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为将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现。 一、A/D转换的一般工作过程 1.取样与保持 取样是将随时间连续变化的模拟量转化为时间离散的模拟量。取样过程示意图如图7.16所示。图a中，传输门受取样信号  控制，在  的脉宽t期间，传输门导通，输出信号  为输入信号  ，而在  期间,输出信号  。电路中各信号波形如图b所示。 图7.16取样过程 通过分析可以看出，取样信号 将取样电路每次得到的模拟信号转换为数字信号都需要一定的时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。 取样与保持过程往往是通过取样—保持电路同时完成的。取样—保持电路的原理图及其输出波形如图7.17所示。   (a)原理图 (b)波形图 图7.17 取样－保持电路 电路由输入放大器A1、输出放大器A2、保持电容CH和开关驱动电路组成。电路图中要求A1具有很高的输入阻抗，以减小对输入信号源的影响。为使保持阶段CH上所存电荷不易泄放，A2也应具有较高输入阻抗，A2还应具有较低的输出阻抗，这样可以提高电路的带负载能力。一般还要求电路中  。 结合图7.17来分析取样—保持电路的工作原理。在t=t0时，开关S闭合，电容被迅速充电，由于 ，因此 ，在 时间间隔内是取样阶段。当t=t1时刻S断开。若A2的输入阻抗为无穷大、S为理想开关，这样就可认为电容CH没有放电回路，其两端电压保持为 不变，图7.17b中 的平坦段即为保持阶段。 取样保持电路已有很多种型号的单片集成电路产品。如双极型工艺的有AD585、AD684；混合工艺的有AD1154、SHC76等。 2. 量化与编码 量化为数值量化的简称，就是将取样—保持电路的输出电压，按某种近似方式规划到与之相应的离散电平上的转化过程。量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。 量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用D表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。 在量化过程中，由于取样电压不一定能被D整除，所以量化前后不可避免的存在误差，此误差称之为量化误差，用e表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。 量化过程近似方式： 2 取整方式，即只舍不入量化方式 2 四舍五入量化方式 以3位A/D转换器为例，设输入信号 不难看出，四舍五入量化方式的量化误差比前者小。因为只舍不入量化方式最大量化误差| |=1LSB，而四舍五入量化方式| |=LSB/2，故大多数A/D转换器采用四舍五入量化方式。 3.A/D转换器分类 直接A/D转换器： 将模拟信号量直接转换为数字信号；具有较高的转换速度；其典型电路有并行比较型和逐次比较型 按其工作原理 间接A/D转换器： 先将模拟信号转换成某一中间电量（时间或频率），然 后再将中间电量转换为数字量输出；转换速度较慢；其 典型电路是双积分型和电压频率转换型。 单片集成并行比较器的产品很多，如AD公司的AD9012（TTL工艺，8位）、AD9002（ECL工艺，8位）、AD9020（TTL工艺，10位）等。常用集成逐次比较型A/D转换器有ADC0808/0809系列（8位）、A/D575（10位）、A/D574（12位）等。单片集成双积分式A/D转换器有ADC—EK8B（8位，二进制码）、ADC—EK10B（10位，二进制码）、MC14433等。下面将详细介绍几种A/D转换器的电路结构及工作原理。 二、 并行比较型A/D转换器 1.电路结构及原理 3位并行比较型A/D转换器原理电路如图7.18所示。它由电阻分压器、寄存器及编码器组成。图中的8个电阻将参考电压 分成8个等级，其中7个等级的电压分别作为7个比较器 的参考电压，其数值分别为 /15、3 /15、 13 /15。输入电压 ，它的大小决定各比较器的输出状态，例如，0£ < /15时， ~ 的输出状态都为0；当3 /15£ <5 /15时，比较器 ，其余各比较器的状态均为0。根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器的输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。优先编码器优先级别最高是 。 设 在并行A/D转换器中，输入电压
图7.18 3位并行比较型A/D转换器 表3. 3位并行比较型A/D转换器输入与输出关系对照表
2.并行A/D转换器特点 （1）转换速度最快。因为转换是并行的，其转换时间只受比较器、触发器和编码器电路延迟时间的限制。 （2）制成分辨率较高的集成并行A/D转换器是比较困难的。因为随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加。一个n位转换器，所用比较器的个数为 ，位数越多，电路越复杂。如8位的并行A/D转换器就需要 =225个比较器。 （3）为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以分级并行转换的方法。10位分级并行A/D转换器原理图如7.19图所示。图中输入模拟信号
图7.19 分级并行转换10位A/D转换器 一路先经第一级5位并行A/D转换进行粗转换得到输出数字量的高5位，另一路送至减法器，与高5位D/A转换得到的模拟电压相减。由于相减所得到差值电压小于1 ，为保证第二级A/D转换器的转换精度，将差值放大 =32倍，送第二级5位并行比较A/D转换器，得到低5位输出。这种方式虽然在速度上做了牺牲，却使元件数大为减少，在需要兼顾分辨率和速度的情况下常被采用。 三、逐次比较型A/D转换器 1.转换原理 逐次比较型A/D转换器是目前采用最多的一种直接A/D转换器。逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似（天平称重的过程是，从最重的砝码开始试放，与被称物体进行比较，若物体重于砝码，则该砝码保留，否则移去。再加上第二个次重砝码，由物体的重量是否大于砝码的重量决定第二个砝码是留下还是移去。照此一直加到最小一个砝码为止。将所有留下的砝码重量相加，就得物体重量）。逐次比较型A/D转换器仿照这一思路，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对应值。 n位逐次比较型A/D转换器框图如图7.20所示。它由控制逻辑电路、数据寄存器、移
7.20 逐次比较型A/D转换器框图 位寄存器、D/A转换器及电压比较器组成。 工作原理：电路由启动脉冲启动后，在第一个时钟脉冲作用下，控制电路是移位寄存器的最高位置1，其它位置0，其输出经数据寄存器将1000 0送入D/A转换器。输入电压首先与D/A转换器输出电压 （ /2）相比较，如 /2，则为0。比较结果存于数据寄存器的 位。然后在第二个CP作用下，移位寄存器的次高位置1，其它位置0。如果高位已存1，则此时 。于是， 再与 相比较，如 则次高位 ；如最高位为0，则 ， 与 比较，如 ，则 位存1，否则存0……。依次类推，逐次比较得到输出数字量。 为进一步理解逐次比较器A/D转换器的工作原理及转换过程，下面用实例加以说明。 设图7.21电路为8位A/D转换器，输入模拟量 由图7.21可见，当启动脉冲低电平到来后转换开始。在第一个CP作用下，数据寄存器 =10000000送入D/A转换器，其输出电压 第二个CP到来时，寄存器输出 =11000000， 为7.5V， 再与7.5V比较，因为 存0；输入第三个CP时， =10100000， 再与 比较，……如此重复比较下去，经8个时钟周期，转换结束。由图中 的波形可见，在逐次比较过程中，与输出数字量对应的模拟电压 逐渐逼近 值，最后得到A/D转换器转换结果 为10101111。该数字量所对应的模拟电压为6.8359375V，与实际输入的模拟电压6.84V的相对误差为0.06%.
图7.21 8位逐次比较型A/D转换器波形图 例题1、四位逐次比较型A/D转换器的逻辑电路如图7.22所示。图中5位移位寄存器可进行并入/并出或串入/串出操作，其F为并行置数端，高电平有效，S为高位串行输入。数据寄存器由D边沿触发器组成，数字量从
图7.22 4位逐次比较型A/D转换器的逻辑电路 解：电路工作过程如下：当启动脉冲上升到来后， 被清零， 置1， 的高电平开启 门，时钟CP脉冲进入移位寄存器。在第一个CP脉冲作用下，由于移位寄存器的置数使能端F已由0变成1，并行输入数据ABCDE置入， 。 的低电平使数据寄存器的最高位置1，即 =1000。D/A转换器将数字量1000转换为模拟电压 ，送入比较器C与输入模拟电压 比较，若输入电压 ，则比较器C输出 为1，否则为0。比较结果送 。 第二个CP脉冲到来后，移位寄存器的串行输入端S为高电平， 的0移至次高位 。于是数据寄存器的 由0变成1，这个正跳变作为有效触发信号加到 的CP端使 的电平得以在 保存下来。此时，由于其他触发器无跳变脉冲， 的信号对他们不起作用。 变1后建立了新的D/A转换器的数据，输入电压再与其输出电压 相比较，比较结果在第三个时钟脉冲作用下存于 。如此进行，直到 封锁，转换完毕。于是电路的输出端 得到与输入电压 成正比的数字量。 由此以上分析可见，逐次比较型A/D转换器完成一次转换的时间与其位数和时钟脉冲频率有关,位数愈少,时钟频率越高,转换所需时间越短。这种A/D转换器具有转换速度快，精度高的特点。 四、双积分式A/D转换器 双积分式A/D转换器是一种间接A/D转换器。它的基本原理是，对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行交换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。 图7.23是双积分式A/D转换器的原理电路，它由积分器（由集成运放A组成），过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时/计数器（ ）等几部分组成。
图7.23 双积分A/D转换器 积分器 是转换器的核心部分，它的输入端所接开关 过零比较器 用来确定积分器输出电压 计数器和定时器 由 个接成计数型的触发器 串联组成。触发器 组成n级计数器，对输入时钟脉冲CP记数，以便把与输入电压平均值成正比的时间间隔转变成数字信号输出。当记数到 个时钟脉冲时， 均回到0态，而 翻转为1态， 后开关 从位置A转接到B。 时钟脉冲控制门 时钟脉冲源标准周期 下面以输入正极性的直流电压 （1）准备阶段 首先控制电路提供CR信号使计数器清零，同时使开关 闭合，待积分电容放电完毕后，再使 断开。 （2）第一次积分阶段 在转换过程开始时（t=0），开关 与A端接通，正的输入电压 加到积分器的输入端。积分器从0V开始对 积分，其波形如图7.24斜线O- 段所示。根据积分器的原理可得 由于
令 （3）第二次积分阶段
vc=0，时钟脉冲控制门G被关闭，记数停止。在此阶段结束时
设 ，于是有
在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为 可见， 就是双积分A/D转换过程中的中间变量。
上式表明，在计数器中所计得的数 ，与在取样时间 内输入电压的平均值 成正比的。只要 ，转换器就能正常的将输入模拟电压转换为数字量，并能从计数器读取转换的结果。如果取 ，计数器所计的数在数值上就等于被测电压。
图7.24 双积分式A/D转换器各处的工作波形 由于双积分A/D转换器在 时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。尤其对周期等于 或几分之一 的对称干扰（所谓对称干扰是指整个周期内平均值为零的干扰），从理论上来说，有无穷大的抑制能力。即使当工频干扰幅度大于被测直流信号，使得输入信号正负变化时，仍有良好的抑制能力。由于在工业系统中经常碰到的是工频（50HZ）或工频的倍频干扰，故通常选定采样时间 总是等于工频电源周期的倍数，如20ms或40ms等。另一方面，由于在转换过程中，前后两次积分所采用的同一积分器。因此，在两次积分期间（一般在几十至数百毫秒之间），R、C和脉冲源等元器件参数的变化对转换精度的影响均可以忽略。 最后必须指出，在第二次积分阶段结束后，控制电路又使开关 五、A/D转换器的主要技术指标 A/D转换器的主要技术指标有转换精度转换速度等。选择A/D转换器时，除考虑这两项技术指标外，还应注意满足其输入电压的范围、输出数字的编码、工作温度范围和电压稳定等方面的要求。 1. 转换精度 单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。 （1）分辨率 A/D转换器的分辨率以输出二进制（或十进制）数的位数表示。它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。从理论上讲，n位输出的A/D转换器能区分 个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/ 。在最大输入电压一定时，输出位数越多，量化单位愈小，分辨率愈高。例如A/D转换器输出为8位二进制数，输出信号最大值为5V，那么这个转换器应能区分出输入信号的最小电压为19.53mV。 （2）转换误差 转换误差通常以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如，给出相对误差≤LSB/2，这就说明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差1。 2. 转换时间 转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出得到稳定的数字信号所经过的时间。A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关。不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较A/D转换器的转换速度最高，8位二进制输出的单片集成A/D转换时间可达50ns以内，逐次比较型A/D转换器次之，他们多数转换时间在10~50µs之间，也有达几百纳秒的。间接A/D转换器的速度最慢，如双积分A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间。在实际应用中应从系统数据总的位数、精度要求、输入模拟信号的范围及输入信号极性等方面综合考虑A/D转换器的作用。 例题2 某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1s内对16个热电偶输出电压分时进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为0~0.025V（对应于0~ 温度范围），需要分辨的温度为0.1 ,试问应选择多少位的A/D转换器，其转换时间为多少？ 解：对于0~450 系统的取样速率为每秒16次，取样时间为62.5ms。对于这样慢速的取样，任何一个A/D转换器都可以达到。可选用带有取样—保持（S/H）的逐次比较A/D转换器或不带S/H的双积分式A/D转换器均可。 六、集成A/D转换起及其应用 在单片集成A/D转换器中，逐次比较型使用较多，下面我们以ADC0804介绍集成A/D转换器及其应用。 1. ADC0804引脚及使用说明 ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片。分辨率8位，转换时间100µs，输入电压范围为0~5V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为 上，无须附加逻辑接口电路。ADC0804芯片外引脚图如7.25所示。引脚名称及意义如下： ：ADC0804的两模拟信号输出端，用以接受单极性、双极性和差摸输入信号。 ：A/D转换器数据输出端，该输出端具有三态特性，能与微机总线相接。 AGND：模拟信号地。 DGND：数字信号地。 CLKIN：外电路提供时钟脉冲输入端。 CLKR：内部时钟发生器外接电阻端，与CLKIN端配合可由芯片自身产生时钟脉冲，其频率为1/1.1RC。 图7.25 ADC0804引脚图 CS：片选信号输入端，低电平有效，一旦CS有效，表明A/D转换器被选中，可启动工作。WR：写信号输入，接受微机系统或其它数字系统控制芯片的启动输入端，低电平有效，当CS、WR同时为低电平时，启动转换。。 RD：读信号输入，低电平有效，当CS、RD同时为低电平时，可读取转换输出数据。 INTR：转换结束输出信号，低电平有效。输出低电平表示本次转换已完成。该信号常作为向微机系统发出的中断请求信号。 在使用时应注意以下几点： （1）转换时序 ADC0804控制信号的时序图如7.26所示，由图可见各控制信号时序关系为：当CS
图7.26 ADC0804控制信号的时序图 与WR同时为低电平A/D转换器被启动切在WR上升沿后100 （2）零点和满刻度调节。 ADC0804的零点无须调整。满刻度调整时，先给输入端加入电压 ，使满刻度所对应的电压值是 ，其中 是输入电压的最大值， 是输入电压的最小值。当输入电压与 值相当时，调整 端电压值使输出码为FEH或FFH。 （3）参考电压的调节 在使用A/D转换器时，为保证其转换精度，要求输入电压满量程使用。如输入电压动态范围较小，则可调节参考电压 （4）接地 模数、数模转换电路中要特别注意到地线的正确连接，否则干扰很严重，以至影响转换结果的准确性。A/D、D/A及取样保持芯片上都提供了独立的模拟地（AGND）和数字地（DGND）的引脚。在线路设计中，必须将所有的器件的模拟地和数字地分别连接，然后将模拟地与数字地仅在一点上相连。地线的正确连接方法如图7.27所示。
图7.27 正确的地线连接 2. ADC0804的典型应用 下面以数据采集系统为例介绍ADX0804的典型应用。 在现代过程控制及各种智能仪器和仪表中，为采集被控（被测）对象数据以达到由计算机进行实时控制、检测的目的，常用微处理器和A/D转换器组成数据采集系统。单通道微机化数据采集系统的示意图如图7.28所示。
7.28 单通道微机化数据采集系统示意图 系统由微机处理器、存储器和A/D转换器组成，它们之间通过数据总线（DBUS）和控制总线（CBUS）连接，系统信号采用总线传送方式。 现在以程序查询为例，说明ADC0804在数据采集系统中的应用。采集数据时，首先微处理器执行一条传送指令，在该指令执行过程中，微处理器在控制总线的同时产生C 低电平信号，启动A/D转换器工作，ADC0804经100 后将输入模拟信号转换为数字信号存于输出锁存器，并INTR端产生低电平表示转换结束，并通知微处理器可来取数。当微处理器通过总线查询到INTR为低电平时。立即执行输入指令，以产生CS， 低电平信号到ADC0804相应引脚，将数据取出并存入存储器中。整个数据采集过程中，由微处理器有序的执行若干指令完成。
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的频率愈高，所取得信号经低通滤波器后愈能真实的复现输入信号。合理的取样频率由取样定理（详见信号与系统教材）决定。
