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3.9.1 A/D转换器的分类及介绍
常用的A/D转换器有积分型、逐次逼近型、并联比较型/串并联型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型和压频转换型等。
一体式（例）
积分A/D的工作原理是将输入电压转换为时间（脉宽信号）或频率（脉冲频率），然后从定时器/计数器中获取数字值。 优点是分辨率高，但缺点是转换率低，因为转换精度取决于积分时间。 连续比较型（如）
顺序比较A/D由比较器和DA转换器通过顺序比较逻辑组成。 从MSB开始，它依次将输入电压与内置DA转换器的输出进行每一位比较，并在n次比较后输出数字值。 。 优点是速度更快、功耗低、低分辨率（12 位）时价格较高。 并行比较型/串行并行比较型（如）
并行比较型A/D使用多个比较器仅执行一次转换，也称为FLash（快速）型。 由于转换率极高，n位转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也很大，价格也很高。 适用于视频A/D转换器等特别高速的领域。
串并比较A/D转换器的结构介于并行型和顺序比较型之间。 最典型的是由两个n/2位并行A/D转换器结合一个DA转换器组成，使用两次比较进行转换，因此称为Half flash（半快）型。 也有通过三个或三个以上步骤实现A/D转换的称为分层(/)型A/D，从转换时序来看，也可称为流水线()型A/D。 现代分层A/D转换器还添加了对多个转换结果执行数值运算以校正特性等功能。 这种类型的 A/D 比顺序比较型更快，并且比并行型具有更小的电路规模。 Σ-Δ调制型（如A/D7705）
Σ-Δ A/D 由积分器、比较器、1 位 DA 转换器和数字滤波器组成。 原理上与积分式类似，将输入电压转换为时间（脉宽）信号，经过数字滤波器处理后得到数字值。 因此具有高分辨率，主要用于音频和测量。电容器阵列顺序比较型
电容阵列顺序比较型A/D在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。 一般电阻阵列DA转换器中大多数电阻的值必须一致，并且在单芯片上生成高精度电阻并不容易。 如果使用电容器阵列代替电阻阵列，可以以低成本制造高精度单片A/D转换器。 最新的逐次比较A/D转换器大多是电容器阵列型。 压频转换型（如AD650）
压频转换型（-）通过间接转换实现模数转换。 其原理是首先将输入的模拟信号转换为频率，然后使用计数器将频率转换为数字量。 理论上，只要采样时间能够满足输出频率分辨率所需的累积脉冲数的宽度，该A/D的分辨率几乎可以无限提高。 优点是分辨率高、功耗低、价格低，但需要外部计数电路来完成A/D转换。 3.9.2. A/D转换器分辨率主要技术指标（）
指数字量变化最小量时模拟信号的变化量，定义为满量程与2n的比值。 分辨率，也称为精度，通常用数字信号中的位数来表示。 转化率（Rate）
它是指完成一次从模拟到数字的A/D转换所需时间的倒数。 积分型A/D的转换时间为毫秒级，属于低速A/D，顺序比较型A/D的转换时间为微秒级，属于中速A/D，全并行型A/D的转换时间为微秒级，属于中速A/D。 /串并A/D可以达到纳秒级。 采样时间是另一个概念，指的是两次转换之间的时间间隔。 为了保证转换正确完成，采样率（Rate）必须小于或等于转换率。 因此，有些人可以接受将转换率在数字上等同于采样率。 常用的单位是ksps和Msps，意思是每秒千/百万个样本（kilo/per）。 量化误差（Error）
由A/D的有限分辨率引起的误差，即有限分辨率A/D的阶梯式传输特性曲线与无限分辨率A/D的传输特性曲线（直线）之间的最大差值/D（理想A/D）偏差。 通常是最小数字量的模拟变化量的1或一半，表示为1LSB、1/2LSB。 偏移误差（Error）
当输入信号为零时，输出信号不为零，可通过外部电位器调节至最小值。 满量程误差
满量程输出时相应输入信号与理想输入信号值之间的差异。 线性度()
实际转换器的传递函数与理想直线之间的最大偏差不包括上述三个误差。
其他指标包括：绝对精度（ ）、相对精度（ ）、微分非线性、单调性和无误码、总谐波失真（Total缩写THD）和积分非线性。
不同类型的ADC转换器在结构、转换原理和性能指标上存在很大差异。 表3.9.1列出了常用类型模数转换器的主要特点和应用范围。
3.9.3 A/D转换器及其相应接口电路的选择原则 A/D转换器的选择依据
模数转换器的选择原则主要考虑以下几点：
(1) A/D转换器用于什么系统，输出数据位数，系统的精度和线性度；
（2）输入模拟信号的类型，包括模拟输入信号的范围、极性（单极性、双极性）、信号驱动能力、信号变化速度；
(3)后续电路对A/D转换器输出数字逻辑电平、输出方式(并行、串行或字传递)、是否需要数据锁存、与什么样的CPU接口或数字电路接口的要求(三状态门逻辑（TTL或CMOS）、驱动电路；
(4)系统是工作在动态条件还是静态条件、带宽要求、A/D转换器所需的转换时间、采样率、是高速应用还是低速应用等；
(5) 参考电压源的来源。 参考电压源的幅值、极性和稳定性，电压是固定的还是可调的，是外部提供的还是A/D转换芯片内部提供的等；
(6)成本、芯片来源等因素。与A/D转换器配合使用的其他芯片的选择依据
为了配合A/D转换器的使用，一般需要在A/D转换器周围添加一些其他芯片，如多通道模拟开关电路、采样/保持器、运算放大器等。
(1)多路模拟开关
多路模拟开关有几种类型：三之一、四之一、八之一、十六之一等，如、、、等，选择原则主要是根据模拟信号的数量通道数、模拟信号的大小以及开关本身的导通电阻的大小。
(2) 样品/支架
采样/保持器件是指在输入逻辑电平控制下处于“采样”或“保持”两种工作状态的电路。 在“采样”状态下，电路的输出跟踪输入信号。 在“保持”状态下，电路的输出保持上一次采样结束时的瞬时输入模拟信号，直到下一次采样状态结束，这有利于A/D转换器对模拟信号进行量化。 常见的采样/保持器件包括以下几种： 通用芯片：如AD582、LF398； 高速芯片：如HTS-0025、THS-0060等； 高分辨率芯片：如AD389。 采样保持电路中的采样保持电容应选用优质聚苯乙烯或聚四氟乙烯电容。 制作电路板时，应靠近采样/保持集成电路放置，并保持电路板清洁。 3.9.4 常用AD转换器
有许多产品集成了单片 A/D 转换器。 以下是一些有代表性的 A/D 转换器。
（一）主要技术特点
一颗8位A/D转换器和8路模拟采样开关集成在一块芯片上，可直接输入8路单端模拟信号。 该装置的主要性能如下：
○1 采用单+5V电源，逐次逼近A/D转换，工作时钟典型值为，转换时间约为100μs。
○2分辨率为8位二进制码，总偏移误差为±1LSB。
○3 模拟量输入电平范围为0~5V，无需调零、满量程。
○4 具有8路控制开关，可直接访问8个单端模拟量。
○5 数字量输出采用三态逻辑，输出符合TTL电平。
○6 易于与各种微处理器连接，也可独立工作。
AD650
（一）主要技术特点
AD650是一款高性能单片集成电路芯片，既可以执行电压/频率转换（VFC），也可以执行频率/电压转换（FVC）。 AD650的最大满量程频率为1MHz，可用于低成本、高分辨率的模数或数模转换器； 在满量程频率为 10KHz 时，非线性误差为 0.005%。 相当于14位ADC的线性误差。
AD650有多种后缀来区分封装形式、工作温度范围和线性误差。 后缀为 JN、KN 的为 14 引脚双列直插塑料封装，后缀为 JP、KP 的为 20 引脚 PLCC 塑料封装。 以上四种类型的工作温度范围为070℃； 后缀是 AD 和 BD。 SD 和 SD 为 14 引脚双列直插陶瓷封装。 AD和BD的工作温度范围为-2585℃，SD扩展为-55~125℃。 后缀为JN，JP和AD的线性误差比其他的稍大。
(2) AD650的内部结构及引脚功能
AD650的内部结构及引脚排列如图3.9.3所示。 AD650的模拟输入部分是差分输入运算放大器，通过改变外部元件的连接方式，可以方便地连接到单极性正电压输入、单极性负电压输入或双极性电压输入的各种模拟输入方式； 并且可以实现电压输入和电流输入； 输入失调和满量程误差可以通过外部元件进行调整。 AD650的输出部分采用集电极开路输出方式，可以方便地与TTL、CMOS数字电路接口。
3.9.5 A/D接口电路及程序设计
1.A/D接口电路设计
合理选择ADC芯片后，还必须正确设计ADC的外围电路，通常包括模拟电路、数字接口电路、电源电路等。
(1)模拟电路
1个放大电路
除少数带有模拟放大电路的ADC外，大多数ADC的模拟输入电压范围在1～10V之间。 大多数模数转换系统的模拟输入信号都很小，通常需要使用模拟放大器。 模拟放大器一般采用集成运算放大器，也可采用仪表放大器和隔离放大器。
选择模拟放大器时，主要考虑放大器的带宽和精度。 所选运算放大器的带宽和精度应优于所选ADC。
模拟放大器除了放大模拟输入信号外，还具有改变阻抗的作用。 有些ADC的模拟输入电阻比较小，而模拟信号源的内阻往往比较大，因此需要选择输入阻抗高、输出电阻低的放大器。 如果需要，可以添加电压跟随器以增加输入阻抗。
2 个样品架
大多数 ADC 要求输入电压在转换期间保持稳定。 对于那些自己没有采样和保持的ADC，有必要在模拟输入之前添加采样和保持。 在选择保持器时，要特别注意捕获时间和自顶向下速率两个参数，这将直接影响模数转换系统的整体性能。
模数转换系统要进行有效的转换，需要经过采样和转换两个阶段。 模拟输入电压的采样由采样保持器件完成。 捕获时间是指采样阶段所需的最短时间。 因此，有效转换时间是采样和保持的捕获时间与模数转换时间之和。 对于高速ADC，应特别注意选择捕获时间较小的采样保持器件，否则会影响实际有效转换率。
当ADC进行转换时，采样保持期进入采样保持阶段。 采样保持装置依靠电容器来维持模拟电压。 由于电容和采样开关的漏电流以及保持器输入偏置电流的影响，维持的模拟电压会随着时间的推移而减小（或增大），其减小的速率就是采样率。 保持器的提升率。 当自顶向下速率过大时，直接影响最终的转换精度。
捕获时间和自顶向下速率除了与采样保持器件有关外，还与外部保持电容的容量有直接关系。 当保持电容增大时，将有助于降低自顶向下速率，但捕获时间会增加。
对于模拟输入电压变化缓慢的系统，可以不使用采样保持器件。 原则上，当 ADC 转换期间模拟输入电压变化不超过 ±1/2LSB 时，无需使用采样保持。 例如，当模拟输入电压为幅值为1V、频率为1Hz的正弦波电压时。 如果所使用的ADC分辨率为12位，输入电压范围为±5V，转换时间为100μs，则转换过程中模拟电压的最大变化为0.63mV，相当于1/4LSB，因此可以省略采样和保持装置。
3 多路开关
模拟多路复用器是数据采集系统的主要外围电路之一。 在设计具体电路时，需要注意的是，有些ADC的模拟输入电阻较小，如输入电阻仅为5KΩ，而模拟多路开关并不是理想的开关，其导通电阻较大，一般是几十到几百。 欧姆，这会严重影响整个系统的精度，不容忽视。 在这种情况下，必须在模拟多路复用器和模数转换器之间添加具有高输入阻抗的电压跟随器。 还需要注意的是，模拟多通道开关关断时的漏电流也很大，所有关断通道的漏电流都是并联的。 当模拟通道数量较多时，并联漏电流不可忽略。 应使用这种分层模拟开关。
在多通道数据采集系统中，当通道（多路开关）切换时，模拟电压会发生阶跃变化。 在样品架进入采样阶段之前，您应该等待阶跃变化稳定。
分层流水线结构的ADC和Σ-Δ型ADC的数据输出是滞后的。 因此，除了转换器外围电路所需的稳定时间外，还必须充分考虑ADC对多通道开关阶跃变化所需的响应时间。 当使用Σ-Δ ADC 时，这个问题尤其明显。 在单通道转换系统中，Σ-Δ ADC的采样频率可以高达数十KHz，但在多通道转换系统中，其有效采样频率可能只有几Hz。
(2)数字外围电路
模数转换器的数字电路部分与单片机连接，数据线可分为并行接口形式和串行接口形式。
1个并行接口
大多数模数转换器的数据输出都具有并行接口，可以方便地连接到微控制器的数据总线上，数据传输速度快。 ADC的数据总线宽度多为8位和16位。 许多10位到16位ADC可以通过16位接口直接连接到16位微控制器，也可以通过8位接口连接到8位微控制器。 控制器以两个字节连接和传输，即高8位和低8位。
并行接口除了并行数据线外，还需要多条控制信号线和状态信号线，如开始转换信号线、转换结束信号线、读信号线、写信号线、片选信号线等。芯片不同，所以在设计接口电路时，必须仔细阅读各个信号的定义和时序以及具体芯片型号所用单片机的总线时序，设计出符合时序要求的接口电路。
2个串行接口
串行接口只需要一根双向数据线，或者两根数据传输方向相反的数据线，以及很少的控制线。 这样可以大大减少芯片的引脚数量，使芯片封装小型化，并进一步简化整机的布线。 大多数微控制器都具有串行接口，这给具有串行数据输出的ADC的使用带来了很大的方便。 由于数据传输是串行方式进行的，因此数据传输速率较低。 但随着芯片工作频率的提高，串行传输速率得到了很大的提高。 常见的串行接口有以下几种：
A。 通用异步接收器/发送器 UART (/)
b. 串行外设接口 SPI ( )
C。 I2C 总线（IC 间总线）
(3)电源及接地
模数转换器是混合模拟和数字信号的电路。 模拟信号部分是精密信号处理部分。 例如，分辨率为12位、量程为5V的ADC对应的1LSB模拟电压为1.22mV。 数字信号部分与系统的其他逻辑电路连接，以脉冲信号工作。 信号幅度大，频谱宽。 它是模拟信号的重要干扰源。 地噪声高达数十mV甚至数百mV。 如果接地不当、接线不良，数字噪声会严重影响模拟信号部分的精度或产生乱码（即模拟输入电压不变，但数字输出低值随机跳变）。 因此，高分辨率或高速模数转换系统必须特别注意印刷电路板的布线（特别是地线）和电源的去耦。
不良接地线连接方法如图3.9.5所示。 图中地线上的电感和电阻是印制电路上的地线分布电感和分布电阻。 电路中数字地线电流产生的地线噪声会严重干扰模拟电路，因此是一种较差的接地方法。
改进的接地方法，如图3.9.6电路所示，采取了以下措施，有助于减少地线噪声的干扰。
① 将模拟地和数字地分开，建立模拟参考点，将所有模拟部分的地连接到该参考点。 实际布线中要达到理想的接地点是非常困难的，但应尽量合理布局，尽可能缩短地线长度，增大地线截面。
②大多数模数转换器都有两个接地端子。 一种是模拟地（AGND），应该连接到模拟参考点，或者它本身可以作为模拟参考点。 另一种是数字地（DGND），应连接数字电路和数字电源地。 AGND 和 DGND 之间应该只有一个连接，通常靠近 ADC 引脚连接。
③许多模数转换器需要多种电源电压。 一般来说，数字部分采用+5V，模拟部分采用±15V。 这两组电源应分别连接到数字地和模拟地。 并且需要注意的是，这两组电源的变压器绕组之间应有良好的绝缘和良好的静电隔离。
④模数转换电源应加去耦电容，且去耦电容尽量靠近ADC电源端。 电容的大小一般可以采用110μF钽电容和0.010.1μF高频陶瓷电容并联。
⑤ 需要注意的是，数字电路中的高频信号电路（如微处理器）和大电流电路（如继电器或LED驱动电路）属于高噪声电路，而模拟转换接口中的数字信号则属于低噪声电路电路。 两个数字接地都应该有自己的数字参考点，彼此之间只有一个连接点。
上面给出了连接地线时需要考虑的问题。 在实际系统中，电路差异很大。 具体芯片的性能和引脚排列差异很大，很难采用一成不变的模式。 一些ADC芯片说明书提供了芯片电源和地连接形式的提示。 读者应注意这一点。 这往往是系统实现预定指标的关键。 高速ADC对电路的分布电容、分布电感、分布电阻特别敏感。 它不仅需要电源和接地，还需要信号布线方法。 因此，一些高速ADC手册还提供了芯片评估板的印刷。 电路布局图，对读者来说是一个很好的设计参考。
(4)信号隔离
合理的布线和接地可以有效抑制噪声干扰，但由于模拟信号和数字信号仍然有共同的位置，因此有时很难完全抑制数字噪声对模拟电路的影响。 另一方面，在某些情况下，例如数据采集系统，模拟信号来自工业现场，距离上位机较远。 因此，模拟信号传输线路容易受到现场干扰，包括峰值干扰。 这些干扰虽然对低频模拟信号影响不大，也不大，但对数字电路尤其是微机系统危害极大，可能会导致系统运行错误。 另外，模拟信号线比其他部位更容易发生现场短路、接地、漏电等情况。 一旦发生这样的事件，也会对数字系统造成损害。
采取隔离措施可以进一步抑制干扰，提高系统的可靠性。 应用最广泛的隔离元件是光电耦合。 根据隔离位置的不同，有两种隔离方法。 一种方法是隔离模拟信号端，如图3.9.7所示。 该方法电路结构简单，使用元件较少，但需要注意的是必须使用线性光耦合器。 从目前的光耦合器来看，可供选择的线性耦合器品种较少，线性度和温度稳定性仍不理想。 因此增加了模拟路径的误差，降低了系统转换精度。 隔离放大器（如AD210等）可用于精密模数转换系统，但精密隔离放大器大多采用变压器隔离，其频响特性不如光耦。
另一种隔离方法是隔离数字信号端，如图3.9.8所示。 光耦这种隔离方式的特点对模拟信号的精度没有影响。 缺点是数字信号端有大量的数据线和控制线，且每条都需要一个光耦，所以使用的元件数量较多。 在串行接口的模数转换系统中，可以大大减少隔离元件的数量。 VFC型ADC输出脉冲信号，几乎不需要控制线，因此只需要一个隔离元件。 还需要注意的是，由于数字信号的工作频率较高，必须采用高速光耦合器或加速措施。 即便如此，在微处理器系统中，常常需要插入等待周期或增加信号锁存器以进行协调。 光耦造成的延迟时间增加了数字电路接口电路的复杂性，降低了系统响应速度。 实际应用系统的技术要求各不相同。 使用什么类型的ADC、是否需要隔离措施以及采用什么隔离方式需要根据实际情况来确定。
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