现代测试技术论文

A/D转换器的简单介绍

摘要

随着电子产业数字化程度的不断发展，逐渐形成了以数字系统为主体的格局。A/D转换器作为模拟和数字电路的接口，正受到日益广泛的关注。A/D转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。而A/D转换器的任务就是把时间和幅值都连续的模拟量转换成时间和幅值都离散的数字量。随着数字技术的飞速发展，人们对A/D转换器的要求也越来越高，新型的模拟/数字转换技术不断涌现。

本文将介绍一下A/D转换器的一般工作过程及它的主要技术指标，并对当下比较常用的几种A/D转换器做一个简单的比较，探讨一下A/D转换技术未来的发展趋势。

关键字：A/D转换器

技术指标 比较

A brief introduction to A/D converter

Abstract

With the development of the digitization of the electronics industry, and gradually formed a digital system as the main pattern. As the analog and digital circuit interface, A/D converter is being increasingly widespread concern. A/D converter is the analog-digital conversion, the name suggests, is to convert analog signals into digital signals. And the A/D converter’s task is converter the analog which the time and amplitude is continuous into digital which the time and amplitude is discrete. With the rapid development of digital technology, the requirements to the A/D converters are also increasing, new analog / digital conversion technologies are emerging.

This article will introduce the A/D converter’s general work process and its main technical indicators, and make a simple comparison to several commonly used current A/D converter, explore the A/D conversion technology development trend of the future. Key words: A/D converter; Technical specifications;Comparison

1. 引言

随着科学技术，特别是计算机技术的飞速发展和普及，在现代控制、通信及检测领域中，信号的处理无不广泛地采用了计算机技术。自然界中的物理量，例如压力、温度、液位、位移等都是模拟量，而计算机只能处理数字量，要对这些物理量进行控制、检测等，往往需要一种能在模拟信号和数字信号之间起转换作用的电路——模数转换器。

2. 什么是A/D转换器

A/D转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。而A/D转换器的任务就是把时间和幅值都连续的模拟量转换成时间和幅值都离散的数字量。

3. A/D转换的一般工作过程

A/D转换器要将时间和幅值都连续的模拟量，转换为时间、幅值都离散的数字量，一般要经过取样、保持和量化、编码几个过程。 1）.取样与保持

取样是第一步，所谓的取样其实就是通过取样电路将输入模拟量转换为在时间上离散的模拟量。具体来说是通过取样信号S(t)控制传输门TG：当S(t)处于高电平期间，TG导通。输出信号等于输入信号；而在S(t)处于低电平期间，传输门关闭，输出信号为零。当然，取样信号S(t)的频率越高，取得的信号经低通滤波器后越能真实地复现输入信号。 由于将取样所得信号转换为数字信号往往是需要一定时间的，为了给后续的量化编码电路提供一个稳定值，取样电路的输出还需要保持一段时间。一般取样和保持过程都是同时完成的。通俗来讲就是采样是采的一小段一小段时间的输入信号，而在这一小段时间内必须保持输出电压是保持不变的，这就是保持的作用。 2）.量化与编码

由于数字量在数值上是离散的，任何数字量只能是某个最小量化单位的整数倍。要实现A/D转换，还必须将取样保持电路的输出表示为最小数量单位的整数倍。将数值连续的模拟量转换为数字量的过程称为量化。最小数量单位称为量化单位。量化单位是数字信号最低位为1是所对应的模拟量，即1LSB。由于现实地取样电压是连续的，它的值不一定都能被

因此，量化过程中的误差是不可避免的，叫做量化误差，用表示。是原理误差，整除，

是无法消除的。显然A/D转换器的位数如果越多，1LSB所对应的值越小，对应的量化误差误差的绝对值也越小。

比较常用的量化方法有舍尾取整法和四舍五入法。所谓的舍尾取整的处理方法是：若输入电压vI在两个相邻的量化值之间时，即（n-1）

2

时，舍去尾数取整数；当vI的尾数大于或等于

2

时，则其量化单位在原数上加一个。举一个例子：如果将0-1V的模拟电压转化成3位二进制码。用上述两种方法比较一下：对于舍尾取整法来说，取=之间的模拟量，就当作0并用二进制码000表示；如果数值在当作1并用二进制码001表示……如下图所示：

1818

V，如果数值在0-28

18

V

-V之间的模拟量，就

舍尾取整法

215

而如果采用四舍五入量化的方法：则取量化单位=就当作0并用二进制码000表示；而数值在制码001表示……如下图所示

四舍五入法

1

V，若数值在0-

115

V之间的模拟量，

1515

-

3

V之间的模拟量，就当作1并用二进

不难发现，对于舍尾取整的量化方法，最大的量化误差max=1LSB，而四舍五入法

max=

方法。

12

LSB，明显后者的量化误差比较小，因此大多数A/D转换器采用四舍五入的量化

把量化后的结果用二进制码或者其他代码表示出来的过程称为编码。由编码输出的代码就是A/D转换器的最终转换结果。 4. A/D转换器主要的技术指标

1）.分辨率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量,定义为满刻度与2n的比值。分辩率又称作精度,通常用数字信号的位数来表示。常用的有8位，12位，16位等。 2）.转换速率(Conversion Rate) 指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。常用单位是ksps和Msps,表示每秒采样千/百万次。

3）.量化误差 (Quantizing Error) 指由于A/D的有限的分辨率而引起的误差。通常是1个或者半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB，

12

LSB。

4）.偏移误差(Offset Error) 指输入信号为零时输出信号不为零的值,可通过外接电位器调至最小。

5）.满刻度误差(Full Scale Error) 指满刻度输出时对应的实际输入信号与理想输入信号值之差。

6）.线性度(Linearity) 指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移量。 5.常用的A/D转换器

1）.双积分型A/D转化器

双积分型A/D转换器是常用的一种间接A/D转换器，其基本原理是在某一固定时间内对输入模拟电压求积分，首先将输入电压的平均值变换成与之成正比的时间间隔，再利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，得到与输入量对应的数字量输出。由于工作过程中有两次积分过程，因此得名。它通过简单的电路就能获得高分辨率，而且由于双积分A/D转换器在第一次积分阶段取的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰能力。但由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低，为毫秒级。初期的单片AD转换器大多采用积分型,现在逐次比较型已逐步成为主流。

2）.逐次比较型A/D转化器

现今的A/D转换器中，逐次比较型A/D转换器是采用较多的一种。它的转换过程和用天平称重类似。天平称重过程是，从最重的砝码开始试放，与被称物体进行比较，如果物体重于砝码，则该砝码保留，否则移去。再加上第二次重砝码……照此下去，一直加到最小的一个砝码。最后，将所有留下的砝码重量加起来，就是物体重量。仿照这一思路，逐次比较型A/D转换器，就是将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量。它的电路规模属于中等，它的优点是速度较高、功耗低，转换时间为微秒级。而它的价格也因它的分辨率而异，一般来说，当它的分辨率比较低（12位）时就比较贵。 3）.并行比较型/串并行比较型A/D转化器

并行比较性A/D转换器采用多个比较器，仅仅只做一次比较就能得到转换，所以转换速率极快，可以达到纳秒级，又称作Flash（快速）型。对于一个n位的并行比较性A/D转换器需要2n-1个比较器和触发器，可以看出，随着分辨率的提高，原件的数目几乎以几何数目增加，随着位数的增加，电路复杂程度急剧增加，对电路工艺指标也愈高。因此电路规模非常大，相应的价格也非常高，所以它只适用于视频A/D转换器等速度要求特别高的领域。串并行比较型A/D转化器结构介于并行型和逐次比较型之间，它的速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。大多数采用两次比较得到转换，所以又称为Half flash（半快速）型。当然还有分为三步或者多步实现转换的，这种叫做分级型A/D转换器，显然，级数越多，速度也就越慢。

4）. Σ-Δ(Sigma-delta)调制型A/D转化器

Σ-Δ(Sigma-delta)调制型A/D转化器是由Σ-Δ调制器和数字滤波器组成。调制器包括一个积分器和比较器,以及含有一个1位D/A转换器的反馈环,具有噪声整形功能,将量化噪声从基带内搬移到基带外的更高频段,从而提高了信噪比。经调制器输出的是1位的高速数字流,包含大量高频噪声,因此需要数字滤波器,滤除高频噪声,降低抽样频率。Σ-Δ(Sigma-delta)调制型A/D转化器是目前精度最高的A/D转换器，此外,它还具有极其优越的线性度、无需微调,以及更低的防混淆等优点。主要用于音频和测量。

6.A/D转换技术的发展趋势

现如今，数字处理系统正在高速地发展。为了达到数字系统发展的要求，对A/D转换器性能的要求也越来越高，大体来说，将主要向以下三个方向发展：高转换速度：随着数字系统的数据处理速度不断加快，人们要求数据获取的速度也要随之不断地提高，因此，A/D转换器向着超高速方向发展是显而易见的。高精度：在现在的测量领域，对精度的要求越来越高，所以仪表的分辨率也必须越来越高，其核心也就是A/D转换器的分辨率得越来越高，也就是说A/D转换器分辨率的不断提高将是一个必然趋势。低功耗：从大势来说，全球都在宣传充分利用资源，从小势来说，现在的大的集成电路系统复杂，要求每个小元件功耗都尽量的低，所以低功耗也是A/D转换技术的一个发展技术。

A/D转换器的简单介绍

摘要

随着电子产业数字化程度的不断发展，逐渐形成了以数字系统为主体的格局。A/D转换器作为模拟和数字电路的接口，正受到日益广泛的关注。A/D转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。而A/D转换器的任务就是把时间和幅值都连续的模拟量转换成时间和幅值都离散的数字量。随着数字技术的飞速发展，人们对A/D转换器的要求也越来越高，新型的模拟/数字转换技术不断涌现。

本文将介绍一下A/D转换器的一般工作过程及它的主要技术指标，并对当下比较常用的几种A/D转换器做一个简单的比较，探讨一下A/D转换技术未来的发展趋势。

关键字：A/D转换器

技术指标 比较

A brief introduction to A/D converter

Abstract

With the development of the digitization of the electronics industry, and gradually formed a digital system as the main pattern. As the analog and digital circuit interface, A/D converter is being increasingly widespread concern. A/D converter is the analog-digital conversion, the name suggests, is to convert analog signals into digital signals. And the A/D converter’s task is converter the analog which the time and amplitude is continuous into digital which the time and amplitude is discrete. With the rapid development of digital technology, the requirements to the A/D converters are also increasing, new analog / digital conversion technologies are emerging.

This article will introduce the A/D converter’s general work process and its main technical indicators, and make a simple comparison to several commonly used current A/D converter, explore the A/D conversion technology development trend of the future. Key words: A/D converter; Technical specifications;Comparison

1. 引言

随着科学技术，特别是计算机技术的飞速发展和普及，在现代控制、通信及检测领域中，信号的处理无不广泛地采用了计算机技术。自然界中的物理量，例如压力、温度、液位、位移等都是模拟量，而计算机只能处理数字量，要对这些物理量进行控制、检测等，往往需要一种能在模拟信号和数字信号之间起转换作用的电路——模数转换器。

2. 什么是A/D转换器

A/D转换就是模数转换，顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。而A/D转换器的任务就是把时间和幅值都连续的模拟量转换成时间和幅值都离散的数字量。

3. A/D转换的一般工作过程

A/D转换器要将时间和幅值都连续的模拟量，转换为时间、幅值都离散的数字量，一般要经过取样、保持和量化、编码几个过程。 1）.取样与保持

取样是第一步，所谓的取样其实就是通过取样电路将输入模拟量转换为在时间上离散的模拟量。具体来说是通过取样信号S(t)控制传输门TG：当S(t)处于高电平期间，TG导通。输出信号等于输入信号；而在S(t)处于低电平期间，传输门关闭，输出信号为零。当然，取样信号S(t)的频率越高，取得的信号经低通滤波器后越能真实地复现输入信号。 由于将取样所得信号转换为数字信号往往是需要一定时间的，为了给后续的量化编码电路提供一个稳定值，取样电路的输出还需要保持一段时间。一般取样和保持过程都是同时完成的。通俗来讲就是采样是采的一小段一小段时间的输入信号，而在这一小段时间内必须保持输出电压是保持不变的，这就是保持的作用。 2）.量化与编码

由于数字量在数值上是离散的，任何数字量只能是某个最小量化单位的整数倍。要实现A/D转换，还必须将取样保持电路的输出表示为最小数量单位的整数倍。将数值连续的模拟量转换为数字量的过程称为量化。最小数量单位称为量化单位。量化单位是数字信号最低位为1是所对应的模拟量，即1LSB。由于现实地取样电压是连续的，它的值不一定都能被

因此，量化过程中的误差是不可避免的，叫做量化误差，用表示。是原理误差，整除，

是无法消除的。显然A/D转换器的位数如果越多，1LSB所对应的值越小，对应的量化误差误差的绝对值也越小。

比较常用的量化方法有舍尾取整法和四舍五入法。所谓的舍尾取整的处理方法是：若输入电压vI在两个相邻的量化值之间时，即（n-1）

2

时，舍去尾数取整数；当vI的尾数大于或等于

2

时，则其量化单位在原数上加一个。举一个例子：如果将0-1V的模拟电压转化成3位二进制码。用上述两种方法比较一下：对于舍尾取整法来说，取=之间的模拟量，就当作0并用二进制码000表示；如果数值在当作1并用二进制码001表示……如下图所示：

1818

V，如果数值在0-28

18

V

-V之间的模拟量，就

舍尾取整法

215

而如果采用四舍五入量化的方法：则取量化单位=就当作0并用二进制码000表示；而数值在制码001表示……如下图所示

四舍五入法

1

V，若数值在0-

115

V之间的模拟量，

1515

-

3

V之间的模拟量，就当作1并用二进

不难发现，对于舍尾取整的量化方法，最大的量化误差max=1LSB，而四舍五入法

max=

方法。

12

LSB，明显后者的量化误差比较小，因此大多数A/D转换器采用四舍五入的量化

把量化后的结果用二进制码或者其他代码表示出来的过程称为编码。由编码输出的代码就是A/D转换器的最终转换结果。 4. A/D转换器主要的技术指标

1）.分辨率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量,定义为满刻度与2n的比值。分辩率又称作精度,通常用数字信号的位数来表示。常用的有8位，12位，16位等。 2）.转换速率(Conversion Rate) 指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。常用单位是ksps和Msps,表示每秒采样千/百万次。

3）.量化误差 (Quantizing Error) 指由于A/D的有限的分辨率而引起的误差。通常是1个或者半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB，

12

LSB。

4）.偏移误差(Offset Error) 指输入信号为零时输出信号不为零的值,可通过外接电位器调至最小。

5）.满刻度误差(Full Scale Error) 指满刻度输出时对应的实际输入信号与理想输入信号值之差。

6）.线性度(Linearity) 指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移量。 5.常用的A/D转换器

1）.双积分型A/D转化器

双积分型A/D转换器是常用的一种间接A/D转换器，其基本原理是在某一固定时间内对输入模拟电压求积分，首先将输入电压的平均值变换成与之成正比的时间间隔，再利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，得到与输入量对应的数字量输出。由于工作过程中有两次积分过程，因此得名。它通过简单的电路就能获得高分辨率，而且由于双积分A/D转换器在第一次积分阶段取的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰能力。但由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低，为毫秒级。初期的单片AD转换器大多采用积分型,现在逐次比较型已逐步成为主流。

2）.逐次比较型A/D转化器

现今的A/D转换器中，逐次比较型A/D转换器是采用较多的一种。它的转换过程和用天平称重类似。天平称重过程是，从最重的砝码开始试放，与被称物体进行比较，如果物体重于砝码，则该砝码保留，否则移去。再加上第二次重砝码……照此下去，一直加到最小的一个砝码。最后，将所有留下的砝码重量加起来，就是物体重量。仿照这一思路，逐次比较型A/D转换器，就是将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量。它的电路规模属于中等，它的优点是速度较高、功耗低，转换时间为微秒级。而它的价格也因它的分辨率而异，一般来说，当它的分辨率比较低（12位）时就比较贵。 3）.并行比较型/串并行比较型A/D转化器

并行比较性A/D转换器采用多个比较器，仅仅只做一次比较就能得到转换，所以转换速率极快，可以达到纳秒级，又称作Flash（快速）型。对于一个n位的并行比较性A/D转换器需要2n-1个比较器和触发器，可以看出，随着分辨率的提高，原件的数目几乎以几何数目增加，随着位数的增加，电路复杂程度急剧增加，对电路工艺指标也愈高。因此电路规模非常大，相应的价格也非常高，所以它只适用于视频A/D转换器等速度要求特别高的领域。串并行比较型A/D转化器结构介于并行型和逐次比较型之间，它的速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。大多数采用两次比较得到转换，所以又称为Half flash（半快速）型。当然还有分为三步或者多步实现转换的，这种叫做分级型A/D转换器，显然，级数越多，速度也就越慢。

4）. Σ-Δ(Sigma-delta)调制型A/D转化器

Σ-Δ(Sigma-delta)调制型A/D转化器是由Σ-Δ调制器和数字滤波器组成。调制器包括一个积分器和比较器,以及含有一个1位D/A转换器的反馈环,具有噪声整形功能,将量化噪声从基带内搬移到基带外的更高频段,从而提高了信噪比。经调制器输出的是1位的高速数字流,包含大量高频噪声,因此需要数字滤波器,滤除高频噪声,降低抽样频率。Σ-Δ(Sigma-delta)调制型A/D转化器是目前精度最高的A/D转换器，此外,它还具有极其优越的线性度、无需微调,以及更低的防混淆等优点。主要用于音频和测量。

6.A/D转换技术的发展趋势

现如今，数字处理系统正在高速地发展。为了达到数字系统发展的要求，对A/D转换器性能的要求也越来越高，大体来说，将主要向以下三个方向发展：高转换速度：随着数字系统的数据处理速度不断加快，人们要求数据获取的速度也要随之不断地提高，因此，A/D转换器向着超高速方向发展是显而易见的。高精度：在现在的测量领域，对精度的要求越来越高，所以仪表的分辨率也必须越来越高，其核心也就是A/D转换器的分辨率得越来越高，也就是说A/D转换器分辨率的不断提高将是一个必然趋势。低功耗：从大势来说，全球都在宣传充分利用资源，从小势来说，现在的大的集成电路系统复杂，要求每个小元件功耗都尽量的低，所以低功耗也是A/D转换技术的一个发展技术。