模數(shù)轉(zhuǎn)換器

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發(fā)布時(shí)間：2015/5/29 10:32:57
作者：銀河電氣

定義

根據(jù)《GB/T 2900.56-2008 電工術(shù)語(yǔ) 控制技術(shù)》的定義，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-digital converter，ADC，A/D，AD）是指將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。

與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相關(guān)的定義

01采樣

　　采樣也稱(chēng)取樣，指把時(shí)間域或空間域的連續(xù)量轉(zhuǎn)化成離散量的過(guò)程。模數(shù)轉(zhuǎn)換器每隔一定的時(shí)間間隔對(duì)連續(xù)信號(hào)采樣，得到當(dāng)時(shí)時(shí)間點(diǎn)上連續(xù)信號(hào)的離散值，也就是連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)。

02量化編碼

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器將采樣得到的離散信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅值量化的數(shù)字信號(hào)。通常，我們所說(shuō)的“采樣”是指采樣和量化結(jié)合的過(guò)程。

03采樣頻率

　　采樣頻率表示數(shù)字信號(hào)采樣自模擬信號(hào)的速率，對(duì)模擬信號(hào)采樣的頻度。它代表了離散信號(hào)在和時(shí)域和空間域上的精確度。

04采樣定理

　　采樣定理是指在進(jìn)行模擬數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中最高頻率（信號(hào)帶寬）的2倍時(shí)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息。

　　采樣得到的數(shù)字信號(hào)是對(duì)模擬信號(hào)的不完全描述，兩次采樣點(diǎn)之間的模擬信號(hào)是未知的。如果采樣頻率高于模擬信號(hào)變化的頻率，那么可以假定兩次采樣點(diǎn)之間的模擬信號(hào)的值是介于這兩次采樣值，但是如果采樣頻率低于模擬信號(hào)變化的頻率，那么假設(shè)是不成立的。

　　所以采樣定理確定了信號(hào)最高頻率的上限，或能獲取連續(xù)信號(hào)的所有信息的采樣頻率的下限。

05混疊

　　如果信號(hào)帶寬高于或等于奈奎斯特頻率（即采樣頻率的二分之一），會(huì)導(dǎo)致混疊現(xiàn)象。帶寬高于奈奎斯特頻率的信號(hào)會(huì)被重建成低于奈奎斯特頻率的混疊信號(hào)（混疊信號(hào)的頻率為信號(hào)頻率與采樣率之差）；帶寬等于奈奎斯特頻率的信號(hào)會(huì)被重建成頻率不變，但是幅值相位變化的混疊信號(hào)。

　　例如：一個(gè)2KHZ的正弦信號(hào)在1.5KHZ采樣頻率的轉(zhuǎn)換后，會(huì)被重建為500HZ的正弦信號(hào)。一個(gè)2KHZ的正弦信號(hào)在2KHZ采樣頻率的轉(zhuǎn)換后，會(huì)被重建為2KHZ幅值相位發(fā)生變化的正弦信號(hào)。

　　為了避免混疊現(xiàn)象，通常采用兩種措施：

　　1、提高采樣頻率，達(dá)到信號(hào)最高頻率的兩倍以上；

　　2、輸入信號(hào)通過(guò)低通濾波器（通常稱(chēng)為抗混疊濾波器）進(jìn)行濾波處理，過(guò)濾掉頻率高于采樣率一半的信號(hào)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率（位數(shù)）

　　 “這是一款8位、10位的AD”，這里的8位、10位就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率，它表示為模擬信號(hào)可以編碼成數(shù)字信號(hào)值的個(gè)數(shù)（28 = 256，210 = 1024）。它是模數(shù)轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵指標(biāo)之一，關(guān)系著模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度（數(shù)值大小方面的精度）。

　　例如：測(cè)量0~5V范圍內(nèi)的電壓信號(hào)，采用8位、10位的AD同時(shí)對(duì)1V電壓進(jìn)行采樣。

8位AD芯片，將0~5V分解成256個(gè)可能取的數(shù)字值，10位AD芯片，將0~5V分解成1024個(gè)可能取得數(shù)字值，若同時(shí)采用“四舍五入”的方式處理量化誤差，則8位AD理論采到的值為0.99609V，10位AD理論采到的值為1.00096，誤差分別為0.3%和0.01%。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的誤差

模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中有多個(gè)地方會(huì)帶來(lái)誤差。

　　1、量化誤差。采樣量化過(guò)程中必定會(huì)造成誤差，采用高分辨率的AD芯片，只能減小誤差，而不能消除誤差。

　　2、非線性誤差。由于電路的噪聲、積分效應(yīng)等造成的誤差。

　　3、時(shí)基誤差，也成為孔徑誤差。由于時(shí)鐘振蕩不良，通常在對(duì)模擬信號(hào)采樣，離散化時(shí)出現(xiàn)，即：采樣信號(hào)可能變成了，可以看作是一種相位誤差。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)及優(yōu)缺點(diǎn)

　　直接ADC是將輸入模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如并聯(lián)比較型ADC和逐次比較型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，如雙積分型ADC。

01并聯(lián)比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

　　優(yōu)點(diǎn)：采用各量級(jí)同時(shí)并行比較，各位輸出碼同時(shí)并行產(chǎn)生，因此轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換速度與輸出碼位數(shù)無(wú)關(guān)。

　　缺點(diǎn)：成本高、功耗大，所用元件數(shù)量隨ADC位數(shù)的增加，以幾何級(jí)數(shù)上升。適用于要求高速、低分辨率的場(chǎng)合。

02逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

　　特點(diǎn)：逐次逼近型ADC每次轉(zhuǎn)換需要n+1個(gè)節(jié)拍脈沖才能完成，比并聯(lián)比較型ADC轉(zhuǎn)換速度慢，屬于中速ADC器件。另外，當(dāng)位數(shù)較多時(shí)，所需的元、器件比并聯(lián)比較型少得多，應(yīng)用較廣。