模数转换器(ADC)量化方式与编码方法.doc

模数转换器（ADC）量化方式与编码方法 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.只舍不入量化方式 以 3 位 A/D 转换器为例，设输入信号 v1 的变化范围为 0～8V，采用只舍不入量化方式时，取△=1V，量化中不足量化单位部分舍弃，如数值在 0～1V 之间的模拟电压都当作 0△，用二进制数 000 表示，而数值在 1～2V 之间的模拟电压都当作 1△，用二进制数 001 表示……这种量化方式的最大误差为△。 1 / 4 .四舍五入量化方式 如采用四舍五入量化方式，则取量化单位△=8V/15，量化过 程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。 它将数值在 0～8V/15 之间的模拟电压都当作 0△对待，用二进制 000 表示，而数值在 8V/15～24V/15 之间的模拟电压均当 1△，用二进制数 001 表示等。 .比较 采用前一种只舍不入量化方式最大量化误差│εmax│ =1LSB,而采用后一种有舍有入量化方式│εmax│=1LSB/2，后者量化误差比前者小，故为多数 A/D 转换器所采用。 随着集成电路的飞速发展，A/D 转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。 为满足各种不同的检测及控制需要而设计的结构不同、性能各异的 A/D 转换器应运而生。 下面简单讲讲 A/D 转换器的基本原理和分类： 根据 A/D 转换器的原理可将 A/D 转换器分成两大类。一类是直接型 A/D 转换器，将输入的电压信号直接转换成数字代码，不经过中间任何变量； 另一类是间接型 A/D 转换器，将输入的电压转变成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等），然后再将这个中间量变成数字代码输出。 2 / 4 尽管 A/D 转换器的种类很多，但目前广泛应用的主要有三种类型：逐次逼近式 A/D 转换器、双积分式 A/D 转换器、V/F 变换式 A/D 转换器。 另外，近些年有一种新型的Σ- 型 A/D 转换器异军突起，在仪器中得到了广泛的应用。 逐次逼近式（AR）A/D 转换器（SAR）的基本原理是：将待转换的模拟输入信号与一个推测信号进行比较，根据二者大小决定增大还是减小输入信号，以便向模拟输入信号逼进。 推测信号由 D/A 转换器的输出获得，当二者相等时，向 D/A 转换器输入的数字信号就对应的时模拟输入量的数字量。 这种 A/D 转换器一般速度很快，但精度一般不高。常用的有ADC0801、ADC0802、AD570 等。 双积分式 A/D 转换器的基本原理是： 先对输入模拟电压进行固定时间的积分，然后转为对标准电压的反相积分，直至积分输入返回初始值，这两个积分时间的长短正比于二者的大小，进而可以得出对应模拟电压的数字量。这种 A/D 转换器的转换速度较慢，但精度较高。 由双积分式发展为四重积分、五重积分等多种方式，在保证转换精度的前提下提高了转换速度。常用的有 ICL7135、 ICL7109 等。 - 型 AD 由积分器、比较器、1 位 D/A 转换器和数字滤波 器等组成。 3 / 4 原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。 电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。 这种转换器的转换精度极高，达到 16 到 24 位的转换精度，价格低廉，弱点是转换速度比较慢，比较适合用于对检测精度要求很高但对速度要求不是太高的检验设备。常用的有 AD7705、 AD7714 等。 V/F 转换器是把电压信号转换成频率信号，由良好的精度和线性，而且电路简单，对环境适应能力强，价格低廉。 适用于非快速的远距离信号的 A/D 转换过程。常用的有LM311、AD650 等。 4 / 4