模数转换器( 三 ) _生活百科

Dn-1=1，经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压VS，与输入电压Vin相比较，若Vin>VS,则保留这一位；若Vin<Vs，则Dn-1=0 。然后使下一位Dn-2=1,与上一次的结果一起经数模转换后与Vin相比较,重複这一过程，直到使D0=1，再与Vin相比较,由Vin>VS还是Vin<V来决定是否保留这一位。经过n次比较后，n位暂存器的状态即为转换后的数据。这种直接逐位比较型（又称反馈比较型）转换器是一种高速的数模转换电路，转换精度很高，但对干扰的抑制能力较差，常用提高数据放大器性能的方法来弥补。它在计算机接口电路中用得最普遍。间接法不将电压直接转换成数字，而是首先转换成某一中间量,再由中间量转换成数字。常用的有电压-时间间隔(V/T)型和电压-频率(V/F)型两种，其中电压-时间间隔型中的双斜率法（又称双积分法）用得较为普遍。模数转换器的选用具体取决于输入电平、输出形式、控制性质以及需要的速度、解析度和精度。用半导体分立元件製成的模数转换器常常採用单元结构，随着大规模积体电路技术的发展，模数转换器体积逐渐缩小为一块模板、一块积体电路。A/D转换器的工作原理主要介绍以下三种方法：逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法1）逐次逼近法逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。採用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲暂存器及控制逻辑电路组成，如图所示。

文章插图
基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法的转换过程是：初始化时将逐次逼近暂存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近暂存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为 Vo，与送入比较器的待转换的模拟量Vi进行比较，若Vo<Vi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近暂存器次高位为1，将暂存器中新的数字量送D/A转换器，输出的 Vo再与Vi比较，若Vo<Vi，该位1被保留，否则被清除。重複此过程，直至逼近暂存器最低位。转换结束后，将逐次逼近暂存器中的数字量送入缓冲暂存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。2）双积分法採用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。如图所示。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Vi，Vi採样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间T的正向积分，时间T到后，开关再接通与Vi极性相反的基準电压VREF，将VREF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。Vi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Vi所对应的数字量，实现了A/D转换。3）电压频率转换法採用电压频率转换法的A/D转换器，由计数器、控制门及一个具有恆定时间的时钟门控制信号组成，它的工作原理是V/F转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。电压频率转换法的工作过程是：当模拟电压Vi加到V/F的输入端，便产生频率F与Vi成正比的脉冲，在一定的时间内对该脉冲信号计数，时间到，统计到计数器的计数值正比于输入电压Vi，从而完成A/D转换。举例说明例1：对于一个2位的电压模数转换器，如果将参考设为1V，那幺输出的信号有00、01、10、11，4种编码，分别代表输入电压在0V-0.25V, 0.26V-0.5V, 0.51V-0.75V, 0.76V-1V时的对应输入。分为4个等级编码，当一个0.8V的信号输入时，转换器输出的数据为11 。例2：对于一个4位的电压模数转换器，如果将参考设为1V，那幺输出的信号有0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001、1010、1011、1100、1101、1110、1111，16种编码，分别代表输入电压在0V-0.0625V, 0.0626V-0.125V, ...........0.9376V-1V 。分为16个等级编码（比较精确）当一个0.8V的信号输入时，转换器输出的数据为1100 。A/D转换器的主要技术参数1. 转换精度（1）解析度A/D转换器的解析度以输出二进制（或十进制）数的位数来表示。它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。从理论上讲，n位输出的A/D转换器能区分2个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2n 。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，解析度愈高。例如A/D转换器输出为8位二进制数，输入信号最大值为5V,那幺这个转换器应能区分出输入信号的最小电压为9.53mV 。（2）转换误差转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如给出相对误差≤±LSB/2，这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。2 转换时间转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数位讯号所经过的时间。A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关。不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较A/D转换器的转换速度最高，8位二进制输出的单片集成A/D转换器转换时间可达到50ns以内，逐次比较型A/D转换器次之，它们多数转换时间在10～50s以内，间接A/D转换器的速度最慢，如双积分A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间。在实际套用中，应从系统数据总的位数、精度要求、输入模拟信号的範围以及输入信号极性等方面综合考虑A/D转换器的选用。