A/D转换器（ADC）_逐次逼近式a/d转换器

1、概述

D/A转换器（Digital to Analog Converter）——能把数字量转换为模拟量的电子器件（简称为DAC）。

A/D转换器（Analog to Digital Converter）——能把模拟量转换成相应数字量的电子器件（简称为ADC）。

A/D转换器把模拟量转换成数字量，以便于单片机进行数据处理。A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。

目前单片的ADC芯片较多，对设计者来说，只需合理的选择芯片即可。现在部分的单片机片内集成了A/D转换器,仅在片内A/D转换器不能满足需要的情况下，需外扩。当然作为扩展A/D转换器的基本方法，还是应该掌握。

AD转换器的分类

尽管A/D转换器的种类很多，但目前广泛应用在单片机应用系统中的主要有逐次比较型转换器和双积分型转换器，此外S-Δ式转换器逐渐得到重视和较为广泛的应用。

逐次比较型A/D转换器，在精度、速度和价格上都适中，是最常用的A/D转换器。

双积分型A/D转换器，具有精度高、抗干扰性好、价格低廉等优点，与逐次比较型A/D转换器相比，转换速度较慢，近年来在单片机应用领域中也得到广泛应用。

S-D式ADC具有积分式与逐次比较型ADC的双重优点。它对工业现场的串模干扰具有较强的抑制能力，不亚于双积分ADC，它比双积分ADC有较高的转换速度，与逐次比较型ADC相比，有较高的信噪比，分辨率高，线性度好，不需要采样保持电路。

A/D转换器按照转换速度可大致分为超高速（转换时间≤1ns）、高速（转换时间≤1ms）、中速（转换时间≤1ms）、低速（转换时间≤1s）等几种不同转换速度的芯片。

按照输出数字量的有效位数分为4位、8位、10位、12位、14位、16位并行输出以及BCD码输出的3位半、4位半、5位半等多种。

 

目前，除并行输出A/D转换器外，随着单片机串行扩展方式的日益增多，带有同步SPI串行接口的A/D转换器的使用也逐渐增多。串行输出的A/D转换器具有占用端口线少、使用方便、接口简单等优点。较为典型的串行A/D转换器为美国TI公司的TLC549（8位）、TLC1549（10位）以及TLC1543（10位）和TLC2543（12位）。

2、ADC主要技术指标

 （1）转换时间和转换速率

A/D完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。

 （2）分辨率 

分辨率是衡量A/D转换器能够分辨出输入模拟量最小变化程度的技术指标。分辨率取决于A/D转换器的位数，习惯上用输出的二进制位数或BCD码位数表示。例如，AD1674的满量程输入电压为5V，可输出12位二进制数，即用212个数进行量化，其分辨率为12位，或A/D转换器能分辨出输入电压5V/212=1.22mV的变化。

（3）量化误差

量化过程引起的误差称为量化误差。是由于有限位数字量对模拟量进行量化而引起的误差。理论上规定为一个单位分辨率的-1/2 - +1/2LSB ，提高A/D位数既可以提高分辨率，又能够减少量化误差。

（4）转换精度

转换精度定义为一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器在量化值上的差值，可用绝对误差或相对误差表示。

3、逐次逼近式ADC的工作原理

转换过程中的逐次逼近是按照对分比较或者对分搜索的原理进行。工作原理：在时钟脉冲的同步下，控制逻辑先使N位寄存器的D7位置1（其余位为０），此时该寄存器输出的内容为10000000，此值经DAC转换为模拟量输出VN ，与待转换的模拟输入信号VIN 相比较，若VIN >=VN ，则比较器输出为1。于是在时钟脉冲的同步下，保留最高位D7=1，并使下一位D6=1，所得新值（11000000B）再经DAC转换得到新的VN，与VIN比较，重复前述过程。反之，若使D7=1后，经比较VIN <=VN ，则使D7=0，D6=1，所得新值VN再与VIN比较，重复前述过程。依次类推，从D7到D0都比较完毕后，控制逻辑使EOC变为高电平，表示A/D转换结束，此时的D7～D0即为对应于模拟输入信号VIN的数字量。