掌握A/D转换器：四种常见类型的优缺点分析

掌握A/D转换器：四种常见类型的优缺点分析

A/D转换器是电子工程领域中至关重要的装置，它负责将自然界中广泛存在的模拟信号转换为我们计算机能够理解和处理的数字信号。这一过程看似简单，实则涉及采样、量化和编码等多个复杂步骤。本文将深入探讨A/D转换器的工作原理，并详细介绍四种常见的A/D转换器类型及其优缺点，帮助读者全面理解这一关键技术。

一、A/D转换器

A/D转换器是从自然界的现象（各种各样的应用）产生的模拟信号变换为数字信号（A/D变换）的东西。

这个工作是指由模拟信号经过采样→量化→编码变换为数字信号的一系列步骤。

二、A/D转换器的基本操作

A/D转换器的基本操作请参见下方A/D转换器实例。

A/D转换器在离散周期内切出模拟信号的幅度，变换为用符号表示的数字信号。

A/D转换了的数字信号位数叫做分辨率（这个情况下是3bit），最高位叫做MSB(Most Significant Bit)，最低位叫做LSB(Least Significant Bit)。

下方的图片展示了模拟信号（输入）和数字信号（输出）的关系。作为数字信号差，可识别的模拟信号最小振幅是最小分辨率(=1LSB)，在模拟信号和数字信号之间产生的误差叫做量化误差。

另外，第一个数字信号变化点(000→001)的0.5LSB下叫做零刻度，最后一个数字信号变化点(110→111）的0.5LSB上叫做满量程，从零刻度到满量程的这个区间叫满量程范围。

以下是模拟信号通过"采样→量化→编码"变换为数字信号的一系列步骤。

采样(Sampling)

在离散周期（采样周期：TS）内切出连续的模拟信号振幅值

采样周期：Ts＝1/(采样频率:Fs)

进行采样的电路叫做采样和保持电路(简称S&H电路)

量化(Quantization)

在离散周期内切出的振幅值近似于离散振幅值。

量化误差：(采样值)－(量化值)

编码(Coding)

离散振幅用"0"和"1"这两个值来表示转换的代码。

转换了代码的电路叫做编码器(Encoder)。

三、A/D转换器的基本形式1（闪存）

3.1工作

预先用比较器同时比较分压成2N-1个的参考电压和模拟信号，比较结果用编码器转换成数字信号。

3.2特点

• 为了把模拟信号一次转为数字信号，模拟信号不需要采样电路（S&H回路)。
• 在A/D转换器的基本形式中可最高速度转换。（采样频率甚至可超过1GHz。）
• N位分辨率需要2N-1个比较器，由于电路规模和功耗增加，分辨率最高为8位左右。

四、A/D转换器的基本形式2（流水线）

4.1 工作

在一般1.5bit/级结构的情况下，从决定了MSB的第1级开始依次流水线操作，从而反复进行以下的处理。（VREF：参考电压）

• 采样(S&H)模拟输入。
• 同时用A/D转换器（ADC）把模拟输入转换成3值(1.5bit)的数字值。（此处确定级别的数字输出）
• 模拟输入≦-VREF/4→ D="00"
• -VREF/4<模拟输入≦+VREF/4→ D="01"
• +VREF/4<模拟输入→D="10"
• 用D/A转换器（DAC）把3值(1.5bit)的数字值转换为模拟值。
• D="00" →DAC输出：-VREF/2
• D="01" → DAC输出：0
• D="10" → DAC输出：+VREF/2
• 从采样电压扩大到减去了DAC输出电压的2倍后，输出到下一级。
  决定了LSB的N级处理完成之后，补偿了各级别间的延迟，通过加上各个数字输出，数字信号的转变完成。

4.2 特点

• 可实现高分辨率。（最多16位左右）
• 可高速转换。（采样频率高达约200MHz的）
• 通过流水线操作，由于需要等待数字信号输出的时间，不适用于需要控制等实时的应用。

A/D转换器的基本形式3（逐次比较＜SAR＞型）

4.3 工作

为了使采样的模拟信号和D/A转换器（DAC）的输出一致，从MSB开始逐次比较(Successive Approximation)。

• 模拟输入信号采样(S&H)
• 逐次逼近寄存器(SAR)的MSB设置为"1"。（其他为"0"）
• 逐次逼近寄存器(SAR)的数字值用D/A转换器（DAC）转换成模拟值。
• 比较采样电压和DAC输出电压的大小。
• 确定采样电压＞DAC输出电压 → MSB＝"1"
• 确定采样电压＜DAC输出电压 → MSB＝"0"
  下方是通过到LSB为止重复相同的逐次逼近来完成数字信号的转换。

4.4 特点

• 可实现高分辨率。（最多18位左右）
• 为了转换以及需要（分辨率＋α）的时钟周期，转换速度为中度。（最多约10MHz的采样频率）
• 反应良好，输入时连接复用器，轻松切换模拟信号。

五、A/D转换器的基本形式4（ΔΣ型）

5.1 工作

模拟信号过采样，在转换为响应了使用ΔΣ调制的模拟信号振幅的脉冲串后，通过用数字滤波器除去频带外的噪音和数据细化，来完成在原始采样频率中的数字信号转换。

5.2 过采样

通过用比原始采样频率更高的频率来采样，来减少量化误差。

5.3 ΔΣ调制

通过过采样，用积分器积分（Σ）采样电压和D/A转换器(DAC)的差（Δ）。用比较器来比较积分值和参考电压的大小，转换成脉冲串。

通过在1个采样延迟输入中反馈输出脉冲，用比较器把产生的量化误差在低频区域调小，在高频区域调大。

除了原始信号成分，在高频区域中，从ΔΣ调制器输出的脉冲串具有大的量化误差成分。

但是，这些成分分开了频率，为了用简单的数字滤波器仅除去量化误差成分，实现了其他方法不可能的高分辨率。

5.4 特点

• A/D转换器的基本形式中最高的分辨率。（最多约24位）
• 转换速度慢。（采样频率最多约200kHz）
• 由于反应较差，输入时连接复用器，不适合需要切换模拟信号的应用

六、内容概述

总之，A/D转换器在现代电子系统中扮演着极其关键的角色，它们负责将自然界中的模拟信号转换成数字信号，使得这些信号可以被数字处理系统处理、分析和储存。整个转换过程包含了采样、量化和编码三个主要步骤，每个步骤都至关重要，确保了最终转换结果的准确性和可靠性。

通过对这些不同类型A/D转换器的理解，我们可以根据具体的应用需求选择最合适的设计方案，以达到最佳的性能效果。无论是高性能音频设备还是工业控制系统，选择正确的A/D转换器都是确保系统性能的关键因素之一。希望这段总结能让大家对A/D转换器有一个更加全面的认识，并在未来的设计工作中有所帮助。