一文讲解ADC模数转换芯片的原理及转换过程.docx

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1、一文讲解ADC模数转换芯片的原理及转换过程目录1.前言12 .ADC的转换原理分为间接法和直接法13 .模一数转换的过程有四个阶段23.1. 取样和保持23.2.量化与编码53.3.存储71 .前言ADC模数转换芯片主要应用于各类精度测量电子产品方案开发中，在电子秤方案、充气泵方案以及各类精度测量都可看见它的身影。我们所接触到的信号都是模拟信号，当我们需要将这些模拟信号转换成数字信号利于存储和传输时，就需要ADC模拟转换芯片帮助我们实现这一功能。ADC芯片全称AnalOgto-DigitalConverter（模拟数字转换器），是一个帮助我们将模拟信号转换成为数字信号的转换器芯片。那么，今天我

2、们就来了解下ADC模数转换芯片的原理及其转换过程。2 .ADC的转换原理分为间接法和直接法ADC的转换原理根据ADC的电路形式有所不同。ADC电路通常由两部分组成，它们是：采样、保持电路和量化、编码电路。其中量化、编码电路是最核心的部件，任何ADC转换电路都必须包含这种电路。ADC电路的形式很多，通常可以并为两类：间接法：它是将采样-保持的模拟信号先转换成与模拟量成正比的时间或频率，然后再把它转换为数字量。这种通常是采用时钟脉冲计数器，它又被称为计数器式。它的工作特点是：工作速度低，转换精度高，抗干扰能力强。直接法：通过基准电压与采样一保持信号进行比较，从而转换为数字量。它的工作特点是：工作速

3、度高，转换精度容易保证。3.模一数转换的过程有四个阶段模一数转换的过程有四个阶段，即取样和保持、保持、量化和编码。3.1. 取样和保持采样是模数转换的第一步，采样是将连续时间信号变成离散时间信号的过程。经过采样，时间连续、数值连续的模拟信号就变成了时间离散、数值连续的信号，称为采样信号。采样电路相当于一个模拟开关，模拟开关周期性地工作。理论上，每个周期内，模拟开关的闭合时间趋近于0。在模拟开关闭合的时刻采样时刻)，我们就“采”到模拟信号的一个“样本”。取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。取样过程示意图如图1所示，为取样电路结构，其中，传输门受取样信号s(t)控制，在S(t)的

4、脉宽T期间，传输门导通，输出信号v(t)为输入信号vl,而在(Ts-T)期间，传输门关闭，输出信号vO(t)=00电路中各信号波形如图2所示。TGv(t)Xxeyx*)s图1取样电路结构通过分析可以看到，取样信号S(t)的频率愈高，所取得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。但带来的问题是数据量增大，为保证有合适的取样频率，它必须满足取样定理。取样定理：设取样信号S(t)的频率为fs,输入模拟信号vl(t)的最高频率分量的频率为fimax,则fs与fimax必须满足下面的关系fs22fimax,工程上一般取fs(35)fimax将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了

5、给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。取样与保持过程往往是通过取样保持电路同时完成的。取样-保持电路的原理图及输出波形如图3、图4所示。取徉-保持 控把电曲图3取样-保持电路原理图O0】。t图4取样-保持电路波形图电路由输入放大器A1、输出放大器A2、保持电容CH和开关驱动电路组成。电路中要求Al具有很高的输入阻抗，以减少对输入信号源的影响。为使保持阶段CH上所存电荷不易泄放，A2也应具有较高输入阻抗，A2还应具有低的输出阻抗，这样可以提高电路的带负载能力。一般还要求电路中AVlAV2=lo现结合图11.8.2来分析取样保持电路的工作原理。在t=t

6、时，开关S闭合，电容被迅速充电，由于AV1AV2=1,因此Vo=VI,在ttl时间间隔内是取样阶段。在t=tl时刻S断开。若A2的输入阻抗为无穷大、S为理想开关，这样可认为电容CH没有放电回路，其两端电压保持为Vo不变，图11.8.2(b)中tl到t2的平坦段，就是保持阶段。取样保持电路以由多种型号的单片集成电路产品。如双极型工艺的有AD585、AD684；混合型工艺的有ADII54、SHC76等。3. 2.量化与编码量化是模数转换的第二步，量化是将连续数值信号变成离散数值信号的过程。理论上，经过量化，我们就可以将时间离散、数值连续的采样信号变成时间离散、数值离散的数字信号。在电路中，数字量通

7、常用二进制代码表示。因此，量化电路的后面有一个编码电路，将数字信号的数值转换成二进制代码。然而，量化和编码总是需要一定时间才能完成，所以，量化电路的前面还要有一个保持电路。保持是将时间离散、数值连续的信号变成时间连续、数值离散信号的过程。在量化和编码期间，保持电路相当于一个恒压源，它将采样时刻的信号电压“保持”在量化器的输入端。虽然逻辑上保持器是一个独立的单元，但是，工程上保持器总是与采样器做在一起。两者合称采样保持器。编码是模数转换的第三步，它指将量化后的离散的数字信号进行编码，将各个量化值转换成一定的编码形式，从而将离散的数字信号转换成二进制的数字信号。数字信号不仅在时间上是离散的，而且在

8、幅值上也是不连续的。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，还必须将取样保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。在量化过程中，由于取样电压不一定能被整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差称之为量化误差，用表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各离散

9、电平之间的差值越小，量化误差越小。量化过程常采用两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。1 .只舍不入量化方式以3位A/D转换器为例，设输入信号Vl的变化范围为08V,采用只舍不入量化方式时，取4=1V,量化中不足量化单位部分舍弃，如数值在O1V之间的模拟电压都当作04,用二进制数000表示，而数值在12V之间的模拟电压都当作】,用二进制数001表示这种量化方式的最大误差为2 .四舍五入量化方式如采用四舍五入量化方式，则取量化单位A=8V15,量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。它将数值在08V15之间的模拟电压都当作0对待，用

10、二进制000表示，而数值在8V1524V15之间的模拟电压均当作,用二进制数001表示等。3 .比较采用前一种只舍不入量化方式最大量化误差Imax=ILSB,而采用后一种有舍有入量化方式Imax=1LSB2,后者量化误差比前者小，故为多数A/D转换器所采用。随着集成电路的飞速发展，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。为满足各种不同的检测及控制需要而设计的结构不同、性能各异的A/D转换器应运而生。下面简单讲讲A/D转换器的基本原理和分类：根据A/D转换器的原理可将A/D转换器分成两大类。一类是直接型A/D转换器，将输入的电压信号直接转换成数字代码，不经过中间任何变量；另一类是间接型A/D

11、转换器，将输入的电压转变成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等），然后再将这个中间量变成数字代码输出。尽管A/D转换器的种类很多，但目前广泛应用的主要有三种类型：逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器、V/F变换式A/D转换器。另外，近些年有一种新型的2型A/D转换器异军突起，在仪器中得到了广泛的应用。逐次逼近式（SAR）A/D转换器（SAR）的基本原理是：将待转换的模拟输入信号与一个推测信号进行比较，根据二者大小决定增大还是减小输入信号，以便向模拟输入信号逼进。推测信号由D/A转换器的输出获得，当二者相等时，向D/A转换器输入的数字信号就对应的时模拟输入量的数字量。这种A/D转换器一般

12、速度很快，但精度一般不高。常用的有ADCO801、ADC0802AD570等。双积分式A/D转换器的基本原理是：先对输入模拟电压进行固定时间的积分，然后转为对标准电压的反相积分，直至积分输入返回初始值，这两个积分时间的长短正比于二者的大小，进而可以得出对应模拟电压的数字量。这种A/D转换器的转换速度较慢，但精度较高。由双积分式发展为四重积分、五重积分等多种方式，在保证转换精度的前提下提高了转换速度。常用的有ICL7135ICL7109等。型AD由积分器、比较器、1位D/A转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字

13、部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。这种转换器的转换精度极高，达到16到24位的转换精度，价格低廉，弱点是转换速度比较慢，比较适合用于对检测精度要求很高但对速度要求不是太高的检验设备。常用的有AD7705、AD7714等。V/F转换器是把电压信号转换成频率信号，由良好的精度和线性，而且电路简单，对环境适应能力强，价格低廉。适用于非快速的远距离信号的A/D转换过程。常用的有LM311、AD650等。3.3.存储存储是模数转换的第四步，它指将编码后的二进制的数字信号进行存储，将各个二进制信号存储到一定的存储介质中，从而将二进制的数字信号转换成可以被计算机处理的数字信号。