模數轉換器 - 用途、分類和工作原理

稱為模數轉換器 (ADC) 的電子設備用於將模擬信號轉換為數字信號（以可讀的二進制代碼類型序列）。在將模擬信號轉換為數字信號的過程中，實現了以下過程：採樣、量化和編碼。

採樣被理解為從單個（離散）值的時間連續模擬信號中採樣，這些信號在與時鐘信號的特定間隔和持續時間相關聯的時刻下降。

量化是將採樣時選擇的模擬信號的值四捨五入到最接近的量化級，量化級有自己的序號，這些級之間相差一個固定的delta值，也就是量化步長。

嚴格來說，採樣是將連續函數表示為一系列離散值的過程，而量化是將信號（值）劃分為多個級別。至於編碼，這裡的編碼理解為將作為量化結果的元素與預定的代碼組合進行比較。

有多種將電壓轉換為代碼的方法。此外，每種方法都有各自的特點：準確性、速度、複雜性。根據轉換方法的類型，ADC分為三類

對於每種方法，隨著時間的推移轉換信號的過程以其自己的方式進行，因此得名。不同之處在於量化和編碼的執行方式：串行、並行或串行-並行程序，以將數字結果近似為轉換後的信號。

並行模數轉換器的原理圖如圖所示。並行 ADC 是最快的模數轉換器。

電子比較器的數量（DA比較器的總數）對應ADC的容量：三個比較器夠兩位，七個夠三位，15個夠四位，等等。電阻分壓器設計用於設置一系列恆定參考電壓。

輸入電壓（此處測量該輸入電壓的值）同時施加到所有比較器的輸入端，並與該電阻分壓器允許獲得的所有參考電壓進行比較。

那些非反相輸入的電壓大於參考電壓（由分壓器施加到反相輸入）的比較器將在輸出端給出邏輯 1，其餘的（輸入電壓小於參考電壓或等於零）將給出零。

然後連接編碼器，其任務是將 1 和 0 的組合轉換為標準的、充分理解的二進制代碼。

用於串行轉換的 ADC 電路不如並行轉換器電路快，但它們的基本設計更簡單。它使用比較器、AND 邏輯、時鐘、計數器和數模轉換器。

該圖顯示了此類 ADC 的示意圖。例如，當施加到比較器電路輸入的測量電壓高於第二輸入（參考）的斜坡信號時，計數器對時鐘發生器的脈衝進行計數。事實證明，測得的電壓與計數的脈衝數成正比。

還有串並聯 ADC，其中將模擬信號轉換為數字信號的過程在空間上是分開的，因此事實證明，以最小的複雜性實現了最大的權衡速度。