1前言

自然界中的物理量，例如壓力、溫度等都是模擬量，要對這些物理量進行控制和檢測，就需要一種能在模擬信號與數字信號之間起轉換作用的電路——模數轉換器和數模轉換器。

能把模擬信號轉換成數字信號的電路稱為模數轉換器（簡稱ADC），反之，能把數字信號轉換為模擬信號的電路稱為數模轉換器（簡稱DAC）。

一般的ADC是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數字信號。由于數字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小，故任何一個ADC都需要一個參考模擬量作為轉換標準。比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小，而輸出的數字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。

2AD轉換過程

A/D轉換器要將時間和幅值都連續(xù)的模擬量，轉換為時間、幅值都離散的數字量，一般要經過取樣、保持、量化、編碼這幾個過程。

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換為在時間離散的模擬量。）:

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

這是電路工作的波形圖：

可以看到，取樣信號S(t)的頻率越高，取得的信號經低通濾波器后越能真實地復現輸入信號。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）。設取樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號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的樣子，按照奈奎斯特采樣定理一個正弦波每個周期最少取兩個點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和開關驅動電路組成，電路中Av1*Av2=1，且A1具有較高的輸入阻抗，以減小對輸入信號源的影響；A2選用有較高輸入阻抗和低輸出阻抗的運放，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載能力。

這是取樣和保持電路的輸出波形圖：

t0~t1時段開關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，可認為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量單位的整數倍。最小數量單位稱為量化單位，量化單位是數值信號最低位為1時所對應的模擬量，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轉換器的位數越多，1LSB所對應的量化單位越小，量化誤差的絕對值也越小。

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在兩個相鄰的量化值之間時，即(n-1)Δ

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

例如要將0~1V的模擬電壓轉換為3位二進制碼，取Δ=1/8V，采用舍尾取整法，凡數值在0~1/8V之間的模擬量，都當作0Δ；凡數值在1/8~2/8之間的模擬量，都當作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，凡數值在0~1/15V之間的模擬電壓都當作0Δ；而數值在1/15~3/15V之間的模擬電壓都當作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A/D轉換器采用四舍五入量化方法。

編碼

將量化后的結果用二進制碼或者其他代碼表示出來的過程叫編碼。

如果將0~1V的模擬電壓轉換為3位二進制碼。編碼時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轉換器典型電路分類

A/D轉換器按其工作原理的不同，分為直接A/D轉換器和間接A/D轉換器。

直接A/D轉換器將模擬信號直接轉換為數字信號，這類A/D轉換器具有較快的轉換速度，典型電路有：

并行比較型A/D轉換器

逐次比較型A/D轉換器

間接A/D轉換器先將模擬信號轉換成某一中間量（時間或頻率），然后再將中間量轉換為數字量輸出。

此類A/D轉換器的速度較慢，典型電路有：

雙積分型A/D轉換器

電壓頻率轉換型A/D轉換器

因為DE10-Standard板卡上的LTC2308是逐次比較型ADC，所以下面重點介紹這種類型。

4逐次比較型A/D轉換器

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

這是一個8位逐次比較型A/D轉換器框圖,它由控制邏輯電路、數據寄存器、移位寄存器、D/A轉換器及電壓比較器組成:

假設輸入的模擬量為3.2V， A/D轉換器的基準電壓是5V，根據逐次比較型A/D轉換器的工作原理，電路啟動后，第一個CP將移位寄存器置為10000000，該數字經數據寄存器送入D/A轉換器。

輸入模擬電壓vi首先與10000000所對應的電壓VREF/2相比較，如果vi≥VREF/2，則比較器輸出為1；如果vi

第二個CP使移位寄存器為01000000，如果最高位已存1，則此時D/A轉換器的輸出電壓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字量。

8位逐次比較型AD轉換波形圖：

5A/D轉換器的主要指標

分辨率

A/D轉換器的分辨率代表其對輸入信號的分辨能力。在最大輸入電壓一定時，輸出位數越多，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，基準電壓5V → 分辨率 = 5V/4096≈1.22mV。

轉換時間

轉換時間是指A/D轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數字信號所經過的時間。