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模擬數字轉換器

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模擬數字轉換器即A/D轉換器,或簡稱ADC,通常是指一個將模擬信號轉變為數字信號的電子元件。通常的模數轉換器是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數字信號。由於數字信號本身不具有實際意義,僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準,比較常見的參考標準為最大的可轉換信號大小。而輸出的數字量則表示輸入信號相對於參考信號的大小 [1] 
中文名
模擬數字轉換器 [1] 
外文名
analog to digital converter [2] 
作    用
模擬信號轉變為數字信號 [1] 
本    質
電子元器件 [1] 
領    域
數理科學 [1] 
簡    稱
ADC [1] 

模擬數字轉換器簡介

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將模擬信號轉換成數字信號的電路,稱為模數轉換器(簡稱A/D轉換器或ADC,Analog to Digital Converter),A/D轉換的作用是將時間連續、幅值也連續的模擬信號轉換為時間離散、幅值也離散的數字信號,因此,A/D轉換一般要經過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中,這些過程有的是合併進行的,例如,取樣和保持,量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現的 [2] 

模擬數字轉換器基本原理

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這種轉換器的基本原理是把輸入的模擬信號按規定的時間間隔採樣,並與一系列標準的數字信號相比較,數字信號逐次收斂,直至兩種信號相等為止。然後顯示出代表此信號的二進制數,模擬數字轉換器有很多種,如直接的、間接的、高速高精度的、超高速的等。每種又有許多形式。同模擬數字轉換器功能相反的稱為“數字模擬轉換器”,亦稱“譯碼器”,它是把數字量轉換成連續變化的模擬量的裝置,也有許多種和許多形式 [3] 

模擬數字轉換器模數轉換的步驟

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模數轉換一般要經過採樣、量化和編碼這幾個步驟 [4] 
採樣是指用每隔一定時間的信號樣值序列來代替原來在時間上連續的信號,也就是在時間上將模擬信號離散化 [4] 
量化是用有限個幅度值近似原來連續變化的幅度值,把模擬信號的連續幅度變為有限數量的有一定間隔的離散值 [4] 
編碼則是按照一定的規律,把量化後的值用二進制數字表示,然後轉換成二值或多值的數字信號流。這樣得到的數字信號可以通過電纜、微波幹線、衞星通道等數字線路傳輸 [4] 

模擬數字轉換器分類

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模數轉換器的種類很多,按工作原理的不同,可分成間接ADC和直接ADC [5] 
間接ADC是先將輸入模擬電壓轉換成時間或頻率,然後再把這些中間量轉換成數字量,常用的有中間量是時間的雙積分型ADC [5] 
並聯比較型ADC:由於並聯比較型ADC採用各量級同時並行比較,各位輸出碼也是同時並行產生,所以轉換速度快是它的突出優點,同時轉換速度與輸出碼位的多少無關。並聯比較型ADC的缺點是成本高、功耗大。因為n位輸出的ADC,需要2n個電阻,(2n-1)個比較器和D觸發器,以及複雜的編碼網絡,其元件數量隨位數的增加,以幾何級數上升。所以這種ADC適用於要求高速、低分辯率的場合 [5] 
逐次逼近型ADC:逐次逼近型ADC是另一種直接ADC,它也產生一系列比較電壓VR,但與並聯比較型ADC不同,它是逐個產生比較電壓,逐次與輸入電壓分別比較,以逐漸逼近的方式進行模數轉換的。逐次逼近型ADC每次轉換都要逐位比較,需要(n+1)個節拍脈衝才能完成,所以它比並聯比較型ADC的轉換速度慢,比雙分積型ADC要快得多,屬於中速ADC器件。另外位數多時,它需用的元器件比並聯比較型少得多,所以它是集成ADC中,應用較廣的一種 [5] 
雙積分型ADC:屬於間接型ADC,它先對輸入採樣電壓和基準電壓進行兩次積分,以獲得與採樣電壓平均值成正比的時間間隔,同時在這個時間間隔內,用計數器對標準時鍾脈衝(CP)計數,計數器輸出的計數結果就是對應的數字量。雙積分型ADC優點是抗干擾能力強;穩定性好;可實現高精度模數轉換。主要缺點是轉換速度低,因此這種轉換器大多應用於要求精度較高而轉換速度要求不高的儀器儀表中,例如用於多位高精度數字直流電壓表 [5] 

模擬數字轉換器技術參數

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模擬數字轉換器轉換精度

1、分辨率
A/D轉換器的分辨率以輸出二進制(或十進制)數的位數來表示。它説明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。從理論上講,n位輸出的A/D轉換器能區分2n個不同等級的輸入模擬電壓,能區分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/2n。在最大輸入電壓一定時,輸出位數愈多,分辨率愈高。例如A/D轉換器輸出為8位二進制數,輸入信號最大值為5V,那麼這個轉換器應能區分出輸入信號的最小電壓為19.53mV [6] 
2、轉換誤差
轉換誤差通常是以輸出誤差的最大值形式給出。它表示A/D轉換器實際輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差別。常用最低有效位的倍數表示。例如給出相對誤差不大於±LSB/2,這就表明實際輸出的數字量和理論上應得到的輸出數字量之間的誤差小於最低位的半個字 [6] 

模擬數字轉換器轉換時間

轉換時間是指A/D轉換器從轉換控制信號到來開始,到輸出端得到穩定的數字信號所經過的時間 [7] 
不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠。其中並行比較A/D轉換器的轉換速度最高,8位二進制輸出的單片集成A/D轉換器轉換時間可達到50ns以內,逐次比較型A/D轉換器次之,它們多數轉換時間在10-50μs以內。間接A/D轉換器的速度最慢,如雙積分A/D轉換器的轉換時間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。在實際應用中,應從系統數據總的位數、精度要求、輸入模擬信號的範圍以及輸入信號極性等方面綜合考慮A/D轉換器的選用 [7] 
參考資料
  • 1.    黎小桃,餘秋香主編,數字電子電路分析與應用,北京理工大學出版社,2014.01,第188頁
  • 2.    朱新宇,高麗霞,劉璐,呂偉,飛行電學基礎,中國民航出版社,2017.02,第163頁
  • 3.    遼寧省土木建築學會,建築經濟學術委員會主編,建築與預算知識手冊 詞彙篇,遼寧科學技術出版社,1989.12,第327頁
  • 4.    肖盛文主編,計算機網絡基礎,航空工業出版社,2017.08,第47頁
  • 5.    孫勇主編,電子技術基礎 數字部分 輔導講案,西北工業大學出版社,2008.07,第162頁-第163頁
  • 6.    楊現德,電子技術,北京理工大學出版社,2018.06,第316頁
  • 7.    範書瑞編著,ARM處理器與C語言開發應用 第2版,北京航空航天大學出版社,2014.01,第254頁