文章目录
1、模数转换器的工作原理2、模数转换器的分类2.1 并行比较型模数转换器2.2 逐次逼近型模数转换器2.3 双积分型模数转换器
3 模数转换器的性能指标3.1 分辨率3.2 转换误差3.3 转换速度
1、模数转换器的工作原理
模数转换器(Analog-to-digital conversion) 是可将时间和幅值连续的模拟信号转换为时间和幅值离散的数字信号，其原理框图如下图所示。输入模拟电压信号VI经采样电路、保持电路输入到模数转换器，模数转换器将输入信号经过量化和编码过程输出为n位数字信号
D
（
D
n
−
1
D
n
−
2
…
D
1
D
0
)
D（D_{n-1}D_{n-2}…D_1D_0)
D（Dn−1Dn−2…D1D0)。
V
R
E
F
V_{REF}
VREF为模数转换过程必需的参考电压。这些数字量之间的关系如下：
D
=
K
(
2
n
−
1
)
⋅
V
I
V
R
E
F
D=K\frac{(2^n-1)\cdot V_I}{V_{REF}}
D=KVREF(2n−1)⋅VI 其中K为比例系数，不同的模数转换器K值不同。 采样(Sample)过程是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间上离散的模拟量。采样过程必须遵循采样定理，采样定理也叫奈奎斯特(Nyquist)定律。 保持（Hold）过程是在采样电路后接入保持电路，作用是将上一次采样值通过保持电路保持一段时间，为量化编码过程提供稳定的采样值。 量化（Quanzite）过程是将模拟信号在幅值上进行离散的过程，需要注意的是，量化过程会引入误差，即量化误差，在用户选取模数转换器时，量化误差是重要的参考量。 编码（Encode）过程是将量化结果用数字代码表示过程。
2、模数转换器的分类
根据模数转换器的工作原理可以将模数转换器分为直接模数转换器和间接模数转换器两类。直接模数转换器是直接将模拟信号转换为数字信号，如并行比较模数转换器和逐次逼近模数转换器。间接模数转换器是将模拟信号转换成某一中间变量，如时间，频率等，然后再将中间变量转换成数字量，如双（斜率）积分型模数转换器。
2.1 并行比较型模数转换器
并行比较型模数转换器结构由分压器、比较器、寄存器和编码器组成。分压器由串联
n
−
1
n-1
n−1个电阻R，以及1个电阻
R
/
2
R/2
R/2组成，比较器有
n
−
1
n-1
n−1个，寄存器（D触发器）也有
n
−
1
n-1
n−1个，编码器由多个与非逻辑器件组成。并行比较模数转换器结构的优点是转换速度比较快，且不需要采样和保持电路，因为比较器和触发器具有采样和保持的功能。但是，随着模数转换器输出数字信号位数增多，编码器部分也越复杂，因此并行比较型模数转换器一般用于输出数码不大于4的情况。 以下是3位并行ADC的工作原理图： 以下是3位并行ADC输入与输出的关系表：
2.2 逐次逼近型模数转换器
逐次逼近型模数转换器工作框图和工作原理如上图和下图所示。该类型模数转换器主要利用逐次逼近寄存器（SAR）对数据位依次置1，然后将SAR寄存器数字信号经数模转换器（D/A）转换得到模拟电压
u
o
u_o
uo，电压
u
o
u_o
uo和偏移电压（Offset voltage）的差值在和
u
s
u_s
us比较，差值则比较器输出C=1，说明SAR数字量大，SAR相应数据位置0，否则输出C=0，说明SAR数字量小，SAR相应数据位置1，直到确定最低位为1或0。 参考电压一定的情况下，下图中偏移电压
Δ
/
2
\Delta/2
Δ/2和参考电压和数据位有关系，数据位越大，偏移电压越小，说明模数转换器越细化，转换精度越高。
2.3 双积分型模数转换器
双积分型模数转换器工作原理如下图所示。首先在
0
−
t
1
0-t_1
0−t1时间内（时间间隔
T
1
T_1
T1，为
T
C
P
T_{CP}
TCP的
2
n
2^n
2n倍），输入待转换电压
u
i
u_i
ui，通过积分器后得到输出电压
V
T
1
V_{T1}
VT1，在
t
1
t_1
t1时刻，输入反向参考电压
−
V
R
E
F
-V_{REF}
−VREF，通过积分器之后，在
t
2
t_2
t2时刻，输出电压
u
o
u_o
uo为0，即时间间隔
T
1
T_1
T1内转换电压积分值与时间间隔在
t
1
−
t
2
t_1-t_2
t1−t2内参考电压积分值差值为0。在
0
−
t
2
0-t_2
0−t2时间内，由于输出电压（积分值）一直为负值，则与非逻辑门输出为1。最终，可得到输出数字量D是与
T
C
P
T_{CP}
TCP成正比的。于是，在双积分型模数转换器工作过程，是将输入模拟电压通过积分器转换成与之成正比的时间变量，然后在时间变量时刻内对固定频率进行时钟脉冲计数，计数值就是模数转换所得数字信号。通过工作过程可以知道，双积分型模数转换器抗干扰能力比较强，因此转换精度较高，又因为工作时间周期较长，所以双积分型模数转换器适合低速高精度的模数转换场合。
3 模数转换器的性能指标
3.1 分辨率
模数转换器的分辨率由输出数字信号的二进制位数表示。输出二进制数位数越多，表征模数转换器能分辨输入信号的细化程度越小。例如，采用12位模数转换器，输入电压满量程位+3.3 V，则该模数转换器的分辨率为
1
/
2
12
1/2^{12}
1/212,能分辨的最小电压值约为0.00081 V。
3.2 转换误差
模数转换器的转换误差表示实际输出数字信号与理论输出数字量之间的最大差值，单位LSB，一般用1 LSB的倍数表示。转换误差越小，表示实际输出数字信号越接近理论值，越具有可靠性，转换精度越高。
3.3 转换速度
模数转换器的转换速度表示完成一次从模拟信号转换为数字信号的过程所需要的的时间，转换速率则为转换速度的倒数。由于采样速率（两次采样时间间隔的倒数）必须小于或等于转换速率，因此可以说转换速率是最大采样速率，则在习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率，单位MSPS（Million Samples per Second）或KSPS（kilo Samples per Second）。采样速率越大，模数转换器转换速度越快。
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