模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡(jiǎn)稱ADC，通常是指一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對(duì)大小。故任何一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見(jiàn)的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小。
簡(jiǎn)介
將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱a/d轉(zhuǎn)換器或adc,analog to digital converter），A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào)，因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過(guò)取樣、保持、量化及編碼4個(gè)過(guò)程。在實(shí)際電路中，這些過(guò)程有的是合并進(jìn)行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉(zhuǎn)換過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。
原理概述
模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率是指，對(duì)于允許范圍內(nèi) 的模擬信號(hào)，它能輸出離散數(shù)字信號(hào)值的個(gè)數(shù)。這些信號(hào)值通常用二進(jìn)制數(shù)來(lái)存儲(chǔ)，因此分辨率經(jīng)常用比特作為單位，且這些離散值的個(gè)數(shù)是2的冪指數(shù)。例如，一個(gè)具有8位分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以將模擬信號(hào)編碼成256個(gè)不同的離散值（因?yàn)?^8= 256），從0到255（即無(wú)符號(hào)整數(shù)）或從-128到127（即帶符號(hào)整數(shù)），至于使用哪一種，則取決于具體的應(yīng)用。
分辨率同時(shí)可以用電氣性質(zhì)來(lái)描述，使用單位伏特。使得輸出離散信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)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(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率
Q等于LSB電壓。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電壓分辨率等于它總的電壓測(cè)量范圍除以離散電壓間隔數(shù)：
響應(yīng)類(lèi)型
大多數(shù)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)類(lèi)型為線性，這里的“線性”是指，輸出信號(hào)的大小與輸入信號(hào)的大小成線性比例。
一些早期的轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)類(lèi)型呈對(duì)數(shù)關(guān)系，由此來(lái)執(zhí)行A-law算法或μ-law算法編碼。
誤差
模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的誤差有若干種來(lái)源。量化錯(cuò)誤和非線性誤差（假設(shè)這個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器標(biāo)稱具有線性特征）是任何模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換中都存在的內(nèi)在誤差。也有一種被稱作孔徑錯(cuò)誤（aperture error），它是由于時(shí)鐘的不良振蕩，且常常在對(duì)時(shí)域信號(hào)數(shù)字化的過(guò)程中出現(xiàn)。
這種誤差用一個(gè)稱為“最低有效位”的參數(shù)來(lái)衡量。
采樣率
模擬信號(hào)在時(shí)域上是連續(xù)的，因此可以將它轉(zhuǎn)換為時(shí)間上連續(xù)的一系列數(shù)字信號(hào)。這樣就要求定義一個(gè)參數(shù)來(lái)表示新的數(shù)字信號(hào)采樣自模擬信號(hào)速率。這個(gè)速率稱為轉(zhuǎn)換器的采樣率或采樣頻率。
可以采集連續(xù)變化、帶寬受限的信號(hào)（即每隔一時(shí)間測(cè)量并存儲(chǔ)一個(gè)信號(hào)值），然后可以通過(guò)插值將轉(zhuǎn)換后的離散信號(hào)還原為原始信號(hào)。這一過(guò)程的精確度受量化誤差的限制。然而，僅當(dāng)采樣率比信號(hào)頻率的兩倍還高的情況下才可能達(dá)到對(duì)原始信號(hào)的忠實(shí)還原，這一規(guī)律在采樣定理有所體現(xiàn)。
由于實(shí)際使用的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器不能進(jìn)行完全實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)換，所以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換的過(guò)程中必須通過(guò)一些外加方法使之保持恒定。常用的有采樣-保持電路，在大多數(shù)的情況里，通過(guò)使用一個(gè)電容器可以存儲(chǔ)輸入的模擬電壓，并通過(guò)開(kāi)關(guān)或門(mén)電路來(lái)閉合、斷開(kāi)這個(gè)電容和輸入信號(hào)的連接。許多模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換集成電路在內(nèi)部就已經(jīng)包含了這樣的采樣-保持子系統(tǒng)。
混疊
所有的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以每隔一定時(shí)間進(jìn)行采樣的形式進(jìn)行工作。因此，它們的輸出信號(hào)只是對(duì)輸入信號(hào)行為的不完全描述。在某一次采樣和下一次采樣之間的時(shí)間段，僅僅根據(jù)輸出信號(hào)，是無(wú)法得知輸入信號(hào)的形式的。如果輸入信號(hào)以比采樣率低的速率變化，那么可以假定這兩次采樣之間的信號(hào)介于這兩次采樣得到的信號(hào)值。然而，如果輸入信號(hào)改變過(guò)快，則這樣的假設(shè)是錯(cuò)誤的。
如果模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的信號(hào)在系統(tǒng)的后期，通過(guò)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，則輸出信號(hào)可以忠實(shí)地反映原始信號(hào)。如經(jīng)過(guò)輸入信號(hào)的變化率比采樣率大得多，則是另一種情況，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出的這種“假”信號(hào)被稱作“混疊”；殳B信號(hào)的頻率為信號(hào)頻率和采樣率的差。例如，一個(gè)2千赫茲的正弦曲線信號(hào)在采樣率在1.5千赫茲采樣率的轉(zhuǎn)換后，會(huì)被重建為500赫茲的正弦曲線信號(hào)。這樣的問(wèn)題被稱作“混疊”。
為了避免混疊現(xiàn)象，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)必須通過(guò)低通濾波器進(jìn)行濾波處理，過(guò)濾掉頻率高于采樣率一半的信號(hào)。這樣的濾波器也被稱作反鋸齒濾波器。它在實(shí)用的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中十分重要，常在混有高頻信號(hào)的模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)用。
盡管在大多數(shù)系統(tǒng)里，混疊是不希望看到的現(xiàn)象，值得注意的是，它可以提供限制帶寬高頻信號(hào)的同步向下混合（simultaneous down-mixing ，請(qǐng)參見(jiàn)采樣過(guò)疏和混頻器）。
模數(shù)轉(zhuǎn)換的步驟
模數(shù)轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過(guò)采樣、保持和量化、編碼這幾個(gè)步驟。采樣定理：當(dāng)采樣頻率大于模擬信號(hào)中最高頻率成分的兩倍時(shí)，采樣值才能不失真的反映原來(lái)模擬信號(hào) [2] 。
構(gòu)成及特點(diǎn)
模數(shù)轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)很多，按工作原理的不同，可分成間接ADC和直接ADC [2] 。
間接ADC是先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后再把這些中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有中間量是時(shí)間的雙積分型ADC。直接ADC則直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有并聯(lián)比較型ADC和逐次逼近型ADC [2] 。
并聯(lián)比較型ADC：由于并聯(lián)比較型ADC采用各量級(jí)同時(shí)并行比較，各位輸出碼也是同時(shí)并行產(chǎn)生，所以轉(zhuǎn)換速度快是它的突出優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)轉(zhuǎn)換速度與輸出碼位的多少無(wú)關(guān)。并聯(lián)比較型ADC的缺點(diǎn)是成本高、功耗大。因?yàn)閚位輸出的ADC，需要2n個(gè)電阻，（2n－1）個(gè)比較器和D觸發(fā)器，以及復(fù)雜的編碼網(wǎng)絡(luò)，其元件數(shù)量隨位數(shù)的增加，以幾何級(jí)數(shù)上升。所以這種ADC適用于要求高速、低分辯率的場(chǎng)合。逐次逼近型ADC：逐次逼近型ADC是另一種直接ADC，它也產(chǎn)生一系列比較電壓VR，但與并聯(lián)比較型ADC不同，它是逐個(gè)產(chǎn)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的。逐次逼近型ADC每次轉(zhuǎn)換都要逐位比較，需要（n+1）個(gè)節(jié)拍脈沖才能完成，所以它比并聯(lián)比較型ADC的轉(zhuǎn)換速度慢，比雙分積型ADC要快得多，屬于中速ADC器件。另外位數(shù)多時(shí)，它需用的元器件比并聯(lián)比較型少得多，所以它是集成ADC中，應(yīng)用較廣的一種。雙積分型ADC：屬于間接型ADC，它先對(duì)輸入采樣電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，以獲得與采樣電壓平均值成正比的時(shí)間間隔，同時(shí)在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，用計(jì)數(shù)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖（CP）計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)結(jié)果就是對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。雙積分型ADC優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)；穩(wěn)定性好；可實(shí)現(xiàn)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度低，因此這種轉(zhuǎn)換器大多應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器儀表中，例如用于多位高精度數(shù)字直流電壓表中 [2] 。
Dither信號(hào)
在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器中，工作狀況可以通過(guò)引入抖動(dòng)信號(hào)（Dither）得到改善。Dither信號(hào)是在轉(zhuǎn)換前混入輸入信號(hào)的微量隨機(jī)噪聲（白噪聲）。它的作用效果是輸入信號(hào)極小時(shí)，造成LSB的狀態(tài)隨機(jī)在0和1之間振蕩，而不是處于某一個(gè)固定值。這樣做可以擴(kuò)展模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換的有效范圍，而不需要在低輸入的情況下完全切斷這個(gè)信號(hào)，不過(guò)這樣做的代價(jià)是噪音會(huì)小幅增加，量化誤差會(huì)擴(kuò)散到一系列噪音信號(hào)值。在時(shí)間范圍上，還是可以較為精確地反映信號(hào)在時(shí)間上的變化。在輸出端，使用一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮訛V波器可以還原這個(gè)小幅信號(hào)波動(dòng)。
沒(méi)有加入Dither信號(hào)的低幅音頻信號(hào)聽(tīng)起來(lái)十分扭曲和令人不快。因?yàn)槿绻麤](méi)有Dither信號(hào)，低幅信號(hào)可能造成最低有效位固定在0或者1。引入Dither信號(hào)之后，音頻的實(shí)際振幅可以通過(guò)在取一段時(shí)間上實(shí)際量化的采樣和一系列Dither信號(hào)的采樣的平均值來(lái)計(jì)算。Dither信號(hào)在一些集成系統(tǒng)里也有應(yīng)用，例如電度表，它可以使信號(hào)值產(chǎn)生比模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器最低有效位更為精確的結(jié)果。注意引入Dither信號(hào)只能增加采樣器的分辨率，但是不能增加其線性的性質(zhì)，因此精確度不一定能夠改善。
過(guò)采樣
通常的，為了經(jīng)濟(jì)，信號(hào)以允許的最低采樣率被采樣，造成的結(jié)果是產(chǎn)生在轉(zhuǎn)換器整個(gè)通帶上分布的白噪聲。如果信號(hào)以高于奈奎斯特頻率的頻率被采樣、然后進(jìn)行數(shù)字濾波，才從而保證限制信號(hào)帶寬，則又以下幾個(gè)好處：
數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器更好的性質(zhì)（更銳利的滾降、相位），所有可以構(gòu)成更銳利的反鋸齒濾波器，從而可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行向下采樣，給出更好的結(jié)果；
一個(gè)20位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以當(dāng)做一個(gè)24位、具有256倍過(guò)密采樣的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器使用；
盡管有量化噪聲，信噪比還是會(huì)比使用整個(gè)可用的帶寬更高。使用了此技術(shù)后，可能會(huì)獲得一個(gè)比單獨(dú)使用轉(zhuǎn)換器更高的分辨率；
每倍頻的過(guò)密采樣（在很多應(yīng)用中還不夠）的信噪比的改善為3分貝（等效于0.3位）。因此，過(guò)密采樣通常與噪音信號(hào)整形耦合在一起。通過(guò)噪音整形，改善可以達(dá)到每倍頻6L+3 dB（這里L(fēng)是用于噪音整形的環(huán)路濾波器的階數(shù)，例如，一個(gè)2階環(huán)路濾波器可以提供15分貝每倍頻的改善）。
相對(duì)速度
模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的速度根據(jù)其種類(lèi)有較大的差異。威爾金森模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器受到其時(shí)鐘率的限制。轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間這屆與溝道的數(shù)量成比例。對(duì)于一個(gè)逐次逼近（successive-approximation）模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間與溝道數(shù)量的對(duì)數(shù)成比例。這樣，大量溝道可以使逐次逼近轉(zhuǎn)換器比威爾金森轉(zhuǎn)換器快。然而，威爾金斯轉(zhuǎn)換器消耗的時(shí)間是數(shù)字的，而逐次逼近轉(zhuǎn)換器是模擬的。由于模擬的自身就比數(shù)字的更慢，當(dāng)溝道數(shù)量增加，所需的時(shí)間也增加。這樣，其在工作時(shí)具有相互競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程。Flash模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器是這三種里面最快的一種，轉(zhuǎn)換基本是以一個(gè)單獨(dú)平行的過(guò)程。對(duì)于一個(gè)8位單元，轉(zhuǎn)換可以在十幾個(gè)納秒的時(shí)間內(nèi)完成。
精確度
人們期望在速度和精確度之間達(dá)到一個(gè)最佳平衡。Flash模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器具有與比較器水平的漂移和不確定性，這將導(dǎo)致溝道寬度的不均一性。結(jié)果是Flash模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的線性不佳。對(duì)于逐次逼近模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，糟糕的線性也很明顯，不過(guò)這還是比Flash模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器好一點(diǎn)。這里，非線性是源于減法過(guò)程的誤差積累。在這一點(diǎn)上，威爾金森轉(zhuǎn)換器是表現(xiàn)最好的。它們擁有最好的微分非線性。其他種類(lèi)的轉(zhuǎn)換器則要求溝道平滑，以達(dá)到像威爾金森轉(zhuǎn)換器的水平。
改進(jìn)歷程
隨著數(shù)字電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種數(shù)字設(shè)備，特別是數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，幾乎滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的所有領(lǐng)域之中。數(shù)字計(jì)算機(jī)只能夠?qū)?shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，處理的結(jié)果還是數(shù)字量，它在用于生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控
模數(shù)轉(zhuǎn)換器
制的時(shí)候，所要處理的變量往往是連續(xù)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(hào)的模擬量先要經(jīng)過(guò)傳感器變成電壓或者電流信號(hào)， 然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，才能夠送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
用途
模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過(guò)程被稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)稱A/D(Analog to Digital)轉(zhuǎn)換；完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路被稱為 A/D 轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱ADC(Analog to Digital Converter)。 數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的過(guò)程稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換， 簡(jiǎn)稱 D/A(Digital to Analog)轉(zhuǎn)換；完成數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱DAC(Digital to Analog Converter)。模擬信號(hào)由傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大送入 AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由數(shù)字電路進(jìn)行處理，再由 DA轉(zhuǎn)換器還原為模擬量，去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。為了保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性， AD轉(zhuǎn)換器和DA轉(zhuǎn)換器必須有足夠的轉(zhuǎn)換精度。同時(shí)，為了適應(yīng)快速過(guò)程的控制和檢測(cè)的需要，AD轉(zhuǎn)換器和 DA轉(zhuǎn)換器還必須有足夠快的轉(zhuǎn)換速度。因此，轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度乃是衡量 AD轉(zhuǎn)換器和 DA轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)劣的主要標(biāo)志。
轉(zhuǎn)換方法
模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程包括量化和編碼。量化是將模擬信號(hào)量程分成許多離散量級(jí)，并確定輸入信號(hào)所屬的量級(jí)。編碼是對(duì)每一量級(jí)分配唯一的數(shù)字碼，并確定與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的代碼。最普通的碼制是二進(jìn)制，它有2的n次方個(gè)量級(jí)（n為位數(shù)）,可依次逐個(gè)編號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法很多，從轉(zhuǎn)換原理來(lái)分可分為直接法和間接法兩大類(lèi)。 直接法是直接將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。它用數(shù)模網(wǎng)絡(luò)輸出的一套基準(zhǔn)電壓，從高位起逐位與被測(cè)電壓反復(fù)比較，直到二者達(dá)到或接近平衡。控制邏輯能實(shí)現(xiàn)對(duì)分搜索的控制，其比較方法如同天平稱重。先使二進(jìn)位制數(shù)的最高位Dn-1=1，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到一個(gè)整個(gè)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。然后使下一位Dn-2=1,與上一次的結(jié)果一起經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后與Vin相比較,重復(fù)這一過(guò)程，直到使D0=1，再與Vin相比較,由Vin>VS還是Vin<V來(lái)決定是否保留這一位。經(jīng)過(guò)n次比較后，n位寄存器的狀態(tài)即為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。這種直接逐位比較型（又稱反饋比較型）轉(zhuǎn)換器是一種高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換精度很高，但對(duì)干擾的抑制能力較差，常用提高數(shù)據(jù)放大器性能的方法來(lái)彌補(bǔ)。它在計(jì)算機(jī)接口電路中用得最普遍。
間接法不將電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字，而是首先轉(zhuǎn)換成某一中間量,再由中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字。常用的有電壓-時(shí)間間隔(V/T)型和電壓-頻率(V/F)型兩種，其中電壓-時(shí)間間隔型中的雙斜率法（又稱雙積分法）用得較為普遍。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選用具體取決于輸入電平、輸出形式、控制性質(zhì)以及需要的速度、分辨率和精度。
用半導(dǎo)體分立元件制成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器常常采用單元結(jié)構(gòu)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，模數(shù)轉(zhuǎn)換器體積逐漸縮小為一塊模板、一塊集成電路。
A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換法
1）逐次逼近法
逐次逼近式A/D是比較常見(jiàn)的一種A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時(shí)間為微秒級(jí)。
采用逐次逼近法的A/D轉(zhuǎn)換器是由一個(gè)比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、緩沖寄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(jí)增減砝碼進(jìn)行試探。
逐次逼近法的轉(zhuǎn)換過(guò)程是：初始化時(shí)將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器，稱為 Vo，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量Vi進(jìn)行比較，若Vo<Vi，該位1被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為1，將寄存器中新的數(shù)字量送D/A轉(zhuǎn)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。重復(fù)此過(guò)程，直至逼近寄存器最低位。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)
字量的輸出。逐次逼近的操作過(guò)程是在一個(gè)控制電路的控制下進(jìn)行的。
2）雙積分法
采用雙積分法的A/D轉(zhuǎn)換器由電子開(kāi)關(guān)、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(shí)間間隔，再把此時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。
雙積分法
積分法A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程是：先將開(kāi)關(guān)接通待轉(zhuǎn)換的模擬量Vi，Vi采樣輸入到積分器，積分器從零開(kāi)始進(jìn)行固定時(shí)間T的正向積分，時(shí)間T到后，開(kāi)關(guān)再接通與Vi極性相反的基準(zhǔn)電壓VREF，將VREF輸入到積分器，進(jìn)行反向積分，直到輸出為0V時(shí)停止積分。Vi越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時(shí)間也越長(zhǎng)。計(jì)數(shù)器在反向積分時(shí)間內(nèi)所計(jì)的數(shù)值，就是輸入模擬電壓Vi所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。
3）電壓頻率轉(zhuǎn)換法
采用電壓頻率轉(zhuǎn)換法的A/D轉(zhuǎn)換器，由計(jì)數(shù)器、控制門(mén)及一個(gè)具有恒定時(shí)間的時(shí)鐘門(mén)控制信號(hào)組成，它的工作原理是V/F轉(zhuǎn)換電路把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與模擬電壓成正比的脈沖信號(hào)。電壓頻率轉(zhuǎn)換法的工作過(guò)程是：當(dāng)模擬電壓Vi加到V/F的輸入端，便產(chǎn)生頻率F與Vi成正比的脈沖，在一定的時(shí)間內(nèi)對(duì)該脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，時(shí)間到，統(tǒng)計(jì)到計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值正比于輸入電壓Vi，從而完成A/D轉(zhuǎn)換。
舉例說(shuō)明
例1：對(duì)于一個(gè)2位的電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如果將參考設(shè)為1V，那么輸出的信號(hào)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(shí)的對(duì)應(yīng)輸入。分為4個(gè)等級(jí)編碼，當(dāng)一個(gè)0.8V的信號(hào)輸入時(shí)，轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)為11。
例2：對(duì)于一個(gè)4位的電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如果將參考設(shè)為1V，那么輸出的信號(hào)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(gè)等級(jí)編碼（比較精確）當(dāng)一個(gè)0.8V的信號(hào)輸入時(shí)，轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)為1100。
A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)
1. 轉(zhuǎn)換精度
（1）分辨率
A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)來(lái)表示。它說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。從理論上講，n位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分2個(gè)不同等級(jí)的輸入模擬電壓，能區(qū)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(shí)，輸出位數(shù)愈多，分辨率愈高。例如A/D轉(zhuǎn)換器輸出為8位二進(jìn)制數(shù)，輸入信號(hào)最大值為5V,那么這個(gè)轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分出輸入信號(hào)的最小電壓為9.53mV。
（2）轉(zhuǎn)換誤差
轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如給出相對(duì)誤差≤±LSB/2，這就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個(gè)字。
2 轉(zhuǎn)換時(shí)間
轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換電路的類(lèi)型有關(guān)。不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)。其中并行比較A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高，8位二進(jìn)制輸出的單片集成A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)到50ns以內(nèi)，逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之，它們多數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間在10～50s以內(nèi)，間接A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢，如雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)總的位數(shù)、精度要求、輸入模擬信號(hào)的范圍以及輸入信號(hào)極性等方面綜合考慮A/D轉(zhuǎn)換器的選用。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)，ADC作為電路中重要的元器件，本文將介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理、轉(zhuǎn)換步驟、主要技術(shù)指標(biāo)以及不同類(lèi)型ADC的特點(diǎn)。
1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理
將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過(guò)程稱為“模數(shù)轉(zhuǎn)換”。完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路 稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱 ADC（Analog to Digital Converter）。
2 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的步驟
模數(shù)轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過(guò)采樣、保持和量化、編碼這幾個(gè)步驟。
采樣定理：當(dāng)采樣頻率大于模擬信號(hào)中最高頻率成分的兩倍時(shí)，采樣 值才能不失真的反映原來(lái)模擬信號(hào)。
3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)
轉(zhuǎn)換精度 集成 ADC 用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述轉(zhuǎn)換精度。
。1）分辨率
通常以輸出二進(jìn)制或十進(jìn)制數(shù)字的位數(shù)表示分辨率的高低，因?yàn)槲粩?shù)越多，量化單位越小，對(duì)輸入信號(hào)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(shù)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(shù)可以
分辨的最小模擬電壓為 5 V&TImes;2－12≈1.22 mV。
（2） 轉(zhuǎn)換誤差
它是指在零點(diǎn)和滿度都校準(zhǔn)以后，在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，分別測(cè)量各個(gè) 數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬輸入電壓實(shí)測(cè)范圍與理論范圍之間的偏差，取其 中的最大偏差作為轉(zhuǎn)換誤差的指標(biāo)。通常以相對(duì)誤差的形式出現(xiàn)，并 以 LSB 為單位表示。例如 ADC0801 的相對(duì)誤差為±¼ LSB。
轉(zhuǎn)換速度
完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)換 速度是轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)。
ADC 的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類(lèi)型，并聯(lián)比較型 ADC 的轉(zhuǎn)換速度最高（轉(zhuǎn)換時(shí)間可小于 50 ns），逐次逼近型 ADC 次之（轉(zhuǎn) 換時(shí)間在 10～100μs 之間），雙積分型 ADC 轉(zhuǎn)換速度最低（轉(zhuǎn)換時(shí) 間在幾十毫秒至數(shù)百毫秒之間）。
4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成及不同類(lèi)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)
模數(shù)轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)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(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后再把這些中 間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有中間量是時(shí)間的雙積分型 ADC。
直接 ADC 則直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有并聯(lián)比較型 ADC 和逐次 逼近型 ADC。
并聯(lián)比較型ADC：由于并聯(lián)比較型ADC采用各量級(jí)同時(shí)并行比較， 各位輸出碼也是同時(shí)并行產(chǎn)生，所以轉(zhuǎn)換速度快是它的突出優(yōu)點(diǎn)，同 時(shí)轉(zhuǎn)換速度與輸出碼位的多少無(wú)關(guān)。并聯(lián)比較型ADC的缺點(diǎn)是成本 高、功耗大。因?yàn)閚位輸出的ADC，需要 2n 個(gè)電阻，（2n －1）個(gè)比較器和D觸發(fā)器，以及復(fù)雜的編碼網(wǎng)絡(luò)，其元件數(shù)量隨位數(shù)的增加，以 幾何級(jí)數(shù)上升。所以這種ADC適用于要求高速、低分辯率的場(chǎng)合。 逐次逼近型ADC：逐次逼近型ADC是另一種直接ADC，它也產(chǎn)生一 系列比較電壓VR，但與并聯(lián)比較型ADC不同，它是逐個(gè)產(chǎn)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的。逐次 逼近型ADC每次轉(zhuǎn)換都要逐位比較，需要（n+1）個(gè)節(jié)拍脈沖才能完 成，所以它比并聯(lián)比較型ADC 的轉(zhuǎn)換速度慢，比雙分積型ADC要快 得多，屬于中速ADC器件。另外位數(shù)多時(shí)，它需用的元器件比并聯(lián)比 較型少得多，所以它是集成ADC中，應(yīng)用較廣的一種。
雙積分型 ADC：屬于間接型 ADC，它先對(duì)輸入采樣電壓和基準(zhǔn)電壓 進(jìn)行兩次積分，以獲得與采樣電壓平均值成正比的時(shí)間間隔，同時(shí)在 這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，用計(jì)數(shù)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖（CP）計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器輸 出的計(jì)數(shù)結(jié)果就是對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。雙積分型 ADC 優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力 強(qiáng)；穩(wěn)定性好；可實(shí)現(xiàn)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度低，因此這種轉(zhuǎn)換器大多應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器 儀表中，例如用于多位高精度數(shù)字直流電壓表中。
