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1、模拟数字转换技术模数转换是将模拟输入信号转换为N位二进制数字输出信号的技术。采用数字信号处理能够方便实现各种先进的H适应算法，完成模拟电路无法实现的功能，因此，越来越多的模拟信号处理正在被数字技术所取代。与之相应的是，作为模拟系统和数字系统之间桥梁的模数转换的应用口趋广泛。目前，模数转换器(ADC)的发展方向：低功耗，高速，高分辨率一模数转换技术模数转换(A/D转换)的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，模数转换包括采样、保持、量化和编程四个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。1.
2、采样(取样)和保持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。图(a)为取样电路结构，其中，传输门受取样信号S(t)控制，在S(t)的脉宽7期间，传输门导通，输出信号Vo(t)为输入信号，而在(TsD期间，传输门关闭，输出信号v0(t)=Oo电路中各信号波形如图(b)所示。TGI)-iv0(t)图1(a)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b输入模拟信号的最高频率分量的频率为治ax，则
3、传与治ax必须满足下面的关系治ax，工程上一般取(35)fimaxo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2所示。取样-偏持曲IK电说图2(a)取样保持电路原理图电路由输入放大器输出放大器&2、保持电容Ch和开关驱动电路组成。电路中耍求A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，人2也应具有较高输入阻抗，人2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
4、求电路中/Avr/lv2=1o1.“o图2(b)取样保持电路波形图现结合图2(a)來分析取样保持电路的工作原理。在仁fo时，开关S闭合，电容被迅速充电，由于&v“V2=1,因此妒W，在to时间间隔内是取样阶段。在th时刻S断开。若人2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，其两端电压保持为不变，图2(b)中h到b的平坦段，就是保持阶段。2.量化与编码数字信号不仅在时间上是离散的，而且在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
5、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來。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1LSBo在量化过程中，由丁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，各离散电平之间的差值越小，量化误差越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，设输入信号的变化范围为08V,釆用只舍
6、不入量化方式时，取量化中不足量化单位部分舍弃，如数值在01V之间的模拟电压都当作0，用二进制数000表示，而数值在12V之间的模拟电压都当作1，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=8V/15,量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大丁-半个量化单位部分按一个量化单位处理。它将数值在08V/15之间的模拟电压都当作0对待，用二进制000表示，而数値在8V/1524V/15之间的模拟电压均当作1，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|smax|=1LSB,而采用后一种有舍有入量化方式
7、|emax|=1LSB/2,后者量化误差比前者小，故为多数A/D转换器所采用。二A/D转换器的种类A/D转换器的种类很多，按其工作原理不同分为有接A/D转换器和间接A/D转换器两类。氏接A/D转换器可将模拟信号氏接转换为数字信号，这类A/D转换器具有较快的转换速度，其典型电路有并行比较型A/D转换器、逐次比较型A/D转换器。而间接A/D转换器则是先将模拟信号转换成某一中间电量(时间或频率)，然后再将中间电量转换为数字量输出。此类A/D转换器的速度较慢，典型电路是双积分型A/D转换器、电压频率转换型A/D转换器。按其采样速度和精度可分为：多比较器快速(Flash)ADC；数字跃升式(Digita
8、lRamp)ADC：逐次逼近ADC；管道ADC；Sigma-DeltaADCo1.并行比较ADC(闪烁型ADC)电町信号Ri禺Rh参考电压负采样时钟;v位输出输出帘存器图3闪烁型模数转换器结构图与一般模数转换器相比，闪烁型模数转换器速度是最快的。由丁不用逐次比较，它对N位数据不是转换N次，而是只转换一次，所以速度大为提高。图3所示为N位闪烁型模数转换器的原理。转换器内有一定参考电压，模拟输入信号被同时加到2N1个锁存比较器。每个比较器的参考电压由电阻网络构成的分压器引出，其参考电压比下一个比较器的参考电压高一个最低有效位。当模拟信号输入时，风参考电压比模拟信号低的那些比较器均输出高电平(逻辑1
9、),反之输出低电平(逻辑0)。这样得到的数码称之为温度计码。该码被加到译码逻辑电路，然后送到二进制数据输出驱动器上的输出寄存器。尽管闪烁型转换器具有极快的速度(最高1GHz的采样速率),但其分辨率受限丁管芯尺寸、过大的输入电容以及数量巨大的比较器所产生的功率消耗。结构重复的并行比较器之间还耍求精密地匹配，因此任何失配都会造成静态误差,如使输入失调电压(或电流)增大。特点：(1) 由丁转换是并行的，其转换时间只受比较器、触发器和编码电路延迟时间的限制，因此转换速度最快。(2) 随着分辨率的提高，元件数目要按儿何级数增加。一个n位转换器，所用比较器的个数为2n-1,如8位的并行A/D转换器就需要2
10、8-1=255个比较器。由丁位数愈多，电路愈复杂，因此制成分辨率较高的集成并行A/D转换器是比较困难的。(3) 精度取决丁分压网络和比较电路。(4) 动态范围取决TVref.以3位并行比较型A/D转换器为例，详细说明其原理，原理电路如图3(b)1DCLD2(MSR)图3(b)3位并行A/D转换器工作原理：图中的8个电阻将参考电压Vref分成8个等级，其中7个等级的电压分别作为7个比较器0C?的参考电压，其数值分别为Uref/15、3Vref/15、13/ref/15o输入电压为“，它的大小决定各比较器的输出状态，如当0产Vref/15时,C7G的输出状态都为0；当3Vref/15i5Vref/
11、16时,比较器C6和C7的输出CO6=CO7=1，余各比较器的状态均为0。根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。优先编码器优先级别最高是b,最低的是/1。设变化范围是0Vref，输出3位数字量为D2DiDo,3位并行比较型A/D转换器的输入、输出关系如表1所示。表13位并行A/D转换器输入与输出关系对照表模拟输入比较器输出状态数字输出CoiC02C03C04C05C06C07D20Do0viVref/150000000000/ref/15vi3/ref/1500000010013UrefSvi5Vref/1500000110105/refmXv7/ref00001110117/ref/15Sv9/ref/1500011111009Vref/15vi11Vref/15001111110111Vref/15vi图42-模数转换器结构图三.ADC的应用实例ADC的实际应用例子，是使用温度传感器LM19.ADC变换器来读取温度,通过USB接口送入笔记本电脑，见下图。图3使用LM19和ADC121S101读取温度
