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模數轉換器通常將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數字信號，ADC作為電路中重要的元器件，本文將介紹模數轉換器的基本原理、轉換步驟、主要技術指標以及不同類型ADC的特點。 1 模數轉換器的基本原理 將模擬量轉換成數字量的過程稱為“模數轉換”。完成模數轉換的電路 稱為模數轉換器，簡稱 ADC(Analog to Digital Converter)。 2 實現模數轉換的步驟 模數轉換一般要經過采樣、保持和量化、編碼這幾個步驟。 采樣定理：當采樣頻率大于模擬信號中最高頻率成分的兩倍時，采樣 值才能不失真的反映原來模擬信號。 3 模數轉換器的主要技術指標 轉換精度 集成 ADC 用分辨率和轉換誤差來描述轉換精度。 (1)分辨率 通常以輸出二進制或十進制數字的位數表示分辨率的高低，因為位數越多，量化單位越小，對輸入信號的分辨能力就越高。 例如：輸入模擬電壓的變化范圍為 0～5 V，輸出 8 位二進制數可以 分辨的最小模擬電壓為 5 V×2-8 =20 mV;而輸出 12 位二進制數可以 分辨的最小模擬電壓為 5 V×2-12≈1.22 mV。 (2) 轉換誤差 它是指在零點和滿度都校準以后，在整個轉換范圍內，分別測量各個 數字量所對應的模擬輸入電壓實測范圍與理論范圍之間的偏差，取其 中的最大偏差作為轉換誤差的指標。通常以相對誤差的形式出現，并 以 LSB 為單位表示。例如 ADC0801 的相對誤差為±? LSB。 轉換速度 完成一次模數轉換所需要的時間稱為轉換時間。大多數情況下，轉換 速度是轉換時間的倒數。 ADC 的轉換速度主要取決于轉換電路的類型，并聯比較型 ADC 的轉換速度最高(轉換時間可小于 50 ns)，逐次逼近型 ADC 次之(轉 換時間在 10～100μs 之間)，雙積分型 ADC 轉換速度最低(轉換時 間在幾十毫秒至數百毫秒之間)。 4 模數轉換器的構成及不同類型模數轉換器的特點 模數轉換器的種類很多，按工作原理的不同，可分成間接 ADC 和直 接 ADC。 間接 ADC 是先將輸入模擬電壓轉換成時間或頻率，然后再把這些中 間量轉換成數字量，常用的有中間量是時間的雙積分型 ADC。 直接 ADC 則直接轉換成數字量，常用的有并聯比較型 ADC 和逐次 逼近型 ADC。 并聯比較型ADC：由于并聯比較型ADC采用各量級同時并行比較， 各位輸出碼也是同時并行產生，所以轉換速度快是它的突出優點，同 時轉換速度與輸出碼位的多少無關。并聯比較型ADC的缺點是成本 高、功耗大。因為n位輸出的ADC，需要 2n 個電阻，(2n -1)個比較器和D觸發器，以及復雜的編碼網絡，其元件數量隨位數的增加，以 幾何級數上升。所以這種ADC適用于要求高速、低分辯率的場合。 逐次逼近型ADC：逐次逼近型ADC是另一種直接ADC，它也產生一 系列比較電壓VR，但與并聯比較型ADC不同，它是逐個產生比較電壓， 逐次與輸入電壓分別比較，以逐漸逼近的方式進行模數轉換的。逐次 逼近型ADC每次轉換都要逐位比較，需要(n+1)個節拍脈沖才能完 成，所以它比并聯比較型ADC 的轉換速度慢，比雙分積型ADC要快 得多，屬于中速ADC器件。另外位數多時，它需用的元器件比并聯比 較型少得多，所以它是集成ADC中，應用較廣的一種。 雙積分型 ADC：屬于間接型 ADC，它先對輸入采樣電壓和基準電壓 進行兩次積分，以獲得與采樣電壓平均值成正比的時間間隔，同時在 這個時間間隔內，用計數器對標準時鐘脈沖(CP)計數，計數器輸 出的計數結果就是對應的數字量。雙積分型 ADC 優點是抗干擾能力 強;穩定性好;可實現高精度模數轉換。主要缺點是轉換速度低，因此這種轉換器大多應用于要求精度較高而轉換速度要求不高的儀器 儀表中，例如用于多位高精度數字直流電壓表中。 |
