模数转换器（ADC）工作原理、种类及应用示例

模数转换器（ADC）是一种电子集成电路，用于将电压等模拟信号转换为由1和0组成的数字或二进制形式。大多数ADC采用0至10V、-5V~+5V等电压输入，并相应地产生某种二进制数的数字输出。

模数转换器可以用A/D、ADC、AtoD来表示，它与数模转换器DAC工作过程相反。

模拟信号转换为数字信号的过程可以通过多种方式完成，目前市场上有来自不同制造商的不同类型的ADC芯片，例如ADC08xx系列。因此，可以借助分立元件设计一个简单的ADC。ADC的主要特点是采样率和位分辨，其中：

• ADC的采样率只不过是ADC将信号从模拟转换为数字的速度。
• 位分辨率只不过是模数转换器可以将信号从模拟转换为数字的精度。

数模转换器的主要优势之一是即使在多路输入时也具有高数据采集速率。随着种类繁多的ADC集成电路(IC) 的发明，来自各种传感器的数据采集变得更加准确和快速。高性能ADC的动态特性包括改进的测量重复性、低功耗、精确的吞吐量、高线性度、出色的信噪比 (SNR) 等。

数模转换器的各种应用包括测量和控制系统、工业仪器仪表、通信系统和所有其他基于传感的系统。可以根据性能、比特率、功率、成本等因素对ADC进行分类。

框图

ADC的框图如下所示，包括sample（采样）、hold（保持）、quantize（量化）和encoder（编码器）。ADC的过程可以如下完成。

首先，模拟信号被应用于第一个块，即一个样本，只要它可以以精确的采样频率进行采样。样本的幅度值（如模拟值）可以保持并保持在第二个块（如Hold）内。保持样本可以通过第三块像量化一样量化为离散值。最后，像编码器这样的最后一个块将离散幅度变为二进制数。

所以，在ADC中，信号从模拟到数字的转换可以通过上面的框图来解释。

• 样本；在采样块中，模拟信号可以在精确的时间间隔内进行采样。样本以连续幅度使用并保持真实值，但是它们相对于时间是离散的。在转换信号时，采样频率起着至关重要的作用。所以它可以保持在一个精确的速率。根据系统要求，可以固定采样率。
• 保持；hold是第二个模块，它没有任何功能，因为它只是保持采样幅度直到进行下一个采样。所以hold的值直到下一个样本才会改变。
• 量化；这是主要用于量化的第三块。其主要功能是将幅度从连续（模拟）转换为离散。保持块内的连续幅度值在整个量化块中移动，变为幅度离散。现在，信号将采用数字形式，因为它包括离散幅度和时间。
• 编码器；最后一个模块是将信号从数字形式转换为二进制形式的编码器。众所周知，数字设备使用二进制信号工作，因此需要借助编码器将信号从数字转换为二进制。所以这是使用ADC将模拟信号转换为数字信号的完整方法。整个转换所花费的时间可以在一微秒内完成。

模数转换过程

有许多方法可以将模拟信号转换为数字信号。这些转换器更多地用作中间设备，将信号从模拟形式转换为数字形式，通过微控制器在LCD上显示输出。模拟转换器的目的是确定对应于模拟信号的输出信号字。

接下来看看0804的ADC。它是一个8位转换器，5V电源，只能接受一个模拟信号作为输入。

数字输出范围为0-255。ADC需要一个时钟来运行，将模拟值转换为数字值所需的时间取决于时钟源。可以给CLK IN引脚4提供外部时钟。一个合适的RC电路连接在时钟IN和时钟R引脚之间以使用内部时钟。

Pin2是输入引脚 - 高电平到低电平脉冲将数据从内部寄存器带到转换后的输出引脚。Pin3是一个写入- 低到高脉冲被提供给外部时钟。Pin11到18是从MSB到LSB的数据引脚。

模数转换器在采样时钟的每个下降沿或上升沿对模拟信号进行采样。在每个周期中，ADC获取模拟信号对其进行测量，并将其转换为数字值。ADC通过以固定精度逼近信号，将输出数据转换为一系列数字值。

在ADC中，有两个因素决定了捕获原始模拟信号的数字值的精度。这些是比特率（或量化级别）和采样率。下图描述了模数转换是如何发生的。比特率决定了数字化输出的分辨率，可以在下图中观察到，其中3 位ADC用于转换模拟信号。

假设必须使用3位ADC从数字转换一伏特信号。因此，总共有2^3=8个分区可用于产生1V输出。这个结果1/8=0.125V被称为最小变化或量化水平，000表示0V，001表示 0.125，同样高达111表示1V。如果增加6、8、12、14、16等比特率，将获得更好的信号精度。因此，比特率或量化给出了由数字表示变化引起的模拟信号值的最小输出变化。

假设如果信号约为0-5V，并且使用了8位ADC，那么5V的二进制输出为256。而对于3V，它是133，如下所示：

如果在与所需频率不同的频率下对输入信号进行采样，则有可能在输出端歪曲输入信号。因此，ADC的另一个重要考虑因素是采样率。Nyquist定理指出，所采集的信号重建会引入失真，除非它以（最小）两倍于信号最大频率内容的速率进行采样，如下图所示。但这个速率是实际信号最大频率的5-10倍。

性能影响因素

ADC性能可以通过其基于不同因素的性能来评估，这里介绍以下两个主要因素。

• SNR（信噪比）；SNR反映了任何特定样本中没有噪声的平均比特数。
• 带宽；ADC的带宽能够通过估计采样率来确定，可以每秒对模拟源进行采样以产生离散值。

模数转换器的类型

模数转换器有不同的类型，其中一些模数转换器类型包括：

• 双斜率模数转换器
• 闪存模数转换器
• 逐次逼近型模数转换器
• 半闪存模数转换器
• Σ-Δ模数转换器
• 流水线模数转换器

1、双斜率模数转换器

在这种类型的ADC转换器中，比较电压是通过一个由电阻、电容和运算放大器组合而成的积分电路产生的。通过Vref的设定值，该积分器在其输出上生成从零到值Vref的锯齿波。当积分器波形相应启动时，计数器开始从0计数到2^n-1，其中n是ADC的位数。

当输入电压Vin等于波形电压时，控制电路捕获计数器值，即对应模拟输入值的数字值。这种双斜率ADC是一种成本相对中等且速度较慢的器件。

2、闪存模数转换器

这种模数转换器IC也称为并行ADC，就其速度而言，它是应用最广泛的高效ADC。这种闪存模数转换器电路由一系列比较器组成，其中每个比较器将输入信号与唯一的参考电压进行比较。在每个比较器上，当模拟输入电压超过参考电压时，输出将处于高电平状态。该输出被进一步提供给优先级编码器，用于通过忽略其他活动输入基于高阶输入活动生成二进制代码。它是一种高成本和高速设备。

3、逐次逼近型模数转换器

逐次逼近型模数转换器（SARADC）是最现代的ADC IC，比双斜率和闪存ADC快得多，因为它使用数字逻辑将模拟输入电压收敛到最接近的值。该电路由比较器、输出锁存器、逐次逼近寄存器 (SAR) 和D/A 转换器组成。

开始时，SAR被复位，并且随着从LOW到HIGH的转换被引入，SAR的MSB被设置。然后将该输出提供给D/A转换器，该转换器产生MSB的模拟等效值，并进一步与模拟输入Vin进行比较。如果比较器输出为低电平，则SAR将清除MSB，否则，将MSB设置到下一个位置。这个过程一直持续到所有位都被尝试并且在Q0之后，SAR使并行输出线包含有效数据。

4、半闪存模数转换器

该类型的模数转换器主要通过两个单独的闪存转换器工作在其限制大小附近，其中每个转换器的分辨率是半嵌入式设备的一半。单个闪存转换器的容量是处理 MSB（最高有效位），而另一个处理 LSB（最低有效位）。

5、Σ-Δ模数转换器

Sigma Delta ADC (ΣΔ) 是相当新的设计。与其他类型的设计相比，这些设计非常慢，但它们为各种ADC提供了最高分辨率。因此，它们与基于高保真度的音频应用程序非常兼容，但是，它们通常不适用于需要高 BW（带宽）的地方。

6、流水线模数转换器

流水线ADC也称为子测距量化器，它在概念上与逐次逼近型ADC相关，但要复杂一些。虽然逐次逼近通过进入下一个MSB在每一步中增长，而流水线ADC使用以下过程：

• 首先用于粗略转换。之后，它评估输入信号的变化。
• 通过允许使用一定范围的位进行临时转换，从而起到更好的转换作用。
• 通常情况下，流水线设计通过平衡其尺寸、速度和高分辨率，在SAR和闪存模数转换器之间提供中心基础。

模数转换器测试

模数转换器的测试主要需要模拟输入源以及硬件来传输控制信号以及捕获数字数据o/p。某些类型的ADC需要精确的参考信号源。可以使用以下关键参数来测试模数转换器：

• 直流偏移误差
• 功耗
• 直流增益误差
• 无杂散动态范围
• SNR（信噪比）
• INL（积分非线性）
• DNL（微分非线性）
• THD（总谐波失真）

模数转换器有不同的通用测试设置，包括正弦波、任意波形、步进波形和反馈回路。为了确定模数转换器的稳定性能，使用了不同的方法，例如基于伺服的、基于斜坡的、交流直方图技术、三角形直方图技术和物理技术。用于动态测试的一种技术是正弦波测试。

主要应用

目前，数字设备的使用正在增加。这些设备基于数字信号工作。因此，模数转换器在此类设备中起着将信号从模拟转换为数字的关键作用。模数转换器的应用包括以下内容：

• 空调包括温度传感器以保持房间内的温度。因此，这种温度转换可以在ADC的帮助下完成从模拟到数字的转换。
• 用于数字示波器中，将信号从模拟转换为数字以显示。
• 用于手机中将模拟语音信号转换为数字信号，因为手机使用的是数字语音信号，但实际上语音信号是模拟形式的。因此，ADC用于在将信号发送到手机的发射器之前对信号进行转换。
• 用于MRI和X射线等医疗设备，用于在更改之前将图像从模拟转换为数字。
• 手机中的摄像头主要用于拍摄图像和视频。这些存储在数字设备中，因此使用ADC将它们转换为数字形式。
• 盒式音乐也可以转换为CDS和拇指驱动器使用ADC之类的数字。
• 目前市场上几乎所有可用的设备都是数字版本，所以这些设备都可以使用ADC。

示例：ADC0808模数转换器

ADC0808是一款具有8个模拟输入和8个数字输出的转换器，它允许仅使用单个芯片监控多达8个不同的传感器，这消除了外部调零和满量程调整的需要。

ADC0808是一款单片CMOS器件，具有高速、高精度、最小的温度依赖性、出色的长期精度和可重复性，并且功耗最低。这些特性使该器件非常适合从过程和机器控制到消费和汽车应用的应用。ADC0808的引脚图如下图所示：

主要特征：

• 很容易接入到所有微处理器
• 无需调零或满量程调整
• 具有地址逻辑的8通道多路复用器
• 0V至5V输入范围，单5V电源
• 输出符合TTL电压电平规范
• 28-pin载波芯片封装

主要规格

• 分辨率：8位
• 总未调整误差：±½ LSB和±1 LSB
• 单电源：5 VDC
• 低功率：15毫瓦
• 转换时间：100μs

一般情况下，ADC0808转换为数字形式的输入可以通过引脚23、24 和 25 三个地址线A、B、C来选择。步长的选择取决于设置的参考值。步长是模拟输入的变化导致ADC输出的单位变化。ADC0808需要一个外部时钟才能运行，这与ADC0804有一个内部时钟是不同的。

对应模拟输入瞬时值的连续8位数字输出。输入电压的最极端电平必须按比例降低至+5V。与此同时，它需要通常为550 kHz的时钟信号，ADC0808用于将数据转换为微控制器所需的数字形式。

示例：ADC0804模数转换器

ADC0804是一款非常常用的8位模数转换器，适用于0V至5V模拟输入电压，具有单个模拟输入和8位数字输出。转换时间是判断ADC的另一个主要因素，在ADC0804中，转换时间取决于施加到CLK R和CLK IN 引脚的时钟信号，但不能超过110μs。

引脚说明：

• Pin 1 : 片选引脚，激活ADC，低电平有效
• Pin 2：输入引脚；高到低脉冲在转换后将数据从内部寄存器带到输出引脚
• Pin 3：输入引脚；低到高脉冲被给予启动转换
• Pin 4：时钟输入引脚，提供外部时钟
• Pin 5：输出引脚，转换完成后变为低电平
• Pin 6：模拟同相输入
• Pin 7：模拟反相输入，通常接地
• Pin 8：接地 (0V)
• Pin 9：输入引脚，设置模拟输入的参考电压
• Pin 10：接地 (0V)
• Pin 11 – Pin 18：它是一个 8 位数字输出引脚
• Pin 19：使用内部时钟源时与时钟输入引脚一起使用
• Pin 20： 电源电压5V

主要特点

• 0V至5V模拟输入电压范围，单5V电源
• 与微控制器兼容，访问时间为135ns
• 与所有微处理器的容易接入
• 逻辑输入和输出同时满足MOS和TTL电压电平规范
• 适用于 2.5V (LM336) 电压基准
• 片上时钟发生器
• 无需调零
• 0.3[Prime]标准宽度20-pin DIP封装
• 以公制或5 VDC、2.5 VDC或模拟跨度调整电压基准运行比率
• 差分模拟电压输入

ADC0804是一个5V电源的8位转换器，它只能接受一个模拟信号作为输入，数字输出范围为0-255。ADC需要一个时钟来运行。将模拟值转换为数字值所需的时间取决于时钟源。可以给CLK IN提供一个外部时钟。Pin2是输入引脚 — 高电平到低电平脉冲将数据从内部寄存器带到转换后的输出引脚。Pin3是一个写入 - 低到高脉冲被提供给外部时钟。

总结

其实，数字数据的主要好处是您可以轻松存储它，并且由于任何模拟信号而导致数据损坏的可能性非常小。因此，大多数计算已经转向数字领域。

数字数据还具有准确（取决于ADC过程）和高效处理速度等优势。但是，我们看到的世界是模拟的。因此，必须使用ADC等数据转换器将这些模拟信号转换为数字值，以便数字设备可以轻松地处理、存储、分析和计算数据。