基本介紹
- 中文名：A/D轉換電路
- 別稱：模擬數字轉換器
- 作用：離散化
- 分類：抽樣、量化和編碼
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含義
什麼是a/d.d/a轉換：
隨著數位技術，特別是信息技術的飛速發展與普及，在現代控制、通信及檢測等領域，為了提高系統的性能指標，對信號的處理廣泛採用了數字計算機技術。由於系統的實際對象往往都是一些模擬量(如溫度、壓力、位移、圖像等)，要使計算機或數字儀表能識別、處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉換成數位訊號，而經計算機分析、處理後輸出的數字量也往往需要將其轉換為相應模擬信號才能為執行機構所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號與數位訊號之間起橋樑作用的電路-模數和數模轉換器。
將模擬信號轉換成數位訊號的電路，稱為模數轉換器(簡稱a/d轉換器或adc，analog to digital converter)；將數位訊號轉換為模擬信號的電路稱為數模轉換器(簡稱d/a轉換器或dac，digital to analog converter)。a/d轉換器和d/a轉換器已成為信息系統中不可缺的組成部分，為確保系統處理結果的精確度，a/d轉換器和d/a轉換器必須具有足夠的轉換精度；如果要實現快速變化信號的實時控制與檢測，a/d與d/a轉換器還要求具有較高的轉換速度。轉換精度與轉換速度是衡量a/d與d/a轉換器的重要技術指標。隨著集成技術的發展，現已研製和生產出許多單片的和混合集成型的a/d和d/a轉換器，它們具有愈來愈先進的技術指標。
AD轉換技術指標
1）解析度(Resolution) 指數字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2^n的比值。解析度又稱精度，通常以數位訊號的位數來表示。
2） 轉換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉換到數字的AD轉換所需的時間的倒數。積分型AD的轉換時間是毫秒級屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級屬中速AD，全並行/串並行型AD可達到納秒級。採樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉換的間隔。為了保證轉換的正確完成，採樣速率 (Sample Rate)必須小於或等於轉換速率。因此有人習慣上將轉換速率在數值上等同於採樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表 示每秒採樣千/百萬次（kilo / Million Samples per Second）。
3）量化誤差 (Quantizing Error) 由於AD的有限解析度而引起的誤差，即有限解析度AD的階梯狀轉移特性曲線與無限解析度AD（理想AD）的轉移特 性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。
4）偏移誤差(Offset Error) 輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調至最小。
5）滿刻度誤差(Full Scale Error) 滿度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。
6）線性度(Linearity) 實際轉換器的轉移函式與理想直線的最大偏移，不包括以上三種誤差。
其他指標還有：絕對精度(Absolute Accuracy) ，相對精度(Relative Accuracy)，微分非線性，單調性和無錯碼，總諧波失真（Total Harmonic Distotortion縮寫THD）和積分非線性。
相關介紹
a/d轉換器的功能是把模擬量變換成數字量。由於實現這種轉換的工作原理和採用工藝技術不同，因此生產出種類繁多的a/d轉換晶片。a/d轉換器按解析度分為4位、6位、8位、10位、14位、16位和bcd碼的3 1/2位。5 1/2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位訊號，如逐次逼近型，並聯比較型等。其中逐次逼近型a/d轉換器，易於用集成工藝實現，且能達到較高的解析度和速度，故目前集成化a/d晶片採用逐次逼近型者多；間接a/d轉換器是先把模擬量轉換成中間量，然後再轉換成數字量，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，切能作到高解析度，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。解碼器和轉換電路集成在一個晶片內，已超出了單純a/d轉換功能，使用十分方便。
AD轉換分類
下面簡要介紹常用的幾種類型的AD的基本原理及特點：積分型、逐次逼近型、並行比較型/串並行型、Σ-Δ調製型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。
1）積分型
積分型AD工作原理是將輸入電壓轉換成時間(脈衝寬度信號)或頻率(脈衝頻率)，然後由定時器/計數器獲得數字值。其優點是用簡單電路就能獲得高解析度， 但缺點是由於轉換精度依賴於積分時間，因此轉換速率極低。初期的單片AD轉換器大多採用積分型，現在逐次比較型已逐步成為主流。
2）逐次比較型
逐次比較型AD由一個比較器和DA轉換器通過逐次比較邏輯構成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內置DA轉換器輸出進行比較，經n次比較而輸出 數字值。其電路規模屬於中等。其優點是速度較高、功耗低，在低分辯率（<12位）時價格便宜，但高精度（>12位）時價格很高。
3）並行比較型/串並行比較型
並行比較型AD採用多個比較器，僅作一次比較而實行轉換，又稱FLash(快速)型。由於轉換速率極高，n位的轉換需要2n-1個比較器，因此電路規模也極大，價格也高，只適用於視頻AD轉換器等速度特別高的領域。
串並行比較型AD結構上介於並行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n/2位的並行型AD轉換器配合DA轉換器組成，用兩次比較實行轉換，所以稱為 Half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實現AD轉換的叫做分級（Multistep/Subrangling）型AD，而從轉換時序角度 又可稱為流水線（Pipelined）型AD，現代的分級型AD中還加入了對多次轉換結果作數字運算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高，電路 規模比並行型小。
4）Σ-Δ(Sigma-delta)調製型
Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉換器和數字濾波器等組成。原理上近似於積分型，將輸入電壓轉換成時間(脈衝寬度)信號，用數字濾波器處理後得到數字值。電路的數字部分基本上容易單片化，因此容易做到高解析度。主要用於音頻和測量。
5）電容陣列逐次比較型
電容陣列逐次比較型AD在內置DA轉換器中採用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉換器中多數電阻的值必須一致，在單晶片上生成高 精度的電阻並不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本製成高精度單片AD轉換器。最近的逐次比較型AD轉換器大多為電容陣列式的。
6）壓頻變換型
壓頻變換型（Voltage-Frequency Converter）是通過間接轉換方式實現模數轉換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉換成頻率，然後用計數器將頻率轉換成數字量。從理論上講這種AD的解析度幾乎可以無限增加，只要採樣的時間能夠滿足輸出頻率解析度要求的累積脈衝個數的寬度。其優點是分辯率高、功耗低、價格低，但是需要外部計數電路共同完成AD轉換。
