基礎(chǔ)知識(shí)之A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器是從自然界的現(xiàn)象（各種各樣的應(yīng)用）產(chǎn)生的模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)（A/D變換）的東西。這個(gè)工作是指由模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣→量化→編碼變換為數(shù)字信號(hào)的一系列步驟。

A/D轉(zhuǎn)換器的基本操作請(qǐng)參見下方A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)例。

A/D轉(zhuǎn)換器在離散周期內(nèi)切出模擬信號(hào)的幅度，變換為用符號(hào)表示的數(shù)字信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換了的數(shù)字信號(hào)位數(shù)叫做分辨率（這個(gè)情況下是3bit），最高位叫做MSB(Most Significant Bit)，最低位叫做LSB(Least Significant Bit)。

下方的圖片展示了模擬信號(hào)（輸入）和數(shù)字信號(hào)（輸出）的關(guān)系。作為數(shù)字信號(hào)差，可識(shí)別的模擬信號(hào)最小振幅是最小分辨率(=1LSB)，在模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間產(chǎn)生的誤差叫做量化誤差。

另外，第一個(gè)數(shù)字信號(hào)變化點(diǎn)(000→001)的0.5LSB下叫做零刻度，最后一個(gè)數(shù)字信號(hào)變化點(diǎn)(110→111）的0.5LSB上叫做滿量程，從零刻度到滿量程的這個(gè)區(qū)間叫滿量程范圍。

以下是模擬信號(hào)通過(guò)“采樣→量化→編碼”變換為數(shù)字信號(hào)的一系列步驟。

在離散周期（采樣周期：TS）內(nèi)切出連續(xù)的模擬信號(hào)振幅值

<采樣周期：Ts＝1/(采樣頻率:Fs)>

進(jìn)行采樣的電路叫做采樣和保持電路(簡(jiǎn)稱S&H電路)

在離散周期內(nèi)切出的振幅值近似于離散振幅值。 <量化誤差：(采樣值)－(量化值)>

離散振幅用“0”和“1”這兩個(gè)值來(lái)表示轉(zhuǎn)換的代碼。 轉(zhuǎn)換了代碼的電路叫做編碼器(Encoder)。

預(yù)先用比較器同時(shí)比較分壓成2N-1個(gè)的參考電壓和模擬信號(hào)，比較結(jié)果用編碼器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

為了把模擬信號(hào)一次轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)不需要采樣電路（S&H回路)。 在A/D轉(zhuǎn)換器的基本形式中可最高速度轉(zhuǎn)換。（采樣頻率甚至可超過(guò)1GHz。） N位分辨率需要2N-1個(gè)比較器，由于電路規(guī)模和功耗增加，分辨率最高為8位左右。

在一般1.5bit/級(jí)結(jié)構(gòu)的情況下，從決定了MSB的第1級(jí)開始依次流水線操作，從而反復(fù)進(jìn)行以下的處理。（VREF：參考電壓）

• 采樣(S&H)模擬輸入。
• 同時(shí)用A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）把模擬輸入轉(zhuǎn)換成3值(1.5bit)的數(shù)字值。（此處確定級(jí)別的數(shù)字輸出）

模擬輸入≦-VREF/4→ D=“00”

-VREF/4<模擬輸入≦+VREF/4→ D=“01”

• +VREF/4<模擬輸入→D=“10”
• 用D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）把3值(1.5bit)的數(shù)字值轉(zhuǎn)換為模擬值。

D=“00” → DAC輸出：-VREF/2

D=“01” → DAC輸出：0

D=“10” → DAC輸出：+VREF/2

• 從采樣電壓擴(kuò)大到減去了DAC輸出電壓的2倍后，輸出到下一級(jí)。 決定了LSB的N級(jí)處理完成之后，補(bǔ)償了各級(jí)別間的延遲，通過(guò)加上各個(gè)數(shù)字輸出，數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變完成。

• 可實(shí)現(xiàn)高分辨率。（最多16位左右）
• 可高速轉(zhuǎn)換。（采樣頻率高達(dá)約200MHz的）
• 通過(guò)流水線操作，由于需要等待數(shù)字信號(hào)輸出的時(shí)間，不適用于需要控制等實(shí)時(shí)的應(yīng)用。

為了使采樣的模擬信號(hào)和D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出一致，從MSB開始逐次比較(Successive Approximation)。

• 模擬輸入信號(hào)采樣(S&H)
• 逐次逼近寄存器(SAR)的MSB設(shè)置為“1”。（其他為“0”）
• 逐次逼近寄存器(SAR)的數(shù)字值用D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）轉(zhuǎn)換成模擬值。
• 比較采樣電壓和DAC輸出電壓的大小。

   確定采樣電壓＞DAC輸出電壓 → MSB＝"1"
   確定采樣電壓＜DAC輸出電壓 → MSB＝"0"

下方是通過(guò)到LSB為止重復(fù)相同的逐次逼近來(lái)完成數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

• 可實(shí)現(xiàn)高分辨率。（最多18位左右）
• 為了轉(zhuǎn)換以及需要（分辨率＋α）的時(shí)鐘周期，轉(zhuǎn)換速度為中度。（最多約10MHz的采樣頻率）
• 反應(yīng)良好，輸入時(shí)連接復(fù)用器，輕松切換模擬信號(hào)。

對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣，并使用ΔΣ調(diào)制將其轉(zhuǎn)換為與模擬信號(hào)的幅度相對(duì)應(yīng)的低位數(shù)據(jù)（比如１位），然后使用數(shù)字濾波器去除帶外噪聲并進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取處理，從而完成在原始采樣頻率下向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

通過(guò)用比原始采樣頻率更高的頻率來(lái)采樣，來(lái)減少量化誤差。

通過(guò)過(guò)采樣，積分器對(duì)采樣電壓和D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出電壓之間的差(Δ)進(jìn)行積分(Σ)。用比較器來(lái)比較積分值和參考電壓的大小，并將積分值轉(zhuǎn)換為低位數(shù)據(jù)。 通過(guò)將輸出數(shù)據(jù)延遲1個(gè)采樣周期并反饋至輸入進(jìn)行調(diào)制，使比較器產(chǎn)生的量化誤差在低頻區(qū)域較小，在高頻區(qū)域較大。

從ΔΣ調(diào)制器輸出的低位數(shù)據(jù)，除了原始信號(hào)分量外，在高頻區(qū)域還有較大的量化誤差分量。然而，由于這些分量在頻率上是分開的，并且只能用數(shù)字濾波器去除量化誤差分量，因此可以實(shí)現(xiàn)其他方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高分辨率。

• A/D轉(zhuǎn)換器主要產(chǎn)品中最高的分辨率。（最多約32位）
• 通常，轉(zhuǎn)換速度比逐次比較型要慢。
• 響應(yīng)性能較差，因此不適用于在輸入端連接了復(fù)用器、需要高速切換模擬信號(hào)的應(yīng)用。