解析 | 模-数（A/D）转换器

A/D转换的基本原理
在一系列选定的瞬间取样模拟信号，然后将这些取样值转换为输出的数字量，并以一定的编码形式给出转换结果。
整个A/D转换过程大致可分为取样、量化、编码三个过程。

取样-保持电路

取样-保持电路的基本形式如上图所示，T为N通道增强型MOS模拟开关使用管道。

当取样控制信号时Vi为高电平时T导通，输入信号Vi经电阻R1和T向电容CH充电。若取R1=RF，并且视操作放大器为理想操作放大器，则充电后，Vo=Vch=-Vi

当Vi返回低电平后，MOS因为CH上部电压在一段时间内基本保持不变，因此Vo取样结果保持不变（CH泄漏电流越小，操作放大器的输入阻抗越高，Vo时间越长)。

取样过程中需要输入电压R1和T向电容CH通过减少充电，限制了取样速度R提高取样速度的方法将降低电路的输入阻抗。

A/D转化器分类：

并联比较型A/D转换器、

反馈比较型A/D转换器(分为计数型和渐进型)

双积分型A/D转换器

特性	并联比较型	反馈比较型	双积分型
转换速度	快	慢	慢
稳定性	-	-	强
电路复杂度	复杂	简单	-

并联比较型A/D转换器

并联比较型A/D转换器比较器、寄存器和代码转换电路组成的转换器电路结构图如下。输入为0-Vref模拟电压输出为三位二进制数字d2d1d0。

在电压比较器中量化电平的方法：使用电阻链参考电压Vref得到分压(1/15)Vref到(3/15)Vref量化单位为7个比较电平(2/15)Vref，将这7个比较电平分别接收7个电压比较器C1-C7的输入端作为比较基准，同时将输入的模拟电压同时加到每个比较器的另一个输入端，与这7个比较基准进行比较。

若Vi<(1/15)Vref，所有比较器的输出均为低电平，CLK寄存器中的所有触发器都处于0状态

若(1/15)Vref

以此类推，便可列出Vi为不同电压时寄存器的状态

并联比较型A/D转换器的最大优点是转换速度快。第一次转换所需的时间仅包括一级触发器的转换时间和三级门电路的传输延迟时间。然而，从电路中可以看出，输出为n位二进制代码的转换器应包括（2^n)-1个电压比较器和(2^n)-随着输出代码位数的增加，电路的规模急剧扩大，电路变得更加复杂。

反馈比较型A/D转换器

反馈比较型A/D转换器通常使用两种方案：计数型和逐渐近型

1、计数型

如下图所示，转换器由比较器组成C、D/A由转换器、计数器、脉冲源、控制门G和输出寄存器组成。

步骤一：计数器在转换前用复位信号设置为零，转换控制信号应停留在VL=0状态。此时门G被封锁，计数器不工作。因为此时计数器被添加到D/A转换器是全0的数字信号，所以Vo=0。

步骤二：当VL脉冲源发出的脉冲通过门G添加到计数器的时钟信号输入端CLK，计数器开始做加法计数。

步骤三：随着计数的进行，D/A转换器输出的模拟电压Vo也在增加Vo增加至Vo=Vi时，Vb=0.关闭门G，停止计数器。此时，计数器中存储的数字是所需的输出数字信号。

由于计数器中的数字在转换过程中不断变化，计数器的状态不应直接作为输出信号。因此，输出寄存器设置在输出端。每次转换完成后，应使用转换控制信号VL将计数器输出的数字放入输出寄存器中，以输出寄存器的状态作为最终输出信号。

该方案的缺点是转换时间过长。当输出为n位二进制数字时，可以达到原始转换时间(2^n)-时钟信号周期的1倍。该方案电路相对简单，适用于转换速度要求较低的场合。

二、渐进式

如下图所示，转换器由比较器组成C、D/A由转换器、寄存器、时钟脉冲源、控制逻辑等五部分组成。

步骤一：转换前清零寄存器，所以加D/A转换器的数量也为0；
步骤二：转换控制信号VL变成高电平时开始转换，时钟信号首先将寄存器的最高位置变成1，使寄存器的输出为100...0；
步骤三：输出的数字量D/A转换器转换为相应的模拟电压，并发送到比较器和输入信号Vi比较Vo>Vi，如果数字太大，应该删除1。Vo步骤四：将次高位置1按同样的方法进行比较Vo与Vi为了确定这个位置的1是否应该保留，所以逐个比较，直到最低比较完成。此时，存储在寄存器中的数字是所需的数字。

逐渐近型比较A/D转换器转换速度比计数型A/D转换器的速度要高得多，当输出位数时，电路规模远小于并联比较型，因此逐渐进行A/D目前集成了转换器A/D转换器产品中使用最多的电路。

双积分型A/D转换器

如下图所示，转换器包括积分器、比较器、计数器、控制逻辑、时钟信号源等

步骤一：转换前(转换控制信号VL=0)先清除计数器，打开开关S0.完全放电积分电容C；

步骤二：令开关S1.输入信号电压Vi积分器对的一侧Vi固定时间T1的积分，则

因此可得数字量：

若取T1为Tc整数倍，是的

双积分型A/D转换器的优点是工作性能相对稳定，抗干扰能力强，但由于积分两次，工作速度低，一般不到几十次。

另外，双积分型A/D转换器的转换精度受计数器位数、比较器灵敏度、操作放大器、比较器零漂移、积分电容泄漏、时钟频率瞬时波动等因素的影响。因此，仅仅增加计数的位数是不够的。在实用电路中，为了消除运输和比较器的零点漂移，通常会增加零点漂移的自动补偿电路。为了防止时钟信号频率在转换过程中波动，石英晶体振荡器可用作脉冲源。

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