01 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的概述

在計算機控制系統(tǒng)中，模擬量輸入通道的任務(wù)是把被控對象的模擬信號（溫度、壓力、流量和成分等）轉(zhuǎn)換成計算機可以接受的數(shù)字信號。模擬量輸入通道一般由多路模擬開關(guān)、前置放大器、采樣保持器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和控制電路組成。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，模擬量可以是電壓、電流等電信號，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號。但在模數(shù)轉(zhuǎn)換前，輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入信號必須經(jīng)過各種傳感器及變送器把各種物理量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為一個輸出的數(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。

將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱a/d轉(zhuǎn)換器或adc,analog to digital converter），A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號，因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合并進(jìn)行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉(zhuǎn)換過程中同時實現(xiàn)的。

02 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換方法及原理

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

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，從重到輕逐級增減砝碼進(jìn)行試探。

逐次逼近法的轉(zhuǎn)換過程是：初始化時將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開始時，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

2）雙積分法

采用雙積分法的A/D轉(zhuǎn)換器由電子開關(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間間隔，再把此時間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。

積分法A/D轉(zhuǎn)換的過程是：先將開關(guān)接通待轉(zhuǎn)換的模擬量Vi，Vi采樣輸入到積分器，積分器從零開始進(jìn)行固定時間T的正向積分，時間T到后，開關(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時停止積分。Vi越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時間也越長。計數(shù)器在反向積分時間內(nèi)所計的數(shù)值，就是輸入模擬電壓Vi所對應(yīng)的數(shù)字量，實現(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，由計數(shù)器、控制門及一個具有恒定時間的時鐘門控制信號組成，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。電壓頻率轉(zhuǎn)換法的工作過程是：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，在一定的時間內(nèi)對該脈沖信號計數(shù)，時間到，統(tǒng)計到計數(shù)器的計數(shù)值正比于輸入電壓Vi，從而完成A/D轉(zhuǎn)換。

03 模數(shù)轉(zhuǎn)化器的主要技術(shù)指標(biāo)

1、轉(zhuǎn)換精度

分辨率：A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)來表示。它說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。從理論上講，n位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分2個不同等級的輸入模擬電壓，能區(qū)分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/2n。在最大輸入電壓一定時，輸出位數(shù)愈多，分辨率愈高。例如A/D轉(zhuǎn)換器輸出為8位二進(jìn)制數(shù)，輸入信號最大值為5V,那么這個轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分出輸入信號的最小電壓為9.53mV。

轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差通常是以輸出誤差的最大值形式給出。它表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如給出相對誤差≤±LSB/2，這就表明實際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個字。

2 、轉(zhuǎn)換時間

轉(zhuǎn)換時間是指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換電路的類型有關(guān)。不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)。其中并行比較A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高，8位二進(jìn)制輸出的單片集成A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間可達(dá)到50ns以內(nèi)，逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之，它們多數(shù)轉(zhuǎn)換時間在10～50s以內(nèi)，間接A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢，如雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。在實際應(yīng)用中，應(yīng)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)總的位數(shù)、精度要求、輸入模擬信號的范圍以及輸入信號極性等方面綜合考慮A/D轉(zhuǎn)換器的選用。

04 模數(shù)轉(zhuǎn)化器的采樣率

模擬信號在時域上是連續(xù)的，因此可以將它轉(zhuǎn)換為時間上連續(xù)的一系列數(shù)字信號。這樣就要求定義一個參數(shù)來表示新的數(shù)字信號采樣自模擬信號速率。這個速率稱為轉(zhuǎn)換器的采樣率或采樣頻率。

可以采集連續(xù)變化、帶寬受限的信號（即每隔一時間測量并存儲一個信號值），然后可以通過插值將轉(zhuǎn)換后的離散信號還原為原始信號。這一過程的精確度受量化誤差的限制。然而，僅當(dāng)采樣率比信號頻率的兩倍還高的情況下才可能達(dá)到對原始信號的忠實還原，這一規(guī)律在采樣定理有所體現(xiàn)。

由于實際使用的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器不能進(jìn)行完全實時的轉(zhuǎn)換，所以對輸入信號進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換的過程中必須通過一些外加方法使之保持恒定。常用的有采樣-保持電路，在大多數(shù)的情況里，通過使用一個電容器可以存儲輸入的模擬電壓，并通過開關(guān)或門電路來閉合、斷開這個電容和輸入信號的連接。許多模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換集成電路在內(nèi)部就已經(jīng)包含了這樣的采樣-保持子系統(tǒng)。

05 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)方式

大多數(shù)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)類型為線性，這里的“線性”是指，輸出信號的大小與輸入信號的大小成線性比例。一些早期的轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)類型呈對數(shù)關(guān)系，由此來執(zhí)行A-law算法或μ-law算法編碼。

06 模數(shù)轉(zhuǎn)化器的誤差

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的誤差有若干種來源。量化錯誤和非線性誤差（假設(shè)這個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器標(biāo)稱具有線性特征）是任何模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換中都存在的內(nèi)在誤差。也有一種被稱作孔徑錯誤（aperture error），它是由于時鐘的不良振蕩，且常常在對時域信號數(shù)字化的過程中出現(xiàn)。這種誤差用一個稱為“最低有效位”的參數(shù)來衡量。

07 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的混疊現(xiàn)象

所有的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以每隔一定時間進(jìn)行采樣的形式進(jìn)行工作。因此，它們的輸出信號只是對輸入信號行為的不完全描述。在某一次采樣和下一次采樣之間的時間段，僅僅根據(jù)輸出信號，是無法得知輸入信號的形式的。如果輸入信號以比采樣率低的速率變化，那么可以假定這兩次采樣之間的信號介于這兩次采樣得到的信號值。然而，如果輸入信號改變過快，則這樣的假設(shè)是錯誤的。

如果模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的信號在系統(tǒng)的后期，通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，則輸出信號可以忠實地反映原始信號。如經(jīng)過輸入信號的變化率比采樣率大得多，則是另一種情況，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出的這種“假”信號被稱作“混疊”。混疊信號的頻率為信號頻率和采樣率的差。例如，一個2千赫茲的正弦曲線信號在采樣率在1.5千赫茲采樣率的轉(zhuǎn)換后，會被重建為500赫茲的正弦曲線信號。這樣的問題被稱作“混疊”。

為了避免混疊現(xiàn)象，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入信號必須通過低通濾波器進(jìn)行濾波處理，過濾掉頻率高于采樣率一半的信號。這樣的濾波器也被稱作反鋸齒濾波器。它在實用的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中十分重要，常在混有高頻信號的模擬信號的轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)用。