【導(dǎo)讀】模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)，ADC作為電路中重要的元器件，本文將介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理、轉(zhuǎn)換步驟、主要技術(shù)指標(biāo)以及不同類(lèi)型ADC的特點(diǎn)。
一.模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理
將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過(guò)程稱(chēng)為“模數(shù)轉(zhuǎn)換”。完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng) ADC（Analog to Digital Converter）。
二.實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的步驟
模數(shù)轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過(guò)采樣、保持和量化、編碼這幾個(gè)步驟。
采樣定理：當(dāng)采樣頻率大于模擬信號(hào)中最高頻率成分的兩倍時(shí)，采樣值才能不失真的反映原來(lái)模擬信號(hào)。
三.模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)
轉(zhuǎn)換精度集成 ADC 用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述轉(zhuǎn)換精度。
1.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×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×2－12≈1.22 mV。
2.轉(zhuǎn)換誤差
它是指在零點(diǎn)和滿(mǎn)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。
3.轉(zhuǎn)換速度
完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間稱(chēng)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(lèi)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）。
四.模數(shù)轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成及不同類(lèi)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)
模數(shù)轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)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，例如用于多位高精度數(shù)字直流電壓表中。
