抑制作用。

主要缺點：工作速度低，每秒幾十次的轉換速度。

5.∑-△型A/D轉換器

∑-△型A/D轉換器工作原理：將兩次相鄰的取樣值之差(增量)進行量化和編碼。

由線性電壓積分器、一位輸出的量化器、一位輸入的D/A轉換器和一個求和電路組成。

6.V-F變換型A/D轉換器

電壓-頻率變換型A/D轉換器中，先將輸入的模擬信號轉換成與之成正比的頻率信號，然后在一個固定的時間間隔里對得到的頻率信號計數，所得到的技術結果就是正比于輸入模擬電壓的數字量。

由V-F變換器(壓控振蕩器)、計數器、時鐘控制閘門、寄存器、單穩態電路等組成。

轉換精度受V-F變換器的精度影響，和計數器計數容量的影響。

A/D轉換器的轉換精度和轉換速度

1.用分辨率(分解度)和轉換誤差來描述轉換精度。

2.分辨率以輸出二進制數或十進制數的位數表示，它說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。

3.轉換誤差通常以輸出誤差最大值的形式，表示實際輸出的數字量和理論上應有的輸出數字量之間的差別，一般多以最低有效位的倍數給出。

4.通常用轉換時間或速率來描述A/D轉換器的轉換速度。

5.并聯比較型A/D轉換器的轉換速度最快。