模拟数字转换器

A/D转换器在单片机应用系统中作为输入通道，将现实世界的模拟信号变换成数字位流以进行处理、传输及其他操作，是连接模拟和数字世界的一个重要接口。在单片机实时控制和智能仪表等应用系统中，被控或被测对象往往是一些连续变化的模拟量，如温度、流量、速度等物理量。这些模拟量必须转换为数字量才能输入计算机进行处理。其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。

这种转换器的基本原理是把输入的模拟信号按规定的时间间隔采样，并与一系列标准的数字信号相比较，数字信号逐次收敛，直至两种信号相等为止。然后显示出代表此信号的二进制数，模拟数字转换器有很多种，如直接的、间接的、高速高精度的、超高速的等。每种又有许多形式。同模拟数字转换器功能相反的称为“数字模拟转换器”，亦称“译码器”，它是把数字量转换成连续变化的模拟量的装置，也有许多种和许多形式  。

模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接ADC和直接ADC  。

间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，常用的有中间量是时间的双积分型ADC  。

并联比较型ADC：由于并联比较型ADC采用各量级同时并行比较，各位输出码也是同时并行产生，所以转换速度快是它的突出优点，同时转换速度与输出码位的多少无关。并联比较型ADC的缺点是成本高、功耗大。因为n位输出的ADC，需要2n个电阻，（2n－1）个比较器和D触发器，以及复杂的编码网络，其元件数量随位数的增加，以几何级数上升。所以这种ADC适用于要求高速、低分辩率的场合  。

逐次逼近型ADC：逐次逼近型ADC是另一种直接ADC，它也产生一系列比较电压VR，但与并联比较型ADC不同，它是逐个产生比较电压，逐次与输入电压分别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型ADC每次转换都要逐位比较，需要（n+1）个节拍脉冲才能完成，所以它比并联比较型ADC的转换速度慢，比双分积型ADC要快得多，属于中速ADC器件。另外位数多时，它需用的元器件比并联比较型少得多，所以它是集成ADC中，应用较广的一种  。

双积分型ADC：属于间接型ADC，它先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得与采样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用计数器对标准时钟脉冲（CP）计数，计数器输出的计数结果就是对应的数字量。双积分型ADC优点是抗干扰能力强；稳定性好；可实现高精度模数转换。主要缺点是转换速度低，因此这种转换器大多应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器仪表中，例如用于多位高精度数字直流电压表中  。

模数转换一般要经过采样、量化和编码这几个步骤  。

采样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化  。

量化是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值  。

编码则是按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换成二值或多值的数字信号流。这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、卫星通道等数字线路传输。

模拟数字转换器转换精度

1、分辨率

A/D转换器的分辨率以输出二进制（或十进制）数的位数来表示。它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。从理论上讲，n位输出的A/D转换器能区分2n个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2n。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，分辨率愈高。例如A/D转换器输出为8位二进制数，输入信号最大值为5V，那么这个转换器应能区分出输入信号的最小电压为19.53mV  。

2、转换误差

转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如给出相对误差不大于±LSB/2，这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字  。

模拟数字转换器转换时间

转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间  。

不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较A/D转换器的转换速度最高，8位二进制输出的单片集成A/D转换器转换时间可达到50ns以内，逐次比较型A/D转换器次之，它们多数转换时间在10-50μs以内。间接A/D转换器的速度最慢，如双积分A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间。在实际应用中，应从系统数据总的位数、精度要求、输入模拟信号的范围以及输入信号极性等方面综合考虑A/D转换器的选用  。

通常使用的逐次逼近式典型A/D转换器芯片有：

◆ADC0801～ADC0805型8位MOS型A/D转换器，美国国家半导体公司产品。它是目前最流行的中速廉价型产品。片内有三态数据输出锁存器，单通道输入，转换时间约100微秒左右。

◆ADC0808 / 0809型8位MOS型A/D转换器。可实现8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存用译码电路，其转换时间为100微秒左右。在本书附录的实训电路板中采用了ADC0809芯片，实现模拟信号到数字信号的转换。下面将重点介绍该芯片的结构及使用。

◆ADC0816 / 0817。这类产品除输入通道数增加至16个以外，其它性能与ADC0808 /0809型基本相同。