在電子測量領(lǐng)域，數(shù)字電壓表的應(yīng)用十分廣泛。而其技術(shù)之一 —— 模數(shù)轉(zhuǎn)換，更是實現(xiàn)測量的關(guān)鍵。本文將詳細(xì)介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換的原理、過程以及相關(guān)典型電路，為數(shù)字電壓表的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)概念

自然界中的諸多物理量，如壓力、溫度等，均為模擬量。在對這些物理量進(jìn)行控制和檢測時，就需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）來實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換。能把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱 ADC），反之，能把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（簡稱 DAC）。

一般情況下，ADC 是將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為輸出數(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身僅表示相對大小，所以任何一個 ADC 都需要一個參考模擬量作為轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。常見的參考標(biāo)準(zhǔn)是可轉(zhuǎn)換信號大小，輸出的數(shù)字量則體現(xiàn)輸入信號相對于參考信號的大小。

AD 轉(zhuǎn)換過程

A/D 轉(zhuǎn)換器要將時間和幅值都連續(xù)的模擬量，轉(zhuǎn)換為時間、幅值都離散的數(shù)字量，通常要經(jīng)歷取樣、保持、量化、編碼這幾個步驟。

取樣（采樣）

取樣電路可將輸入模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散的模擬量。其原理是傳輸門 TG 由取樣信號 S (t) 控制，在 S (t) 高電平期間，TG 導(dǎo)通，輸出信號 vo (t) 等于輸入信號 vi (t)；在 S (t) 低電平期間，傳輸門關(guān)閉，輸出信號 vo (t)=0。

取樣信號 S (t) 的頻率越高，取得的信號經(jīng)低通濾波器后越能真實地復(fù)現(xiàn)輸入信號。取樣頻率需滿足取樣定理（即奈奎斯特采樣定理），設(shè)取樣信號 S (t) 的頻率為 fs，輸入模擬信號 vt (t) 的頻率分量的頻率為 fimax，則 fs 與 fimax 必須滿足 fs≥2fimax，一般取 fs>2fimax。

保持

一般取樣和保持過程是同時完成的。取樣和保持電路由輸入放大器 A1、輸出放大器 A2、保持電容 CH 和開關(guān)驅(qū)動電路組成，且 Av1*Av2 = 1。A1 具有較高的輸入阻抗，可減小對輸入信號源的影響；A2 選用有較高輸入阻抗和低輸出阻抗的運(yùn)放，能使 CH 上所存電荷不易泄露，同時電路具有較高的帶負(fù)載能力。

在 t0~t1 時段開關(guān) S 閉合，電路處于取樣階段，電容器 CH 充電，vo (t)=vi (t)；t1~t2 時段為保持階段，此期間 S 斷開，若 A2 的輸入阻抗足夠大，且 S 為較理想的開關(guān)，可認(rèn)為 CH 幾乎沒有放電回路，輸出電壓保持不變。

量化

量化是將取樣 - 保持電路的輸出表示為數(shù)量單位的整數(shù)倍，這個數(shù)量單位稱為量化單位，即 1LSB。由于被取樣電壓是連續(xù)的，其值不一定能被量化單位整除，所以在量化過程中會存在量化誤差，這屬于原理誤差，無法消除。A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，1LSB 所對應(yīng)的量化單位越小，量化誤差的也越小。

量化有舍尾取整法和四舍五入法兩種方法。舍尾取整法是當(dāng)輸入電壓 vi 在兩個相鄰的量化值之間時，取較小的量化值；四舍五入法是當(dāng) vi 的尾數(shù)不足 Δ/2 時，舍去尾數(shù)取整數(shù)，當(dāng) vi 的尾數(shù)大于或等于 Δ/2 時，則在原數(shù)上加一個 Δ。例如，將 0~1V 的模擬電壓轉(zhuǎn)換為 3 位二進(jìn)制碼，取 Δ = 1/8V，采用舍尾取整法，凡數(shù)值在 0~1/8V 之間的模擬量，都當(dāng)作 0Δ；采用四舍五入量化方式，取量化單位 Δ = 2/15V，凡數(shù)值在 0~1/15V 之間的模擬電壓都當(dāng)作 0Δ?？梢钥闯?，舍尾取整量化方法的量化誤差為 1LSB，而四舍五入量化方法的量化誤差為 LSB/2，因此大多數(shù) A/D 轉(zhuǎn)換器采用四舍五入量化方法。

編碼

編碼是將量化后的結(jié)果用二進(jìn)制碼或者其他代碼表示出來的過程。例如，將 0~1V 的模擬電壓轉(zhuǎn)換為 3 位二進(jìn)制碼時，0Δ 用 000 表示，1Δ 用 001 表示，以此類推。

A/D 轉(zhuǎn)換器典型電路分類

A/D 轉(zhuǎn)換器按工作原理可分為直接 A/D 轉(zhuǎn)換器和間接 A/D 轉(zhuǎn)換器。

直接 A/D 轉(zhuǎn)換器能將模擬信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換速度較快。典型電路有并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器和逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器。

間接 A/D 轉(zhuǎn)換器先將模擬信號轉(zhuǎn)換成某一中間量（時間或頻率），然后再將中間量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，速度相對較慢。典型電路有雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器和電壓頻率轉(zhuǎn)換型 A/D 轉(zhuǎn)換器。

由于 DE10 - Standard 板卡上的 LTC2308 是逐次比較型 ADC，下面將重點(diǎn)介紹這種類型。

逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器

逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器是直接 A/D 轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用較多的一種。它的轉(zhuǎn)換過程是將輸入模擬信號與不同的參考電壓多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量。

一個 8 位逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器由控制邏輯電路、數(shù)據(jù)寄存器、移位寄存器、D/A 轉(zhuǎn)換器及電壓比較器組成。假設(shè)輸入的模擬量為 3.2V，A/D 轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓是 5V，電路啟動后，個 CP 將移位寄存器置為 10000000，該數(shù)字經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器送入 D/A 轉(zhuǎn)換器。輸入模擬電壓 vi 首先與 10000000 所對應(yīng)的電壓 VREF/2 相比較，如果 vi≥VREF/2，則比較器輸出為 1；否則為 0。第二個 CP 使移位寄存器為 01000000，后續(xù)依此類推，逐次比較得到輸出數(shù)字量。

A/D 轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)

分辨率

A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率代表其對輸入信號的分辨能力。在輸入電壓一定時，輸出位數(shù)越多，量化單位越小，分辨率越高。從理論上講，n 位輸入電壓的值為滿量程輸入的 1/2n。例如 12 位 ADC，基準(zhǔn)電壓 5V，其分辨率 = 5V/4096≈1.22mV。

轉(zhuǎn)換時間

轉(zhuǎn)換時間是指 A/D 轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。

綜上所述，模數(shù)轉(zhuǎn)換在數(shù)字電壓表設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用。了解模數(shù)轉(zhuǎn)換的原理、過程和典型電路，掌握其主要指標(biāo)，對于設(shè)計出高精度、高性能的數(shù)字電壓表具有重要意義。同時，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和完善，為電子測量領(lǐng)域帶來更多的可能性。