模數轉換器工作原理、類(lèi)型及主要技術(shù)指標

模數轉換器（Analog to Digital Converter，簡(jiǎn)稱(chēng)A/D轉換器，或ADC），通常是將模擬信號轉變?yōu)閿底中盘?。作為模擬電路中重要的元器件，本文將會(huì )介紹模數轉換器的原理、分類(lèi)及技術(shù)指標等基礎知識。

ADC的發(fā)展

隨著(zhù)電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及計算機在自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制系統中的廣泛應用，利用數字系統處理模擬信號的情況變得更加普遍。數字電子計算機所處理和傳送的都是不連續的數字信號，而實(shí)際中遇到的大都是連續變化的模擬量，模擬量經(jīng)傳感器轉換成電信號的模擬量后，需經(jīng)模/數轉換變成數字信號才可輸入到數字系統中進(jìn)行處理和控制，因而作為把模擬電量轉換成數字量輸出的接口電路-A/D轉換器是現實(shí)世界中模擬信號向數字信號的橋梁，是電子技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵和瓶所在。

自電子管A/D轉換器面世以來(lái)，經(jīng)歷了分立半導體、集成電路數據轉換器的發(fā)展歷程。在集成技術(shù)中，又發(fā)展了模塊、混合和單片機集成數據轉換器技術(shù)。在這一歷程中，工藝制作技術(shù)都得到了很大改進(jìn)。單片集成電路的工藝技術(shù)主要有雙極工藝、CMOS工藝以及雙極和CMOS相結合的BiCMOS工藝。模塊、混合和單片集成轉換器齊頭發(fā)展，互相發(fā)揮優(yōu)勢，互相彌補不足，開(kāi)發(fā)了適用不同應用要求的A/D和D/A轉換器。近年來(lái)轉換器產(chǎn)品已達數千種。

ADC原理

D/A轉換器是將輸入的二進(jìn)制數字量轉換成模擬量，以電壓或電流的形式輸出。

模數轉換一般要經(jīng)過(guò)采樣、保持和量化、編碼這幾個(gè)步驟。

ADC的主要類(lèi)型

目前有多種類(lèi)型的ADC，有傳統的并行、逐次逼近型、積分型ADC，也有近年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的∑-Δ型和流水線(xiàn)型ADC，多種類(lèi)型的ADC各有其優(yōu)缺點(diǎn)并能滿(mǎn)足不同的具體應用要求。低功耗、高速、高分辨率是新型的ADC的發(fā)展方向，同時(shí)ADC的這一發(fā)展方向將適應現代數字電子技術(shù)的發(fā)展。

并行比較ADC

并行比較ADC是現今速度最快的模/數轉換器，采樣速率在1GSPS以上，通常稱(chēng)為“閃爍式”ADC。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器及編碼器四種分組成。這種結構的ADC所有位的轉換同時(shí)完成，其轉換時(shí)間主取決于比較器的開(kāi)關(guān)速度、編碼器的傳輸時(shí)間延遲等。增加輸出代碼對轉換時(shí)間的影響較小，但隨著(zhù)分辨率的提高，需要高密度的模擬設計以實(shí)現轉換所必需的數量很大的精密分壓電阻和比較器電路。輸出數字增加一位，精密電阻數量就要增加一倍，比較器也近似增加一倍。

閃爍式ADC的分辨率受管芯尺寸、過(guò)大的輸入電容、大量比較器所產(chǎn)生的功率消耗等限制。結果重復的并聯(lián)比較器如果精度不匹配，還會(huì )造成靜態(tài)誤差，如會(huì )使輸入失調電壓增大。同，這一類(lèi)型的ADC由于比較器的亞穩壓、編碼氣泡，還會(huì )產(chǎn)生離散的、不精確的輸出，即所謂的“火花碼”。這類(lèi)ADC的優(yōu)點(diǎn)是模/數轉換速度最高，缺點(diǎn)是分辨率不高，功耗大，成本高。

現代發(fā)展的高速 ADC電路結構主要采用這種全并行的ADC，但由于功率和體積的限制，要制造高分辨率閃爍式ADC是不現實(shí)的。

由兩個(gè)較低分辨率的閃爍式ADC構成較高分辨率的半閃爍式ADC或分級型ADC是當今世界制造高速ADC的主要方式。圖2所示是一個(gè)8位的兩級并行半閃爍式ADC的原理框圖。其轉換過(guò)程分為兩步：

第一步是粗化量化。先用并行方式進(jìn)行高4位的轉換，作為轉換后的高4位輸出，同時(shí)再把數字輸出進(jìn)行D/A轉換，恢復成模擬電壓。

第二步是進(jìn)一步細化量化。把原輸入電壓與D/A 轉換器輸出的模擬電壓相減，其差值再進(jìn)行低4全的A/D轉換。然后將上述兩級A/D轉換器的數字輸出并聯(lián)后作為總的輸出。這樣，在轉換速度上作出了一點(diǎn)犧牲，但解決了分辨率提高和元件數目刷增的矛盾。

逐次逼近型ADC

逐次逼近型ADC是應用非常廣泛的模/數轉換方法，它由比較器、D/A轉換器、比較寄存器SAR、時(shí)鐘發(fā)生器以及控制邏輯電路組成，將采樣輸入信號與已知電壓不斷進(jìn)行比較，然后轉換成二進(jìn)制數。

其原理圖如圖3所示，首先將DAC的最高有效位MSB保存到SAR，接著(zhù)將該值對應的電壓與輸入電壓進(jìn)行比較。比較器輸出被反饋到DAC，并在一次比較前對其進(jìn)行修正。在邏輯控制電路和時(shí)鐘驅動(dòng)下，SAR不斷進(jìn)行比較和移位操作，直到完成LSB的轉換，此時(shí)所產(chǎn)生的 DAC輸出逼近輸入電壓的±1/2LSB。當每一位都確定后，轉換結果被鎖存到SAR并作為ADC輸出。

積分型ADC

積分型ADC又稱(chēng)為雙斜率或多斜率ADC，是應用比較廣泛的一類(lèi)轉換器。它的基本原理是通過(guò)兩次積分將輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔。與此同時(shí)，在此時(shí)間間隔內利用計數器對時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計數，從而實(shí)現A/D轉換。其原理圖如圖4所示。其工作分為兩個(gè)階段，第一階段為采樣期；第二階段為比較期。通過(guò)兩次積分和計數器的計數可以得到模擬信號的數字值D=2nV1/VR，其中n為計數器的位數，V1為輸入電壓在固定時(shí)間間隔內的平均值。

壓頻變換型ADC

前面所講到的并行比較ADC和逐次逼近型ADC均屬于直接轉換ADC，而積分型和下面所講到的壓頻變換型ADC則屬于間接ADC。壓頻變換型ADC是先將輸入模擬信號的電壓轉換成頻率與其成正比的脈沖信號，然后在固定的時(shí)間間隔內對此脈沖信號進(jìn)行計數，計數結果即為正比于輸入模擬電壓信號的數字量。從理論上講，這種ADC的分辨率可以無(wú)限增加，只要采用時(shí)間長(cháng)到滿(mǎn)足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數的寬度即可。其優(yōu)點(diǎn)是：精度高、價(jià)格較低、功耗較低。缺點(diǎn)是：類(lèi)似于積分型ADC，其轉換速率受到限制，12位時(shí)為100～300SPS。

∑-Δ型ADC

與一般的ADC不同，∑-Δ型ADC不是直接根據抽樣第一個(gè)樣值的大小進(jìn)行量化編碼，而根據前一量值與后一量值的差值即所謂的增量的大小來(lái)進(jìn)行量化編碼。從某種意義講，它是根據信號波形的包絡(luò )線(xiàn)進(jìn)行量化編碼的。∑-Δ型ADC由兩部分組成，第一部分為模擬∑-Δ調制器，第二部分為數字抽取濾波器，如圖5所示。∑-Δ調制器以極高的抽樣頻率對輸入模擬信號進(jìn)行抽樣，并對兩個(gè)抽樣之間的差值進(jìn)行低位量化，從而得到用低位數碼表示的數字信號即∑-Δ碼；然后將這種∑-Δ碼送給第二部分的數字抽取濾波器進(jìn)行抽取濾波，從而得到高分辨率的線(xiàn)性脈沖編碼調制的數字信號。因此抽取濾波器實(shí)際上相當于一個(gè)碼型變換器。由于∑--△具有極高的抽樣速率，通常比奈奎斯特抽樣頻率高出許多倍，因此∑--△轉換器又稱(chēng)為過(guò)抽樣A/D轉換器。

目前，∑--△型ADC分為四類(lèi)：

（1）高速類(lèi)ADC；

（2）調制解調器類(lèi)ADC；

（3）編碼器類(lèi)ADC；

（4）傳感器低頻測量ADC。

其中每一類(lèi)∑--△型ADC又分為許多型號，給用戶(hù)帶來(lái)極大方便。

流水線(xiàn)型（Pipeline）ADC又稱(chēng)為子區式ADC，它由若干級級聯(lián)電路組成，每一級包括一個(gè)采樣/保持放大器、一個(gè)低分辨率的ADC和DAC以及一個(gè)求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的級間放大器?？焖倬_的n位轉換器分成兩段以上的子區（流水線(xiàn)）來(lái)完成。

首級電路的采樣/保持器對輸入信號取樣后先由一個(gè)m位分辨率粗A/D轉換器對輸入進(jìn)行量化，接著(zhù)用一個(gè)至少n位精度的乘積型數模轉換器（MDAC）產(chǎn)生一個(gè)對應于量化結果的模/擬電平并送至求和電路，求和電路從輸入信號中扣除此模擬電平。并將差值精確放大某一固定增益后關(guān)交下一級電路處理。經(jīng)過(guò)各級這樣的處理后，最后由一個(gè)較高精度的K位細 A/D轉換器對殘余信號進(jìn)行轉換。將上述各級粗、細A/D的輸出組合起來(lái)即構成高精度的n位輸出。圖3所示為一個(gè)14位5級流水線(xiàn)型ADC的原理圖，圖7 所示為每級內部結構圖。

流水線(xiàn)型ADC必須滿(mǎn)足以下不等式以便糾正重疊錯誤：式中，1為級數，m為各級中ADC的粗分辨率，k為精細ADC的細分辨率，而 n是流水線(xiàn)ADC的總分辨率。流水線(xiàn)ADC不但簡(jiǎn)化了電路設計，還具有如下優(yōu)點(diǎn)：每一級的冗余位優(yōu)化了重疊誤差的糾正，具有良好的線(xiàn)性和低失調；每一級具有獨立的采樣/保持放大器，前一級電路的采樣/保持可以釋放出來(lái)用于處理下一次采樣，因此允許流水線(xiàn)各級同時(shí)對多個(gè)采樣進(jìn)行處理，從而提高了信號的處理速度，典型的為 Tconv《100ns；功率消耗低；很水有比較器進(jìn)入亞穩態(tài)，從根本上消除了火花碼和氣泡，從而大大減少了ADC的誤差；多級轉換提高了ADC的分辨率。同時(shí)流水線(xiàn)型ADC也有一些缺點(diǎn)：復雜的基準電路和偏置結構；輸入信號必須穿過(guò)數級電路造成流水延遲；、同步所有輸出需要嚴格的鎖存定時(shí)；對工藝缺陷敏感，對印刷線(xiàn)路板更為敏感，它們會(huì )影響增益的線(xiàn)性、失調及其它參數。

模數轉換器的主要技術(shù)指標

分辨率

通常以輸出二進(jìn)制或十進(jìn)制數字的位數表示分辨率的高低，因為位數越多，量化單位越小，對輸入信號的分辨能力就越高。

例如：輸入模擬電壓的變化范圍為 0～5 V，輸出 8 位二進(jìn)制數可以

分辨的最小模擬電壓為 5 V&TImes;2－8 ＝20 mV；而輸出 12 位二進(jìn)制數可以

分辨的最小模擬電壓為 5 V&TImes;2－12≈1.22 mV。

轉換誤差

它是指在零點(diǎn)和滿(mǎn)度都校準以后，在整個(gè)轉換范圍內，分別測量各個(gè) 數字量所對應的模擬輸入電壓實(shí)測范圍與理論范圍之間的偏差，取其 中的最大偏差作為轉換誤差的指標。通常以相對誤差的形式出現，并 以 LSB 為單位表示。例如 ADC0801 的相對誤差為±¼ LSB。

轉換速度

完成一次模數轉換所需要的時(shí)間稱(chēng)為轉換時(shí)間。大多數情況下，轉換 速度是轉換時(shí)間的倒數。

ADC 的轉換速度主要取決于轉換電路的類(lèi)型，并聯(lián)比較型 ADC 的轉換速度最高（轉換時(shí)間可小于 50 ns），逐次逼近型 ADC 次之（轉 換時(shí)間在 10～100μs 之間），雙積分型 ADC 轉換速度最低（轉換時(shí) 間在幾十毫秒至數百毫秒之間）。

選擇模數轉換器應該注意的問(wèn)題

不論是傳統型ADC還是表發(fā)展起來(lái)的ADC都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適應場(chǎng)合。在選用ADC時(shí)，不僅要考慮應用的精度、速度等主要指標，還要考慮輸入信號的形式（單端或差動(dòng)輸入）、輸入信號范圍、輸入通道類(lèi)型和數量、工作電源、內部基準、激勵源等多種具體功能上的差異，這些在選型上都是認真考慮的?，F代ADC制造商為用戶(hù)應用考慮的越來(lái)越多，用戶(hù)在方案設計時(shí)一定要在器件選型上下一些功夫，針對實(shí)際應用的具體要求盡量做到選型合理，這樣往往可以簡(jiǎn)化設計、降低成本、提高性?xún)r(jià)比。