在儀器儀表系統(tǒng)中，常常需要將檢測到的連續(xù)變化的模擬量如：溫度、壓力、流量、速度、光強等轉(zhuǎn)變成離散的數(shù)字量，才能輸入到計算機中進行處理。這些模擬量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)變成電信號（一般為電壓信號），經(jīng)過放大器放大后，就需要經(jīng)過一定的處理變成數(shù)字量。實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)變的設(shè)備通常稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），簡稱A/D。

通常情況下，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個過程。

取樣和保持

取樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散的模擬量。取樣過程示意圖如圖11.8.1所示。圖（a）為取樣電路結(jié)構(gòu)，其中，傳輸門受取樣信號S(t)控制，在S(t)的脈寬τ期間，傳輸門導通，輸出信號vO(t)為輸入信號v1,而在（Ts-τ）期間，傳輸門關(guān)閉，輸出信號vO(t)=0。電路中各信號波形如圖（b）所示。

圖11.8.1 取樣電路結(jié)構(gòu)(a)

圖11.8.1 取樣電路中的信號波形(b)

通過分析可以看到，取樣信號S(t)的頻率愈高，所取得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實地復現(xiàn)輸入信號。但帶來的問題是數(shù)據(jù)量增大，為保證有合適的取樣頻率，它必須滿足取樣定理。

取樣定理：設(shè)取樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號v1(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs與fimax必須滿足下面的關(guān)系fs≥2fimax，工程上一般取fs>(3～5)fimax。

將取樣電路每次取得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定值，每次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時間。

取樣與保持過程往往是通過取樣-保持電路同時完成的。取樣-保持電路的原理圖及輸出波形如圖11.8.2所示。

圖11.8.2 取樣-保持電路原理圖

圖11.8.2 取樣-保持電路波形圖

電路由輸入放大器A1、輸出放大器A2、保持電容CH和開關(guān)驅(qū)動電路組成。電路中要求A1具有很高的輸入阻抗，以減少對輸入信號源的影響。為使保持階段CH上所存電荷不易泄放，A2也應具有較高輸入阻抗，A2還應具有低的輸出阻抗，這樣可以提高電路的帶負載能力。一般還要求電路中AV1·AV2=1。

現(xiàn)結(jié)合圖11.8.2來分析取樣-保持電路的工作原理。在t=t0時，開關(guān)S閉合，電容被迅速充電，由于AV1·AV2=1，因此v0=vI，在t0～t1時間間隔內(nèi)是取樣階段。在t=t1時刻S斷開。若A2的輸入阻抗為無窮大、S為理想開關(guān)，這樣可認為電容CH沒有放電回路，其兩端電壓保持為v0不變，圖11.8.2(b)中t1到t2的平坦段，就是保持階段。

取樣-保持電路以由多種型號的單片集成電路產(chǎn)品。如雙極型工藝的有AD585、AD684；混合型工藝的有AD1154、SHC76等。

量化與編碼

數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，而且在幅值上也是不連續(xù)的。任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。為將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，還必須將取樣-保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到相應的離散電平上，這一轉(zhuǎn)化過程稱為數(shù)值量化，簡稱量化。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。

量化過程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位，用△表示。它是數(shù)字信號最低位為1時所對應的模擬量，即1LSB。

在量化過程中，由于取樣電壓不一定能被△整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，此誤差稱之為量化誤差，用ε表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。

量化過程常采用兩種近似量化方式：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轉(zhuǎn)換器為例，設(shè)輸入信號v1的變化范圍為0～8V，采用只舍不入量化方式時，取△=1V，量化中不足量化單位部分舍棄，如數(shù)值在0～1V之間的模擬電壓都當作0△，用二進制數(shù)000表示，而數(shù)值在1～2V之間的模擬電壓都當作1△，用二進制數(shù)001表示……這種量化方式的最大誤差為△。

２.四舍五入量化方式

如采用四舍五入量化方式，則取量化單位△=8V/15，量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。它將數(shù)值在0～8V/15之間的模擬電壓都當作0△對待，用二進制000表示，而數(shù)值在8V/15～24V/15之間的模擬電壓均當作1△，用二進制數(shù)001表示等。

３.比較

采用前一種只舍不入量化方式最大量化誤差│εmax│=1LSB,而采用后一種有舍有入量化方式│εmax│=1LSB/2，后者量化誤差比前者小，故為多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器所采用。

隨著集成電路的飛速發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器的新設(shè)計思想和制造技術(shù)層出不窮。為滿足各種不同的檢測及控制需要而設(shè)計的結(jié)構(gòu)不同、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換器應運而生。

下面簡單講講A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理和分類：

根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的原理可將A/D轉(zhuǎn)換器分成兩大類。一類是直接型A/D轉(zhuǎn)換器，將輸入的電壓信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，不經(jīng)過中間任何變量；另一類是間接型A/D轉(zhuǎn)換器，將輸入的電壓轉(zhuǎn)變成某種中間變量（時間、頻率、脈沖寬度等），然后再將這個中間量變成數(shù)字代碼輸出。

盡管A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，但目前廣泛應用的主要有三種類型：逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、V/F變換式A/D轉(zhuǎn)換器。另外，近些年有一種新型的Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器異軍突起，在儀器中得到了廣泛的應用。

逐次逼近式（SAR）A/D轉(zhuǎn)換器（SAR）的基本原理是：將待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號與一個推測信號進行比較，根據(jù)二者大小決定增大還是減小輸入信號，以便向模擬輸入信號逼進。推測信號由D/A轉(zhuǎn)換器的輸出獲得，當二者相等時，向D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字信號就對應的時模擬輸入量的數(shù)字量。這種A/D轉(zhuǎn)換器一般速度很快，但精度一般不高。常用的有ADC0801、ADC0802、AD570等。

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理是：先對輸入模擬電壓進行固定時間的積分，然后轉(zhuǎn)為對標準電壓的反相積分，直至積分輸入返回初始值，這兩個積分時間的長短正比于二者的大小，進而可以得出對應模擬電壓的數(shù)字量。這種A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較慢，但精度較高。由雙積分式發(fā)展為四重積分、五重積分等多種方式，在保證轉(zhuǎn)換精度的前提下提高了轉(zhuǎn)換速度。常用的有ICL7135、ICL7109等。

Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間（脈沖寬度）信號，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。這種轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度極高，達到16到24位的轉(zhuǎn)換精度，價格低廉，弱點是轉(zhuǎn)換速度比較慢，比較適合用于對檢測精度要求很高但對速度要求不是太高的檢驗設(shè)備。常用的有AD7705、AD7714等。

V/F轉(zhuǎn)換器是把電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號，由良好的精度和線性，而且電路簡單，對環(huán)境適應能力強，價格低廉。適用于非快速的遠距離信號的A/D轉(zhuǎn)換過程。常用的有LM311、AD650等。

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