A/D转换器

概述

　　将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称a/d转换器或adc,analog to digital converter），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，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4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。

工作原理

　　主要介绍以下三种方法：逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法

　　1、逐次逼近法

　　逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。

　　采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图4.21所示。

　　基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。

　　逐次逼近法

　　逐次逼近法  转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为    Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖi进行比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的    Ｖo再与Ｖi比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。

　　2、双积分法

　　采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。如图4.22所示。

　　基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。

　　双积分法

　　图4.22  双积分式A/D转换的原理框图

　　双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Ｖi，Ｖi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间Ｔ的正向积分，时间Ｔ到后，开关再接通与Ｖi极性相反的基准电压ＶＲＥF，将ＶＲＥF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。Ｖi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Ｖi所对应的数字量，实现了A/D转换。

　　3、电压频率转换法

　　采用电压频率转换法的A/D转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成，如图4.23所示。

　　它的工作原理是Ｖ/F转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。

　　电压频率转换法

　　图4.23 电压频率式A/D转换原理框图

　　电压频率转换法的工作过程是：当模拟电压Ｖi加到V/F的输入端，便产生频率F与Vi成正比的脉冲，在一定的时间内对该脉冲信号计数，时间到，统计到计数器的计数值正比于输入电压Vi，从而完成A/D转换。

性能指标

　　1、分辨率

　　2、稳定时间（又称转换时间）

　　3、量程

　　4、精度

发展趋势

　　当前，数字处理系统正在飞速发展，在视频领域，高清晰度数字电视系统(HDTV)的出现，将广播电视推向了一个更高的台阶，HDTV的分辨率与普通电视相比至少提高了一倍。在通信领域，过去无线通信系统的设计都是静态的，只能在规定范围内的特定频段上使用专用调制器、编码器和信道协议。而软件无线电技术(SDR)能更加灵活、有效地利用频谱，并能方便地升级和跟踪新技术，大大地推动了无线通信系统的发展。在高精度测量领域，仪表的分辨率在不断提高，电流到达μA量级，电压到达mV甚至更低；在音频领域，各种高性能音频处理设备不断涌现，如DVD-Audio和超级音频CD(SACD)，它们能处理更高质量的音频信号。

　　为了满足数字系统的发展要求，A/D转换器的性能也必须不断提高，它将主要向以下几个方向发展:

　　1.高转换速度: 现代数字系统的数据处理速度越来越快，要求获取数据的速度也要不断提高。比如，在软件无线电系统中，A/D转换器的位置是非常关键的，它要求A/D转换器的输入信号频率在1GHz和5GHz之间，以目前的技术水平，还很难实现。因此，向超高速A/D转换器方向发展的趋势是清晰可见的。

　　2.高精度：现代数字系统的分辨率在不断提高，比如，仪表的最小可测值在不断地减小，因此，A/D转换器的分辨率也必须随之提高;在音频处理系统中，为了能获得更加逼真的声音效果，需要高精度的A/D转换器。目前，精度可达24位的A/D转换器也不能满足要求。现在，人们正致力于研制更高精度的A/D转换器。

　　3.低功耗：片上系统(SOC)已经成为集成电路发展的趋势，在同一块芯片上既有模拟电路又有数字电路。为了完成复杂的系统功能，大系统中每个子模块的功耗应尽可能地低，因此，低功耗A/D转换器是必不可少的。在以往的设计中，5MSPS8～12位分辨率A/D转换器的典型功耗为100～150mW。这远不能满足片上系统的发展要求，所以，低功耗将是A/D转换器一个必然的发展趋势。

 　　总之，各种技术和工艺的相互渗透，扬长避短，开发出适合各种应用场合，能满足不同需求的A/D转换器，将是模拟/数字转换技术的未来发展趋势;高速、高精度、低功耗A/D转换器将是今后数据转换器发展的重点。