模數(shù)轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過采樣、保持和量化、編碼這幾個步驟。在實際電路中,有些過程是合并進行的,如采樣和保持,量化和編碼在轉(zhuǎn)換過程中是同時實現(xiàn)的。
采樣定理:當采樣頻率大于模擬信號中最高頻率成分的兩倍時,采樣值才能不失真的反映原來模擬信號。
1. 轉(zhuǎn)換精度
集成ADC用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。
2. 分辨率
通常以輸出二進制或十進制數(shù)字的位數(shù)表示分辨率的高低,因為位數(shù)越多,量化單位越小,對輸入信號的分辨能力就越高。
例如:輸入模擬電壓的變化范圍為0~5 V,輸出8位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5 V×2-8=20 mV;而輸出12位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5 V×2-12≈1.22 mV。
3. 轉(zhuǎn)換誤差
它是指在零點和滿度都校準以后,在整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi),分別測量各個數(shù)字量所對應的模擬輸入電壓實測范圍與理論范圍之間的偏差,取其中的最大偏差作為轉(zhuǎn)換誤差的指標。通常以相對誤差的形式出現(xiàn),并以LSB為單位表示。例如ADC0801的相對誤差為±? LSB。
4. 轉(zhuǎn)換速度
完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換所需要的時間稱為轉(zhuǎn)換時間。大多數(shù)情況下,轉(zhuǎn)換速度是轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)。
ADC的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型,并聯(lián)比較型ADC的轉(zhuǎn)換速度最高(轉(zhuǎn)換時間可小于50 ns),逐次逼近型ADC 次之(轉(zhuǎn)換時間在10~100μs 之間),雙積分型ADC 轉(zhuǎn)換速度最低(轉(zhuǎn)換時間在幾十毫秒至數(shù)百毫秒之間)。
ADC的量化是將模擬信號量程分成許多離散量級,并確定輸入信號所屬的量級。編碼是對每一量級分配唯一的數(shù)字碼,并確定與輸入信號相對應的代碼。最普通的碼制是二進制,它有2n個量級(n為位數(shù)),可依次逐個編號。模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法很多,從轉(zhuǎn)換原理來分可分為直接法和間接法兩大類。 直接法是直接將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。它用數(shù)模網(wǎng)絡輸出的一套基準電壓,從高位起逐位與被測電壓反復比較,直到二者達到或接近平衡(見圖)?刂七壿嬆軐崿F(xiàn)對分搜索的控制,其比較方法如同天平稱重。先使二進位制數(shù)的最高位Dn-1=1,經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到一個整個量程一半的模擬電壓VS,與輸入電壓Vin相比較,若Vin>VS,則保留這一位;若Vin<Vin,則Dn-1=0。然后使下一位Dn-2=1,與上一次的結(jié)果一起經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后與Vin相比較,重復這一過程,直到使D0=1,再與Vin相比較,由Vin>VS還是Vin<V 來決定是否保留這一位。經(jīng)過n次比較后,n位寄存器的狀態(tài)即為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。這種直接逐位比較型(又稱反饋比較型)轉(zhuǎn)換器是一種高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路,轉(zhuǎn)換精度很高,但對干擾的抑制能力較差,常用提高數(shù)據(jù)放大器性能的方法來彌補。它在計算機接口電路中用得最普遍。