基本介紹
- 中文名：AD轉換
- 外文名：Analog-to-Digital Convert
- 別稱：模數轉換
- 解釋：把模擬信號轉換成數位訊號
分類,技術指標,原理,簡介,逐次逼近法,雙積分法,電壓頻率轉換法,
分類
1）積分型（如TLC7135）
積分型AD工作原理是將輸入電壓轉換成時間(脈衝寬度信號)或頻率(脈衝頻率)，然後由定時器/計數器獲得數字值。其優點是用簡單電路就能獲得高解析度， 但缺點是由於轉換精度依賴於積分時間，因此轉換速率極低。初期的單片AD轉換器大多採用積分型，現在逐次比較型已逐步成為主流。
2）逐次比較型（如TLC0831）
逐次比較型AD由一個比較器和DA轉換器通過逐次比較邏輯構成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內置DA轉換器輸出進行比較，經n次比較而輸出 數字值。其電路規模屬於中等。其優點是速度較高、功耗低，在低分辯率（<12位）時價格便宜，但高精度（>12位）時價格很高。
3）並行比較型/串並行比較型（如TLC5510）
並行比較型AD採用多個比較器，僅作一次比較而實行轉換，又稱FLash(快速)型。由於轉換速率極高，n位的轉換需要2n-1個比較器，因此電路規模也極大，價格也高，只適用於視頻AD轉換器等速度特別高的領域。
串並行比較型AD結構上介於並行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n/2位的並行型AD轉換器配合DA轉換器組成，用兩次比較實行轉換，所以稱為 Half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實現AD轉換的叫做分級（Multistep/Subrangling）型AD，而從轉換時序角度 又可稱為流水線（Pipelined）型AD，現代的分級型AD中還加入了對多次轉換結果作數字運算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高，電路 規模比並行型小。
4）Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)調製型（如AD7705）
Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉換器和數字濾波器等組成。原理上近似於積分型，將輸入電壓轉換成時間(脈衝寬度)信號，用數字濾波器處理後得到數字值。電路的數字部分基本上容易單片化，因此容易做到高解析度。主要用於音頻和測量。
5）電容陣列逐次比較型
電容陣列逐次比較型AD在內置DA轉換器中採用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉換器中多數電阻的值必須一致，在單晶片上生成高 精度的電阻並不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本製成高精度單片AD轉換器。最近的逐次比較型AD轉換器大多為電容陣列式的。
6）壓頻變換型（如AD650）
壓頻變換型（Voltage-Frequency Converter）是通過間接轉換方式實現模數轉換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉換成頻率，然後用計數器將頻率轉換成數字量。從理論上講這種AD的解析度幾乎可以無限增加，只要採樣的時間能夠滿足輸出頻率解析度要求的累積脈衝個數的寬度。其優點是分辯率高、功耗低、價格低，但是需要外部計數電路共同完成AD轉換。
技術指標
1）解析度(Resolution) 指數字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2^n的比值。解析度又稱精度，通常以數位訊號的位數來表示。
2） 轉換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉換到數字的AD轉換所需的時間的倒數。積分型AD的轉換時間是毫秒級屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級屬中速AD，全並行/串並行型AD可達到納秒級。採樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉換的間隔。為了保證轉換的正確完成，採樣速率 (Sample Rate)必須小於或等於轉換速率。因此有人習慣上將轉換速率在數值上等同於採樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表 示每秒採樣千/百萬次（kilo / Million Samples per Second）。
3）量化誤差 (Quantizing Error) 由於AD的有限解析度而引起的誤差，即有限解析度AD的階梯狀轉移特性曲線與無限解析度AD（理想AD）的轉移特 性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。
4）偏移誤差(Offset Error) 輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調至最小。
5）滿刻度誤差(Full Scale Error) 滿度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。
6）線性度(Linearity) 實際轉換器的轉移函式與理想直線的最大偏移，不包括以上三種誤差。
其他指標還有：絕對精度(Absolute Accuracy) ，相對精度(Relative Accuracy)，微分非線性，單調性和無錯碼，總諧波失真（Total Harmonic Distotortion縮寫THD）和積分非線性。
原理
簡介
A/D轉換後，輸出的數位訊號可以有8位、10位、12位、14位和16位等。
A/D轉換器的工作原理，主要介紹以下三種方法：
1.逐次逼近法；
2.雙積分法；
3.電壓頻率轉換法。
A/D轉換四步驟：採樣、保持、量化、編碼。
逐次逼近法
逐次逼近式A/D是比較常見的一種A/D轉換電路，轉換的時間為微秒級。
採用逐次逼近法的A/D轉換器是由一個比較器、D/A轉換器、緩衝暫存器及控制邏輯電路組成，如圖所示。基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進行試探。逐次逼近法轉換過程是：初始化時將逐次逼近暫存器各位清零；轉換開始時，先將逐次逼近暫存器最高位置1，送入D/A轉換器，經D/A轉換後生成的模擬量送入比較器，稱為 Vo，與送入比較器的待轉換的模擬量Vi進行比較，若Vo<Vi，該位1被保留，否則被清除。然後再置逐次逼近暫存器次高位為1，將暫存器中新的數字量送D/A轉換器，輸出的 Vo再與Vi比較，若Vo<Vi，該位1被保留，否則被清除。重複此過程，直至逼近暫存器最低位。轉換結束後，將逐次逼近暫存器中的數字量送入緩衝暫存器，得到數字量的輸出。逐次逼近的操作過程是在一個控制電路的控制下進行的。
逐次逼近式AD轉換器原理圖
逐次逼近式AD轉換器原理圖雙積分法
採用雙積分法的A/D轉換器由電子開關、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。如下圖所示。
基本原理是將輸入電壓變換成與其平均值成正比的時間間隔，再把此時間間隔轉換成數字量，屬於間接轉換。 雙積分法A/D轉換的過程是：先將開關接通待轉換的模擬量Vi，Vi採樣輸入到積分器，積分器從零開始進行固定時間T的正向積分，時間T到後，開關再接通與Vi極性相反的基準電壓VREF，將VREF輸入到積分器，進行反向積分，直到輸出為0V時停止積分。Vi越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時間也越長。計數器在反向積分時間內所計的數 值，就是輸入模擬電壓Vi所對應的數字量，實現了A/D轉換。 雙積分式AD轉換原理圖
雙積分式AD轉換器原理圖
雙積分式AD轉換器原理圖電壓頻率轉換法
採用電壓頻率轉換法的A/D轉換器，由計數器、控制門及一個具有恆定時間的時鐘門控制信號組成，如圖4.23所示。
電壓頻率式AD轉換器原理圖
電壓頻率式AD轉換器原理圖它的工作原理是V/F轉換電路把輸入的模擬電壓轉換成與模擬電壓成正比的脈衝信號。電壓頻率轉換法
電壓頻率轉換法的工作過程是：當模擬電壓Vi加到V/F的輸入端，便產生頻率F與Vi成正比的脈衝，在一定的時間內對該脈衝信號計數，時間到，統計到計數器的計數值正比於輸入電壓Vi，從而完成A/D轉換。
2.A/D轉換器性能指標 電壓頻率式AD轉換原理圖
解析度
穩定時間（又稱轉換時間）
量程
精度
