一、a/d轉(zhuǎn)換的基本原理
a/d轉(zhuǎn)換的基本思路：對(duì)連續(xù)變化的模擬量在一系列取定的時(shí)間瞬間進(jìn)行取樣，然后把該取樣值用二進(jìn)制數(shù)表示出來。由于將采樣值再用二進(jìn)制數(shù)表示出來需要一定的時(shí)間，因此，采樣后的模擬量還須要保持、量化和編碼等過程。所以，a/d轉(zhuǎn)換過程一般要四步：采樣、保持、量化和編碼。
1. 采樣定理和采樣—保持電路
上邊的電路就是在一系列選定的時(shí)間瞬間對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的電路。
電路中s是理想的模擬開關(guān)，ch是保持電容，s開關(guān)由采樣脈沖信號(hào)控制。當(dāng)高電平時(shí)，開關(guān)閉合對(duì)電容ch充電(采樣)；當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)，電容器上采樣的電壓保持。進(jìn)而可畫出采樣后的波形。
為了能使采樣后的信號(hào)不失真地再現(xiàn)原采樣前的輸入信號(hào)，由此，對(duì)采樣的信號(hào)頻率就有一定的要求。由采樣定理得：，式中為輸入模擬信號(hào)頻譜中的最高頻率成分。在實(shí)際的a/d轉(zhuǎn)換中，允許存在一定的誤差下，采樣脈沖頻率常按下式選?。?。
圖示電路是一個(gè)具體的采樣—保持電路，由兩級(jí)運(yùn)算放大器和電子開關(guān)組成，兩只運(yùn)放都接成電壓跟隨器形式。電路可以做到快速取樣，a1運(yùn)放輸入為高阻，輸出為低阻，對(duì)輸入起隔離作用。
對(duì)保持電容ch實(shí)現(xiàn)快速充電，時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于tc(采樣時(shí)間)。a2跟器輸入電阻很高，使得當(dāng)s斷開后，保持電容ch的保持性能好。保持電容，要求選用高質(zhì)量的電容器，漏電很小(如聚苯乙希電容)。
2. 量化和編碼
將取樣后的值用一個(gè)最小單位的整數(shù)倍來表示，由于一個(gè)值不一定正好能分割成最小單位的整數(shù)倍，因此，必須對(duì)取樣值進(jìn)行取整歸并，這種取整歸并的方法和過程稱量化(數(shù)值量化或數(shù)值分層)。取整歸并(即量化)的方法有兩種：
舍尾取整法：
舍去不足一個(gè)量化單位的尾部，取其整數(shù)。當(dāng)s表示為量化單位時(shí)，即有：。取量化值。如當(dāng)s=1v時(shí)，時(shí)量化值；時(shí)量化值。可見，這種量化方法時(shí)的最大量化誤差為：。
量化單位的計(jì)算：，n是dac的位數(shù)采保后的最大值電壓。
四舍五入量化法：大于s/2量化單位的尾部歸整，舍去小于s/2量化單位的尾部。如當(dāng)s=1v時(shí)，時(shí)量化值；可見，這種量化方法時(shí)的最大量化誤差為： 。
量化單位的計(jì)算：。
a/d轉(zhuǎn)換種類：
并行比較型adc：速度最快；
反饋計(jì)數(shù)式adc：速度慢；
逐次逼近型adc：速度快；
雙積分式adc：速度較慢，精度高，抗干擾性好；
v/f式adc：調(diào)制式adc，用在航天；
前三種是直接a/d轉(zhuǎn)換器。
二、逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器
模擬比較器c，三位d/a轉(zhuǎn)換器，三位逐次逼近寄存器，五位節(jié)拍脈沖發(fā)生器，輸出與門電路等。s/h是采樣保持器，電路中設(shè)置偏移s/2量化單位是為減小量化誤差之用。
轉(zhuǎn)換原理：開始轉(zhuǎn)換前，q2q1q0=000(清零)，節(jié)拍脈沖發(fā)生器置成qaqbqcqdqe=00001，則輸出為d2d1d0=000，d/a輸出為0，加入輸入模擬電壓4.65v后，因?yàn)椋?高電平)。
第一個(gè)cp：qaqbqcqdqe=10000，q2q1q0=100，d2d1d0=000。q2q1q0=100經(jīng)d/a后得：。設(shè)s=1v，所以，，q2q1q0=100不夠大，高位q2=1保留；
第二個(gè)cp：qaqbqcqdqe=01000，q2q1q0=110，d2d1d0=000，q2q1q0=110。經(jīng)d/a后得：得：，所以，，說明數(shù)據(jù)110太大，q1=1應(yīng)舍去；
第三個(gè)cp：qaqbqcqdqe=00100，q2q1q0=101，d2d1d0=000，q2q1q0=101。經(jīng)d/a后，得：。所以，。
第四個(gè)cp：qaqbqcqdqe=00010，q2q1q0=101，d2d1d0=000，q2q1q0=101，即q0=1仍保留。
第五個(gè)cp：qaqbqcqdqe=00001，q2q1q0=101狀態(tài)保持不變，由于qe=1，輸出與門被選通，所以輸出數(shù)字量為：d2d1d0=101。
3位a/d轉(zhuǎn)換器的整個(gè)工作過程：
三位逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器的電壓逼近波形圖：
逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：
轉(zhuǎn)換速度較快，對(duì)n位a/d轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換一次的時(shí)間為：t=(n+2)tcp；容易與8位微機(jī)連接。
轉(zhuǎn)換精度，主要決定于其中的d/a轉(zhuǎn)換器的位數(shù)、線性度、電子開關(guān)壓降、參考電壓穩(wěn)定度，以及模擬電壓比較器的靈敏度等。由于集成電路制造工藝的完善，a/d轉(zhuǎn)換器的精度已可達(dá)±0.005%。
三、雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器
這是一種間接a/d轉(zhuǎn)換器。它首先把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成中間變量—時(shí)間t，然后再將時(shí)間t轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。
由于雙積分分兩次積分，產(chǎn)生兩條積分斜率，所以，也有叫雙斜率a/d轉(zhuǎn)換器。
雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器原理框圖：
電路由積分器a、過零比較器c和n位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器等電路組成。
轉(zhuǎn)換原理如下：轉(zhuǎn)換開始前，進(jìn)行初始化處理：計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器清零，s1接通a，s2閉合，積分電容c充分放電，v01=0，co為0，與門g封鎖。
輸出數(shù)字量dn-1dn-2…d1d0=00…00
a/d轉(zhuǎn)換開始：s2打開，積分器第一次向負(fù)方向積分，v01＜0，co=1，cp脈沖加入，計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)。
v01的積分電壓為：
在計(jì)數(shù)器尚未計(jì)滿dn-1dn-2…d1d0=11…11之前，過程繼讀。當(dāng)計(jì)滿11…11并返回000 …0后，符加觸發(fā)器由0變1，s1開關(guān)接通負(fù)參考電壓-vref。積分器向正方向進(jìn)行第二次積分， v01電壓向正方向上升。只要v01電壓尚未達(dá)到0v，c0=1，則計(jì)數(shù)器就進(jìn)行第二次加法計(jì)數(shù)，當(dāng)積分器正方向積分至0v時(shí)，c0=0，cp脈沖被封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，則此時(shí)計(jì)數(shù)器所累計(jì)的數(shù)據(jù)就為輸入模擬量所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量了。
下面定量分析：
第一次積分(t0～t1)：
第二次積分(t1～t2)：
當(dāng)t=t2時(shí)，積分器輸出電壓為0，則：
因此有：，
輸出數(shù)字量：
雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：
由于采用了積分器，抗干擾能力強(qiáng)；兩次積分用同一個(gè)積分器，使輸出結(jié)果與積分參數(shù)無關(guān)(見表達(dá)式)，精度高；
當(dāng)選取積分時(shí)間為工頻周期的整數(shù)倍時(shí)，理論上可完全消除工頻干擾，因?yàn)檫@時(shí)對(duì)工頻干擾的平均積分為0，主要應(yīng)用在精度高，而速度相對(duì)較慢的數(shù)字測(cè)試設(shè)備和儀表中；
四、v/f變換型a/d轉(zhuǎn)換器
基本思路：先將輸入的模擬電壓信號(hào)變換成與之成正比的脈沖信號(hào)，然后，在定時(shí)時(shí)間控制下，對(duì)該脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。
電路組成分析：a1是模擬反相器，a2是模擬積分器，c1、c2組成比較器，其它都是熟悉的數(shù)字電路。
電路工作原理：開始轉(zhuǎn)換前，cs低電平，s2閉合，s1接通，基本觸發(fā)器置q=0，=1。開始轉(zhuǎn)換 ，cs=1，開關(guān)s2斷開。積分器a2開始正方向積分，電位逐漸上升，當(dāng)上升至?xí)r，變成低電平0，變成高電平1。
觸發(fā)器置1：控制邏輯電路將開關(guān)s1接通；接著積分器a2負(fù)方向積分開始下降，當(dāng)下降至?xí)r，兩個(gè)比較器輸出=1，=0。
觸發(fā)器重新置0：電子開關(guān)又接通到-積分器又正向積分，如此周而復(fù)始，不斷地進(jìn)行，在觸發(fā)器的q和端將得到隨而變化的波形，而且將正比于。
由波形圖可得，在定時(shí)時(shí)間ts內(nèi)，計(jì)數(shù)器對(duì)cp()進(jìn)行計(jì)數(shù)，則n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器累計(jì)的結(jié)果就代表了輸入模擬量的大小了。
由波形圖可知，積分器正向積分時(shí)的變化幅度為 ：。時(shí)間為t1，積分時(shí)間常數(shù)為rc，所以有：，。而反向積分和正向積分時(shí)幅值相同，故有：t1=t2，，
在定時(shí)ts內(nèi)，對(duì)上述頻率計(jì)數(shù)，則其結(jié)果正比于，，由于電路采用了積分器，同時(shí)，轉(zhuǎn)換后得到的是調(diào)制后的脈沖波形，因此，具有抑制交流噪聲和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。這種a/d轉(zhuǎn)換器特別適用于遙控和遙測(cè)系統(tǒng)。
五、三位并行比較型a/d轉(zhuǎn)換器
轉(zhuǎn)換原理用表說明：
三位輸出函數(shù)式：
，，
六、計(jì)數(shù)式a/d轉(zhuǎn)換器
七、a/d轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)
1. a/d轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)
⑴ 分辨率
能區(qū)分相鄰兩個(gè)數(shù)字量的最小輸入模擬電壓增量，所以，對(duì)一個(gè)n位的a/d轉(zhuǎn)換器，其分辨率為輸入滿度電壓與的比值。如一個(gè)12位的滿刻度輸入10v的a/d轉(zhuǎn)換器，其分辯率=mv。
⑵ 精度誤差：輸出數(shù)字量對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬電壓與理想電壓值之差，其最大值定義為精度誤差?？梢姡日`差越小，a/d轉(zhuǎn)換的精度越高。有時(shí)，也有把精度誤差當(dāng)作精度的。
精度誤差包括：1)量化誤差；2)偏移誤差；3)增益誤差；4)非線性誤差；
⑶ 轉(zhuǎn)換時(shí)間：完成一次a/d轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間
2. a/d轉(zhuǎn)換器應(yīng)用要點(diǎn)
⑴ a/d轉(zhuǎn)換器的位數(shù)選擇
a/d轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)控范圍以及精度要求有關(guān)。它涉及傳感器精度，放大器精度，a/d本身精度，輸出電路和伺服機(jī)構(gòu)的精度，軟件算法的精度等，應(yīng)根據(jù)綜合精度在各個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行分配。一般來說，a/d轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辯率高一位。
⑵ a/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度選擇(轉(zhuǎn)換時(shí)間)根據(jù)采集對(duì)象的變化率及轉(zhuǎn)換精度要求，確定a/d轉(zhuǎn)換速度，以保證對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。
并行比較型adc—轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為20～100ns，用于數(shù)字通訊、實(shí)時(shí)光譜分析、實(shí)時(shí)瞬態(tài)記錄、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。
逐次逼近型adc—轉(zhuǎn)換時(shí)間在1us～100us，用于工業(yè)上的多通道測(cè)控系統(tǒng)和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、實(shí)時(shí)光譜分析、實(shí)時(shí)瞬態(tài)記錄、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。
雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器—轉(zhuǎn)換時(shí)間在1ms～100ms，用于溫度、壓力、流量等慢變化的檢測(cè)和控制系統(tǒng)，一般的儀器和儀表中。
⑶ 工作電壓和參考電壓選擇
工作電壓有±15v、+12～+15v、+5v等，最好選擇能與數(shù)字系統(tǒng)共用的一個(gè)電源較方便。
參考電壓(基準(zhǔn)電壓)vref的穩(wěn)定性對(duì)a/d的轉(zhuǎn)換精度關(guān)系大，應(yīng)選用高精度、高穩(wěn)定性的基準(zhǔn)電壓。
⑷ a/d轉(zhuǎn)換器量程選擇
常見a/d轉(zhuǎn)換器的量程有：
0～+5v，0～+10v 單極性輸入
-5～+5v，-10～+10v 雙極性輸入
應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的極性要求決定
八、集成a/d轉(zhuǎn)換器實(shí)例
adc0809芯片介紹
8位，逐次逼近型，8路模擬量輸入，具有與微機(jī)兼容的控制邏輯，28引腳，cmos工藝，15mw功耗，輸入模擬電壓0～5v，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us，精度±lsb。
adc0809內(nèi)部框圖：
⑴ 模擬量輸入通選擇
由三位地址代碼控制，地址輸入后，加ale將地址鎖存住。經(jīng)地址譯碼后，去選通多路開關(guān)，決定選擇哪一路模擬量。
⑵ a/d轉(zhuǎn)換過程
加入啟動(dòng)脈沖start， a/d轉(zhuǎn)換開始，啟動(dòng)脈沖上沿先清0逐次逼近寄存器，下沿開始a/d，eoc為轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位，高電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。轉(zhuǎn)換時(shí)，輸入模擬電壓與樹狀開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(d/a)比較，得出從高位至低位的數(shù)字量，并存入輸出三態(tài)鎖存器。
⑶ 輸出數(shù)字量
轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位eoc=1，表示a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束，在使能輸出oe端加上正脈沖，三態(tài)輸出鎖存器與輸出數(shù)據(jù)線接通，將其中的數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)總線以供讀出。
adc0809的典型應(yīng)用：
只要寫一段程序(匯編語言)adc0809在單片機(jī)8031控制下，完成a/d轉(zhuǎn)換。