A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理及種類(lèi)

一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理

在一系列選定的瞬間對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行取樣，然后再將這些取樣值轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程大致可分為取樣、量化、編碼三個(gè)過(guò)程。

二、取樣-保持電路

取樣-保持電路的基本形式如上圖，圖中T為N溝道增強(qiáng)型MOS管，作模擬開(kāi)關(guān)使用。

當(dāng)取樣控制信號(hào)Vi為高電平時(shí)T導(dǎo)通，輸入信號(hào)Vi經(jīng)電阻R1和T向電容CH充電。若取R1=RF，且視運(yùn)算放大器為理想運(yùn)算放大器，則充電結(jié)束后，Vo=Vch=-Vi

當(dāng)Vi返回低電平以后，MOS管T截止，由于CH上的電壓在一段時(shí)間內(nèi)基本保持不變，所以Vo也保持不變，取樣結(jié)果被保存下來(lái)(CH的漏電流越小，運(yùn)算放大器的輸入阻抗越高，Vo保持的時(shí)間也越長(zhǎng))。

該電路在取樣過(guò)程中需要輸入電壓經(jīng)R1和T向電容CH充電，這就限制了取樣速度，而通過(guò)減少R1的辦法提高取樣速度又必將降低電路的輸入阻抗。

三、并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)圖如下，它由電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換電路三部分組成。輸入為0-Vref間的模擬電壓，輸出為3位二進(jìn)制數(shù)碼d2d1d0。

電壓比較器中量化電平的方式：采用電阻鏈將參考電壓Vref分壓，得到(1/15)Vref到(3/15)Vref之間7個(gè)比較電平，量化單位為(2/15)Vref，將這7個(gè)比較電平分別接到7個(gè)電壓比較器C1-C7的輸入端作為比較基準(zhǔn)，同時(shí)將輸入的模擬電壓同時(shí)加到每個(gè)比較器的另一個(gè)輸入端，與這7個(gè)比較基準(zhǔn)進(jìn)行比較。

若Vi<(1/15)Vref，則所有比較器的輸出全是低電平，CLK上升沿到來(lái)后寄存器中所有的觸發(fā)器都被置為0狀態(tài)

若(1/15)Vref

以此類(lèi)推，便可列出Vi為不同電壓時(shí)寄存器的狀態(tài)

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的最大優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，其一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間只包括一級(jí)觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時(shí)間和三級(jí)門(mén)電路的傳輸延遲時(shí)間。但，從電路可知，輸出為n位二進(jìn)制代碼的轉(zhuǎn)換器應(yīng)當(dāng)有(2^n)-1個(gè)電壓比較器和(2^n)-1個(gè)觸發(fā)器，電路的規(guī)模隨著輸出代碼位數(shù)的增加而急劇膨脹，電路更加復(fù)雜。

四、反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器

反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)常采用的有計(jì)數(shù)型和逐次漸近型兩種方案

1、計(jì)數(shù)型

如下圖，轉(zhuǎn)換器由比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器、脈沖源、控制門(mén)G以及輸出寄存器等幾部分組成。

步驟一：轉(zhuǎn)換前先用復(fù)位信號(hào)將計(jì)數(shù)器置零，而且轉(zhuǎn)換控制信號(hào)應(yīng)停留在VL=0的狀態(tài)。此時(shí)門(mén)G被封鎖，計(jì)數(shù)器不工作。由于此時(shí)計(jì)數(shù)器加給D/A轉(zhuǎn)換器的是全0的數(shù)字信號(hào)，故Vo=0。

步驟二：當(dāng)VL變成高電平時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，脈沖源發(fā)出的脈沖經(jīng)過(guò)門(mén)G加到計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)輸入端CLK，計(jì)數(shù)器開(kāi)始做加法計(jì)數(shù)。

步驟三：隨著計(jì)數(shù)的進(jìn)行，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓Vo也不斷增加。當(dāng)Vo增加至Vo=Vi時(shí)，Vb=0，將門(mén)G封鎖、計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。此時(shí)計(jì)數(shù)器中所存的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。

因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換過(guò)程中計(jì)數(shù)器中的數(shù)字不停地變化，所以不宜將計(jì)數(shù)器的狀態(tài)直接作為輸出信號(hào)，為此在輸出端設(shè)置了輸出寄存器，在每次轉(zhuǎn)換完成以后，用轉(zhuǎn)換控制信號(hào)VL的下降沿將計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字置入輸出寄存器中，以輸出寄存器的狀態(tài)作為最終的輸出信號(hào)。

這種方案的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間太長(zhǎng)，當(dāng)輸出為n位二進(jìn)制數(shù)碼時(shí)，最初的轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)(2^n)-1倍的時(shí)鐘信號(hào)周期。該方案電路比較簡(jiǎn)單，適用于對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高的場(chǎng)合。

2、逐次漸進(jìn)型

如下圖，轉(zhuǎn)換器由比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、時(shí)鐘脈沖源、控制邏輯等5部分組成。

步驟一：轉(zhuǎn)換前先將寄存器清零，所以加給D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量也是全0;

步驟二：轉(zhuǎn)換控制信號(hào)VL變成高電平時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘信號(hào)首先將寄存器的最高位置成1，使寄存器的輸出為100...0;

步驟三：輸出的數(shù)字量被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓，并送到比較器與輸入信號(hào)Vi進(jìn)行比較。如果Vo>Vi，說(shuō)明數(shù)字過(guò)大，則該1應(yīng)去掉，如果Vo

步驟四：按同樣的方法將次高位置1，并比較Vo與Vi的大小以確定這一位的1是否應(yīng)該保留，這樣逐位比較下去，直到最低位比較完成為止。此時(shí)寄存器里所存的數(shù)碼就是所求的數(shù)字量。

逐次漸近型比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度比計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器速度高很多，而且在輸出位數(shù)時(shí)，電路規(guī)模要比并聯(lián)比較型的小得多，因此逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中用的最多的一種電路。

五、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

如下圖，轉(zhuǎn)換器包括積分器、比較器、計(jì)數(shù)器、控制邏輯、時(shí)鐘信號(hào)源等部分

步驟一：轉(zhuǎn)換開(kāi)始前(轉(zhuǎn)換控制信號(hào)VL=0)，先將計(jì)數(shù)器清零，并接通開(kāi)關(guān)S0，使積分電容C完全放電;

步驟二：令開(kāi)關(guān)S1合到輸入信號(hào)電壓Vi的一側(cè)，積分器對(duì)Vi進(jìn)行固定時(shí)間T1的積分，則

故可得數(shù)字量：

若取T1為T(mén)c的整數(shù)倍，則

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是工作性能比較穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，但由于先后進(jìn)行了兩次積分，因此其工作速度低，一般都在每次幾十次以內(nèi)。

另，雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度受計(jì)數(shù)器位數(shù)、比較器的靈敏度、運(yùn)算放大器、比較器的零點(diǎn)漂移、積分電容的漏電、時(shí)鐘頻率的瞬時(shí)波動(dòng)等多種因素的影響，因此為提高轉(zhuǎn)換精度僅靠增加計(jì)數(shù)的位數(shù)是遠(yuǎn)不夠的。實(shí)用電路中為消除運(yùn)放、比較器的零點(diǎn)漂移，常增加零點(diǎn)漂移自動(dòng)補(bǔ)償電路，為防止時(shí)鐘信號(hào)頻率在轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)生波動(dòng)，可以使用石英晶體振蕩器作為脈沖源。

審核編輯：湯梓紅

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