模拟电路设计（24）---几种不同类型的A/D转换器的转换原理

A/D转换器是将模拟信号变换成相应的数字信号的装置。今天来介绍几种不同类型的A/D转换器的转换原理。

双积分式A/D转换器的转换原理

这种转换本质是一种V/T（电压/时间）的转换。如下图所示，它的一次转换基本工作原理可以分成三个工作阶段。

双积分式A/D转换器基本组成

第一阶段T1：模拟开关S1导通，其余各模拟开关断开，此阶段对输入电压积分采样。在进入此阶段之前，积分器的输出已被复零，所以当输入电压Vi为正时，积分器输出负向渐增；当输入电压Vi为负时，积分器输出正向渐增，如下图所示：

积分器输出电压波形图

采样阶段所经历的时间T1是一个常数，常以计数器对时钟脉冲频率fcp计数来确定。比如，以计数器从0累计到N1所对应的时间N1Tcp=N1/fcp作为T1，就是说以计数器从0计数到N1所经历的时间作为对输入电压的积分阶段。

第二阶段T2：模拟开关S2或S3导通，其余开关断开，此阶段为对参考电压回积阶段。回积电压极性与第一阶段相反，由此来确定S2还是S3的通断。目的是把第一阶段累积的电荷在第二阶段回放掉。

那么，根据第一阶段累积的电荷和第二阶段释放的电荷相等，通过计算可得出如下结论：

(VR*T2-ViT1)/(RC)=0

其中Vi表示T1阶段中Vi的平均值，那么电容上的充电电压等于放电电压，即

T2=T1Vi/VR

若T2也用和T1相同的时钟脉冲fcp计数器测量，在此阶段中计数器所累计的数N2=T2fcp，由N1=T1fcp可得

N2=N1*Vi/VR

因此，计数器在T2阶段所累计的脉冲个数N2正比于被测电压在T1阶段中的平均值Vi，实现模拟量到数字量的转换。

第三阶段T3：模拟开关S4和S5导通，其余断开，此阶段为复零与准备阶段。

逐次逼近式A/D转换器

如下图所示为逐次逼近式A/D转换器结构框图，一般由电压比较器N1、D/A转换器、控制逻辑、移位寄存器和输出锁存器等组成。

逐次逼近式A/D转换器结构图

下面介绍下它的工作过程，当出现启动脉冲时，移位寄存器和锁存器清零，故D/A输出也为零。当第一个时钟脉冲到达时，移位寄存器最高位被置1，那么D/A转换器输入为10000000，转换输出电压E0为其满刻度的一半，通过比较器进行比较，若Vi>E0，则锁存器最高位将“1”锁存（否则不锁存），移位寄存器右移1位，此时输出为11000000，再与Vi比较...重复上述过程，直至移位寄存器右移溢出为止，这时右移脉冲就作为A/D转换结束的信号EOC，此时锁存器的结果就是A/D转换的结果。如果A/D转换位数为N，则转换时间为N+1个时钟脉冲。

二进制斜坡式A/D转换器

二进制斜坡式A/D转换器原理

二进制斜坡式A/D转换器的基本电路如上图（a）所示。它由D/A转换器、二进制计数器、控制门、比较器和控制逻辑等部分组成。其中，D/A转换器可以是二进制加权电阻网络，也可以是R-2R”T“形电阻网络，其输出可以是电流也可以是电压（图中DAC为输出电压）。

当启动脉冲到来时，二进制计数器清零，门打开，比较输入电压Vi和D/A转换器输出，若Vi>E0，则比较器输出为1，时钟脉冲通过门使二进制计数器计数一次，此时计数器和D/A转换器再转换成电压输出，E0继续和Vi比较，若Vi>E0，则时钟脉冲又通过门使计数器计数一次，重复上述过程，直到E0等于输入电压Vi，比较器输出0，关闭计数门，同时送到控制逻辑，使其发出转换结束EOC信号，此时二进制计数器的值就是转换结果。

由于上述方法是DAC产生一个增长的斜坡电压，如上图（b）所示，该电压用于和输入电压不断比较，故而得名斜坡法。

并行比较式A/D转换器

n位并行式A/D转换器电路组成原理

并行比较式A/D转换器电路的基本组成如上图所示。这种电路结构，n位的A/D转换器需要用2n+1个电阻串联组成分压器，上、下两端两个电阻的阻值为R/2，其余2n-1个电阻的阻值均为R，分压器上加参考电压VR。显然，除了上、下两端的两个电阻以外，其余各电阻上电压降均为VR/2n。也就是说，此分压器把参考电压VR分成了2n个分层的量化电压，上下两端的电阻分得半层的量化电压，对应1/2LSB，用于实现1/2LSB偏置，使量化误差变成±1/2LSB。

这2n个量化的参考电压被送到2n个电压比较器与模拟电压Vi进行比较，可以立即得出Vi处于哪个电压分段。图中采用了段鉴别与门来识别Vi属哪一段的电压分层。经过图中所示逻辑处理后，必定只有一个对应的与门输出端为1，因此可用2n线/n编码器逻辑电路实现编码逻辑功能，把段信号转换成二进制数码输出。图中位于最上面的0号比较器用于鉴别过量程，当输入Vi>Vr时，0号比较器发出“1”信号，标志过量程。

四种A/D转换器的特点

1、双积分式A/D转换器具有转换精度高、灵敏度高、抑制干扰能力强，造价低等优点。缺点是转换速度低。

2、逐次逼近式A/D转换器转换速度较快，转换精度较高。与双积分式A/D转换器相比抗干扰能力较差，价格也较高。

3、二进制斜坡式A/D转换器与逐次逼近式A/D转换器相比，速度慢得多，目前也较少使用。

4、并行比较式A/D转换器具有转换速度高的优点，缺点是组成电路复杂，价格昂贵。

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