2.2.5 A/D转换器

1．主要技术指标

A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件。这里的模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量；但在一般情况下，模拟量指电压。

A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。

（1）分辨率

分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。分辨率通常用数字量的位数n（字长）来表示，如8位、12位、16位等。分辨率为n位，表示它能反映出满量程输入的1/2n的增量，即数字量的最低有效位（LSB）对应于满量程输入的1/2n。若n=8，满量程输入为5.12V，则LSB对应于模拟电压5.12/28V=20mV。

（2）转换时间

转换时间是指A/D转换器完成一次模拟到数字转换所需的时间。

（3）线性误差

线性误差是指A/D转换器的理想转换特性（量化特性）应该是线性的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线性误差。线性误差通常用LSB的分数表示，如1/2 LSB或±1 LSB。

（4）量程

量程是指A/D转换器所能转换的模拟电压的范围。

（5）精度

精度分为绝对精度和相对精度。

绝对精度：常以数字量的位数作为度量绝对精度的单位。

相对精度：绝对精度与满量程的百分比。

注意：精度和分辨率是两个不同的概念。精度为转换后所得结果相对于实际值的准确度。而分辨率指的是对转换结果产生影响的最小输入量。

（6）输出逻辑电平

输出逻辑电平是指输出数据的电平形式和数据输出方式（如三态逻辑和数据是否锁存）。

（7）工作温度范围

工作温度范围是指A/D转换器在规定精度内所允许的工作温度范围。

（8）对基准电源的要求

基准电源精度对A/D转换器精度有重大影响。

2．A/D转换器类型及原理

（1）逐次逼近式A/D转换器

逐次逼近式A/D转换器的工作原理的基本特点是：二分搜索，反馈比较，逐次逼近。

逐次逼近式A/D转换器的基本思想与生活中的天平称重极为相似。它利用一套标准的“电压砝码”，这些“电压砝码”的大小，相互间成二进制关系。把这些已知的“电压砝码”由大到小连续与未知的被转换电压相比较，并将比较结果以数字形式送到逻辑控制电路予以鉴别，从而决定“电压砝码”的去留，直至全部“电压砝码”都试探过为止。最后，所有留下的“电压砝码”加在一起，便是被转换电压的结果。

逐次逼近式A/D转换器的工作原理图如图2.9所示。它由电压比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制电路和输出缓冲锁存器等部分组成。

当计算机发出“启动转换”命令时，逐次逼近寄存器（SAR）和输出缓冲锁存器清零，故D/A转换器输出也为零。此时，控制电路先设定SAR中的最高位为“1”，其余位为“0”，并将此预测数据送往D/A转换器，转换成电压U0。然后U0和输入模拟电压Ux在比较器中比较：若Ux>U0，说明预置结果正确，应予保留；若Ux≤U0，则预置结果错误，应予清除。然后按上述方法继续对次高位及后续各位依次进行预置、比较和判断，决定该位是“1”还是“0”，直至确定SAR最低位为止。这个过程完成后，便发出转换结束信号。此时SAR从最高位到最低位都试探过一遍的最终值便是A/D转换的结果。

（2）双斜积分式A/D转换器

双斜积分式A/D转换器的转换基础是测量两个时间，第一个时间是模拟电压向电容充电的固定时间，第二个时间是已知参考电压放电所需的时间，模拟输入电压与参考电压的比值就是这两个时间值之比。双斜积分式A/D转换器的原理图如图2.10(a)所示，其工作波形图如图2.10(b)所示。整个转换过程在逻辑控制电路的控制下按以下3个阶段进行。

① 休止阶段。逻辑控制电路发出复位指令，将计数器清零，使S4闭合，积分器输入、输出都为零。

② 工作阶段（采样阶段）。在t1时刻，逻辑控制电路发出启动指令，使S4断开，S1闭合，于是积分器开始对输入电压Ui积分，同时计数器开始计数。在固定时间内停止对输入电压积分，此时计数器计满N个脉冲，该阶段结束。

③ 比较阶段。逻辑控制电路在t2时刻，即S1断开的同时，使与输入电压Ui极性相反的基准电压接入积分器。此时S2（或S3）闭合，电容C开始放电，计数器从零开始计数，当积分器输出电压达到零电平时刻（即t3时刻），比较器翻转，逻辑控制电路发出计数器停止计数的信息以及“转换结束”信号，此时计数器的值反映了输入电压Ui在固定积分时间内的平均值。