一、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。

二、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。

三、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(fā)器都被置為0狀態(tài)

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(tài)

并聯比較型A/D轉換器的最大優(yōu)點是轉換速度快，其一次轉換所需的時間只包括一級觸發(fā)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(fā)器，電路的規(guī)模隨著輸出代碼位數的增加而急劇膨脹，電路更加復雜。

四、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(tài)。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(fā)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(tài)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(tài)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(guī)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。

五、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(yōu)點是工作性能比較穩(wěn)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(fā)生波動，可以使用石英晶體振蕩器作為脈沖源。

審核編輯：湯梓紅