模数转换器(ADC)设计及工作原理原理、分类解析.doc

模数转换器（ADC） 设计及工作原理、分类解析 在仪器仪表系统中，常常需要将检测到的连续变化的模拟量 如： 温度、压力、流量、速度、光强等转变成离散的数字量，才能输入到计算机中进行处理。 这些模拟量经过传感器转变成电信号（一般为电压信号），经过放大器放大后，就需要经过一定的处理变成数字量。 实现模拟量到数字量转变的设备通常称为模数转换器（ADC），简称 A/D。 通常情况下，A/D 转换一般要经过取样、保持、量化及编码 4 个过程。 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 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。 1 / 4 图 1 取样电路结构(a) 图 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 2 / 4 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 2 所示。 图 2 取样-保持电路原理图 图 2 取样-保持电路波形图 3 / 4 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 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， t0～t1 时间间隔内是取样阶段。 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 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。 4 / 4