A/D转换的一般工作过程

1.取样与保持

取样是将随时间连续变化的模拟量转化为时间离散的模拟量。取样过程示意图如图1所示。图a中，传输门受取样信号 _{控制，在 的脉宽t期间，传输门导通，输出信号 为输入信号 ，而在 期间,输出信号 。电路中各信号波形如图b所示。}

图1 取样过程

通过分析可以看出，取样信号 _{的频率愈高，所取得信号经低通滤波器后愈能真实的复现输入信号。合理的取样频率由取样定理（详见信号与系统教材）决定。}

    将取样电路每次得到的模拟信号转换为数字信号都需要一定的时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。

取样与保持过程往往是通过取样—保持电路同时完成的。取样—保持电路的原理图及其输出波形如图2所示。

                   (a)原理图                                  (b)波形图

图2 取样－保持电路

电路由输入放大器A_{1、输出放大器A2、保持CH和开关驱动电路组成。中要求A1具有很高的输入阻抗，以减小对输入信号源的影响。为使保持阶段CH上所存电荷不易泄放，A2也应具有较高输入阻抗，A2还应具有较低的输出阻抗，这样可以提高电路的带负载能力。一般还要求电路中 。}

   结合图2来分析取样—保持电路的工作原理。在t=t_{0时，开关S闭合，电容被迅速充电，由于 ，因此 ，在 时间间隔内是取样阶段。当t=t1时刻S断开。若A2的输入阻抗为无穷大、S为理想开关，这样就可认为电容CH没有放电回路，其两端电压保持为 不变，图7.17b中 的平坦段即为保持阶段。}

   取样保持电路已有很多种型号的单片产品。如双极型工艺的有AD585、AD684；混合工艺的有AD1154、SHC76等。

2. 量化与编码

量化为数值量化的简称，就是将取样—保持电路的输出电压，按某种近似方式规划到与之相应的离散电平上的转化过程。量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。

    量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用D表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。

    在量化过程中，由于取样电压不一定能被D整除，所以量化前后不可避免的存在误差，此误差称之为量化误差，用e表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。

量化过程近似方式：

²        取整方式，即只舍不入量化方式

²        四舍五入量化方式

以3位A/D转换器为例，设输入信号 _{的变化范围为0~8V，采用只舍不入量化方式时，取D=1V，量化中把不足量化单位部分舍弃，如数值在0~1V之间的模拟电压都当作0D，用二进制数000表示，而数值在1~2V之间的模拟电压都当作1D，用二进制数001表示…。这种量化方式的最大量化误差为D；如采用四舍五入的量化方式，则取量化单位D=8V/15，量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。它将数值在0~8V/15之间的模拟电压都当作0D对待，用二进制数000表示，而数值在8V/15~24V/15之间的模拟电压当作1D，用二进制数001表示等。}

不难看出，四舍五入量化方式的量化误差比前者小。因为只舍不入量化方式最大量化误差| _{|=1LSB，而四舍五入量化方式| |=LSB/2，故大多数A/D转换器采用四舍五入量化方式。}

3.A/D转换器分类

         单片集成并行比较器的产品很多，如AD公司的AD9012（TTL工艺，8位）、AD9002（ECL工艺，8位）、AD9020（TTL工艺，10位）等。常用集成逐次比较型A/D转换器有ADC0808/0809系列（8位）、A/D575（10位）、A/D574（12位）等。单片集成双积分式A/D转换器有ADC—EK8B（8位，二进制码）、ADC—EK10B（10位，二进制码）、MC14433等。下面将详细介绍几种A/D转换器的电路结构及工作原理。

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1.取样与保持

取样是将随时间连续变化的模拟量转化为时间离散的模拟量。取样过程示意图如图1所示。图a中，传输门受取样信号 _{控制，在 的脉宽t期间，传输门导通，输出信号 为输入信号 ，而在 期间,输出信号 。电路中各信号波形如图b所示。}

图1 取样过程

通过分析可以看出，取样信号 _{的频率愈高，所取得信号经低通滤波器后愈能真实的复现输入信号。合理的取样频率由取样定理（详见信号与系统教材）决定。}

    将取样电路每次得到的模拟信号转换为数字信号都需要一定的时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。

取样与保持过程往往是通过取样—保持电路同时完成的。取样—保持电路的原理图及其输出波形如图2所示。

                   (a)原理图                                  (b)波形图

图2 取样－保持电路

电路由输入放大器A_{1、输出放大器A2、保持CH和开关驱动电路组成。中要求A1具有很高的输入阻抗，以减小对输入信号源的影响。为使保持阶段CH上所存电荷不易泄放，A2也应具有较高输入阻抗，A2还应具有较低的输出阻抗，这样可以提高电路的带负载能力。一般还要求电路中 。}

   结合图2来分析取样—保持电路的工作原理。在t=t_{0时，开关S闭合，电容被迅速充电，由于 ，因此 ，在 时间间隔内是取样阶段。当t=t1时刻S断开。若A2的输入阻抗为无穷大、S为理想开关，这样就可认为电容CH没有放电回路，其两端电压保持为 不变，图7.17b中 的平坦段即为保持阶段。}

   取样保持电路已有很多种型号的单片产品。如双极型工艺的有AD585、AD684；混合工艺的有AD1154、SHC76等。

2. 量化与编码

量化为数值量化的简称，就是将取样—保持电路的输出电压，按某种近似方式规划到与之相应的离散电平上的转化过程。量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。

    量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用D表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。

    在量化过程中，由于取样电压不一定能被D整除，所以量化前后不可避免的存在误差，此误差称之为量化误差，用e表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。

量化过程近似方式：

²        取整方式，即只舍不入量化方式

²        四舍五入量化方式

以3位A/D转换器为例，设输入信号 _{的变化范围为0~8V，采用只舍不入量化方式时，取D=1V，量化中把不足量化单位部分舍弃，如数值在0~1V之间的模拟电压都当作0D，用二进制数000表示，而数值在1~2V之间的模拟电压都当作1D，用二进制数001表示…。这种量化方式的最大量化误差为D；如采用四舍五入的量化方式，则取量化单位D=8V/15，量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。它将数值在0~8V/15之间的模拟电压都当作0D对待，用二进制数000表示，而数值在8V/15~24V/15之间的模拟电压当作1D，用二进制数001表示等。}

不难看出，四舍五入量化方式的量化误差比前者小。因为只舍不入量化方式最大量化误差| _{|=1LSB，而四舍五入量化方式| |=LSB/2，故大多数A/D转换器采用四舍五入量化方式。}

3.A/D转换器分类

         单片集成并行比较器的产品很多，如AD公司的AD9012（TTL工艺，8位）、AD9002（ECL工艺，8位）、AD9020（TTL工艺，10位）等。常用集成逐次比较型A/D转换器有ADC0808/0809系列（8位）、A/D575（10位）、A/D574（12位）等。单片集成双积分式A/D转换器有ADC—EK8B（8位，二进制码）、ADC—EK10B（10位，二进制码）、MC14433等。下面将详细介绍几种A/D转换器的电路结构及工作原理。