模數轉換器即A/D轉換器，或簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉變為數位訊號的電子元件。通常的模數轉換器是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數位訊號。由於數位訊號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準，比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小。而輸出的數字量則表示輸入信號相對於參考信號的大小。
基本介紹
- 中文名：模數轉換器
- 外文名：ADC
- 作用：模擬信號轉變為數位訊號
- 科目類別：電子元器件
簡介,原理概述,回響類型,誤差,採樣率,混疊,模數轉換的步驟,構成及特點,Dither信號,過採樣,相對速度,精確度,改進歷程,用途,轉換方法,A/D轉換器的工作原理,舉例說明,A/D轉換器的主要技術參數,
簡介
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），A/D轉換的作用是將時間連續、幅值也連續的模擬量轉換為時間離散、幅值也離散的數位訊號，因此，A/D轉換一般要經過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合併進行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現的。
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原理概述
模擬數字轉換器的解析度是指，對於允許範圍內 的模擬信號，它能輸出離散數位訊號值的個數。這些信號值通常用二進制數來存儲，因此解析度經常用比特作為單位，且這些離散值的個數是2的冪指數。例如，一個具有8位解析度的模擬數字轉換器可以將模擬信號編碼成256個不同的離散值（因為2^8= 256），從0到255（即無符號整數）或從-128到127（即帶符號整數），至於使用哪一種，則取決於具體的套用。
解析度同時可以用電氣性質來描述，使用單位伏特。使得輸出離散信號產生一個變化所需的最小輸入電壓的差值被稱作最低有效位（Least significant bit, LSB）電壓。這樣，模擬數字轉換器的解析度Q等於LSB電壓。模擬數字轉換器的電壓解析度等於它總的電壓測量範圍除以離散電壓間隔數：
- 這裡N是離散電壓間隔數。
- 這裡EFSR代表滿量程電壓範圍，即是總的電壓測量範圍，即輸入參考高電壓與輸入參考低電壓的差值
- 這裡VRefHi和VRefLow是轉換過程允許電壓的上下限。
- 正常情況下，電壓間隔數N=2^M，M為ADC模組的精度的位數
回響類型
大多數模擬數字轉換器的回響類型為線性，這裡的“線性”是指，輸出信號的大小與輸入信號的大小成線性比例。
一些早期的轉換器的回響類型呈對數關係，由此來執行A-law算法或μ-law算法編碼。
誤差
模擬數字轉換器的誤差有若干種來源。量化錯誤和非線性誤差（假設這個模擬數字轉換器標稱具有線性特徵）是任何模擬數字轉換中都存在的內在誤差。也有一種被稱作孔徑錯誤（aperture error），它是由於時鐘的不良振盪，且常常在對時域信號數位化的過程中出現。
這種誤差用一個稱為“最低有效位”的參數來衡量。
採樣率
由於實際使用的模擬數字轉換器不能進行完全實時的轉換，所以對輸入信號進行一次轉換的過程中必須通過一些外加方法使之保持恆定。常用的有採樣-保持電路，在大多數的情況里，通過使用一個電容器可以存儲輸入的模擬電壓，並通過開關或門電路來閉合、斷開這個電容和輸入信號的連線。許多模擬數字轉換積體電路在內部就已經包含了這樣的採樣-保持子系統。
混疊
所有的模擬數字轉換器以每隔一定時間進行採樣的形式進行工作。因此，它們的輸出信號只是對輸入信號行為的不完全描述。在某一次採樣和下一次採樣之間的時間段，僅僅根據輸出信號，是無法得知輸入信號的形式的。如果輸入信號以比採樣率低的速率變化，那么可以假定這兩次採樣之間的信號介於這兩次採樣得到的信號值。然而，如果輸入信號改變過快，則這樣的假設是錯誤的。
如果模擬數字轉換器產生的信號在系統的後期，通過數字模擬轉換器，則輸出信號可以忠實地反映原始信號。如經過輸入信號的變化率比採樣率大得多，則是另一種情況，模擬數字轉換器輸出的這種“假”信號被稱作“混疊”。混疊信號的頻率為信號頻率和採樣率的差。例如，一個2千赫茲的正弦曲線信號在採樣率在1.5千赫茲採樣率的轉換後，會被重建為500赫茲的正弦曲線信號。這樣的問題被稱作“混疊”。
為了避免混疊現象，模擬數字轉換器的輸入信號必須通過低通濾波器進行濾波處理，過濾掉頻率高於採樣率一半的信號。這樣的濾波器也被稱作反鋸齒濾波器。它在實用的模擬數字轉換系統中十分重要，常在混有高頻信號的模擬信號的轉換過程中套用。
儘管在大多數系統里，混疊是不希望看到的現象，值得注意的是，它可以提供限制頻寬高頻信號的同步向下混合（simultaneous down-mixing ，請參見採樣過疏和混頻器）。
模數轉換的步驟
模數轉換一般要經過採樣、保持和量化、編碼這幾個步驟。採樣定理：當採樣頻率大於模擬信號中最高頻率成分的兩倍時，採樣值才能不失真的反映原來模擬信號。
構成及特點
模數轉換器的種類很多，按工作原理的不同，可分成間接ADC和直接ADC。
間接ADC是先將輸入模擬電壓轉換成時間或頻率，然後再把這些中間量轉換成數字量，常用的有中間量是時間的雙積分型ADC。直接ADC則直接轉換成數字量，常用的有並聯比較型ADC和逐次逼近型ADC。
並聯比較型ADC：由於並聯比較型ADC採用各量級同時並行比較，各位輸出碼也是同時並行產生，所以轉換速度快是它的突出優點，同時轉換速度與輸出碼位的多少無關。並聯比較型ADC的缺點是成本高、功耗大。因為n位輸出的ADC，需要2n個電阻，（2n－1）個比較器和D觸發器，以及複雜的編碼網路，其元件數量隨位數的增加，以幾何級數上升。所以這種ADC適用於要求高速、低分辯率的場合。逐次逼近型ADC：逐次逼近型ADC是另一種直接ADC，它也產生一系列比較電壓VR，但與並聯比較型ADC不同，它是逐個產生比較電壓，逐次與輸入電壓分別比較，以逐漸逼近的方式進行模數轉換的。逐次逼近型ADC每次轉換都要逐位比較，需要（n+1）個節拍脈衝才能完成，所以它比並聯比較型ADC的轉換速度慢，比雙分積型ADC要快得多，屬於中速ADC器件。另外位數多時，它需用的元器件比並聯比較型少得多，所以它是集成ADC中，套用較廣的一種。雙積分型ADC：屬於間接型ADC，它先對輸入採樣電壓和基準電壓進行兩次積分，以獲得與採樣電壓平均值成正比的時間間隔，同時在這個時間間隔內，用計數器對標準時鐘脈衝（CP）計數，計數器輸出的計數結果就是對應的數字量。雙積分型ADC優點是抗干擾能力強；穩定性好；可實現高精度模數轉換。主要缺點是轉換速度低，因此這種轉換器大多套用於要求精度較高而轉換速度要求不高的儀器儀表中，例如用於多位高精度數字直流電壓表中。
Dither信號
在模擬數字轉換器中，工作狀況可以通過引入抖動信號（Dither）得到改善。Dither信號是在轉換前混入輸入信號的微量隨機噪聲（白噪聲）。它的作用效果是輸入信號極小時，造成LSB的狀態隨機在0和1之間振盪，而不是處於某一個固定值。這樣做可以擴展模擬數字轉換器可以轉換的有效範圍，而不需要在低輸入的情況下完全切斷這個信號，不過這樣做的代價是噪音會小幅增加，量化誤差會擴散到一系列噪音信號值。在時間範圍上，還是可以較為精確地反映信號在時間上的變化。在輸出端，使用一個適當的電子濾波器可以還原這個小幅信號波動。
沒有加入Dither信號的低幅音頻信號聽起來十分扭曲和令人不快。因為如果沒有Dither信號，低幅信號可能造成最低有效位固定在0或者1。引入Dither信號之後，音頻的實際振幅可以通過在取一段時間上實際量化的採樣和一系列Dither信號的採樣的平均值來計算。Dither信號在一些集成系統里也有套用，例如電度表，它可以使信號值產生比模擬數字轉換器最低有效位更為精確的結果。注意引入Dither信號只能增加採樣器的解析度，但是不能增加其線性的性質，因此精確度不一定能夠改善。
過採樣
- 數字濾波器具有比模擬濾波器更好的性質（更銳利的滾降、相位），所有可以構成更銳利的反鋸齒濾波器，從而可以對信號進行向下採樣，給出更好的結果；
- 一個20位的模擬數字轉換器可以當做一個24位、具有256倍過密採樣的模擬數字轉換器使用；
- 儘管有量化噪聲，信噪比還是會比使用整個可用的頻寬更高。使用了此技術後，可能會獲得一個比單獨使用轉換器更高的解析度；
- 每倍頻的過密採樣（在很多套用中還不夠）的信噪比的改善為3分貝（等效於0.3位）。因此，過密採樣通常與噪音信號整形耦合在一起。通過噪音整形，改善可以達到每倍頻6L+3 dB（這裡L是用於噪音整形的環路濾波器的階數，例如，一個2階環路濾波器可以提供15分貝每倍頻的改善）。
相對速度
模擬數字轉換器的速度根據其種類有較大的差異。威爾金森模擬數字轉換器受到其時鐘率的限制。轉換所需的時間這屆與溝道的數量成比例。對於一個逐次逼近（successive-approximation）模擬數字轉換器，其轉換時間與溝道數量的對數成比例。這樣，大量溝道可以使逐次逼近轉換器比威爾金森轉換器快。然而，威爾金斯轉換器消耗的時間是數字的，而逐次逼近轉換器是模擬的。由於模擬的自身就比數字的更慢，當溝道數量增加，所需的時間也增加。這樣，其在工作時具有相互競爭的過程。Flash模擬數字轉換器是這三種裡面最快的一種，轉換基本是以一個單獨平行的過程。對於一個8位單元，轉換可以在十幾個納秒的時間內完成。
精確度
人們期望在速度和精確度之間達到一個最佳平衡。Flash模擬數字轉換器具有與比較器水平的漂移和不確定性，這將導致溝道寬度的不均一性。結果是Flash模擬數字轉換器的線性不佳。對於逐次逼近模擬數字轉換器，糟糕的線性也很明顯，不過這還是比Flash模擬數字轉換器好一點。這裡，非線性是源於減法過程的誤差積累。在這一點上，威爾金森轉換器是表現最好的。它們擁有最好的微分非線性。其他種類的轉換器則要求溝道平滑，以達到像威爾金森轉換器的水平。
改進歷程
隨著數字電子技術的迅速發展，各種數字設備，特別是數字電子計算機的套用日益廣泛，幾乎滲透到國民經濟的所有領域之中。數字計算機只能夠對數位訊號進行處理，處理的結果還是數字量，它在用於生產過程自動控制的時候，所要處理的變數往往是連續變化的物理量，如溫度、壓力、速度等都是模擬量，這些非電子信號的模擬量先要經過感測器變成電壓或者電流信號， 然後再轉換成數字量，才能夠送往計算機進行處理。
模數轉換器
模數轉換器用途
模擬量轉換成數字量的過程被稱為模數轉換，簡稱A/D(Analog to Digital)轉換；完成模數轉換的電路被稱為 A/D 轉換器，簡稱ADC(Analog to Digital Converter)。 數字量轉換成模擬量的過程稱為數模轉換， 簡稱 D/A(Digital to Analog)轉換；完成數模轉換的電路稱為D/A轉換器，簡稱DAC(Digital to Analog Converter)。模擬信號由感測器轉換為電信號，經放大送入 AD 轉換器轉換為數字量，由數字電路進行處理，再由 DA轉換器還原為模擬量，去驅動執行部件。為了保證數據處理結果的準確性， AD轉換器和DA轉換器必須有足夠的轉換精度。同時，為了適應快速過程的控制和檢測的需要，AD轉換器和 DA轉換器還必須有足夠快的轉換速度。因此，轉換精度和轉換速度乃是衡量 AD轉換器和 DA轉換器性能優劣的主要標誌。
轉換方法
模數轉換過程包括量化和編碼。量化是將模擬信號量程分成許多離散量級，並確定輸入信號所屬的量級。編碼是對每一量級分配唯一的數字碼，並確定與輸入信號相對應的代碼。最普通的碼制是二進制，它有2的n次方個量級（n為位數）,可依次逐個編號。模數轉換的方法很多，從轉換原理來分可分為直接法和間接法兩大類。 直接法是直接將電壓轉換成數字量。它用數模網路輸出的一套基準電壓，從高位起逐位與被測電壓反覆比較，直到二者達到或接近平衡。控制邏輯能實現對分搜尋的控制，其比較方法如同天平稱重。先使二進位制數的最高位Dn-1=1，經數模轉換後得到一個整個量程一半的模擬電壓VS，與輸入電壓Vin相比較，若Vin>VS,則保留這一位；若Vin<Vs，則Dn-1=0。然後使下一位Dn-2=1,與上一次的結果一起經數模轉換後與Vin相比較,重複這一過程，直到使D0=1，再與Vin相比較,由Vin>VS還是Vin<V來決定是否保留這一位。經過n次比較後，n位暫存器的狀態即為轉換後的數據。這種直接逐位比較型（又稱反饋比較型）轉換器是一種高速的數模轉換電路，轉換精度很高，但對干擾的抑制能力較差，常用提高數據放大器性能的方法來彌補。它在計算機接口電路中用得最普遍。
間接法不將電壓直接轉換成數字，而是首先轉換成某一中間量,再由中間量轉換成數字。常用的有電壓-時間間隔(V/T)型和電壓-頻率(V/F)型兩種，其中電壓-時間間隔型中的雙斜率法（又稱雙積分法）用得較為普遍。
模數轉換器的選用具體取決於輸入電平、輸出形式、控制性質以及需要的速度、解析度和精度。
用半導體分立元件製成的模數轉換器常常採用單元結構，隨著大規模積體電路技術的發展，模數轉換器體積逐漸縮小為一塊模板、一塊積體電路。
A/D轉換器的工作原理
主要介紹以下三種方法：逐次逼近法、雙積分法、電壓頻率轉換法
1）逐次逼近法
逐次逼近式A/D是比較常見的一種A/D轉換電路，轉換的時間為微秒級。
採用逐次逼近法的A/D轉換器是由一個比較器、D/A轉換器、緩衝暫存器及控制邏輯電路組成，如圖所示。
基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進行試探。
逐次逼近法的轉換過程是：初始化時將逐次逼近暫存器各位清零；轉換開始時，先將逐次逼近暫存器最高位置1，送入D/A轉換器，經D/A轉換後生成的模擬量送入比較器，稱為 Vo，與送入比較器的待轉換的模擬量Vi進行比較，若Vo<Vi，該位1被保留，否則被清除。然後再置逐次逼近暫存器次高位為1，將暫存器中新的數字量送D/A轉換器，輸出的 Vo再與Vi比較，若Vo<Vi，該位1被保留，否則被清除。重複此過程，直至逼近暫存器最低位。轉換結束後，將逐次逼近暫存器中的數字量送入緩衝暫存器，得到數
字量的輸出。逐次逼近的操作過程是在一個控制電路的控制下進行的。
2）雙積分法
採用雙積分法的A/D轉換器由電子開關、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。如圖所示。基本原理是將輸入電壓變換成與其平均值成正比的時間間隔，再把此時間間隔轉換成數字量，屬於間接轉換。
雙積分法
積分法A/D轉換的過程是：先將開關接通待轉換的模擬量Vi，Vi採樣輸入到積分器，積分器從零開始進行固定時間T的正向積分，時間T到後，開關再接通與Vi極性相反的基準電壓VREF，將VREF輸入到積分器，進行反向積分，直到輸出為0V時停止積分。Vi越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時間也越長。計數器在反向積分時間內所計的數值，就是輸入模擬電壓Vi所對應的數字量，實現了A/D轉換。
3）電壓頻率轉換法
採用電壓頻率轉換法的A/D轉換器，由計數器、控制門及一個具有恆定時間的時鐘門控制信號組成，它的工作原理是V/F轉換電路把輸入的模擬電壓轉換成與模擬電壓成正比的脈衝信號。電壓頻率轉換法的工作過程是：當模擬電壓Vi加到V/F的輸入端，便產生頻率F與Vi成正比的脈衝，在一定的時間內對該脈衝信號計數，時間到，統計到計數器的計數值正比於輸入電壓Vi，從而完成A/D轉換。
舉例說明
例1：對於一個2位的電壓模數轉換器，如果將參考設為1V，那么輸出的信號有00、01、10、11，4種編碼，分別代表輸入電壓在0V-0.25V, 0.26V-0.5V, 0.51V-0.75V, 0.76V-1V時的對應輸入。分為4個等級編碼，當一個0.8V的信號輸入時，轉換器輸出的數據為11。
例2：對於一個4位的電壓模數轉換器，如果將參考設為1V，那么輸出的信號有0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111，16種編碼，分別代表輸入電壓在0V-0.0625V, 0.0626V-0.125V, ...........0.9376V-1V。分為16個等級編碼（比較精確）當一個0.8V的信號輸入時，轉換器輸出的數據為1100。
A/D轉換器的主要技術參數
1. 轉換精度
（1）解析度
A/D轉換器的解析度以輸出二進制（或十進制）數的位數來表示。它說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。從理論上講，n位輸出的A/D轉換器能區分2個不同等級的輸入模擬電壓，能區分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/2n。在最大輸入電壓一定時，輸出位數愈多，解析度愈高。例如A/D轉換器輸出為8位二進制數，輸入信號最大值為5V,那么這個轉換器應能區分出輸入信號的最小電壓為9.53mV。
（2）轉換誤差
轉換誤差通常是以輸出誤差的最大值形式給出。它表示A/D轉換器實際輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差別。常用最低有效位的倍數表示。例如給出相對誤差≤±LSB/2，這就表明實際輸出的數字量和理論上應得到的輸出數字量之間的誤差小於最低位的半個字。
2 轉換時間
轉換時間是指A/D轉換器從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩定的數位訊號所經過的時間。A/D轉換器的轉換時間與轉換電路的類型有關。不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠。其中並行比較A/D轉換器的轉換速度最高，8位二進制輸出的單片集成A/D轉換器轉換時間可達到50ns以內，逐次比較型A/D轉換器次之，它們多數轉換時間在10～50s以內，間接A/D轉換器的速度最慢，如雙積分A/D轉換器的轉換時間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。在實際套用中，應從系統數據總的位數、精度要求、輸入模擬信號的範圍以及輸入信號極性等方面綜合考慮A/D轉換器的選用。
