簡述模數(A/D)轉換器工作原理
2022/10/25 15:50:57 點擊：
A/D轉換器(Analog-to-Digital Converter)又叫模/數轉換器,即是將模擬信號(電壓或是電流的形式)轉換成數字信號。這種數字信號可讓儀表,計算機外設接口或是微處理機來加以操作或勝作使用。
A/D 轉換器 (ADC)的型式有很多種，方式的不同會影響測量后的精準度。
A/D 轉換器的功能是把模擬量變換成數字量。由于實現這種轉換的工作原理和采用工藝技術不同，因此生產出種類繁多的A/D 轉換芯片。
A/D 轉換器按分辨率分為4 位、6 位、8 位、10 位、14 位、16 位和BCD碼的31/2 位、51/2 位等。按照轉換速度可分為超高速（轉換時間=330ns），次超高速（330~3.3μS），高速（轉換時間3.3~333μS），低速（轉換時間＞330μS）等。
A/D 轉換器按照轉換原理可分為直接A/D 轉換器和間接A/D 轉換器。所謂直接A/D 轉換器，是把 模擬信號直接轉換成數字信號，如逐次逼近型，并聯比較型等。其中逐次逼近型A/D 轉換器，易于用集成工藝實現，且能達到較高的分辨率和速度，故目前集成化A/D 芯片采用逐次逼近型者多；間接A/D 轉換器是先把模擬量轉換成中間量，然后再轉換成數字量，如電壓/時間轉換型（積分型），電壓/頻率轉換型，電壓/脈寬轉換型等。 其中積分型A/D 轉換器電路簡單，抗干擾能力強，切能作到高分辨率，但轉換速度較慢。 有些轉換器還將多路開關、基準電壓源、時鐘電路、譯碼器和轉換電路集成在一個芯片內，已超出了單純A/D 轉換功能，使用十分方便。
ADC 經常用于通訊、數字相機、儀器和測量以及計算機系統中，可方便數字訊號處理和信息的儲存。大多數情況下，ADC 的功能會與數字電路整合在同一芯片上，但部份設備仍需使用獨立的ADC。行動電話是數字芯片中整合ADC 功能的例子，而具有更高要求的蜂巢式基地臺則需依賴獨立的ADC 以提供最佳性能。
ADC 具備一些特性，包括：
1. 模擬輸入，可以是單信道或多信道模擬輸入；
2. 參考輸入電壓，該電壓可由外部提供，也可以在ADC 內部產生；
3. 頻率輸入，通常由外部提供，用于確定ADC 的轉換速率；
4. 電源輸入，通常有模擬和
數字電源接腳；
5. 數字輸出，ADC 可以提供平行或串行的數字輸出。
在輸出位數越多(分辨率越好)以及轉換時間越快的要求下，其制造成本與單價就越貴。
一個完整的A/D轉換過程中，必須包括取樣、保持、量化與編碼等幾部分電路。
AD轉換器需注意的項目：
取樣與保持
量化與編碼
分辨率
轉換誤差
轉換時間
絕對精準度、相對精準度
取樣與保持
由于取樣時間極短，取樣輸出為一串斷續的窄脈沖。要把每個取樣的窄脈沖信號數字化，是需要一定的時間。 因此在兩次取樣之間，應將取樣的模擬信號暫時儲存到下個取樣脈沖到來，這個動作稱之為保持。在模擬電路設計上，因此需要增加一個取樣-保持電路。為了保證有正確轉換，模擬電路要保留著還未轉換的數據。 一個取樣-保持電路可保證模擬電路中取樣時，取樣時間的穩定并儲存，通常使用電容組件來儲存電荷。根據數字信號處理的基本原理，Nyquist取樣定理，若要能正確且忠實地呈現所擷取的模擬信號，必須取樣頻率至少高于最大頻率的2倍。
例如，若是輸入一個100Hz的正弦波的話，最小的取樣頻率至少要2倍，即是200Hz。
雖說理論值是如此，但真正在應用時，最好是接近10倍才會有不錯的還原效果(因取樣點越多)。若針對多信道的A/D轉換器來說，就必須乘上信道數，這樣平均下去，每一個通道才不會有失真的情況產生。
量化與編碼
量化與編碼 電路是A/D轉換器的核心組成的部分，一般對取樣值的量化方式有下列兩種：
只舍去不進位
首先取一最小量化單位Δ=U/2n，U是輸入模擬電壓的最大值，n是輸出數字數值的位數。 當輸入模擬電壓U在0~Δ之間，則歸入0Δ，當U在Δ~2Δ之間，則歸入1Δ。透過這樣的量化方法產生的最大量化誤差為Δ/2，而且量化誤差總是為正，+1/2LSB。
有舍去有進位
如果量化單位Δ=2U/(2 n+1–1)，當輸入電壓U在0～Δ/2之間，歸入0Δ，當U在Δ/2~3/2Δ之間的話，就要歸入1Δ。這種量化方法產生的最大量化誤差為Δ/2，而且量化誤差有正，有負，為±1/2LSB。
量化結果也造成了所謂的量化誤差。
解析度
指A/D轉換器所能分辨的最小模擬輸入量。通常用轉換成數字量的位數來表示，如8-bit，10-bit，12-bit與16-bit等。
位數越高，分辨率越高。若小于最小變化量的輸入模擬電壓的任何變化，將不會引起輸出數字值的變化。
采用12-bit 的AD574，若是滿刻度為10V的話，分辨率即為10V / 212 = 2.44mV。
而常用的8-bit 的ADC0804，若是滿刻度為5V的話，分辨率即為5V / 28 = 19.53mV。
選擇適用的A/D轉換器是相當重要的，并不是分辨率越高越好。
不需要分辨率高的場合，所擷取到的大多是噪聲。
分辨率太低，會有無法取樣到所需的信號。
轉換誤差
通常以相對誤差的形式輸出，其表示A/D轉換器實際輸出數字值與理想輸出數字值的差別，并用最低有效位LSB的倍數表示。
轉換時間
轉換時間是A/D轉換完成一次所需的時間。
從啟動信號開始到轉換結束并得到穩定的數字輸出值為止的時間間隔。轉換時間越短則轉換速度就越快。
精準度
對于A/D轉換器，精準度指的是在輸出端產生所設定的數字數值，其實際需要的模擬輸入值與理論上要求的模擬輸入值之差。
精確度依計算方式不同，可以區分為
絕對精確度
相對精確度；
所謂的絕對精確度是指實際輸出值與理想理論輸出值的接近程度，其相關的關系是如下式子所列：
絕對精確度＝
相對精準度指的是滿刻度值校準以后，任意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。
對于線性A/D轉換器，相對精準度就是它的線性程度。由于電路制作上影響，會產生像是非線性誤差，或是量化誤差等減低相對精準度的因素。
相對精確度是指實際輸出值與一理想理論之滿刻輸出值之接近程度，其相關的關系是如下式子所列：
相對精準度＝
基本上，一個n-bit的轉換器就有n個數字輸出位。這種所產生的位數值是等效于在A/D轉換器的輸入端的模擬大小特性值。
如果外部所要輸入電壓或是電流量較大的話，所轉換后的的位數值也就較大。
透過并列端口接口或是微處理機連接A/D轉換器時，必須了解如何去控制或是驅動這顆A/D轉換器的問題。因此需要了解到A/D轉換器上的控制信號有哪些。
輸出引線(D0~D7，以8-bit為例)，
一個開始轉換(Start of Converter，SOC)
結束轉換(End of Conversion，EOC)信號。
輸出致能腳位
A/D 轉換器 (ADC)的型式有很多種，方式的不同會影響測量后的精準度。
A/D 轉換器的功能是把模擬量變換成數字量。由于實現這種轉換的工作原理和采用工藝技術不同，因此生產出種類繁多的A/D 轉換芯片。
A/D 轉換器按分辨率分為4 位、6 位、8 位、10 位、14 位、16 位和BCD碼的31/2 位、51/2 位等。按照轉換速度可分為超高速（轉換時間=330ns），次超高速（330~3.3μS），高速（轉換時間3.3~333μS），低速（轉換時間＞330μS）等。
A/D 轉換器按照轉換原理可分為直接A/D 轉換器和間接A/D 轉換器。所謂直接A/D 轉換器，是把 模擬信號直接轉換成數字信號，如逐次逼近型，并聯比較型等。其中逐次逼近型A/D 轉換器，易于用集成工藝實現，且能達到較高的分辨率和速度，故目前集成化A/D 芯片采用逐次逼近型者多；間接A/D 轉換器是先把模擬量轉換成中間量，然后再轉換成數字量，如電壓/時間轉換型（積分型），電壓/頻率轉換型，電壓/脈寬轉換型等。 其中積分型A/D 轉換器電路簡單，抗干擾能力強，切能作到高分辨率，但轉換速度較慢。 有些轉換器還將多路開關、基準電壓源、時鐘電路、譯碼器和轉換電路集成在一個芯片內，已超出了單純A/D 轉換功能，使用十分方便。
ADC 經常用于通訊、數字相機、儀器和測量以及計算機系統中，可方便數字訊號處理和信息的儲存。大多數情況下，ADC 的功能會與數字電路整合在同一芯片上，但部份設備仍需使用獨立的ADC。行動電話是數字芯片中整合ADC 功能的例子，而具有更高要求的蜂巢式基地臺則需依賴獨立的ADC 以提供最佳性能。
ADC 具備一些特性，包括：
1. 模擬輸入，可以是單信道或多信道模擬輸入；
2. 參考輸入電壓，該電壓可由外部提供，也可以在ADC 內部產生；
3. 頻率輸入，通常由外部提供，用于確定ADC 的轉換速率；
4. 電源輸入，通常有模擬和
數字電源接腳；
5. 數字輸出，ADC 可以提供平行或串行的數字輸出。
在輸出位數越多(分辨率越好)以及轉換時間越快的要求下，其制造成本與單價就越貴。
一個完整的A/D轉換過程中，必須包括取樣、保持、量化與編碼等幾部分電路。
AD轉換器需注意的項目：
取樣與保持
量化與編碼
分辨率
轉換誤差
轉換時間
絕對精準度、相對精準度
取樣與保持
由于取樣時間極短，取樣輸出為一串斷續的窄脈沖。要把每個取樣的窄脈沖信號數字化，是需要一定的時間。 因此在兩次取樣之間，應將取樣的模擬信號暫時儲存到下個取樣脈沖到來，這個動作稱之為保持。在模擬電路設計上，因此需要增加一個取樣-保持電路。為了保證有正確轉換，模擬電路要保留著還未轉換的數據。 一個取樣-保持電路可保證模擬電路中取樣時，取樣時間的穩定并儲存，通常使用電容組件來儲存電荷。根據數字信號處理的基本原理，Nyquist取樣定理，若要能正確且忠實地呈現所擷取的模擬信號，必須取樣頻率至少高于最大頻率的2倍。
例如，若是輸入一個100Hz的正弦波的話，最小的取樣頻率至少要2倍，即是200Hz。
雖說理論值是如此，但真正在應用時，最好是接近10倍才會有不錯的還原效果(因取樣點越多)。若針對多信道的A/D轉換器來說，就必須乘上信道數，這樣平均下去，每一個通道才不會有失真的情況產生。
量化與編碼
量化與編碼 電路是A/D轉換器的核心組成的部分，一般對取樣值的量化方式有下列兩種：
只舍去不進位
首先取一最小量化單位Δ=U/2n，U是輸入模擬電壓的最大值，n是輸出數字數值的位數。 當輸入模擬電壓U在0~Δ之間，則歸入0Δ，當U在Δ~2Δ之間，則歸入1Δ。透過這樣的量化方法產生的最大量化誤差為Δ/2，而且量化誤差總是為正，+1/2LSB。
有舍去有進位
如果量化單位Δ=2U/(2 n+1–1)，當輸入電壓U在0～Δ/2之間，歸入0Δ，當U在Δ/2~3/2Δ之間的話，就要歸入1Δ。這種量化方法產生的最大量化誤差為Δ/2，而且量化誤差有正，有負，為±1/2LSB。
量化結果也造成了所謂的量化誤差。
解析度
指A/D轉換器所能分辨的最小模擬輸入量。通常用轉換成數字量的位數來表示，如8-bit，10-bit，12-bit與16-bit等。
位數越高，分辨率越高。若小于最小變化量的輸入模擬電壓的任何變化，將不會引起輸出數字值的變化。
采用12-bit 的AD574，若是滿刻度為10V的話，分辨率即為10V / 212 = 2.44mV。
而常用的8-bit 的ADC0804，若是滿刻度為5V的話，分辨率即為5V / 28 = 19.53mV。
選擇適用的A/D轉換器是相當重要的，并不是分辨率越高越好。
不需要分辨率高的場合，所擷取到的大多是噪聲。
分辨率太低，會有無法取樣到所需的信號。
轉換誤差
通常以相對誤差的形式輸出，其表示A/D轉換器實際輸出數字值與理想輸出數字值的差別，并用最低有效位LSB的倍數表示。
轉換時間
轉換時間是A/D轉換完成一次所需的時間。
從啟動信號開始到轉換結束并得到穩定的數字輸出值為止的時間間隔。轉換時間越短則轉換速度就越快。
精準度
對于A/D轉換器，精準度指的是在輸出端產生所設定的數字數值，其實際需要的模擬輸入值與理論上要求的模擬輸入值之差。
精確度依計算方式不同，可以區分為
絕對精確度
相對精確度；
所謂的絕對精確度是指實際輸出值與理想理論輸出值的接近程度，其相關的關系是如下式子所列：
絕對精確度＝
相對精準度指的是滿刻度值校準以后，任意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。
對于線性A/D轉換器，相對精準度就是它的線性程度。由于電路制作上影響，會產生像是非線性誤差，或是量化誤差等減低相對精準度的因素。
相對精確度是指實際輸出值與一理想理論之滿刻輸出值之接近程度，其相關的關系是如下式子所列：
相對精準度＝
基本上，一個n-bit的轉換器就有n個數字輸出位。這種所產生的位數值是等效于在A/D轉換器的輸入端的模擬大小特性值。
如果外部所要輸入電壓或是電流量較大的話，所轉換后的的位數值也就較大。
透過并列端口接口或是微處理機連接A/D轉換器時，必須了解如何去控制或是驅動這顆A/D轉換器的問題。因此需要了解到A/D轉換器上的控制信號有哪些。
輸出引線(D0~D7，以8-bit為例)，
一個開始轉換(Start of Converter，SOC)
結束轉換(End of Conversion，EOC)信號。
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