模数转换器工作原理、类型及主要技术指标

工作分为两个阶段，第一阶段为采样期；第二阶段为比较期。通过两次积分和计数器的计数可以得到模拟信号的数字值D=2nV1/VR，其中n为计数器的位数，V1为输入电压在固定时间间隔内的平均值。

压频变换型ADC

前面所讲到的并行比较ADC和逐次逼近型ADC均属于直接转换ADC，而积分型和下面所讲到的压频变换型ADC则属于间接ADC。压频变换型ADC是先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号，然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数，计数结果即为正比于输入模拟电压信号的数字量。从理论上讲，这种ADC的分辨率可以无限增加，只要采用时间长到满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度即可。其优点是：精度高、价格较低、功耗较低。缺点是：类似于积分型ADC，其转换速率受到限制，12位时为100～300SPS。

∑-Δ型ADC

与一般的ADC不同，∑-Δ型ADC不是直接根据抽样第一个样值的大小进行量化编码，而根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码。从某种意义讲，它是根据信号波形的包络线进行量化编码的。∑-Δ型ADC由两部分组成，第一部分为模拟∑-Δ调制器，第二部分为数字抽取滤波器，如图5所示。∑-Δ调制器以极高的抽样频率对输入模拟信号进行抽样，并对两个抽样之间的差值进行低位量化，从而得到用低位数码表示的数字信号即∑-Δ码；然后将这种∑-Δ码送给第二部分的数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。因此抽取滤波器实际上相当于一个码型变换器。由于∑--△具有极高的抽样速率，通常比奈奎斯特抽样频率高出许多倍，因此∑--△转换器又称为过抽样A/D转换器。

目前，∑--△型ADC分为四类：

（1）高速类ADC；

（2）调制解调器类ADC；

（3）编码器类ADC；

（4）传感器低频测量ADC。

其中每一类∑--△型ADC又分为许多型号，给用户带来极大方便。

流水线型（Pipeline）ADC又称为子区式ADC，它由若干级级联电路组成，每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。快速精确的n位转换器分成两段以上的子区（流水线）来完成。

首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个m位分辨率粗A/D转换器对输入进行量化，接着用一个至少n位精度的乘积型数模转换器（MDAC）产生一个对应于量化结果的模/拟电平并送至求和电路，求和电路从输入信号中扣除此模拟电平。并将差值精确放大某一固定增益后关交下一级电路处理。经过各级这样的处理后，最后由一个较高精度的K位细 A/D转换器对残余信号进行转换。将上述各级粗、细A/D的输出组合起来即构成高精度的n位输出。图3所示为一个14位5级流水线型ADC的原理图，图7 所示为每级内部结构图。

流水线型ADC必须满足以下不等式以便纠正重叠错误：式中，1为级数，m为各级中ADC的粗分辨率，k为精细ADC的细分辨率，而 n是流水线ADC的总分辨率。流水线ADC不但简化了电路设计，还具有如下优点：每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正，具有良好的线性和低失调；每一级具有独立的采样/保持放大器，前一级电路的采样/保持可以释放出来用于处理下一次采样，因此允许流水线各级同时对多个采样进行处理，从而提高了信号的处理速度，典型的为 Tconv《100ns；功率消耗低；很水有比较器进入亚稳态，从根本上消除了火花码和气泡，从而大大减少了ADC的误差；多级转换提高了ADC的分辨率。同时流水线型ADC也有一些缺点：复杂的基准电路和偏置结构；输入信号必须穿过数级电路造成流水延迟；、同步所有输出需要严格的锁存定时；对工艺缺陷敏感，对印刷线路板更为敏感，它们会影响增益的线性、失调及其它参数。

模数转换器的主要技术指标

分辨率

通常以输出二进制或十进制数字的位数表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位越小，对输入信号的分辨能力就越高。

例如：输入模拟电压的变化范围为 0～5 V，输出 8 位二进制数可以

分辨的最小模拟电压为 5 V&TImes;2－8 ＝20 mV；而输出 12 位二进制数可以

分辨的最小模拟电压为 5 V&TImes;2－12≈1.22 mV。

转换误差

它是指在零点和满度都校准以后，在整个转换范围内，分别测量各个 数字量所对应的模拟输入电压实测范围与理论范围之间的偏差，取其 中的最大偏差作为转换误差的指标。通常以相对误差的形式出现，并 以 LSB 为单位表