簡介
A/D轉換器模數轉換器即A/D轉換器，或簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉變為數位訊號的電子元件。通常的模數轉換器是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數位訊號。由於數位訊號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準，比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小。而輸出的數字量則表示輸入信號相對於參考信號的大小。
用途
A/D轉換器是一種能把輸入模擬電壓或電流變成與它成正比的數字量，即能把被控對象的各種模擬信息變成計算機可以識別的數字信息。種類
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Halfflash(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-FrequencyConverter)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。
原理
隨著數字電子技術的迅速發展，各種數字設備，特別是數字電子計算機的套用日益廣泛，幾乎滲透到國民經濟的所有領域之中。數字計算機只能夠對數位訊號進行處理，處理的結果還是數字量，它在用於生產過程自動控制的時候，所要處理的變數往往是連續變化的物理量，如溫度、壓力、速度等都是模擬量，這些非電子信號的模擬量先要經過感測器變成電壓或者電流信號，然後再轉換成數字量，才能夠送往計算機進行處理。模擬量轉換成數字量的過程被稱為模數轉換，簡稱A/D(Analogto Digital)轉換；完成模數轉換的電路被稱為A/D轉換器，簡稱ADC(AnalogtoDigitalConverter)。 數字量轉換成模擬量的過程稱為數模轉換，簡稱D/A(Digitalto Analog)轉換；完成數模轉換的電路稱為D/A轉換器，簡稱DAC(DigitaltoAnalogConverter)。模擬信號由感測器轉換為電信號，經放大送入AD轉換器轉換為數字量，由數字電路進行處理，再由 DA轉換器還原為模擬量，去驅動執行部件。為了保證數據處理結果的準確性， AD轉換器和DA轉換器必須有足夠的轉換精度。同時，為了適應快速過程的控制和檢測的需要，AD轉換器和 DA轉換器還必須有足夠快的轉換速度。因此，轉換精度和轉換速度乃是衡量AD轉換器和DA轉換器性能優劣的主要標誌。
主要技術指標
A/D轉換器1.轉換精度
單片集成A/D轉換器的轉換精度是用解析度和轉換誤差來描述的。
（1）解析度
A/D轉換器的解析度以輸出二進制（或十進制）數的位數表示。它說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。從理論上講，n位輸出的A/D轉換器能區分個不同等級的輸入模擬電壓，能區分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/。在最大輸入電壓一定時，輸出位數越多，量化單位愈小，解析度愈高。例如A/D轉換器輸出為8位二進制數，輸出信號最大值為5V，那么這個轉換器應能區分出輸入信號的最小電壓為19.53mV。
（2）轉換誤差
轉換誤差通常以輸出誤差的最大值形式給出。它表示A/D轉換器實際輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差別。常用最低有效位的倍數表示。例如，給出相對誤差≤LSB/2，這就說明實際輸出的數字量和理論上應得到的輸出數字量之間的誤差1。
2.轉換時間
轉換時間是指A/D轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出得到穩定的數位訊號所經過的時間。A/D轉換器的轉換時間與轉換電路的類型有關。不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠。其中並行比較A/D轉換器的轉換速度最高，8位二進制輸出的單片集成A/D轉換時間可達50ns以內，逐次比較型A/D轉換器次之，他們多數轉換時間在10~50μs之間，也有達幾百納秒的。間接A/D轉換器的速度最慢，如雙積分A/D轉換器的轉換時間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。在實際套用中應從系統數據總的位數、精度要求、輸入模擬信號的範圍及輸入信號極性等方面綜合考慮A/D轉換器的作用
轉換方法
模數轉換過程包括量化和編碼。量化是將模擬信號量程分成許多離散量級，並確定輸入信號所屬的量級。編碼是對每一量級分配唯一的數字碼，並確定與輸入信號相對應的代碼。最普通的碼制是二進制，它有2的n次方個量級（n為位數）,可依次逐個編號。模數轉換的方法很多，從轉換原理來分可分為直接法和間接法兩大類。 直接法是直接將電壓轉換成數字量。它用數模網路輸出的一套基準電壓，從高位起逐位與被測電壓反覆比較，直到二者達到或接近平衡（見圖）。控制邏輯能實現對分搜尋的控制，其比較方法如同天平稱重。先使二進位制數的最高位Dn-1=1，經數模轉換後得到一個整個量程一半的模擬電壓VS，與輸入電壓Vin相比較，若Vin>VS,則保留這一位；若Vin<Vs，則Dn-1=0。然後使下一位Dn-2=1,與上一次的結果一起經數模轉換後與Vin相比較,重複這一過程，直到使D0=1，再與Vin相比較,由Vin>VS還是Vin<V來決定是否保留這一位。經過n次比較後，n位暫存器的狀態即為轉換後的數據。這種直接逐位比較型（又稱反饋比較型）轉換器是一種高速的數模轉換電路，轉換精度很高，但對干擾的抑制能力較差，常用提高數據放大器性能的方法來彌補。它在計算機接口電路中用得最普遍。
間接法不將電壓直接轉換成數字，而是首先轉換成某一中間量,再由中間量轉換成數字。常用的有電壓-時間間隔(V/T)型和電壓-頻率(V/F)型兩種，其中電壓-時間間隔型中的雙斜率法（又稱雙積分法）用得較為普遍。 模數轉換器的選用具體取決於輸入電平、輸出形式、控制性質以及需要的速度、解析度和精度。 用半導體分立元件製成的模數轉換器常常採用單元結構，隨著大規模積體電路技術的發展，模數轉換器體積逐漸縮小為一塊模板、一塊積體電路。
舉例說明
例1：對於一個2位的電壓模數轉換器，如果將參考設為1V，那么輸出的信號有00、01、10、11，4種編碼，分別代表輸入電壓在0V-0.25V,0.26V-0.5V,0.51V-0.75V,0.76V-1V時的對應輸入。分為4個等級編碼，當一個0.8V的信號輸入時，轉換器輸出的數據為11。例2：對於一個4位的電壓模數轉換器，如果將參考設為1V，那么輸出的信號有0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111，16種編碼，分別代表輸入電壓在0V-0.0625V,0.0626V-0.125V,...........0.9376V-1V。分為16個等級編碼（比較精確）當一個0.8V的信號輸入時，轉換器輸出的數據為1100。
