ADC原理

　　導(dǎo)讀：ACD又稱(chēng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是將模擬連續(xù)變化信號(hào)變換為數(shù)字離散信號(hào)的新型電子元件。小編帶大家了解ADC的原理，究其竟是如何將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的。

ADC原理——什么是ADC

　　將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，稱(chēng)為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱(chēng)ADC)，A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào)，因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過(guò)取樣、保持、量化及編碼4個(gè)過(guò)程。在實(shí)際電路中，這些過(guò)程有的是合并進(jìn)行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉(zhuǎn)換過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。

ADC原理——取樣與保持

　　取樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散的模擬量。取樣過(guò)程示意圖如圖1所示。圖1為取樣電路結(jié)構(gòu)，其中，傳輸門(mén)受取樣信號(hào)S(t)控制，在S(t)的脈寬τ期間，傳輸門(mén)導(dǎo)通，輸出信號(hào)vO(t)為輸入信號(hào)v1,而在(Ts-τ)期間，傳輸門(mén)關(guān)閉，輸出信號(hào)vO(t)=0。電路中各信號(hào)波形如圖2所示。

　　圖1：取樣電路結(jié)構(gòu)

　　圖2：信號(hào)波形

　　通過(guò)分析可以看到，取樣信號(hào)S(t)的頻率愈高，所取得信號(hào)經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。但帶來(lái)的問(wèn)題是數(shù)據(jù)量增大，為保證有合適的取樣頻率，它必須滿(mǎn)足取樣定理。

　　取樣定理：設(shè)取樣信號(hào)S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號(hào)v1(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs與fimax必須滿(mǎn)足下面的關(guān)系fs≥2fimax，工程上一般取fs>(3～5)fimax。

　　將取樣電路每次取得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定值，每次取得的模擬信號(hào)必須通過(guò)保持電路保持一段時(shí)間。

　　取樣與保持過(guò)程往往是通過(guò)取樣-保持電路同時(shí)完成的。取樣-保持電路的原理圖及輸出波形如圖3所示。

　　圖3取樣-保持電路

　　圖4 取樣-保持電路波形圖

　　電路由輸入放大器A1、輸出放大器A2、保持電容CH和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路組成。電路中要求A1具有很高的輸入阻抗，以減少對(duì)輸入信號(hào)源的影響。為使保持階段CH上所存電荷不易泄放，A2也應(yīng)具有較高輸入阻抗，A2還應(yīng)具有低的輸出阻抗，這樣可以提高電路的帶負(fù)載能力。一般還要求電路中AV1·AV2=1。

　　現(xiàn)結(jié)合圖4來(lái)分析取樣-保持電路的工作原理。在t=t0時(shí)，開(kāi)關(guān)S閉合，電容被迅速充電，由于A(yíng)V1·AV2=1，因此v0=vI，在t0～t1時(shí)間間隔內(nèi)是取樣階段。在t=t1時(shí)刻S斷開(kāi)。若A2的輸入阻抗為無(wú)窮大、S為理想開(kāi)關(guān)，這樣可認(rèn)為電容CH沒(méi)有放電回路，其兩端電壓保持為v0不變，圖11.8.2(b)中t1到t2的平坦段，就是保持階段。

　　取樣-保持電路以由多種型號(hào)的單片集成電路產(chǎn)品。如雙極型工藝的有AD585、AD684;混合型工藝的有AD1154、SHC76等。

ADC原理—— 量化與編碼

　　數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在幅值上也是不連續(xù)的。任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在A(yíng)/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，還必須將取樣-保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到相應(yīng)的離散電平上，這一轉(zhuǎn)化過(guò)程稱(chēng)為數(shù)值量化，簡(jiǎn)稱(chēng)量化。量化后的數(shù)值最后還需通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。

　　量化過(guò)程中所取最小數(shù)量單位稱(chēng)為量化單位，用△表示。它是數(shù)字信號(hào)最低位為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬量，即1LSB。

　　在量化過(guò)程中，由于取樣電壓不一定能被△整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，此誤差稱(chēng)之為量化誤差，用ε表示。量化誤差屬原理誤差，它是無(wú)法消除的。A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。

　　量化過(guò)程常采用兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。

　　Ⅰ.只舍不入量化方式

　　以3位A/D轉(zhuǎn)換器為例，設(shè)輸入信號(hào)v1的變化范圍為0～8V，采用只舍不入量化方式時(shí)，取△=1V，量化中不足量化單位部分舍棄，如數(shù)值在0～1V之間的模擬電壓都當(dāng)作0△，用二進(jìn)制數(shù)000表示，而數(shù)值在1～2V之間的模擬電壓都當(dāng)作1△，用二進(jìn)制數(shù)001表示……這種量化方式的最大誤差為△。

　　Ⅱ.四舍五入量化方式

　　如采用四舍五入量化方式，則取量化單位△=8V/15，量化過(guò)程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。它將數(shù)值在0～8V/15之間的模擬電壓都當(dāng)作0△對(duì)待，用二進(jìn)制000表示，而數(shù)值在8V/15～24V/15之間的模擬電壓均當(dāng)作1△，用二進(jìn)制數(shù)001表示等。

　　Ⅲ.比較

　　采用前一種只舍不入量化方式最大量化誤差│εmax│=1LSB,而采用后一種有舍有入量化方式│εmax│=1LSB/2，后者量化誤差比前者小，故為多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器所采用。

　　A/D轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)很多，按其工作原理不同分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器兩類(lèi)。直接A/D轉(zhuǎn)換器可將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這類(lèi)A/D轉(zhuǎn)換器具有較快的轉(zhuǎn)換速度，其典型電路有并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。而間接A/D轉(zhuǎn)換器則是先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成某一中間電量(時(shí)間或頻率)，然后再將中間電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出。此類(lèi)A/D轉(zhuǎn)換器的速度較慢，典型電路是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器、電壓頻率轉(zhuǎn)換型A/D轉(zhuǎn)換器。

　　總結(jié)：ADC通過(guò)取樣保持，量化和編碼中是將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào)。