数据采集电路设计
将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC（Analog to Digital Converter），A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。
A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的
1. A/D转换器的分类
- 按速度分：高、中、低；
- 按精度分：高、中、低；
- 按位数分：8、10、12、14、16
- 按工作原理分：直接比较型、间接比较型
2. 主要技术指标
- 量程
A/D转换器所能转换模拟信号的电压范围。
- 分辨率
A/D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。
设A/D转换器的位数为n，满量程电压为FSR，按照定义计算可得转换器的分辨率为
例如，一个满量程电压为10V的12位A/D转换器，能够分辨模拟输入电压变化的最小值为
相对分辨率定义为
A/D转换器分辨率的高低取决于位数的多少。因此，目前一般都简单地用A/D转换器的位数n来简介代表分辨率。
- 精度
绝对精度是指转换器对应输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。
存在的问题：在A/D转换时，量化带内的任意模拟输入电压都能产生同一输出数码。
相对精度是绝对精度与满量程电压值之比的包分数。
分辨率与精度是两个不同的概念。精度是指转换后所得结果相对于实际值的精准度；分辨率是指转换器所能分辨的模拟输入信号最小变化值。更多区别见：正确认识ADC参数中“精确度”与“分辨率”的不同
- 转换时间
/速率
转换时间是指，按照规定的精度将模拟输入信号转换为数字信号并输出所需要的时间。
通常转换时间是根据模拟输入电压值来规定的。但对某些转换器来说，例如逐次逼近型A/D转换器，其转换时间与模拟输入电压大小无关，只取决于转换器的位数，因此转换时间是恒定的。对另一些转换器来说，其转换时间则于待转换信号的值有关。
转换速率是指，每秒转换的次数。
- 偏移误差
使最低有效位成“1”状时，实际输入电压与理论输入电压之差。这一差值电压称作偏移电压。一般以满量程电压值的百分数表示。
该误差主要是失调电压与温漂造成的。
- 增益误差
满量程输出数码时，实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差。
-
线性误差
在没有增益误差和漂移误差的条件下，实际传输特性曲线与理想特性曲线之差。
线性误差是由A/D转换器特性随模拟输入信号幅值变化引起的，因此，线性误差是无法进行补偿的。
注意：线性误差不包括量化误差、偏移误差和增益误差。
3. 逐次逼近式A/D(瞬时直接比较)
3.1 工作原理
注：SAR为逐次逼近寄存器
逐次逼近式A/D转换器的工作原理如图所示。
- 首先设定在SAR中的数字量经D/A转换器转换成反馈电压
；
- SAR顺次逐位加码控制
-
进行比较，大则弃，小则留，逐次逼近；
- 最终留在SAR的数据寄存器中的数码作为数字量输出。
3.2 工作过程
假设逐次逼近寄存器SAR是8位的，基准电压是10.24V，模拟输入电压为8.3V，转换成二进制数码，工作过程如下：
- 转换开始前，先将SAR清零；
- 转换开始，第一个时钟到来，SAR的状态为10000000，经D/A转换器转换成反馈电压，
,反馈到比较器与
，所以保留SAR寄存器的最高位为1。
- 第二个时钟到来时，SAR置为11000000，进过D/A转换器后，产生反馈参考电压
，因为
- 第三个时钟到来时，SAR置为11100000，进过D/A转换器后，产生反馈参考电压
，因为
，所以SAR寄存器此位置“0”，SAR状态为11010000。
- 第四个时钟到来时，SAR状态又置为11010000。
- ……
注意：
这种A/D转换器对输入信号上叠加的噪声电压十分敏感，在实际应用中，通常需要对输入的模拟信号先进行滤波，然后才能输入A/D转换器。
这种转换器在转换过程中，只能根据本次比较的结果，对该位数据进行修正，而对以前的各位数据不能变更。为避免输入信号在转换过程中不断变化，造成错误的逼近，这种A/D转换器必须配合采样/保持器使用。
4. 双斜积分式A/D(间接比较)
4.1 基本结构
双斜积分式A/D转换器是一种间接比较型A/D转换器，它主要由积分器、电压比较器、计数器、时钟发生器和控制逻辑等部分组成。首先利用两次积分将输入的模拟电压转换成脉冲宽度，然后再以数字测时的方法，将次脉冲宽度转换成数码输出。
4.2 工作过程
（1）预备阶段
开始工作前，控制电路令开关K4和开关K5闭合，使电容C放掉电荷，积分器输出为零，同时使计数器复零。
（2）采样阶段
控制电路将开关K1接通，模拟信号Ui接入A/D电路，被积分器积分，同时打开控制门，让计数器计数。当被采样信号电压为直流电压或变化缓慢的电压时，积分器将输出一斜变电压，其方向取决于Ui的极性，这里Ui为负，则积分器输出波形时向上斜变的。
其方向取决于Ui的极性，这里Ui为负，则积分器输出波形时向上斜变的。如下图所示。经过一个固定时间t1后，计数器达到其满量限N1值，计数器复零而送出一个溢出脉冲。此溢出脉冲式控制电路发出信号，将K2接通，接入基准电压+UREF（若Ui为正，则接通K3），至此采样阶段结束。
（3）编码阶段
当开关K2接通（模拟开关总是接向与Ui极性相反的基准电压），+UREF接入电路，积分器向相反方向积分，即积分器输出由原来的Uox值向零电平方向斜变，斜率恒定。如图所示，与此同时，计数器又从零开始计数。当积分器输出电平为零时，比较器有信号输出，控制电路收到比较器信号后发出关门信号，积分器停止积分，计数器停止计数，并发出记忆指令，将此阶段计得数字N2记忆下来并输出。这一阶段被积分的电压时固定的基准电压UREF，所以积分器输出电压的斜率不变，与所计数字N2对应的t2称为反向积分时间。这个阶段常称定值积分阶段，定值积分结束时得到数字N2便是转换结果。
注意：
（1）双斜式转换本质上式积分过程，故是平均值转换，所以对叠加在信号上的随机和周期性噪声干扰有较号的抑制能力。
（2）双斜积分转换速度较慢，一般不高于20次/s。
（3）对采样模拟信号而言，双斜积分转换器是断续工作的。
