模擬數字轉換分類及發展趨勢

摘要：二十世紀中后期以來，集成電路等迅速發展，計算機在各領域都有了極其廣泛的應用，在此條件下，利用計算機系統來處理模擬信號的要求越來越強烈。我們在實際工作中，遇到的是大量的連續變化的模擬信號，即可連續變化的物理量，如溫度、流量、速度等，而如何將模擬信號轉化為數字信號就變成了一個重要的問題。本文將以模擬、數字轉換為研究對象，分析其主要原理、分類以及在當今科技中的發展趨勢。

關鍵詞：模數轉換器 電子技術 自動控制 新材料

中圖分類號：TN9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)10(b)-0000-00

當前，模擬-數字轉換在各個領域都有十分討論廣泛的用途，ADC，Analog-to-Digital Converter的縮寫，指模/數轉換器或者模擬/數字轉換器。真實世界的模擬信號，例如溫度、壓力、聲音或者圖像等，需要轉換成更容易儲存、處理和發射的數字形式。通常分四個步驟進行，取樣、保持、量化和編碼。前兩個步驟合在一起在模擬-數字轉化電路內完成。模擬信號是一個隨時間連續變化的電信號，它代表一個連續變化的物理量。要使這個信號所有瞬間的電平都變為數字信號是辦不到的，只能將模擬信號每隔一定時間抽出一次樣值，這種做法叫取樣。把連續的模擬值用有限個數的代表值表示，這一過程稱為量化。編碼就是將量化的模擬信號電平變換成與之對應的代碼。常用的代碼為二進制碼，只有高低兩個電平，抗干擾能力強。

1 摸數轉換器的主要類型和工作原理

模數轉換器的主要任務是將模擬信號轉化為與之對應的數字信號。目前，過程控制及信息處理工程上應用的方案很多，主要有串聯型模數轉換器、并聯型模數轉換器、串并聯型模數轉換器、逐位逼近型模數轉換器等。

1.1 串聯型模數轉換器

串聯型模數轉換器的原理是，按照最高碼位到最低碼位的順序逐位編碼，模擬信號經取樣后送入第一電位比較器和第一相減器。在第一電位大于參考電平時，第一比較器就輸出最高位碼為“1”；若輸入幅度小于參考電平，則第一個比較器輸出最高位碼為“0”，以此類推。串聯型模數轉換器的主要缺點是邏輯操作次數多，如形成一個8比特字需經8次電平比較，故要求電路動作速度快。

1.2 并聯型模數轉換器

并聯型模數轉換器由三個比較器、三個“異或”門和兩個“或”門組成。經取樣的模擬信號同時由一個基準電壓分壓、并與代表各個量化電平的參考電平比較，然后根據比較器的輸出，同時形成與之相對應的數字信號的每一位碼。并聯型模數轉換器設備龐大，但由于它是一次形成，故具有高速的優點，由于比較器的響應速度有差異，一般都要在比較器之后加緩沖存儲器。它的精度主要取決于電阻網絡，因此對電阻網絡的精度要求很高，同時阻值要小一些，以減小比較器輸入電阻變化的影響。

1.3 串并型模數轉換器

串并型模數轉換器的工作原理是經取樣的模擬信號電平，首先由4比特并聯模數轉換器變成并聯的4比特數碼信號，形成8比特中的高位4比特碼輸出，而后，將上位4比特通過數模轉換器恢復成與之相對應的模擬信號，進而送入相減器，由原取樣的模擬信號以取得高位4比特碼變化過程中的量化誤差。最后將此量化誤差由4比特并取模數轉換器轉化形成低位4比特碼輸出。串并型模數轉換器既保持了并聯模數轉換器動作快的優點，又不象單純并聯時需要很多的比較器，因此設備大為簡化，目前這種形式是模擬信號數字化的主要形式之一。它的缺點是對穩定度要求高，當兩個模數轉換器性能不穩定或有差異時，會在高比特和低比特之間產生較大的誤差。

1.4 逐位逼近型模數轉換器

逐位逼近型模數轉換器常用于電視信號的模數轉換設備中，它由存儲器、數模轉換器、逐位邏輯電路和一個電平比較器組成。它的基本工作原理是利用數模轉換器將上一位的數字信號經數模轉換后反饋到比較器的輸入端，由輸入原模擬信號的取樣與反饋信號進行比較，根據它們的差值來決定下位碼。這樣由最高位到最低位按順序重復操作，一位一位形成數碼，直到最后一位數碼。逐位逼近型模數轉換的優點是系統的精度只決定于數模轉換部分。由于數模轉換器的精度很容易做得高，所以它的精度比較高，而且穩定性也好。但是為了在一個取樣周期內完成全部動作，就要求電路的動作速度快，或者設法降低取樣頻率。

2 模數轉換器的發展趨勢

傳統方式的模數轉換器，例如串聯型、并聯型、逐步逼近型等，主要應用于中速或較低速、中等精度的數據采集和智能儀器中。

在全并行基礎上發展起來的分級型和流水線型模數轉換器主要應用于高速情況下的瞬態信號處理、快速波形存儲與記錄、高速數據采集、視頻信號量化及高速數字通訊技術等領域。在國外，新型模數轉換的就用越來越廣泛，在航天領域及軍事領域，由于實時、高速轉換，對模數轉換器提出了更高的要求。大型計算機的應用為這種要求提供了物理意義上的保證。

新型材料的研究日新月異，超大規模集成電路的使用，使計算機的運算速度飛速提高，大型CPU的使用也在不斷被新的記錄刷新。微電子技術也快速發展，有了這些技術作為基礎，模數轉換器也有了進一步發展的物質基礎。在不久的將來，摸數轉換器的功能將大大加強，以導彈的制導為例，如果模數轉換器的轉換速度大大提高的話，精確制導的準確性能將大大提高。產生的在時間上和位置上的誤差也將趨近于零。

近年來，物聯網技術迅速崛起，并正在以一日千里的發展勢力，快速發展。整個地球將在掌中，而支撐起物聯網發展的主要技術之一就是模數轉換器，我們可以說，模數轉換技術的發展速度與方向將左右物聯網技術的發展，并為其提供快速發展的引擎。模數轉換技術的未來幾年的發展方向就是與新材料技術、超級計算機技術的結合，實現實時轉化、在穩定性和可靠性方面也要有極大的進步、在體積上要實現微型化、集成化。我們可以預測，隨著模數轉換技術的迅猛發展，我們的周圍將發生翻天復地的變化。

3 結語

在實際電路的選拔中，如何選擇模數轉換器要考慮很多方面，不僅要結合每種轉換器的適用范圍，還要考慮各自的優點和缺點。在過程控制及信息處理中遇到的變量，如聲音、圖像亮點的亮度、雷達的回波等，這些模擬量的特點各有不同，所要求的精度也不一樣，在選擇模數轉換器時也各有不同的側重點。準確、完速地將這些信號轉換為數字信號，同時也要注意方案設計時的成本和性價比。必要時可以用數學中的統籌法來進行運算。

參考文獻

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