01 模數轉換器的概述

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

模數轉換器通過一定的電路將模擬量轉變為數字量，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。但在模數轉換前，輸入到模數轉換器的輸入信號必須經過各種傳感器及變送器把各種物理量轉換為標準的電信號。

模數轉換器即A/D轉換器，或簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉變為數字信號的電子元件。通常的模數轉換器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。故任何一個模數轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準，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。

將模擬信號轉換成數字信號的電路，稱為模數轉換器（簡稱a/d轉換器或adc,analog to digital converter），A/D轉換的作用是將時間連續、幅值也連續的模擬量轉換為時間離散、幅值也離散的數字信號，因此，A/D轉換一般要經過取樣、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行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現的。

02 模數轉換器的轉換方法及原理

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轉換電路，轉換的時間為微秒級。采用逐次逼近法的A/D轉換器是由一個比較器、D/A轉換器、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行試探。

逐次逼近法的轉換過程是：初始化時將逐次逼近寄存器各位清零；轉換開始時，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A轉換器，經D/A轉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換的模擬量Vi進行比較，若Vo

2）雙積分法

采用雙積分法的A/D轉換器由電子開關、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，再把此時間間隔轉換成數字量，屬于間接轉換。

積分法A/D轉換的過程是：先將開關接通待轉換的模擬量Vi，Vi采樣輸入到積分器，積分器從零開始進行固定時間T的正向積分，時間T到后，開關再接通與Vi極性相反的基準電壓VREF，將VREF輸入到積分器，進行反向積分，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。計數器在反向積分時間內所計的數值，就是輸入模擬電壓Vi所對應的數字量，實現了A/D轉換。

3）電壓頻率轉換法

采用電壓頻率轉換法的A/D轉換器，由計數器、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轉換電路把輸入的模擬電壓轉換成與模擬電壓成正比的脈沖信號。電壓頻率轉換法的工作過程是：當模擬電壓Vi加到V/F的輸入端，便產生頻率F與Vi成正比的脈沖，在一定的時間內對該脈沖信號計數，時間到，統計到計數器的計數值正比于輸入電壓Vi，從而完成A/D轉換。

03 模數轉化器的主要技術指標

1、轉換精度

分辨率：A/D轉換器的分辨率以輸出二進制（或十進制）數的位數來表示。它說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。從理論上講，n位輸出的A/D轉換器能區分2個不同等級的輸入模擬電壓，能區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，輸出位數愈多，分辨率愈高。例如A/D轉換器輸出為8位二進制數，輸入信號最大值為5V,那么這個轉換器應能區分出輸入信號的最小電壓為9.53mV。

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

2 、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，到輸出端得到穩定的數字信號所經過的時間。A/D轉換器的轉換時間與轉換電路的類型有關。不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠。其中并行比較A/D轉換器的轉換速度最高，8位二進制輸出的單片集成A/D轉換器轉換時間可達到50ns以內，逐次比較型A/D轉換器次之，它們多數轉換時間在10～50s以內，間接A/D轉換器的速度最慢，如雙積分A/D轉換器的轉換時間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。在實際應用中，應從系統數據總的位數、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轉換器的選用。

04 模數轉化器的采樣率

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

可以采集連續變化、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，僅當采樣率比信號頻率的兩倍還高的情況下才可能達到對原始信號的忠實還原，這一規律在采樣定理有所體現。

由于實際使用的模擬數字轉換器不能進行完全實時的轉換，所以對輸入信號進行一次轉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。許多模擬數字轉換集成電路在內部就已經包含了這樣的采樣-保持子系統。

05 模數轉換器的響應方式

大多數模擬數字轉換器的響應類型為線性，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。一些早期的轉換器的響應類型呈對數關系，由此來執行A-law算法或μ-law算法編碼。

06 模數轉化器的誤差

模擬數字轉換器的誤差有若干種來源。量化錯誤和非線性誤差（假設這個模擬數字轉換器標稱具有線性特征）是任何模擬數字轉換中都存在的內在誤差。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字化的過程中出現。這種誤差用一個稱為“最低有效位”的參數來衡量。

07 模數轉換器的混疊現象

所有的模擬數字轉換器以每隔一定時間進行采樣的形式進行工作。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，則這樣的假設是錯誤的。

如果模擬數字轉換器產生的信號在系統的后期，通過數字模擬轉換器，則輸出信號可以忠實地反映原始信號。如經過輸入信號的變化率比采樣率大得多，則是另一種情況，模擬數字轉換器輸出的這種“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”。

為了避免混疊現象，模擬數字轉換器的輸入信號必須通過低通濾波器進行濾波處理，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。它在實用的模擬數字轉換系統中十分重要，常在混有高頻信號的模擬信號的轉換過程中應用。