浅析数据采集系统中典型的模数转换原理

摘 要：数据采集技术已广泛应用在雷达、导弹、通信、声呐、资源遥感、图像、地质勘探、振动工程、无损检测、智能仪器、多媒体、激光多普勒测速、光时域反射测量、物质光谱学与光谱测量、生物医学工程等多个领域，随着数据采集技术的广泛应用，对数据采集系统的许多技术指标，如采样率、A/D转换器件速度、A/D转换器的分辨率精度、抗干扰能力等方面提出了越来越高的要求。

关键词：数据采集 A/D转换器 技术指标

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（c）-0013-02

数据采集就是将被测对象（外界、现场）的各种参量（通常是物理量，也可以是化学量、生物量等），通过各种传感元件转换成电信号，再经采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。

1 几种典型的ADC

ADC种类很多，原理各不相同。该文介绍以下几种ADC主要类型的原理和特点，以便更好地学习ADC技术。

1.1 并行比较型ADC

利用VREF和电阻分压网络，构造出全量程范围内的所有量化比较电平，输入模拟信号ui，与各个量化比较电平同时进行比较，若ui大于或小于量化比较电平，则比较器输出1或0，比较器输出经编码后形成数字信号。

电阻网络将VREF（满量程电压）分压形成1/14 VREF、 3/14 VREF、5/14 VREF…13/14 VREF（如图1）。

若：0≤ui

特点：（1）直接比较、瞬时值转换和开环电路，转换速度最快，故称为闪速型（Flash）ADC，但其抗干扰能力差。（2）虽然看上去电路简单直观，但是nbit分辨率的ADC一般需要2n-1个比较器。由于比较器是模拟器件，提高分辨率受到器件制造工艺的限制，10 bit的闪速ADC少见。

1.2 双斜（率）积分型ADC

对输入模拟电压进行积分，再对与之反相的参考电压进行积分。将电压先转换成与之成正比的时间间隔，再用计数器测量时间间隔，间接得到转换结果（如图2）。

（1）开关S2闭合，对积分电容C进行清洗；同时计数器复位，ADC输出上一次的转换结果。

（2）开关S2断开，S1接ui，积分器对ui积分，积分时长固定为T。

（3）开关S1接VREF，积分器对VREF反相积分；计数器开始计数，当积分器的输出过零点时，比较器输出改变，计数器停止计数。此时计数器中的计数值N就是在（2）期间输入ui的平均值ui对应的转换结果。

特点：（1）积分器对伴随着工频干扰的输入信号进行积分，积分周期为工频干扰周期的整数倍，对于正弦函数型的工频干扰，其积分结果为0，其对转换结果没有任何影响。正是由于上述特点，双斜积分型ADC具有较高的抗干扰性能，尤其是具有极高的抗工频干扰能力。（2）积分时长T，再加上工作原理步骤（1）和步骤（3）所需的时间，所以这种类型的ADCD换速度较慢，每秒钟能够完成的转换次数在20次以下。

1.3 逐次反馈比较型ADC

在逐次反馈比较型ADC中，用逐次逼近寄存器SAR逐次赋值，其输出经D/A转换后与VIN相比较，SAR顺序置为1000…00B、dn-1100…00B、dn-1dn-2 10…00B，直到最后生成dn-1dn-2..d1d0，即A/D转换结果。其中di 根据比较结果而定，若：VDAC>VIN，di=0；否则di=1。

特点：（1）SAR型ADC的转换速率最高可超过5 Msps，分辨率为8位至18位，较好地兼顾了速度和分辨率。在对速度和分辨率均有要求的应用场合，目前仍然选择SAR ADC。（2）SAR型ADC前面需增加采样保持器（SH），虽然有些ADC将SH集成在一个芯片上，但是SH电路将引入额外的捕捉时间和孔径时间等开销。

2 结语

利用数据采集系统制造的仪器仪表已经遍及国民经济各个部门，深入到人民生活的各个角落，但实现高速或高精度模数转换是数据采集系统最关键的技术指标。目前普遍存在的模数转换还是不能满足日益增长的应用需求，未来模数转换主要向高速（1 GHz以上）、高精度（24 bit）和速度与精度的折衷型等方向发展。

参考文献

[1] 李素芳.模数转换技术及其发展[J].电子技术应用，2002，28（4）：72-75.

[2] 纪宗南.集成A/D转换器应用技术和实用线路[M].北京：中国电力出版社，2009.

[3] 李震.基于PCI总线的多通道高速数据采集系统的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2009.