一、a/d轉(zhuǎn)換的基本原理
a/d轉(zhuǎn)換的基本思路：對連續(xù)變化的模擬量在一系列取定的時間瞬間進行取樣，然后把該取樣值用二進制數(shù)表示出來。由于將采樣值再用二進制數(shù)表示出來需要一定的時間，因此，采樣后的模擬量還須要保持、量化和編碼等過程。所以，a/d轉(zhuǎn)換過程一般要四步：采樣、保持、量化和編碼。
1. 采樣定理和采樣—保持電路
上邊的電路就是在一系列選定的時間瞬間對輸入模擬信號進行采樣的電路。
電路中s是理想的模擬開關(guān)，ch是保持電容，s開關(guān)由采樣脈沖信號控制。當高電平時，開關(guān)閉合對電容ch充電(采樣)；當?shù)碗娖綍r，電容器上采樣的電壓保持。進而可畫出采樣后的波形。
為了能使采樣后的信號不失真地再現(xiàn)原采樣前的輸入信號，由此，對采樣的信號頻率就有一定的要求。由采樣定理得：，式中為輸入模擬信號頻譜中的最高頻率成分。在實際的a/d轉(zhuǎn)換中，允許存在一定的誤差下，采樣脈沖頻率常按下式選?。骸?br>圖示電路是一個具體的采樣—保持電路，由兩級運算放大器和電子開關(guān)組成，兩只運放都接成電壓跟隨器形式。電路可以做到快速取樣，a1運放輸入為高阻，輸出為低阻，對輸入起隔離作用。
對保持電容ch實現(xiàn)快速充電，時間常數(shù)遠小于tc(采樣時間)。a2跟器輸入電阻很高，使得當s斷開后，保持電容ch的保持性能好。保持電容，要求選用高質(zhì)量的電容器，漏電很小(如聚苯乙希電容)。
2. 量化和編碼
將取樣后的值用一個最小單位的整數(shù)倍來表示，由于一個值不一定正好能分割成最小單位的整數(shù)倍，因此，必須對取樣值進行取整歸并，這種取整歸并的方法和過程稱量化(數(shù)值量化或數(shù)值分層)。取整歸并(即量化)的方法有兩種：
舍尾取整法：
舍去不足一個量化單位的尾部，取其整數(shù)。當s表示為量化單位時，即有：。取量化值。如當s=1v時，時量化值；時量化值?？梢?，這種量化方法時的最大量化誤差為：。
量化單位的計算：，n是dac的位數(shù)采保后的最大值電壓。
四舍五入量化法：大于s/2量化單位的尾部歸整，舍去小于s/2量化單位的尾部。如當s=1v時，時量化值；可見，這種量化方法時的最大量化誤差為： 。
量化單位的計算：。
a/d轉(zhuǎn)換種類：
并行比較型adc：速度最快；
反饋計數(shù)式adc：速度慢；
逐次逼近型adc：速度快；
雙積分式adc：速度較慢，精度高，抗干擾性好；
v/f式adc：調(diào)制式adc，用在航天；
前三種是直接a/d轉(zhuǎn)換器。
二、逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器
模擬比較器c，三位d/a轉(zhuǎn)換器，三位逐次逼近寄存器，五位節(jié)拍脈沖發(fā)生器，輸出與門電路等。s/h是采樣保持器，電路中設(shè)置偏移s/2量化單位是為減小量化誤差之用。
轉(zhuǎn)換原理：開始轉(zhuǎn)換前，q2q1q0=000(清零)，節(jié)拍脈沖發(fā)生器置成qaqbqcqdqe=00001，則輸出為d2d1d0=000，d/a輸出為0，加入輸入模擬電壓4.65v后，因為，(高電平)。
第一個cp：qaqbqcqdqe=10000，q2q1q0=100，d2d1d0=000。q2q1q0=100經(jīng)d/a后得：。設(shè)s=1v，所以，，q2q1q0=100不夠大，高位q2=1保留；
第二個cp：qaqbqcqdqe=01000，q2q1q0=110，d2d1d0=000，q2q1q0=110。經(jīng)d/a后得：得：，所以，，說明數(shù)據(jù)110太大，q1=1應(yīng)舍去；
第三個cp：qaqbqcqdqe=00100，q2q1q0=101，d2d1d0=000，q2q1q0=101。經(jīng)d/a后，得：。所以，。
第四個cp：qaqbqcqdqe=00010，q2q1q0=101，d2d1d0=000，q2q1q0=101，即q0=1仍保留。
第五個cp：qaqbqcqdqe=00001，q2q1q0=101狀態(tài)保持不變，由于qe=1，輸出與門被選通，所以輸出數(shù)字量為：d2d1d0=101。
3位a/d轉(zhuǎn)換器的整個工作過程：
三位逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器的電壓逼近波形圖：
逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器的特點：
轉(zhuǎn)換速度較快，對n位a/d轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換一次的時間為：t=(n+2)tcp；容易與8位微機連接。
轉(zhuǎn)換精度，主要決定于其中的d/a轉(zhuǎn)換器的位數(shù)、線性度、電子開關(guān)壓降、參考電壓穩(wěn)定度，以及模擬電壓比較器的靈敏度等。由于集成電路制造工藝的完善，a/d轉(zhuǎn)換器的精度已可達±0.005%。
三、雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器
這是一種間接a/d轉(zhuǎn)換器。它首先把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成中間變量—時間t，然后再將時間t轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。
由于雙積分分兩次積分，產(chǎn)生兩條積分斜率，所以，也有叫雙斜率a/d轉(zhuǎn)換器。
雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器原理框圖：
電路由積分器a、過零比較器c和n位二進制加法計數(shù)器等電路組成。
轉(zhuǎn)換原理如下：轉(zhuǎn)換開始前，進行初始化處理：計數(shù)器和觸發(fā)器清零，s1接通a，s2閉合，積分電容c充分放電，v01=0，co為0，與門g封鎖。
輸出數(shù)字量dn-1dn-2…d1d0=00…00
a/d轉(zhuǎn)換開始：s2打開，積分器第一次向負方向積分，v01＜0，co=1，cp脈沖加入，計數(shù)器以二進制加法計數(shù)。
v01的積分電壓為：
在計數(shù)器尚未計滿dn-1dn-2…d1d0=11…11之前，過程繼讀。當計滿11…11并返回000 …0后，符加觸發(fā)器由0變1，s1開關(guān)接通負參考電壓-vref。積分器向正方向進行第二次積分， v01電壓向正方向上升。只要v01電壓尚未達到0v，c0=1，則計數(shù)器就進行第二次加法計數(shù)，當積分器正方向積分至0v時，c0=0，cp脈沖被封鎖，計數(shù)器停止計數(shù)，則此時計數(shù)器所累計的數(shù)據(jù)就為輸入模擬量所對應(yīng)的數(shù)字量了。
下面定量分析：
第一次積分(t0～t1)：
第二次積分(t1～t2)：
當t=t2時，積分器輸出電壓為0，則：
因此有：，
輸出數(shù)字量：
雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器的特點：
由于采用了積分器，抗干擾能力強；兩次積分用同一個積分器，使輸出結(jié)果與積分參數(shù)無關(guān)(見表達式)，精度高；
當選取積分時間為工頻周期的整數(shù)倍時，理論上可完全消除工頻干擾，因為這時對工頻干擾的平均積分為0，主要應(yīng)用在精度高，而速度相對較慢的數(shù)字測試設(shè)備和儀表中；
四、v/f變換型a/d轉(zhuǎn)換器
基本思路：先將輸入的模擬電壓信號變換成與之成正比的脈沖信號，然后，在定時時間控制下，對該脈沖進行計數(shù)得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。
電路組成分析：a1是模擬反相器，a2是模擬積分器，c1、c2組成比較器，其它都是熟悉的數(shù)字電路。
電路工作原理：開始轉(zhuǎn)換前，cs低電平，s2閉合，s1接通，基本觸發(fā)器置q=0，=1。開始轉(zhuǎn)換 ，cs=1，開關(guān)s2斷開。積分器a2開始正方向積分，電位逐漸上升，當上升至時，變成低電平0，變成高電平1。
觸發(fā)器置1：控制邏輯電路將開關(guān)s1接通；接著積分器a2負方向積分開始下降，當下降至時，兩個比較器輸出=1，=0。
觸發(fā)器重新置0：電子開關(guān)又接通到-積分器又正向積分，如此周而復始，不斷地進行，在觸發(fā)器的q和端將得到隨而變化的波形，而且將正比于。
由波形圖可得，在定時時間ts內(nèi)，計數(shù)器對cp()進行計數(shù)，則n位二進制計數(shù)器累計的結(jié)果就代表了輸入模擬量的大小了。
由波形圖可知，積分器正向積分時的變化幅度為 ：。時間為t1，積分時間常數(shù)為rc，所以有：，。而反向積分和正向積分時幅值相同，故有：t1=t2，，
在定時ts內(nèi)，對上述頻率計數(shù)，則其結(jié)果正比于，，由于電路采用了積分器，同時，轉(zhuǎn)換后得到的是調(diào)制后的脈沖波形，因此，具有抑制交流噪聲和抗干擾能力強的特點。這種a/d轉(zhuǎn)換器特別適用于遙控和遙測系統(tǒng)。
五、三位并行比較型a/d轉(zhuǎn)換器
轉(zhuǎn)換原理用表說明：
三位輸出函數(shù)式：
，，
六、計數(shù)式a/d轉(zhuǎn)換器
七、a/d轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標
1. a/d轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標
⑴ 分辨率
能區(qū)分相鄰兩個數(shù)字量的最小輸入模擬電壓增量，所以，對一個n位的a/d轉(zhuǎn)換器，其分辨率為輸入滿度電壓與的比值。如一個12位的滿刻度輸入10v的a/d轉(zhuǎn)換器，其分辯率=mv。
⑵ 精度誤差：輸出數(shù)字量對應(yīng)的實際模擬電壓與理想電壓值之差，其最大值定義為精度誤差?？梢?，精度誤差越小，a/d轉(zhuǎn)換的精度越高。有時，也有把精度誤差當作精度的。
精度誤差包括：1)量化誤差；2)偏移誤差；3)增益誤差；4)非線性誤差；
⑶ 轉(zhuǎn)換時間：完成一次a/d轉(zhuǎn)換所需的時間
2. a/d轉(zhuǎn)換器應(yīng)用要點
⑴ a/d轉(zhuǎn)換器的位數(shù)選擇
a/d轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與設(shè)計系統(tǒng)的測控范圍以及精度要求有關(guān)。它涉及傳感器精度，放大器精度，a/d本身精度，輸出電路和伺服機構(gòu)的精度，軟件算法的精度等，應(yīng)根據(jù)綜合精度在各個環(huán)節(jié)上進行分配。一般來說，a/d轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辯率高一位。
⑵ a/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度選擇(轉(zhuǎn)換時間)根據(jù)采集對象的變化率及轉(zhuǎn)換精度要求，確定a/d轉(zhuǎn)換速度，以保證對系統(tǒng)的實時性要求。
并行比較型adc—轉(zhuǎn)換時間僅為20～100ns，用于數(shù)字通訊、實時光譜分析、實時瞬態(tài)記錄、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。
逐次逼近型adc—轉(zhuǎn)換時間在1us～100us，用于工業(yè)上的多通道測控系統(tǒng)和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、實時光譜分析、實時瞬態(tài)記錄、視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。
雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器—轉(zhuǎn)換時間在1ms～100ms，用于溫度、壓力、流量等慢變化的檢測和控制系統(tǒng)，一般的儀器和儀表中。
⑶ 工作電壓和參考電壓選擇
工作電壓有±15v、+12～+15v、+5v等，最好選擇能與數(shù)字系統(tǒng)共用的一個電源較方便。
參考電壓(基準電壓)vref的穩(wěn)定性對a/d的轉(zhuǎn)換精度關(guān)系大，應(yīng)選用高精度、高穩(wěn)定性的基準電壓。
⑷ a/d轉(zhuǎn)換器量程選擇
常見a/d轉(zhuǎn)換器的量程有：
0～+5v，0～+10v 單極性輸入
-5～+5v，-10～+10v 雙極性輸入
應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的極性要求決定
八、集成a/d轉(zhuǎn)換器實例
adc0809芯片介紹
8位，逐次逼近型，8路模擬量輸入，具有與微機兼容的控制邏輯，28引腳，cmos工藝，15mw功耗，輸入模擬電壓0～5v，轉(zhuǎn)換時間為100us，精度±lsb。
adc0809內(nèi)部框圖：
⑴ 模擬量輸入通選擇
由三位地址代碼控制，地址輸入后，加ale將地址鎖存住。經(jīng)地址譯碼后，去選通多路開關(guān)，決定選擇哪一路模擬量。
⑵ a/d轉(zhuǎn)換過程
加入啟動脈沖start， a/d轉(zhuǎn)換開始，啟動脈沖上沿先清0逐次逼近寄存器，下沿開始a/d，eoc為轉(zhuǎn)換結(jié)束標志位，高電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。轉(zhuǎn)換時，輸入模擬電壓與樹狀開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(d/a)比較，得出從高位至低位的數(shù)字量，并存入輸出三態(tài)鎖存器。
⑶ 輸出數(shù)字量
轉(zhuǎn)換結(jié)束標志位eoc=1，表示a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束，在使能輸出oe端加上正脈沖，三態(tài)輸出鎖存器與輸出數(shù)據(jù)線接通，將其中的數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)總線以供讀出。
adc0809的典型應(yīng)用：
只要寫一段程序(匯編語言)adc0809在單片機8031控制下，完成a/d轉(zhuǎn)換。