一、名稱表述
A/Dabbr.
[軍] Analog.Digital, 模擬/數字
A/D
[縮]單儀器模數轉換
二、基本概念
隨著數位技術，特別是信息技術的飛速發展與普及，在現代控制、通信及檢測等領域，為了提高系統的性能指標，對信號的處理廣泛採用了數字計算機技術。由於系統的實際對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），要使計算機或數字儀表能識別、處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉換成數位訊號；而經計算機分析、處理後輸出的數字量也往往需要將其轉換為相應模擬信號才能為執行機構所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號與數位訊號之間起橋樑作用的電路--模數和數模轉換器。將模擬信號轉換成數位訊號的電路，稱為模數轉換器（簡稱A/D轉換器或ADC,Analog to Digital Converter）；將數位訊號轉換為模擬信號的電路稱為數模轉換器（簡稱D/A轉換器或DAC,Digital to Analog Converter）；A/D轉換器和D/A轉換器已成為信息系統中不可缺少的接口電路。
為確保系統處理結果的精確度，A/D轉換器和D/A轉換器必須具有足夠的轉換精度；如果要實現快速變化信號的實時控制與檢測，A/D與D/A轉換器還要求具有較高的轉換速度。轉換精度與轉換速度是衡量A/D與D/A轉換器的重要技術指標。隨著集成技術的發展，現已研製和生產出許多單片的和混合集成型的A/D和D/A轉換器，它們具有愈來愈先進的技術指標。
三、分類
1、模數轉換(ADC)
ADC，Analog-to-Digital Converter的縮寫，指模/數轉換器或者模擬/數字轉換器模數轉換的概念：
亦稱模擬一數字轉換，與數/模(D/A)轉換相反，是將連續的模擬量（如象元的灰階、電壓、電流等）通過取樣轉換成離散的數字量。例如，對圖象掃描後，形成象元列陣，把每個象元的亮度（灰階）轉換成相應的數字表示，即經模/數轉換後，構成數字圖象。通常有電子式的模/數轉換和機電式模/數轉換二種。在遙感中常用於圖象的傳輸，存貯以及將圖象形式轉換成數字形式的處理。例如：圖像的數位化等。
信號數位化是對原始信號進行數字近似，它需要用一個時鐘和一個模數轉換器來實現。所謂數字近似是指以N-bit的數位訊號代碼來量化表示原始信號，這種量化以bit為單位，可以精細到1/2^N。時鐘決定信號波形的採樣速度和模數轉換器的變換速率。轉換精度可以做到24bit，而採樣頻率也有可能高達1GHZ，但兩者不可能同時做到。通常數字位數越多，裝置的速度就越慢。
模數轉換的過程：
模數轉換包括採樣、保持、量化和編碼四個過程。在某些特定的時刻對這種模擬信號進行測量叫做採樣，量化噪聲及接收機噪聲等因素的影響，採樣速率一般取 fS=2.5fmax。通常採樣脈衝的寬度 tw 是很短的，故採樣輸出是斷續的窄脈衝。要把一個採樣輸出信號數位化，需要將採樣輸出所得的瞬時模擬信號保持一段時間，這就是保持過程。 量化是將連續幅度的抽樣信號轉換成離散時間、離散幅度的數位訊號，量化的主要問題就是量化誤差。假設噪聲信號在量化電平中是均勻分布的， 則量化噪聲均方值與量化間隔和模數轉換器的輸入阻抗值有關。編碼是將量化後的信號編碼成二進制代碼輸出。這些過程有些是合併進行的，例如，採樣和保持就利用一個電路連續完成，量化和編碼也是在轉換過程中同時實現的， 且所用時間又是保持時間的一部分。
模/數轉換器（ADC）的主要性能參數：
解析度： 它表明A/D對模擬信號的分辨能力，由它確定能被A/D辨別的最小模擬量變化。一般來說，A/D轉換器的位數越多，其解析度則越高。實際的A/D轉換器，通常為8，10，12，16位等。
量化誤差 ：在A/D轉換中由於整量化產生的固有誤差。量化誤差在±1/2LSB（最低有效位）之間。
例如：一個8位的A/D轉換器，它把輸入電壓信號分成2^8=256層，若它的量程為0~5V，那么，量化單位q為：
q = = ≈0.0195V=19.5mV
q正好是A/D輸出的數字量中最低位LSB=1時所對應的電壓值。因而，這個量化誤差的絕對值是轉換器的解析度和滿量程範圍的函式。
轉換時間 ：轉換時間是A/D完成一次轉換所需要的時間。一般轉換速度越快越好，常見有高速（轉換時間<1us）、中速（轉換時間<1ms）和低速（轉換時間<1s）等。
絕對精度：對於A/D，指的是對應於一個給定量，A/D轉換器的誤差，其誤差大小由實際模擬量輸入值與理論值之差來度量。
相對精度：對於A/D，指的是滿度值校準以後，任一數字輸出所對應的實際模擬輸入值（中間值）與理論值（中間值）之差。例如，對於一個8位0~+5V的A/D轉換器，如果其相對誤差為1LSB，則其絕對誤差為19.5mV，相對誤差為0.39%。
2、數模轉換(DAC)
DAC是Digital Analog Converter(數字模擬信號轉換器)的縮寫數模轉換的概念：數模轉換器，又稱D/A轉換器，簡稱DAC，它是把數字量轉變成模擬的器件。D/A轉換器基本上由4個部分組成，即權電阻網路、運算放大器、基準電源和模擬開關。模數轉換器中一般都要用到數模轉換器，模數轉換器即A/D轉換器，簡稱ADC，它是把連續的模擬信號轉變為離散的數位訊號的器件。
數模轉換的原理：數字量是用代碼按數位組合起來表示的，對於有權碼，每位代碼都有一定的位權。為了將數字量轉換成模擬量，必須將每1位的代碼按其位權的大小轉換成相應的模擬量，然後將這些模擬量相加，即可得到與數字量成正比的總模擬量，從而實現了數字—模擬轉換。這就是組成D/A轉換器的基本指導思想。
左圖表示了4位二進制數字量與經過D/A轉換後輸出的電壓模擬量之間的對應關係。 由左圖還可看出，兩個相鄰數碼轉換出的電壓值是不連續的，兩者的電壓差由最低碼位代表的位權值決定。它是信息所能分辨的最小量，也就是我們所說的用1LSB(Least Significant Bit)表示。對應於最大輸入數字量的最大電壓輸出值（絕對值），用FSR(Full Scale Range)表示。
D/A轉換器由數碼暫存器、模擬電子開關電路、解碼網路、求和電路及基準電壓幾部分組成。數字量以串列或並行方式輸入、存儲於數碼暫存器中，數字暫存器輸出的各位數碼，分別控制對應位的模擬電子開關，使數碼為1的位在位權網路上產生與其權值成正比的電流值，再由求和電路將各種權值相加，即得到數字量對應的模擬量。
數/模轉換器（DAC）的主要性能參數：
解析度 ：解析度表明DAC對模擬量的分辨能力，它是最低有效位（LSB）所對應的模擬量，它確定了能由D/A產生的最小模擬量的變化。通常用二進制數的位數表示DAC的解析度，如解析度為8位的D/A能給出滿量程電壓的1/28的分辨能力，顯然DAC的位數越多，則解析度越高。
線性誤差 ：D/A的實際轉換值偏離理想轉換特性的最大偏差與滿量程之間的百分比稱為線性誤差。
建立時間 ：這是D/A的一個重要性能參數，定義為：在數字輸入端發生滿量程碼的變化以後，D/A的模擬輸出穩定到最終值±1/2LSB時所需要的時間。
溫度靈敏度：它是指數字輸入不變的情況下，模擬輸出信號隨溫度的變化。一般D/A轉換器的溫度靈敏度為±50PPM/℃。PPM為百萬分之一。
輸出電平：不同型號的D/A轉換器的輸出電平相差較大，一般為5V~10V，有的高壓輸出型的輸出電平高達24V~30V。
四、A/D模組電路設計
本實例的A/D模組採用流水線結構的12位模－數轉換器（ADC），內部由流水線ADO、基準電壓源、控制邏輯、FIFO、緩衝器、採樣保持器和多路器切換開關等組成。其功能有：·片選信號CS，低電平有效，設定片選信號，以便與各種處理器連線。
·轉換時鐘或啟動轉換信號，單次轉換時為啟動轉換，連續轉換時是時鐘輸入信號。
·數據有效可以讀取信號，可作為轉換結束或數據準備好信號輸出。
·模擬單端輸入時，分別接外部信號，差分輸入時，前後兩個端子分別組成一對差分
輸入端。
·讀信號RD、寫WR或讀寫組合信號，實現數據的輸入輸出控制。
·模擬電源、數字電源和緩衝器電源的輸入端，一股前者採用5V電源，後兩者採用3．3V電源。
值得注意的是，A/D模組內部的FIFO安排成環形，採用讀取點、寫入點和觸發點控制讀寫操作，如圖1所示。
系統採用中斷方式來設計A/D模組，其工作原理是由ARM的CLK時鐘連線A/D晶片的轉換時鐘控制採樣保持和A/D變換。這樣讓設定通道的信號同時採樣保持，然後分別轉換為數位訊號並自動順序寫入FIFO，同時FIFO的寫入點向前移動，指示下一個寫入點；當FIFO內的數據達到預定的觸發深度時，發出數據就緒信號申請中斷，ARM回響中斷讀取轉換數據，同時清除信號，讀取點和觸發點向前移動。晶片的工作方式由兩個暫存器控制，通過編寫ARM程式寫暫存器，可以選擇使用通道、工作模式、∏FO觸發深度、極性與觸發方式等。
五、A/D轉換過程
A/D轉換可分為4個階段：即採樣、保持、量化和編碼。採樣就是將一個時間上連續變化的信號轉換成時間上離散的信號，根據奈奎斯特採樣定理fsZZfh，如果採樣信號頻率大於或等於2倍的最高頻率成分，則可以從採樣後的信號無失真地重建恢復原始信號。考慮到模數轉換器件的非線性失真、量化噪聲及接收機噪聲等因素的影響，採樣頻率一般取2．5～3倍的最高頻率成分。
要把一個採樣信號準確地數位化，就需要將採樣所得的瞬時模擬信號保持一段時間，這就是保持過程。保持是將時間離散、數值連續的信號變成時間連續、數值離散信號，雖然邏輯上保持器是一個獨立的單元，但是，實際上保持器總是與採樣器做在一起，兩者合稱採樣保持器。圖給出了A/D採樣電路的採樣時序圖，採樣輸出的信號在保持期間即可進行量化和編碼。
量化是將時間連續、數值離散的信號轉換成時間離散、幅度離散的信號；編碼是將量化後的信號編碼成二進制代碼輸出。到此，也就完成了A/D轉換，這些過程通常是合併進行的。例如，採樣和保持就經常利用一個電路連續完成，量化和編碼也是在保持過程中實現的。
六、發展歷史
計算機、數字通訊等數字系統是處理數位訊號的電路系統。然而，在實際套用中，遇到的大都是連續變化的模擬量，因此，需要一種接口電路將模擬信號轉換為數位訊號。A/D轉換器正是基於這種要求應運而生的。1970年代初，由於MOS工藝的精度還不夠高，所以模擬部分一般採用雙極工藝，而數字部分則採用MOS工藝，而且模擬部分和數字部分還不能做在同一個晶片上。因此，A/D轉換器只能採用多晶片方式實現，成本很高。1975年，一個採用NMOS工藝的10位逐次逼近型A/D轉換器成為最早出現的單片A/D轉換器。1976年，出現了解析度為11位的單片CMOS積分型A/D轉換器。此時的單片集成A/D轉換器中，數字 部分占主體，模擬部分只起次要作用；而且，此時的MOS工藝相對於雙極工藝還存在許多不足。1980年代，出現了採用BiCMOS工藝製作的單片集成A/D轉換器，但是工藝複雜，成本高。隨著CMOS工藝的不斷發展，採用CMOS工藝製作單片A/D轉換器已成為主流。這種A/D轉換器的成本低、功耗小。1990年代，攜帶型電子產品的普遍套用要求A/D轉換器的功耗儘可能地低。當時的A/D轉換器功耗為mW級，而現在已經可以降到μW級。A/D轉換器的轉換精度和速度也在不斷提高，目前，A/D轉換器的轉換速度已達到數百MSPS，解析度已經達到24位。
七、發展趨勢
當前，數字處理系統正在飛速發展，在視頻領域，高清晰度數位電視系統(HDTV)的出現，將廣播電視推向了一個更高的台階，HDTV的解析度與普通電視相比至少提高了一倍。在通信領域，過去無線通信系統的設計都是靜態的，只能在規定範圍內的特定頻段上使用專用調製器、編碼器和信道協定。而軟體無線電技術(SDR)能更加靈活、有效地利用頻譜，並能方便地升級和跟蹤新技術，大大地推動了無線通信系統的發展。在高精度測量領域，高級儀表的解析度在不斷提高，電流到達μA量級，電壓到達mV甚至更低；在音頻領域，各種高性能專業音頻處理設備不斷湧現，如DVD-Audio和超級音頻CD(SACD)，它們能處理更高質量的音頻信號。為了滿足數字系統的發展要求，A/D轉換器的性能也必須不斷提高，它將主要向以下幾個方向發展:
1.高轉換速度:
現代數字系統的數據處理速度越來越快，要求獲取數據的速度也要不斷提高。比如，在軟體無線電系統中，A/D轉換器的位置是非常關鍵的，它要求A/D轉換器的最大輸入信號頻率在1GHz和5GHz之間，以目前的技術水平，還很難實現。因此，向超高速A/D轉換器方向發展的趨勢是清晰可見的。
2.高精度：
現代數字系統的解析度在不斷提高，比如，高級儀表的最小可測值在不斷地減小，因此，A/D轉換器的解析度也必須隨之提高;在專業音頻處理系統中，為了能獲得更加逼真的聲音效果，需要高精度的A/D轉換器。目前，最高精度可達24位的A/D轉換器也不能滿足要求。現在，人們正致力於研製更高精度的A/D轉換器。
3.低功耗：
片上系統(SOC)已經成為集成電路發展的趨勢，在同一塊晶片上既有模擬電路又有數字電路。為了完成複雜的系統功能，大系統中每個子模組的功耗應儘可能地低，因此，低功耗A/D轉換器是必不可少的。在以往的設計中，5MSPS8～12位解析度A/D轉換器的典型功耗為100～150mW。這遠不能滿足片上系統的發展要求，所以，低功耗將是A/D轉換器一個必然的發展趨勢。
總之，各種技術和工藝的相互滲透，揚長避短，開發出適合各種套用場合，能滿足不同需求的A/D轉換器，將是模擬/數字轉換技術的未來發展趨勢;高速、高精度、低功耗A/D轉換器將是今後數據轉換器發展的重點。
