模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是一種電子集成電路，用于將電壓等模擬信號轉(zhuǎn)換為由1和0組成的數(shù)字或二進制形式。大多數(shù)ADC采用0至10V、-5V~+5V等電壓輸入，并相應地產(chǎn)生某種二進制數(shù)的數(shù)字輸出。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以用A/D、ADC、AtoD來表示，它與數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC工作過程相反。

模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程可以通過多種方式完成，目前市場上有來自不同制造商的不同類型的ADC芯片，例如ADC08xx系列。因此，可以借助分立元件設計一個簡單的ADC。ADC的主要特點是采樣率和位分辨，其中：

ADC的采樣率只不過是ADC將信號從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字的速度。

位分辨率只不過是模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以將信號從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字的精度。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)勢之一是即使在多路輸入時也具有高數(shù)據(jù)采集速率。隨著種類繁多的ADC集成電路(IC) 的發(fā)明，來自各種傳感器的數(shù)據(jù)采集變得更加準確和快速。高性能ADC的動態(tài)特性包括改進的測量重復性、低功耗、精確的吞吐量、高線性度、出色的信噪比 (SNR) 等。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器的各種應用包括測量和控制系統(tǒng)、工業(yè)儀器儀表、通信系統(tǒng)和所有其他基于傳感的系統(tǒng)。可以根據(jù)性能、比特率、功率、成本等因素對ADC進行分類。

框圖

ADC的框圖如下所示，包括sample(采樣)、hold(保持)、quantize(量化)和encoder(編碼器)。ADC的過程可以如下完成。

首先，模擬信號被應用于第一個塊，即一個樣本，只要它可以以精確的采樣頻率進行采樣。樣本的幅度值(如模擬值)可以保持并保持在第二個塊(如Hold)內(nèi)。保持樣本可以通過第三塊像量化一樣量化為離散值。最后，像編碼器這樣的最后一個塊將離散幅度變?yōu)槎M制數(shù)。

所以，在ADC中，信號從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換可以通過上面的框圖來解釋。

樣本;在采樣塊中，模擬信號可以在精確的時間間隔內(nèi)進行采樣。樣本以連續(xù)幅度使用并保持真實值，但是它們相對于時間是離散的。在轉(zhuǎn)換信號時，采樣頻率起著至關(guān)重要的作用。所以它可以保持在一個精確的速率。根據(jù)系統(tǒng)要求，可以固定采樣率。

保持;hold是第二個模塊，它沒有任何功能，因為它只是保持采樣幅度直到進行下一個采樣。所以hold的值直到下一個樣本才會改變。

量化;這是主要用于量化的第三塊。其主要功能是將幅度從連續(xù)(模擬)轉(zhuǎn)換為離散。保持塊內(nèi)的連續(xù)幅度值在整個量化塊中移動，變?yōu)榉入x散。現(xiàn)在，信號將采用數(shù)字形式，因為它包括離散幅度和時間。

編碼器;最后一個模塊是將信號從數(shù)字形式轉(zhuǎn)換為二進制形式的編碼器。眾所周知，數(shù)字設備使用二進制信號工作，因此需要借助編碼器將信號從數(shù)字轉(zhuǎn)換為二進制。所以這是使用ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的完整方法。整個轉(zhuǎn)換所花費的時間可以在一微秒內(nèi)完成。

模數(shù)轉(zhuǎn)換過程

有許多方法可以將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這些轉(zhuǎn)換器更多地用作中間設備，將信號從模擬形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，通過微控制器在LCD上顯示輸出。模擬轉(zhuǎn)換器的目的是確定對應于模擬信號的輸出信號字。

接下來看看0804的ADC。它是一個8位轉(zhuǎn)換器，5V電源，只能接受一個模擬信號作為輸入。

數(shù)字輸出范圍為0-255。ADC需要一個時鐘來運行，將模擬值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值所需的時間取決于時鐘源。可以給CLK IN引腳4提供外部時鐘。一個合適的RC電路連接在時鐘IN和時鐘R引腳之間以使用內(nèi)部時鐘。

Pin2是輸入引腳 - 高電平到低電平脈沖將數(shù)據(jù)從內(nèi)部寄存器帶到轉(zhuǎn)換后的輸出引腳。Pin3是一個寫入- 低到高脈沖被提供給外部時鐘。Pin11到18是從MSB到LSB的數(shù)據(jù)引腳。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器在采樣時鐘的每個下降沿或上升沿對模擬信號進行采樣。在每個周期中，ADC獲取模擬信號對其進行測量，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。ADC通過以固定精度逼近信號，將輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一系列數(shù)字值。

在ADC中，有兩個因素決定了捕獲原始模擬信號的數(shù)字值的精度。這些是比特率(或量化級別)和采樣率。下圖描述了模數(shù)轉(zhuǎn)換是如何發(fā)生的。比特率決定了數(shù)字化輸出的分辨率，可以在下圖中觀察到，其中3 位ADC用于轉(zhuǎn)換模擬信號。

假設必須使用3位ADC從數(shù)字轉(zhuǎn)換一伏特信號。因此，總共有2^3=8個分區(qū)可用于產(chǎn)生1V輸出。這個結(jié)果1/8=0.125V被稱為最小變化或量化水平，000表示0V，001表示 0.125，同樣高達111表示1V。如果增加6、8、12、14、16等比特率，將獲得更好的信號精度。因此，比特率或量化給出了由數(shù)字表示變化引起的模擬信號值的最小輸出變化。

假設如果信號約為0-5V，并且使用了8位ADC，那么5V的二進制輸出為256。而對于3V，它是133，如下所示：

如果在與所需頻率不同的頻率下對輸入信號進行采樣，則有可能在輸出端歪曲輸入信號。因此，ADC的另一個重要考慮因素是采樣率。Nyquist定理指出，所采集的信號重建會引入失真，除非它以(最小)兩倍于信號最大頻率內(nèi)容的速率進行采樣，如下圖所示。但這個速率是實際信號最大頻率的5-10倍。

性能影響因素

ADC性能可以通過其基于不同因素的性能來評估，這里介紹以下兩個主要因素。

SNR(信噪比);SNR反映了任何特定樣本中沒有噪聲的平均比特數(shù)。

帶寬;ADC的帶寬能夠通過估計采樣率來確定，可以每秒對模擬源進行采樣以產(chǎn)生離散值。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的類型

模數(shù)轉(zhuǎn)換器有不同的類型，其中一些模數(shù)轉(zhuǎn)換器類型包括：

• 雙斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器
• 閃存模數(shù)轉(zhuǎn)換器
• 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器
• 半閃存模數(shù)轉(zhuǎn)換器
• Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器
• 流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、雙斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器

在這種類型的ADC轉(zhuǎn)換器中，比較電壓是通過一個由電阻、電容和運算放大器組合而成的積分電路產(chǎn)生的。通過Vref的設定值，該積分器在其輸出上生成從零到值Vref的鋸齒波。當積分器波形相應啟動時，計數(shù)器開始從0計數(shù)到2^n-1，其中n是ADC的位數(shù)。

當輸入電壓Vin等于波形電壓時，控制電路捕獲計數(shù)器值，即對應模擬輸入值的數(shù)字值。這種雙斜率ADC是一種成本相對中等且速度較慢的器件。

2、閃存模數(shù)轉(zhuǎn)換器

這種模數(shù)轉(zhuǎn)換器IC也稱為并行ADC，就其速度而言，它是應用最廣泛的高效ADC。這種閃存模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路由一系列比較器組成，其中每個比較器將輸入信號與唯一的參考電壓進行比較。在每個比較器上，當模擬輸入電壓超過參考電壓時，輸出將處于高電平狀態(tài)。該輸出被進一步提供給優(yōu)先級編碼器，用于通過忽略其他活動輸入基于高階輸入活動生成二進制代碼。它是一種高成本和高速設備。

3、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SARADC)是最現(xiàn)代的ADC IC，比雙斜率和閃存ADC快得多，因為它使用數(shù)字邏輯將模擬輸入電壓收斂到最接近的值。該電路由比較器、輸出鎖存器、逐次逼近寄存器 (SAR) 和D/A 轉(zhuǎn)換器組成。

開始時，SAR被復位，并且隨著從LOW到HIGH的轉(zhuǎn)換被引入，SAR的MSB被設置。然后將該輸出提供給D/A轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生MSB的模擬等效值，并進一步與模擬輸入Vin進行比較。如果比較器輸出為低電平，則SAR將清除MSB，否則，將MSB設置到下一個位置。這個過程一直持續(xù)到所有位都被嘗試并且在Q0之后，SAR使并行輸出線包含有效數(shù)據(jù)。

4、半閃存模數(shù)轉(zhuǎn)換器

該類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要通過兩個單獨的閃存轉(zhuǎn)換器工作在其限制大小附近，其中每個轉(zhuǎn)換器的分辨率是半嵌入式設備的一半。單個閃存轉(zhuǎn)換器的容量是處理 MSB(最高有效位)，而另一個處理 LSB(最低有效位)。

5、Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器

Sigma Delta ADC (ΣΔ) 是相當新的設計。與其他類型的設計相比，這些設計非常慢，但它們?yōu)楦鞣NADC提供了最高分辨率。因此，它們與基于高保真度的音頻應用程序非常兼容，但是，它們通常不適用于需要高 BW(帶寬)的地方。

6、流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器

流水線ADC也稱為子測距量化器，它在概念上與逐次逼近型ADC相關(guān)，但要復雜一些。雖然逐次逼近通過進入下一個MSB在每一步中增長，而流水線ADC使用以下過程：

首先用于粗略轉(zhuǎn)換。之后，它評估輸入信號的變化。

通過允許使用一定范圍的位進行臨時轉(zhuǎn)換，從而起到更好的轉(zhuǎn)換作用。

通常情況下，流水線設計通過平衡其尺寸、速度和高分辨率，在SAR和閃存模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間提供中心基礎。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器測試

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的測試主要需要模擬輸入源以及硬件來傳輸控制信號以及捕獲數(shù)字數(shù)據(jù)o/p。某些類型的ADC需要精確的參考信號源。可以使用以下關(guān)鍵參數(shù)來測試模數(shù)轉(zhuǎn)換器：

• 直流偏移誤差
• 功耗
• 直流增益誤差
• 無雜散動態(tài)范圍
• SNR(信噪比)
• INL(積分非線性)
• DNL(微分非線性)
• THD(總諧波失真)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器有不同的通用測試設置，包括正弦波、任意波形、步進波形和反饋回路。為了確定模數(shù)轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性能，使用了不同的方法，例如基于伺服的、基于斜坡的、交流直方圖技術(shù)、三角形直方圖技術(shù)和物理技術(shù)。用于動態(tài)測試的一種技術(shù)是正弦波測試。

主要應用

目前，數(shù)字設備的使用正在增加。這些設備基于數(shù)字信號工作。因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換器在此類設備中起著將信號從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字的關(guān)鍵作用。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應用包括以下內(nèi)容：

空調(diào)包括溫度傳感器以保持房間內(nèi)的溫度。因此，這種溫度轉(zhuǎn)換可以在ADC的幫助下完成從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。

用于數(shù)字示波器中，將信號從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字以顯示。

用于手機中將模擬語音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，因為手機使用的是數(shù)字語音信號，但實際上語音信號是模擬形式的。因此，ADC用于在將信號發(fā)送到手機的發(fā)射器之前對信號進行轉(zhuǎn)換。

用于MRI和X射線等醫(yī)療設備，用于在更改之前將圖像從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字。

手機中的攝像頭主要用于拍攝圖像和視頻。這些存儲在數(shù)字設備中，因此使用ADC將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。

盒式音樂也可以轉(zhuǎn)換為CDS和拇指驅(qū)動器使用ADC之類的數(shù)字。

目前市場上幾乎所有可用的設備都是數(shù)字版本，所以這些設備都可以使用ADC。

示例：ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換器

ADC0808是一款具有8個模擬輸入和8個數(shù)字輸出的轉(zhuǎn)換器，它允許僅使用單個芯片監(jiān)控多達8個不同的傳感器，這消除了外部調(diào)零和滿量程調(diào)整的需要。

ADC0808是一款單片CMOS器件，具有高速、高精度、最小的溫度依賴性、出色的長期精度和可重復性，并且功耗最低。這些特性使該器件非常適合從過程和機器控制到消費和汽車應用的應用。ADC0808的引腳圖如下圖所示：

主要特征：

很容易接入到所有微處理器

無需調(diào)零或滿量程調(diào)整

具有地址邏輯的8通道多路復用器

0V至5V輸入范圍，單5V電源

輸出符合TTL電壓電平規(guī)范

28-pin載波芯片封裝

主要規(guī)格

分辨率：8位

總未調(diào)整誤差：±? LSB和±1 LSB

單電源：5 VDC

低功率：15毫瓦

轉(zhuǎn)換時間：100μs

一般情況下，ADC0808轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的輸入可以通過引腳23、24 和 25 三個地址線A、B、C來選擇。步長的選擇取決于設置的參考值。步長是模擬輸入的變化導致ADC輸出的單位變化。ADC0808需要一個外部時鐘才能運行，這與ADC0804有一個內(nèi)部時鐘是不同的。

對應模擬輸入瞬時值的連續(xù)8位數(shù)字輸出。輸入電壓的最極端電平必須按比例降低至+5V。與此同時，它需要通常為550 kHz的時鐘信號，ADC0808用于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為微控制器所需的數(shù)字形式。

示例：ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器

ADC0804是一款非常常用的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適用于0V至5V模擬輸入電壓，具有單個模擬輸入和8位數(shù)字輸出。轉(zhuǎn)換時間是判斷ADC的另一個主要因素，在ADC0804中，轉(zhuǎn)換時間取決于施加到CLK R和CLK IN 引腳的時鐘信號，但不能超過110μs。

引腳說明：

Pin 1 : 片選引腳，激活ADC，低電平有效

Pin 2：輸入引腳;高到低脈沖在轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)從內(nèi)部寄存器帶到輸出引腳

Pin 3：輸入引腳;低到高脈沖被給予啟動轉(zhuǎn)換

Pin 4：時鐘輸入引腳，提供外部時鐘

Pin 5：輸出引腳，轉(zhuǎn)換完成后變?yōu)榈碗娖?/p>

Pin 6：模擬同相輸入

Pin 7：模擬反相輸入，通常接地

Pin 8：接地 (0V)

Pin 9：輸入引腳，設置模擬輸入的參考電壓

Pin 10：接地 (0V)

Pin 11 – Pin 18：它是一個 8 位數(shù)字輸出引腳

Pin 19：使用內(nèi)部時鐘源時與時鐘輸入引腳一起使用

Pin 20： 電源電壓5V

主要特點

0V至5V模擬輸入電壓范圍，單5V電源

與微控制器兼容，訪問時間為135ns

與所有微處理器的容易接入

邏輯輸入和輸出同時滿足MOS和TTL電壓電平規(guī)范

適用于 2.5V (LM336) 電壓基準

片上時鐘發(fā)生器

無需調(diào)零

0.3[Prime]標準寬度20-pin DIP封裝

以公制或5 VDC、2.5 VDC或模擬跨度調(diào)整電壓基準運行比率

差分模擬電壓輸入

ADC0804是一個5V電源的8位轉(zhuǎn)換器，它只能接受一個模擬信號作為輸入，數(shù)字輸出范圍為0-255。ADC需要一個時鐘來運行。將模擬值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值所需的時間取決于時鐘源。可以給CLK IN提供一個外部時鐘。Pin2是輸入引腳 — 高電平到低電平脈沖將數(shù)據(jù)從內(nèi)部寄存器帶到轉(zhuǎn)換后的輸出引腳。Pin3是一個寫入 - 低到高脈沖被提供給外部時鐘。

總結(jié)

其實，數(shù)字數(shù)據(jù)的主要好處是您可以輕松存儲它，并且由于任何模擬信號而導致數(shù)據(jù)損壞的可能性非常小。因此，大多數(shù)計算已經(jīng)轉(zhuǎn)向數(shù)字領(lǐng)域。

數(shù)字數(shù)據(jù)還具有準確(取決于ADC過程)和高效處理速度等優(yōu)勢。但是，我們看到的世界是模擬的。因此，必須使用ADC等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將這些模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，以便數(shù)字設備可以輕松地處理、存儲、分析和計算數(shù)據(jù)。