模数转化器（Analog to Digital Converter，简称A/D转化器，或ADC），一般是将模仿信号转变为数字信号。作为模仿电路中重要的元器材，本文将会介绍模数转化器的原理、分类及技能目标等基础知识。
ADC的开展
跟着电子技能的迅速开展以及计算机在自动检测和自动操控体系中的广泛使用，使用数字体系处理模仿信号的状况变得愈加遍及。数字电子计算机所处理和传送的都是不接连的数字信号，而实践中遇到的大都是接连改变的模仿量，模仿量经传感器转化成电信号的模仿量后，需经模/数转化变成数字信号才可输入到数字体系中进行处理和操控，因而作为把模仿电量转化成数字量输出的接口电路-A/D转化器是实际国际中模仿信号向数字信号的桥梁，是电子技能开展的要害和瓶地点。
自电子管A/D转化器问世以来，阅历了分立半导体、集成电路数据转化器的开展进程。在集成技能中，又开展了模块、混合和单片机集成数据转化器技能。在这一进程中，工艺制作技能都得到了很大改善。单片集成电路的工艺技能首要有双极工艺、CMOS工艺以及双极和CMOS相结合的BiCMOS工艺。模块、混合和单片集成转化器齐头开展，相互发挥优势，相互补偿缺乏，开发了适用不同使用要求的A/D和D/A转化器。近年来转化器产品已达数千种。
ADC原理
D/A转化器是将输入的二进制数字量转化成模仿量，以电压或电流的办法输出。
模数转化一般要通过采样、坚持和量化、编码这几个进程。
ADC的首要类型
现在有多种类型的ADC，有传统的并行、逐次迫临型、积分型ADC，也有近年来新开展起来的∑-Δ型和流水线型ADC，多种类型的ADC各有其优缺点并能满意不同的详细使用要求。低功耗、高速、高分辩率是新式的ADC的开展方向，一起ADC的这一开展方向将习惯现代数字电子技能的开展。
并行比较ADC
并行比较ADC是如今速度最快的模/数转化器，采样速率在1GSPS以上，一般称为“闪耀式”ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成。这种结构的ADC一切位的转化一起完结，其转化时刻主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时刻推迟等。添加输出代码对转化时刻的影响较小，但跟着分辩率的进步，需求高密度的模仿规划以完结转化所必需的数量很大的精密分压电阻和比较器电路。输出数字添加一位，精密电阻数量就要添加一倍，比较器也近似添加一倍。
闪耀式ADC的分辩率受管芯尺度、过大的输入%&&&&&%、很多比较器所发生的功率耗费等约束。成果重复的并联比较器假如精度不匹配，还会形成静态差错，如会使输入失调电压增大。同，这一类型的ADC由于比较器的亚稳压、编码气泡，还会发生离散的、不准确的输出，即所谓的“火花码”。这类ADC的长处是模/数转化速度最高，缺点是分辩率不高，功耗大，本钱高。
现代开展的高速 ADC电路结构首要选用这种全并行的ADC，但由于功率和体积的约束，要制作高分辩率闪耀式ADC是不实际的。
由两个较低分辩率的闪耀式ADC构成较高分辩率的半闪耀式ADC或分级型ADC是当今国际制作高速ADC的首要办法。图2所示是一个8位的两级并行半闪耀式ADC的原理框图。其转化进程分为两步：
第一步是粗化量化。先用并行办法进行高4位的转化，作为转化后的高4位输出，一起再把数字输出进行D/A转化，康复成模仿电压。
第二步是进一步细化量化。把原输入电压与D/A 转化器输出的模仿电压相减，其差值再进行低4全的A/D转化。然后将上述两级A/D转化器的数字输出并联后作为总的输出。这样，在转化速度上作出了一点献身，但处理了分辩率进步和元件数目刷增的对立。
逐次迫临型ADC
逐次迫临型ADC是使用十分广泛的模/数转化办法，它由比较器、D/A转化器、比较寄存器SAR、时钟发生器以及操控逻辑电路组成，将采样输入信号与已知电压不断进行比较，然后转化成二进制数。
其原理图如图3所示，首先将DAC的最高有用位MSB保存到SAR，接着将该值对应的电压与输入电压进行比较。比较器输出被反应到DAC，并在一次比较前对其进行批改。在逻辑操控电路和时钟驱动下，SAR不断进行比较和移位操作，直到完结LSB的转化，此刻所发生的 DAC输出迫临输入电压的±1/2LSB。当每一位都确认后，转化成果被锁存到SAR并作为ADC输出。
积分型ADC
积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC，是使用比较广泛的一类转化器。它的基本原理是通过两次积分将输入的模仿电压转化成与其平均值成正比的时刻距离。与此一起，在此刻刻距离内使用计数器对时钟脉冲进行计数，然后完结A/D转化。其原理图如图4所示。其作业分为两个阶段，第一阶段为采样期；第二阶段为比较期。通过两次积分和计数器的计数能够得到模仿信号的数字值D=2nV1/VR，其间n为计数器的位数，V1为输入电压在固守时刻距离内的平均值。
压频变换型ADC
前面所讲到的并行比较ADC和逐次迫临型ADC均归于直接转化ADC，而积分型和下面所讲到的压频变换型ADC则归于直接ADC。压频变换型ADC是先将输入模仿信号的电压转化成频率与其成正比的脉冲信号，然后在固定的时刻距离内对此脉冲信号进行计数，计数成果即为正比于输入模仿电压信号的数字量。从理论上讲，这种ADC的分辩率能够无限添加，只需选用时刻长到满意输出频率分辩率要求的累积脉冲个数的宽度即可。其长处是：精度高、价格较低、功耗较低。缺点是：类似于积分型ADC，其转化速率受到约束，12位时为100～300SPS。
∑-Δ型ADC
与一般的ADC不同，∑-Δ型ADC不是直接依据抽样第一个样值的巨细进行量化编码，而依据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的巨细来进行量化编码。从某种意义讲，它是依据信号波形的包络线进行量化编码的。∑-Δ型ADC由两部分组成，第一部分为模仿∑-Δ调制器，第二部分为数字抽取滤波器，如图5所示。∑-Δ调制器以极高的抽样频率对输入模仿信号进行抽样，并对两个抽样之间的差值进行低位量化，然后得到用低位数码表明的数字信号即∑-Δ码；然后将这种∑-Δ码送给第二部分的数字抽取滤波器进行抽取滤波，然后得到高分辩率的线性脉冲编码调制的数字信号。因而抽取滤波器实践上相当于一个码型变换器。由于∑–△具有极高的抽样速率，一般比奈奎斯特抽样频率高出许多倍，因而∑–△转化器又称为过抽样A/D转化器。
现在，∑–△型ADC分为四类：
（1）高速类ADC；
（2）调制解调器类ADC；
（3）编码器类ADC；
（4）传感器低频丈量ADC。
其间每一类∑–△型ADC又分为许多类型，给用户带来极大便利。
流水线型（Pipeline）ADC又称为子区式ADC，它由若干级级联电路组成，每一级包含一个采样/坚持扩大器、一个低分辩率的ADC和DAC以及一个求和电路，其间求和电路还包含可提供增益的级间扩大器。快速准确的n位转化器分红两段以上的子区（流水线）来完结。
首级电路的采样/坚持器对输入信号取样后先由一个m位分辩率粗A/D转化器对输入进行量化，接着用一个至少n位精度的乘积型数模转化器（MDAC）发生一个对应于量化成果的模/拟电平并送至求和电路，求和电路从输入信号中扣除此模仿电平。并将差值准确扩大某一固定增益后关交下一级电路处理。通过各级这样的处理后，最后由一个较高精度的K位细 A/D转化器对剩余信号进行转化。将上述各级粗、细A/D的输出组合起来即构成高精度的n位输出。图3所示为一个14位5级流水线型ADC的原理图，图7 所示为每级内部结构图。
流水线型ADC有必要满意以下不等式以便纠正堆叠过错：式中，1为级数，m为各级中ADC的粗分辩率，k为精密ADC的细分辩率，而 n是流水线ADC的总分辩率。流水线ADC不光简化了电路规划，还具有如下长处：每一级的冗余位优化了堆叠差错的纠正，具有杰出的线性和低失调；每一级具有独立的采样/坚持扩大器，前一级电路的采样/坚持能够释放出来用于处理下一次采样，因而答应流水线各级一起对多个采样进行处理，然后进步了信号的处理速度，典型的为 Tconv《100ns；功率耗费低；很水有比较器进入亚稳态，从根本上消除了火花码和气泡，然后大大减少了ADC的差错；多级转化进步了ADC的分辩率。一起流水线型ADC也有一些缺点：杂乱的基准电路和偏置结构；输入信号有必要穿过数级电路形成流水推迟；、同步一切输出需求严厉的锁存守时；对工艺缺点灵敏，对印刷线路板更为灵敏，它们会影响增益的线性、失调及其它参数。
模数转化器的首要技能目标
分辩率
一般以输出二进制或十进制数字的位数表明分辩率的凹凸，由于位数越多，量化单位越小，对输入信号的分辩才能就越高。
例如：输入模仿电压的改变规模为 0～5 V，输出 8 位二进制数能够
分辩的最小模仿电压为 5 V&TImes;2－8 ＝20 mV；而输出 12 位二进制数能够
分辩的最小模仿电压为 5 V&TImes;2－12≈1.22 mV。
转化差错
它是指在零点和满度都校准今后，在整个转化规模内，别离丈量各个 数字量所对应的模仿输入电压实测规模与理论规模之间的差错，取其 中的最大差错作为转化差错的目标。一般以相对差错的办法呈现，并 以 LSB 为单位表明。例如 ADC0801 的相对差错为±¼ LSB。
转化速度
完结一次模数转化所需求的时刻称为转化时刻。大多数状况下，转化 速度是转化时刻的倒数。
ADC 的转化速度首要取决于转化电路的类型，并联比较型 ADC 的转化速度最高（转化时刻可小于 50 ns），逐次迫临型 ADC 次之（转 换时刻在 10～100μs 之间），双积分型 ADC 转化速度最低（转化时 间在几十毫秒至数百毫秒之间）。
挑选模数转化器应该留意的问题
不论是传统型ADC仍是表开展起来的ADC都有各自的优缺点和习惯场合。在选用ADC时，不只要考虑使用的精度、速度等首要目标，还要考虑输入信号的办法（单端或差动输入）、输入信号规模、输入通道类型和数量、作业电源、内部基准、鼓励源等多种详细功能上的差异，这些在选型上都是仔细考虑的。现代ADC制作商为用户使用考虑的越来越多，用户在方案规划时必定要在器材选型上下一些功夫，针对实践使用的详细要求尽量做到选型合理，这样往往能够简化规划、降低本钱、进步性价比。
