ADC 转换器的分类
下面简要介绍常用的几种基本原理及特点:积分型、逐次逼近型、并行比较型 / 串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型
 
(1)积分型
积分型 AD 工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率),然后由定时器 / 计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率,抗干扰能力强(为何抗干扰能力强,因为对于零点正负的白噪声,可以通过积分将其滤掉。),但缺点是由于转换精度依赖于积分时间,因此转换速率极低。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 SAR
逐次比较型 AD 由一个比较器和 DA 转换器通过逐次比较逻辑构成。从 MSB 开始,按顺序对每一位将输入电压与内置 DA 转换器输出进行比较,经 n 次比较而输出数字值。其电路规模属于中等,其优点是速度较高、功耗低,在低分辩率(12 位)时价格很高。
 
(3)并行比较型 / 串并行比较型
并行比较型 AD 采用多个比较器,仅作一次比较而实行转换,又称快速型。由于转换速率极高,n 位的转换需要 2n-1 个比较器,因此电路规模也极大,价格也高,只适用于视频 AD 转换器等速度特别高的领域。
 
串并行比较型 AD 结构上介于并行型和逐次比较型之间,最典型的是由 2 个 n/2 位的并行型 AD 转换器配合 DA 转换器组成,用两次比较实行转换,所以称为半快速型。还有分成三步或多步实现 AD 转换的叫做分级(Multistep/Subrangling)型 AD,而从转换时序角度又可称为流水线(Pipelined)型 AD,现代的分级型 AD 中还加入了对多次转换结果进行数字运算而修正特性等功能。这类 AD 的速度比逐次比较型高,电路规模比并行型小。
 
(4)Σ-Δ调制型(如 AD7705)
Σ-Δ型 AD 由积分器、比较器、1 位 DA 转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型,将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号,用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化,因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。
 
(5)电容阵列逐次比较型
电容阵列逐次比较型 AD 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。一般的电阻阵列 DA 转换器中多数电阻的值必须一致,但在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列,就可以用低廉成本制成高精度单片 AD 转换器。最近的逐次比较型 AD 转换器大多为电容阵列式的。
 
(6)压频变换型(如 AD650)
压频变换型转换器(Voltage-Frequency Converter)是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率,然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种 AD 的分辨率几乎可以无限增加,只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低,但是需要外部计数电路共同完成 AD 转换。
 
AD 转换器的主要技术指标
(1)分辩率(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 2^n 的比值。通常以数字信号的位数来表示。
 
(2)转换速率(Conversion Rate)
是指完成一次从模拟到数字的 AD 转换所需时间的倒数。积分型 AD 的转换时间是毫秒级,属低速 AD,逐次比较型 AD 是微秒级,属中速 AD,而全并行 / 串并行型 AD 可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念,是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成,采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯于让转换速率的数值等同于采样速率,这也是可以接受的。常用单位是 ksps 和 Msps,表示每秒采样千 / 百万次(kilo/Million Samples per Second)。
 
(3)量化误差(Quantizing Error)

由于 AD 的有限分辩率而引起的误差,即有限分辩率 AD 的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率 AD(理想 AD)的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差。通常是 1 个或半个最小数字量的模拟变化量,表示为 1LSB、1/2LSB。
 
(4)偏移误差(Offset Error)

输入信号为零时输出信号不为零的值,可外接电位器调至最小。
 
(5)满刻度误差(Full Scale Error)
满刻度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。
 
(6)线性度(Linearity)

实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移,不包括以上三种误差。在说精度之前,首先要说分辨率。最近已经有贴子专门讨论了这个问题,结论是分辨率决不等同于精度。比如一块精度 0.2%(或常说的准确度 0.2 级)的四位半万用表,测得 A 点电压 1.0000V,B 点电压 1.0005V,可以分辨出 B 比 A 高 0.0005V,但 A 点电压的真实值可能在 0.9980~1.0020 之间不确定。