ad转换器的工作原理(ad转换的原理及演示图)

转换器（converter）是指将一种信号转换成另一种信号的装置。信号是信息存在的形式或载体。在自动化仪表设备和自动控制系统中，常将一种信号转换成另一种与标准量或参考量比较后的信号，以便将两类仪表联接起来，因此，转换器常常是两个仪表（或装置）间的中间环节。那什么是AD转换器呢？下面让我们来一起看看吧！

AD转换就是模数转换，就是把模拟信号转换成数字信号。D/A转换是把数字量转变成模拟的器件，我们下篇文章将会介绍数模转换器。

A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。

A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。

AD9280是一款单芯片、8位、32 MSPS模数转换器（ADC），采用单电源供电，内置一个片内采样保持放大器和基准电压源。它采用多级差分流水线架构，数据速率达32 MSPS，在整个工作温度范围内保证无失码。

AD7541A是一款低成本、高性能12位单芯片乘法数模转换器。该器件采用先进的低噪声薄膜CMOS技术制造，并提供标准18引脚DIP和20引脚表贴两种封装。AD7541A与业界标准器件AD7541在功能和引脚上均相兼容，并且规格和性能都有所改进。此外，器件设计得到改进，可确保不会发生闩锁，因此无需输出保护肖特基二极管。

AD7694是一款16位、250 kSPS、电荷再分配、逐次逼近型模数转换器（ADC），采用2.7 V至5.25 V单电源（VDD ）供电。该器件内置一个极低功耗、高速、16位无失码采样ADC（B级）、一个内部转换时钟和一个SPI兼容串行接口端口，还集成了一个低噪声、宽带宽、极短孔径延迟的采样保持电路。在CNV上升沿，AD7694对IN+与IN-之间的模拟输入电压差进行采样，范围从0V至REF。基准电压（REF）由外部提供，最高可设置为电源电压。

1、取样和保持 　

取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。取样过程示意图如图11.8.1所示。图（a）为取样电路结构，其中，传输门受取样信号S(t)控制，在S(t)的脉宽τ期间，传输门导通，输出信号vO(t)为输入信号v1,而在（Ts-τ）期间，传输门关闭，输出信号vO(t)=0。电路中各信号波形如图（b）所示。

图11.8.1 取样电路结构(a)

图11.8.1 取样电路中的信号波形(b)

通过分析可以看到，取样信号S(t)的频率愈高，所取得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。但带来的问题是数据量增大，为保证有合适的取样频率，它必须满足取样定理。

取样定理：设取样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号v1(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs与fimax必须满足下面的关系fs≥2fimax，工程上一般取fs(3～5)fimax。

将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。

取样与保持过程往往是通过取样-保持电路同时完成的。取样-保持电路的原理图及输出波形如图11.8.2所示。

图11.8.2 取样-保持电路原理图

图11.8.2 取样-保持电路波形图

电路由输入放大器A1、输出放大器A2、保持电容CH和开关驱动电路组成。电路中要求A1具有很高的输入阻抗，以减少对输入信号源的影响。为使保持阶段CH上所存电荷不易泄放，A2也应具有较高输入阻抗，A2还应具有低的输出阻抗，这样可以提高电路的带负载能力。一般还要求电路中AV1·AV2=1。

现结合图11.8.2来分析取样-保持电路的工作原理。在t=t0时，开关S闭合，电容被迅速充电，由于AV1·AV2=1，因此v0=vI，在t0～t1时间间隔内是取样阶段。在t=t1时刻S断开。若A2的输入阻抗为无穷大、S为理想开关，这样可认为电容CH没有放电回路，其两端电压保持为v0不变，图11.8.2(b)中t1到t2的平坦段，就是保持阶段。

取样-保持电路以由多种型号的单片集成电路产品。如双极型工艺的有AD585、AD684；混合型工艺的有AD1154、SHC76等。

2、 量化与编码

数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，还必须将取样保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。

量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用△表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。在量化过程中，由于取样电压不一定能被△整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差称之为量化误差，用ε表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D 转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。

量化过程常采用两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。

（1）分辨率（Resolution）

指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。定义满刻度于2^n的比值（n为AD器件位数）。对于5V满刻度，采用8位的AD时，分辨率为5V／256=0.01953V=19.53mv；当采用12位的AD时，分辨率则为5V／4096=0.00122V=0.122mv。位数越多，分辨率就越高

（2）转换速率（Conversion Rate）

是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行／串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率（Sample Rate）必须小于或等于转换速率。因此习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是Ksps和Msps，表示每秒采样千／百万次（Kilo ／ Million Samples Per Second）。

（3）量化误差（Quantizing Error）

由于AD的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1／2LSB。

（4）偏移误差（Offset Error）

输人信号为雷时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。

（5）满刻度误差（Full Scale Error）

满刻度输出时对应的输人信号与理想输人信号值之差。

（6）线性度（Lineafity）

实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上3种误差。

AD的其他指标还有绝对精度（Absolute Accuracy）、相对精度（Relative Accuracy）、微分非线性、单调性和无错码、总谐波失真（THD，Total Harmonic Distotortion）和积分非线性等。