A/D转换器基本工作原理解析

A／D转换器是将模拟电压信号转换成相应的二进制数码。由于输入的模拟信号是一种幅度和时间都是连续变化的信号，而输出的数字信号是一种幅度和时间均为离散的信号。所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间（时间轴上的一些规定点）对输入的模拟信号进行取样，然后再将这些取样值转换为输出的数字量。因此，一般A／D转换过程是通过取样、保持、量化、编码这四个步骤完成的。

1.取样

取样就是将一个时间上连续变化的模拟信号转换为时间上离散变化的信号。即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量的幅度。图9－6所示为取样的工作过程。

图9－6　取样的工作过程

在图9－6中，u i（t）为输入模拟信号，S（t）为取样脉冲，u o（t）为取样输出信号。在取样脉冲作用期τ内，取样器内部开关接通，使输出u o（t）＝u i（t），在其他时间内，输出u o（t）＝0。因此，每经过一个取样周期T S，对输入信号取样一次，在输出端得到输入信号的一个取样值。为了不失真地恢复原来的输入信号，根据取样原理，一个频率有限的模拟信号，其取样频率f s＝1／T S必须大于等于输入模拟信号频率中的最高频率f max的两倍，即取样频率必须满足

式（9－5）给定了最低的取样频率，实际使用的频率一般为输入模拟信号最高频率的2.5～3.0倍。

2.保持(www.xing528.com)

模拟信号经取样后，得到一系列样值脉冲。取样脉冲宽度τ一般是极短暂的，而要将每一个取样的窄脉冲信号数字化，应在下一个取样脉冲到来之前暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便A／D转换器有足够的时间进行转换。将每次取样的模拟信号存储到下一个取样脉冲到来之前的过程，称为保持。

图9－7（a）所示为一种常见的取样保持电路，场效应管VT为取样门，电容C为保持电路。在取样脉冲S（t）到来的时间τ内，场效应管VT导通，输入模拟量u i（t）向电容C充电。假定充电时间常数远小于τ，那么电容C上的充电电压能及时跟上u i（t）的取样值。取样结束后，场效应管VT迅速截止，电容C上的充电电压就保持了前一取样时间内的输入u i（t）的值，一直保持到下一个取样脉冲到来为止。当下一个取样脉冲到来，电容C上的电压又按该时刻的输入u i（t）变化。在输入一连串取样脉冲序列后，取样保持电路的缓冲放大器输出电压u o（t）的波形如图9－7（b）所示。

3.量化与编码

输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波。阶梯波的幅度是任意的，有无限多个数值，仍然是一个可以连续取值的模拟量。因此，要实现幅度数字化，还必须将取样后的样值电平归化到一个与之接近的离散电平（量化电平）上，这个过程称为量化。量化后，需用二进制数码来表示各个量化电平，这个过程称为编码。量化与编码电路是A／D转换器的核心组成部分。

图9－7　取样保持电路

（a）电路；（b）波形

根据量化和编码方式的不同，A／D转换器可以分为直接A／D转换器和间接A／D转换器两大类。在直接A／D转换器中，输入的模拟信号直接被转化成相应的数字信号，如逐次逼近型ADC、并行比较型ADC等。而在间接A／D转换器中，输入模拟信号先被转化成某种中间变量（如时间t、频率f等），然后再将中间变量转换为最后的数字量，如双积分型ADC等。