淺析數據采集系統中典型的模數轉換原理

劉奇

摘 要：數據采集技術已廣泛應用在雷達、導彈、通信、聲吶、資源遙感、圖像、地質勘探、振動工程、無損檢測、智能儀器、多媒體、激光多普勒測速、光時域反射測量、物質光譜學與光譜測量、生物醫學工程等多個領域，隨著數據采集技術的廣泛應用，對數據采集系統的許多技術指標，如采樣率、A/D轉換器件速度、A/D轉換器的分辨率精度、抗干擾能力等方面提出了越來越高的要求。

關鍵詞：數據采集 A/D轉換器 技術指標

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（c）-0013-02

數據采集就是將被測對象（外界、現場）的各種參量（通常是物理量，也可以是化學量、生物量等），通過各種傳感元件轉換成電信號，再經采樣、量化、編碼、傳輸等步驟，最后送到控制器進行數據處理或存儲記錄的過程。

1 幾種典型的ADC

ADC種類很多，原理各不相同。該文介紹以下幾種ADC主要類型的原理和特點，以便更好地學習ADC技術。

1.1 并行比較型ADC

利用VREF和電阻分壓網絡，構造出全量程范圍內的所有量化比較電平，輸入模擬信號ui，與各個量化比較電平同時進行比較，若ui大于或小于量化比較電平，則比較器輸出1或0，比較器輸出經編碼后形成數字信號。

電阻網絡將VREF（滿量程電壓）分壓形成1/14 VREF、 3/14 VREF、5/14 VREF…13/14 VREF（如圖1）。

若：0≤ui<1/14 VREF，比較器輸出全為0，CP到來后，7個觸發器都置0。經編碼器編碼后輸出的二進制代碼d2d1d0=000。依次類推，可以列出ui為不同等級時，D觸發器的狀態以及相應的輸出二進制數。

特點：（1）直接比較、瞬時值轉換和開環電路，轉換速度最快，故稱為閃速型（Flash）ADC，但其抗干擾能力差。（2）雖然看上去電路簡單直觀，但是nbit分辨率的ADC一般需要2n-1個比較器。由于比較器是模擬器件，提高分辨率受到器件制造工藝的限制，10 bit的閃速ADC少見。

1.2 雙斜（率）積分型ADC

對輸入模擬電壓進行積分，再對與之反相的參考電壓進行積分。將電壓先轉換成與之成正比的時間間隔，再用計數器測量時間間隔，間接得到轉換結果（如圖2）。

（1）開關S2閉合，對積分電容C進行清洗；同時計數器復位，ADC輸出上一次的轉換結果。

（2）開關S2斷開，S1接ui，積分器對ui積分，積分時長固定為T。

（3）開關S1接VREF，積分器對VREF反相積分；計數器開始計數，當積分器的輸出過零點時，比較器輸出改變，計數器停止計數。此時計數器中的計數值N就是在（2）期間輸入ui的平均值ui對應的轉換結果。

特點：（1）積分器對伴隨著工頻干擾的輸入信號進行積分，積分周期為工頻干擾周期的整數倍，對于正弦函數型的工頻干擾，其積分結果為0，其對轉換結果沒有任何影響。正是由于上述特點，雙斜積分型ADC具有較高的抗干擾性能，尤其是具有極高的抗工頻干擾能力。（2）積分時長T，再加上工作原理步驟（1）和步驟（3）所需的時間，所以這種類型的ADC轉換速度較慢，每秒鐘能夠完成的轉換次數在20次以下。

1.3 逐次反饋比較型ADC

在逐次反饋比較型ADC中，用逐次逼近寄存器SAR逐次賦值，其輸出經D/A轉換后與VIN相比較，SAR順序置為1000…00B、dn-1100…00B、dn-1dn-2 10…00B，直到最后生成dn-1dn-2..d1d0，即A/D轉換結果。其中di 根據比較結果而定，若：VDAC>VIN，di=0；否則di=1。

特點：（1）SAR型ADC的轉換速率最高可超過5 Msps，分辨率為8位至18位，較好地兼顧了速度和分辨率。在對速度和分辨率均有要求的應用場合，目前仍然選擇SAR ADC。（2）SAR型ADC前面需增加采樣保持器（SH），雖然有些ADC將SH集成在一個芯片上，但是SH電路將引入額外的捕捉時間和孔徑時間等開銷。

2 結語

利用數據采集系統制造的儀器儀表已經遍及國民經濟各個部門，深入到人民生活的各個角落，但實現高速或高精度模數轉換是數據采集系統最關鍵的技術指標。目前普遍存在的模數轉換還是不能滿足日益增長的應用需求，未來模數轉換主要向高速（1 GHz以上）、高精度（24 bit）和速度與精度的折衷型等方向發展。

參考文獻

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