在电子系统中，模拟 - 数字转换器（ADC）扮演着至关重要的角色，它能够将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。下面我们将详细分析几种常见的 ADC 转换过程。
- 转换步骤
- 取样：这是将时间连续变化的信号转变为时间离散信号的过程。在实际应用中，通过周期性地对模拟信号进行采样，获取特定时刻的信号值，从而实现信号在时间上的离散化。
- 保持：对取样得到的信号进行保持，确保有足够的时间将其转换为数字信号。这一步骤对于后续的量化和编码过程非常关键，保证了信号的稳定性。
- 量化和编码：量化单位是数字信号位 LSB 所对应的模拟信号大小，用Δ表示。量化就是把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。由于模拟电压不一定能被Δ整除，会产生量化误差。编码则是将量化后的数值用二进制代码表示。划分量化电平有两种常见方法，一种是只舍不入法，另一种是有舍有入法。只舍不入法是将小于量化单位的部分舍去，而有舍有入法是根据小于或大于量化单位一半的情况进行舍入处理，有舍有入法的量化误差相对较小。
- 取样定理
取样定理指出，为了能够准确地恢复原始模拟信号，取样频率必须至少是模拟信号频率的两倍。这一定理为 ADC 的设计和应用提供了重要的理论依据，确保了信号转换的准确性。
在取样 - 保持电路中，当控制信号uL为高电平时，开关管T导通，电容Ch充电，输出电压uO等于输入电压uI，即uO=uI=uC。当uL为低电平时，T截止，电容Ch基本不放电，uO保持。然而，这里存在一个矛盾：为了使电容Ch充电速度快，输入电阻Ri越小越好；但为了使电路具有高输入电阻，Ri越大越好。为了解决这个问题，出现了改进电路，如 LF198。LF198 通过引入缓冲放大器等措施，既保证了快速充电，又提高了电路的输入电阻。其工作原理是利用缓冲放大器的高输入阻抗和低输出阻抗特性，将输入信号和电容充电过程隔离开来，从而优化了电路性能。
- 基本工作原理
逐次渐近型 A/D 转换器通过逐次比较的方式来确定数字输出。它从位开始，依次确定每一位的数值。在每比较中，将输入模拟信号与一个由内部 DAC 产生的参考电压进行比较，如果输入信号大于参考电压，则该位为 1；否则为 0。通过多次比较，逐步逼近输入模拟信号的数值。 - 转换过程举例
假设我们有一个 4 位的逐次渐近型 A/D 转换器，输入模拟电压为Vin。首先，将位（MSB）置为 1，由 DAC 产生对应的参考电压Vref，并与Vin进行比较。如果Vin≥Vref，则位保持为 1；否则置为 0。然后，依次对次高位、第三位和位进行同样的比较操作，终得到 4 位的数字输出。
- 电路组成和工作原理
双积分型 A/D 转换器主要由积分器、比较器、计数器和控制逻辑等部分组成。其工作过程分为两个阶段：阶段是对输入模拟信号进行固定时间的积分，积分时间为T1；第二阶段是对一个已知的参考电压进行反向积分，直到积分器输出为零，记录这个反向积分的时间T2。通过比较T1和T2的关系，就可以得到输入模拟信号的数字表示。 - 以 3 位二进制计数器为例说明双积分过程
在初始状态下，计数器清零，积分器输出为零。当开始转换时，对输入模拟信号进行积分，计数器开始计数。在T1时间结束时，计数器达到值（对于 3 位二进制计数器为 7），此时积分器的输出电压与输入模拟信号的平均值成正比。然后，切换到参考电压进行反向积分，计数器重新开始计数。当积分器输出为零时，计数器停止计数，此时计数器的值就代表了输入模拟信号的数字值。 - 定量分析
通过对双积分过程的数学推导，可以得到输入模拟信号Vin与计数器计数值N之间的关系。假设参考电压为Vref，时钟周期为Tc，则有Vin=2nNVref，其中n为计数器的位数。
转换精度是指 ADC 输出的数字信号与实际输入模拟信号之间的接近程度，通常用分辨率和量化误差来衡量。分辨率表示 ADC 能够分辨的模拟信号变化量，与 ADC 的位数有关，位数越多，分辨率越高。转换速度则是指 ADC 完成转换所需的时间，不同类型的 ADC 转换速度差异较大。例如，逐次渐近型 A/D 转换器的转换速度相对较快，而双积分型 A/D 转换器的转换速度较慢，但它具有较高的抗干扰能力。
综上所述，不同类型的 ADC 在转换过程、精度和速度等方面各有特点。在实际应用中，需要根据具体的需求来选择合适的 ADC，以满足系统的性能要求。
