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模数转换电路（A/D转换器）

news 来源：原创 2025/7/27 18:02:25

A/D转换，是将输入的模拟电压量转换成相应的数字量。

A/D转换器的类型很多，按工作原理可分为直接转换型和间接转换型两大类。前者直接将模拟电压量转换成数字量，后者是先将模拟电压量转换成一个中间量，再将中间量转换成数字量。

下面先介绍A/D转换的一般原理，再分别介绍直接转换型的并行比较A/D转换器、逐次逼近A/D转换器，间接转换型的双积分A/D转换器。

将模拟量转换为数字量一般需经过采样、保持、量化与编码四个过程完成, 前两个过程在采样与保持电路中完成, 后两个过程在A/D转换中完成。

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1. 采样与保持
采样是按一定的时间间隔采集模拟信号的过程。
采样保持电路由受控的模拟开关与存储电容C 组成。
NMOS管做开关使用，开关状态受采样脉冲号
CPS控制。
电容C为保持电容。
运算放大器组成电压跟随电路, 起缓冲隔离作用。
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工作原理：

采样过程：
当采样脉冲号CPS为高电平时，NMOS管导通，uI(t)经T对电容C充电，充电时间常数Ts
（Ron为NMOS管的导通电阻）远小于采样脉冲号CPS的周期TS。充电结束后在这里插入图片描述
。
保持过程：
当采样脉冲号CPS为低电平时，NMOS管截止，电容C上的电压可以在段时间内基本保持不变。

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2. 量化与编码
采样保持电路的输出信号在时间上是离散的，但在幅度上仍是连续的, 无法与n位有限的2n个数字输出量Dn-1…D1D0相对应，因此必须将采样保持电压值只限定在规定个数的离散电平上, 将介于两个离散电平之间的采样保持电压归并到这两个离散电平之一上，即将采样保持电压转化成最小数量单位的整数倍。
规定的最小数量单位称为量化单位，用△表示。
输出数字量最低有效位中的1所对应的输入模拟电压就是△。
将采样保持电压值转化为最小数量单位整数倍的过程称为量化。
量化有只舍不入法和四舍五人法两种方法，只舍不入法是将不够量化单位的数舍去
只取整数，四舍五人法是将小于△/2的数舍去，而将大于△/2的数保留并取为△。
将量化的结果用n位二进制数字量表示称为编码。
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取量化单位 △=1/8V, 采用8个量化电平, 即0·△(0V) , 1·△(1/8V) , … ，7·△(7/8V) 。
量化处理方法是，将不够量化单位的数舍去只取整数。
如0≤uI＜1/8V，则量化为0·△=0V，用二进制数000表示；
如1/8V ≤uI＜2/8V，则量化为1·△=1/8V，用二进制数001表示；
…

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取量化单位△=2/15V, 采用8个量化电平, 即0·△(0V), 1·△(2/15V) , … , 7· △ (14/15V)。
量化处理方法是，将小于Δ/2的数舍去, 而将大于△/2 的数保留并取为△。
如0≤uI＜1/15V，则量化为0· △=0V，用二进制数000表示；
如 1/15V≤uI＜3/15V，则量化为1·△=2/15V，用二进制数001表示；

当采样保持电压不能被△整除时，将产生量化误差。无论何种量化方法都存在量化误差，只舍不入法的最大量化误差为△，四舍五人法
的最大量化误差为△/2。
减小量化误差应减小量化电平△，即减小n位数字量最低有效位为1时所代表的量化值，这就要增加数字量的位数。
…
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电路采用四舍五人法量化方法，量化单位 △=2VREF/15
输入的模拟电压uI同时和7个量化电平比较进行A/D转换。
电压比较器的U＋ >U－时输出为1、U＋ <U－时输出为0。
在时钟脉冲CP的作用下将比较结果存入寄存器，由编码电路对寄
存器的输出Q1~Q7进行编码得到二进制输出数字量。

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3.并行比较A/D转换器的特点
① 无需中间变量就能将输入的模拟信号直接转换成数字信号，属于直接A/D转换器。
② 转换速度快。因是并行转换，其速度仅被比较器及门电路的延迟时间所限，与转换的位数无关。是各种ADC电路中转换速度最快的电路，转换时间仅数十纳秒。
③ n位数字量，需用（2n-1）个比较器、（2n-1）个D触发器。当位数增加时，运算放大器、D触发器等器件数量将剧增。

逐次逼近A/D转换器

1．电路组成

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工作原理
输入uI为采样保持后的电压。
控制逻辑电路使数据寄存器的最高位Q2为1，3位DAC对数据寄存器输出状态Q2Q1Q0进行D/A转换得模拟电压uO，
uO和输入模拟电压uI在比较器中进行比较,当uI≥uO时比较器输出uC=0，说明Q2Q1Q0不够大，应保留最高位Q2为1；当uI<uO时比较器输出uC=1，说明Q2Q1Q0过大, 应将最高位Q2为1清除改为0。
再按同样方法使数据寄存器的次高位置1, 进行比较后确定该位的1是否保留。逐位比较下去一直到最低位为止，数据寄存器的输出就是转换的数字量。

转换过程：
转换开始前，使环形计数器置于QAQBQCQDQE=00001初始状态。
第1个时钟脉冲CP到来后, 环形计数器循环右移一位, 使QAQBQCQDQE=10000。
环形计数器的状态输出通过控制逻辑电路使数据寄存器输出状态Q2Q1Q0为100，经DAC转换为模拟电压uO和输入模拟电压uI在比较器中进行比较产生输出uC=1或0。
QE=0封锁输出电路。

第2个时钟脉冲CP到来后, 环形计数器循环右移一位, 使QAQBQCQDQE= 01000。前次比较器的输出及环形计数器的状态输出通过控制逻辑电路使数据寄存器输出状态改变。若前次比较器的输出uC=1，则使数据寄存器输出状态 Q2Q1Q0为010；若前次比较器的输出uC=0，则使数据寄存器输出状态Q2Q1Q0为110。经DAC转换为模拟电压uO和输入模拟电压uI在比较器中进行比较使uC=1或0。
QE=0封锁输出电路。

第3个时钟脉冲CP到来后, 环形计数器循环右移一位, 使QAQBQCQDQE=00100。
前次比较器的输出及环形计数器的状态输出通过控制逻辑电路使数据寄存器输出状态改变。若前次比较器的输出uC=1，则使数据寄存器输出状态Q2Q1Q0为001、101之一；
若前次比较器的输出uC=0，则使数据寄存器输出状态Q2Q1Q0为111、011之一。经DAC转换为模拟电压uO和输入模拟电压uI在比较器中进行使uC=1或0。
QE=0封锁输出电路。

第4个时钟脉冲CP到来后, 环形计数器循环右移一位, 使QAQBQCQDQE= 00010。
前次比较器的输出及环形计数器的状态输出通过控制逻辑电路使数据寄存器输出状态改变。若前次比较器的输出uC=1,则使数据寄存器输出状态Q2Q1Q0为000、010、100、110之一；若前次比较器的输出uC=0, 则使数据寄存器输出状态Q2Q1Q0为001、011、101、111之一。经DAC转换为模拟电压uO和输入模拟电压uI在比较器中进行使uC=1或0。
QE=0封锁输出电路。

第5个时钟脉冲CP到来后, 环形计数器循环右移一位, 使QAQBQCQDQE=00001。
前次比较器的输出及环形计数器的状态输出通过控制逻辑电路确定数据寄存器输出状态。若前次比较器的输出uC=1, 使数据寄存器输出状态Q2Q1Q0为000、010、100、110之一；若前次比较器的输出uC=0, 使数据寄存器输出状态Q2Q1Q0为001、011、101、111之一。
环形移位寄存器的QE=1解除对输出电路的封锁，将数据寄存器的数据通过输出电路输出。
3. 逐次逼近A/D转换器的特点
① 无需中间变量就能将输入的模拟信号直接转换成数字信号, 属于直接A/D转换器。
② 完成一次A/D转换所需的时间= (n+2)TCP 。其中，n为数字量的位数，TCP为时钟周期。
③ 输入模拟电压uI的最大值与ADC的位数有关，且不能大于DAC的最大输出电压。
④ 转换精度主要取决于比较器的灵敏度及DAC的精度。为了减小量化误差, 在DAC的输出端加入一个－△/2偏移量（△为DAC最低有效位为1时的输出电压）,使所有比较电平向负方向偏移△/2, 从而满足了量化误差为△/2时第一个量化电平必须为△/2的要求。

双积分A/D转换器

1．电路组成

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2. 工作原理
输入uI为采样保持后的电压。第一次对输入模拟电压uI进行积分, 完成将输入模拟电压uI转换成相应的时间间隔T。第二次对基准电压－VREF积分，实现控制送入计数器的时钟脉冲CP个数，从而完成A/D转换。
工作过程：
① 起始状态
进行A/D转换前，控制电路将计数器清零，电子开关S2闭合使电容C放电，C放电结束后S2再断开。
② 第一次积分—积分器对输入模拟电压uI进行定时积分
t =0时刻转换开始，控制电路使电子开关S1合向uI端，积分电路对输入模拟电压uI进行定时积分, t1时刻积分结束，积分时间为T1(=t1－0)固定不变、输入模拟电压uI=UI保持不变。
积分器的输出电压为
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表明，积分器的输出电压uO从0开始随时间负向线性变化, 与输入电压uI 成正比。
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3.双积分A/D转换器的特点
① 需将输入的模拟信号转换成时间中间量，再将时间中间量转换成数字信号，属于间接A/D转换器。
② 工作性能稳定，转换精度高
双积分A/D转换器，在完成一次A/D转换过程中进行了两次积分，只要两次积分的时间常数不变，转换结果就不受时间常数影响。在转换过程中，只要时钟脉冲的周期TCP不变，也不影响转换结果。
③ 抗干扰能力强
由于A/D转换器的输入级为积分器, 所以对交流噪声有很强的抑制能力, 能有效地抑制电网的工频干扰。
④ 工作速度低
双积分A/D转换器完成一次转换的时间=T1+ T2=2nTCP+DTCP。
若再加上转换前的积分电容放电、计数器清零的准备时间及转换结果输出时间, 完成一次转换所需时间还要长一些。

A/D转换器的主要技术指标

1.分辨率
分辨率表示A/D转换器对输入模拟电压的分辨能力, 常用二进制或十进制数的位数表示，n位A/D转换器能区分输入模拟电压的2n个不同等级。
2.转换误差
A/D转换器常用相对误差表示转换误差，它表示A/D转换器实际输出的数字量与理想输出数字量的差别，并用最低有效位的倍数表示。
3.转换速度
转换速度常用完成一次转换所需时间来表示，即从转换控制信号发出到有稳定的数字量输出为止的一段时间。转换时间越短，说明转换速度越快。A/D转换器的转换速度主要取决于电路的类型，不同类型的A/D转换器转换速度差别很大。并行比较A/D转换器的转换速度最高，逐次逼近A/D转换器次之，双积分A/D转换器的转换速度最低。

集成ADC
ADC0809是采用CMOS工艺制成的单片8位8通道逐次逼近式A/D转换器。

8位模拟开关用于从8路模拟输入信号中选择1路进行A/D转换。地址锁存与译码部分存放地址码并进行译码实现对8路模拟输入信号的选择。8位A/D转换器为逐次逼近A/D转换器。三态输出锁存缓冲器用于锁存转换后的数字量并控制三态输出。

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A/D转换，是将输入的模拟电压量转换成相应的数字量。

下面先介绍A/D转换的一般原理，再分别介绍直接转换型的并行比较A/D转换器、逐次逼近A/D转换器，间接转换型的双积分A/D转换器。

逐次逼近A/D转换器

双积分A/D转换器

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