一、模數(shù)轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡(jiǎn)稱ADC，通常是指一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(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)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見(jiàn)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。

　　二、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

　　分辨率

　　通常以輸出二進(jìn)制或十進(jìn)制數(shù)字的位數(shù)表示分辨率的高低，因?yàn)槲粩?shù)越多，量化單位越小，對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力就越高。

　　例如：輸入模擬電壓的變化范圍為 0～5 V，輸出 8 位二進(jìn)制數(shù)可以

　　分辨的最小模擬電壓為 5 V&TImes;2-8 =20 mV;而輸出 12 位二進(jìn)制數(shù)可以

　　分辨的最小模擬電壓為 5 V&TImes;2-12≈1.22 mV。

　　轉(zhuǎn)換誤差

　　它是指在零點(diǎn)和滿度都校準(zhǔn)以后，在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，分別測(cè)量各個(gè) 數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬輸入電壓實(shí)測(cè)范圍與理論范圍之間的偏差，取其 中的最大偏差作為轉(zhuǎn)換誤差的指標(biāo)。通常以相對(duì)誤差的形式出現(xiàn)，并 以 LSB 為單位表示。例如 ADC0801 的相對(duì)誤差為±? LSB。

　　轉(zhuǎn)換速度

　　完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)換 速度是轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)。

　　ADC 的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，并聯(lián)比較型 ADC 的轉(zhuǎn)換速度最高（轉(zhuǎn)換時(shí)間可小于 50 ns），逐次逼近型 ADC 次之（轉(zhuǎn) 換時(shí)間在 10～100μs 之間），雙積分型 ADC 轉(zhuǎn)換速度最低（轉(zhuǎn)換時(shí) 間在幾十毫秒至數(shù)百毫秒之間）。

　　三、A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理

　　主要介紹以下三種方法：逐次逼近法、雙積分法、電壓頻率轉(zhuǎn)換法

　　1）逐次逼近法

　　逐次逼近式A/D是比較常見(jiàn)的一種A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時(shí)間為微秒級(jí)。采用逐次逼近法的A/D轉(zhuǎn)換器是由一個(gè)比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成，如圖所示。

　　基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級(jí)增減砝碼進(jìn)行試探。

　　逐次逼近法的轉(zhuǎn)換過(guò)程是：初始化時(shí)將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器，稱為 Vo，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量Vi進(jìn)行比較，若Vo《Vi，該位1被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為1，將寄存器中新的數(shù)字量送D/A轉(zhuǎn)換器，輸出的 Vo再與Vi比較，若Vo《Vi，該位1被保留，否則被清除。重復(fù)此過(guò)程，直至逼近寄存器最低位。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。逐次逼近的操作過(guò)程是在一個(gè)控制電路的控制下進(jìn)行的。

　　2）雙積分法

　　采用雙積分法的A/D轉(zhuǎn)換器由電子開(kāi)關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。如圖所示。基本原理是將輸入電壓變換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔，再把此時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。雙積分法積分法A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程是：先將開(kāi)關(guān)接通待轉(zhuǎn)換的模擬量Vi，Vi采樣輸入到積分器，積分器從零開(kāi)始進(jìn)行固定時(shí)間T的正向積分，時(shí)間T到后，開(kāi)關(guān)再接通與Vi極性相反的基準(zhǔn)電壓VREF，將VREF輸入到積分器，進(jìn)行反向積分，直到輸出為0V時(shí)停止積分。Vi越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時(shí)間也越長(zhǎng)。計(jì)數(shù)器在反向積分時(shí)間內(nèi)所計(jì)的數(shù)值，就是輸入模擬電壓Vi所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。

　　3）電壓頻率轉(zhuǎn)換法

　　采用電壓頻率轉(zhuǎn)換法的A/D轉(zhuǎn)換器，由計(jì)數(shù)器、控制門及一個(gè)具有恒定時(shí)間的時(shí)鐘門控制信號(hào)組成，它的工作原理是V/F轉(zhuǎn)換電路把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與模擬電壓成正比的脈沖信號(hào)。電壓頻率轉(zhuǎn)換法的工作過(guò)程是：當(dāng)模擬電壓Vi加到V/F的輸入端，便產(chǎn)生頻率F與Vi成正比的脈沖，在一定的時(shí)間內(nèi)對(duì)該脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，時(shí)間到，統(tǒng)計(jì)到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值正比于輸入電壓Vi，從而完成A/D轉(zhuǎn)換。

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　　四、模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器的種類很多，按工作原理的不同，可分成間接ADC和直接ADC

　　間接ADC是先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后再把這些中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有中間量是時(shí)間的雙積分型ADC。直接ADC則直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有并聯(lián)比較型ADC和逐次逼近型ADC。

　　并聯(lián)比較型ADC：由于并聯(lián)比較型ADC采用各量級(jí)同時(shí)并行比較，各位輸出碼也是同時(shí)并行產(chǎn)生，所以轉(zhuǎn)換速度快是它的突出優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)轉(zhuǎn)換速度與輸出碼位的多少無(wú)關(guān)。并聯(lián)比較型ADC的缺點(diǎn)是成本高、功耗大。因?yàn)閚位輸出的ADC，需要2n個(gè)電阻，（2n－1）個(gè)比較器和D觸發(fā)器，以及復(fù)雜的編碼網(wǎng)絡(luò)，其元件數(shù)量隨位數(shù)的增加，以幾何級(jí)數(shù)上升。所以這種ADC適用于要求高速、低分辯率的場(chǎng)合。逐次逼近型ADC：逐次逼近型ADC是另一種直接ADC，它也產(chǎn)生一系列比較電壓VR，但與并聯(lián)比較型ADC不同，它是逐個(gè)產(chǎn)生比較電壓，逐次與輸入電壓分別比較，以逐漸逼近的方式進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的。逐次逼近型ADC每次轉(zhuǎn)換都要逐位比較，需要（n+1）個(gè)節(jié)拍脈沖才能完成，所以它比并聯(lián)比較型ADC的轉(zhuǎn)換速度慢，比雙分積型ADC要快得多，屬于中速ADC器件。

　　另外位數(shù)多時(shí)，它需用的元器件比并聯(lián)比較型少得多，所以它是集成ADC中，應(yīng)用較廣的一種。雙積分型ADC：屬于間接型ADC，它先對(duì)輸入采樣電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，以獲得與采樣電壓平均值成正比的時(shí)間間隔，同時(shí)在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，用計(jì)數(shù)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖（CP）計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)結(jié)果就是對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。雙積分型ADC優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)；穩(wěn)定性好；可實(shí)現(xiàn)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度低，因此這種轉(zhuǎn)換器大多應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器儀表中。

　　五、常見(jiàn)A/D轉(zhuǎn)換器

　　這是國(guó)半公司的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，有兩個(gè)輸入通道（CH0和CH1），串口輸出，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換和通道選擇。

　　這是MAXIM公司的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，4位半的輸出精度，相當(dāng)于二進(jìn)位的14位精度。動(dòng)態(tài)字位掃描BCD碼輸出，現(xiàn)在用的4位半的萬(wàn)用表中一般都用的是這個(gè)片子，上面的電路是基本與廠方推薦的電路相同，有點(diǎn)小小的改進(jìn)，引進(jìn)了SD4這個(gè)20歐姆的電阻，能夠提高穩(wěn)定性。

　　AD7714就是我前面所說(shuō)的那種Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器，這個(gè)器件不單是一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，而且是個(gè)完整的模擬檢測(cè)前端電路，24位精度，SPI接口輸出，包括內(nèi)部可編程的放大器，采樣保持器，可編程的數(shù)字濾波器等，功能非常強(qiáng)大，使用非常方便?，F(xiàn)在已經(jīng)有中文的應(yīng)用手冊(cè)可以參考。我認(rèn)為，這種模擬檢測(cè)前端是AD轉(zhuǎn)換器的發(fā)展方向。更有甚者將這些和數(shù)字處理器結(jié)合在一起，制成所謂的單片儀器、程序化儀器，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)功能，很太方便。