A/D转换基本原理及实现方法

这篇大概介绍一下A/D转换的原理以及相应的电路连接方法。

模拟信号的幅度一般随时间变化而连续变化。以下就是不同性质模拟量的波形

而单片机中一般运算用的是数字量（0/1的组合），这就涉及到了外围电路需要有一个模数转换的过程。顾名思义是把输入的模拟信号尽可能无失真地转化为数字量。

如果把数字量形容成是一个个分块储存信息的模块，那模拟量这种连续的信息在转换过程中要尽可能避免信息的丧失。处不来讲转换的思路就是把数字量分块，以数字的形式转换至数字量中。如数字量为有六位（000000-111111），那么就可以把模拟量均等分为64份，每份中储存着转换过来的相应信息。

但是这个只是我们的初步思路，从原理上讲，一般的A/D转换分为采样保持，量化和编码三个过程。采样的量一般是电压（电流不好取），通过一定的采样保持时间过后把采样的电压量转换为数字量，并按一定形式的0/1编码顺序给出转换结果，这就是得到了相应的数字信号。框图如下：

下面分别介绍相应的理论知识。

1.采样定理：（信号里面基本接触过，还可以参考无失真系统需要具备的条件等知识）

采样定理反映了采样信号频率与输入信号频率之间的制约关系，可理解为采样信号的频谱（低通滤波器）一定要包含输入信号频谱的全部内容。 因为每次将采样电压转化为数字量需要一定的时间，所以采样后也必须把采样电压保持一段时间，故在采样过程中最后反应出的Vi都是采样结束时候的值。

2.量化与编码

数字信号一定是在数值上离散的。且任何一个数字量都会是一个基础数字量的整数倍。

故选取一个最小的变量作为单位变量。将模拟电压与之相除后就能得出相应的数字二进制代码，经推算也可以得出对应的模拟电平。

上图的单位变量就为1/8V，量化误差（每两个单位间隔中可能出现的最大误差）也是1/8.

这其中有一个小知识点。怎么设计电路使其有采样和保持的功能。

简单的采样保持电路如下图所示，其将MOS管作为启动和停止的开关，将信号通过反相放大器后得出输出电压。

这里的场效应管也有反相截止的功能。即当输入由高转低时，电流无法通过场效应管。

对于这种采样速度低的电路，可以有以下改进

VL引脚控制着开关的闭合，当为高电平时开关打开。模拟电压可经过两级跟随器传至Vo

当VL由高变低时，还有电容Ch放电提供相应电压，电平得以维持。

当输入的电压比较大，超出了开关所能承受的最大电压时，引入一个二极管电路，通过单向导通的性质可以起到分压的作用，且当电压合适时该电路不起分压作用。

常用的A/D转换器有直接A/D转换器（并行型/反馈比较型）以及间接A/D（需要转成T,f等中间变量后再转换）

1.直接

（1）并行A/D：由电压比较器，寄存器以及编码器三部分组成

电压比较器是对输入电压进行分类，如图所示，运放的负极接模拟电平大小为2n-1/15（n=1，2，……7）的端口，分压电阻每两个电阻之间的节点都接在VI引出的这条总线上。进行电压比较后将比较结果数据传到寄存器。寄存器设置的目的是因为比较结果可能会有变化，待稳定后通过译码器部分对相应的结果转化为二进制数字变量。各种变量之间的对应关系如下

这种电路特点是传输速度较快，但缺点是随着二进制数字量位数的增加，需要比较器的数量呈指数型增长（2^n-1），且自带采样保持功能

（2）反馈比较型A/D

引入一个D/A转换器和一个计数器，计数器传送数字信号至D/A，转为模拟信号后在电压比较器这里与VI按位做比较，若一致就直接传送至计数器，不一致通过比较器后也会变为正确的那一项，按位比较重复多次后，计数器将数据传送至输出寄存器。因为在比较过程中数字不断变化，故设置了输出寄存器。这样就可以起到逐步逼近模拟量的功能。

（3）逐次比较器

为了进一步提升比较的速度，设计了逐次比较器。下图是三位逐次比较器的原理图

引入了具有锁存功能的d触发器，三位得出比较结果分别上接三个RS触发器，在比较器C的正极输入前又加入了累加器，减去了半个量化误差。当要输出的位数越小时，时钟端的频率就越高，处理速度就会越快

2.间接比较器

一般使用的是V-T比较和V-F比较两类

剩下一个问题是关于A/D转换的参数指标。

大致有分辨率（转换器对输入信号的分辨能力），转换误差（实际输出与理论输出之间的差别）转换精度及转换时间四类。主要介绍分辨率及转换时间

1.分辨率：输入位数越多，转换位数越多，分辨率就越高。

eg：5V是一个转换器的输入最大值，若要输入8位二进制数，则有分辨率5/2^8V=19.53mV

2.转换时间：

即在实际运用中，需要综合考虑选用哪一种转换器最为合适

eg：

每个热电偶平均1/16s的转换时间，上述比较器都能用。

从0.1°C可知该转换器要求的分辨率为1/4500 通过最大电压范围0.025/2^n