模拟数字转换技术教材.pdf

模拟数字转换技术 模数转换是将模拟输入信号转换为 N 位二进制数字输出信号的技术。采用 数字信号处理能够方便实现各种先进的自适应算法，完成模拟电路无法实现的功 能，因此，越来越多的模拟信号处理正在被数字技术所取代。与之相应的是，作 为模拟系统和数字系统之间桥梁的模数转换的应用日趋广泛。 目前，模数转换器(ADC)的发展方向：低功耗，高速，高分辨率 一 模数转换技术 模数转换(A/D 转换)的作用是将时间连续、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，因此，模数转换包括采样、保持、量化和编程四 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的。 1. 采样（取样）和保持 取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。取样过程示意 图如图 1 所示。图（a ）为取样电路结构，其中，传输门受取样信号 S(t)控制， 在 S(t)的脉宽 τ期间，传输门导通，输出信号 v (t)为输入信号 v ，而在（T -τ） O 1 s 期间，传输门关闭，输出信号 v (t)=0。电路中各信号波形如图（b）所示。 O 图 1(a) 取样电路结构 通过分析可以看到，取样信号 S(t)的频率愈高，所取得信号经低通滤波器后 愈能真实地复现输入信号。但带来的问题是数据量增大，为保证有合适的取样频 率，它必须满足取样定理。 取样定理：设取样信号 S(t)的频率为 f ，输入模拟信号 v (t)的最高频率分量 s 1 的频率为 f ，则 f 与 f 必须满足下面的关系 f ≥2f ，工程上一般取 f (3～ imax s imax s imax s 5)fimax 。 图 1(b) 取样电路中的信号波形 将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，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 理图及输出波形如图 2 所示。 图2(a) 取样-保持电路原理图 电路由输入放大器A 、输出放大器A 、保持电容 C 和开关驱动电路组成。 1 2 H 电路中要求A 1 具有很高的输入阻抗，以减少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 AV1 ·AV2=1。 图2(b) 取样-保持电路波形图 现结合图 2(a)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A ·A =1，因此 v =v ，在 t ～t 时间间隔内是取样阶段。 V1 V2 0 I 0 1 在 t=t1 时刻 S 断开。若 A2 的输入阻抗为无穷大、S 为理想开关，这样可认为电 容 CH 没有放电回路，其两端电压保持为 v0 不变，图 2(b) 中 t1 到 t2 的平坦段，就 是保持阶段。 2. 量化与编码 数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个 数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。为将模拟信号转换为数 字量，在 A/D 转换过程中，还必须将取样-保持电路的输出电压，按某种近似方 式归化到相应