一、模数转换器的三个基本功能：
采样：将模拟信号在时间上离散化使之成为抽样信号；
量化：将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信号；
编码：将数字信号最终表示成数字系统所能接受的形式。

1.取样和保持
取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。
取样过程：

抽样定理的证明（图解）

由抽样信号恢复原连续信号

采样完的信号可以直接进行量化转换吗？

因此，ADC在采样电路之后须加保持电路。

场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。
①在采样脉冲S(t)到来的时间τ内，VT导通，UI(t)向电容C充电，假定充电时间常数远小于τ，则有：UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采样
②采样结束，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变，直到下一个采样脉冲到来为止。－－保持

2.量化和编码
输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波。而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n位数字量只能表示2n个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题
将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。指定的离散电平称为量化电平Uq 。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。两个量化电平之间的差值称为量化单位Δ，位数越多，量化等级越细，Δ就越小。取样保持后未量化的Uo值 与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差ε，即ε=Uo-Uq。
量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。


二、A/D转换器的主要电路形式
A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。
直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。直接A/D转换器有并行比较型、逐次比较型等。
间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f, 然后再将t或f转换成数字量。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。

1. 并行比较型A/D转换器

并行比较型A/D转换器的特点：
①优点：转换速度很快，故又称高速A/D转换器。ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主要取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。
②缺点：电路复杂，对于一个n位二进制输出的并行比较型A/D转换器，需2ⁿ 个精密电阻，2ⁿ-1个电压比较器和2ⁿ -1个触发器，编码电路也随n的增大变得相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。 而且功耗大，成本高。
因此，这种转换器适用于高速， 精度较低的场合。

2. 逐次逼近比较型A/D转换器

它由比较器、D/A转换器、逐位逼近寄存器SAR、时钟发生器以及控制逻辑电路组成，它对采样输入信号与已知电压不断进行比较，然后转换成二进制数
逐次逼近型A/D转换器的工作原理：
①转换开始前先将逐次逼近寄存器SAR清“0”；
②开始转换以后，{dy}个时钟脉冲首先将寄存器{zg}位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，经偏移Δ/2后得 到uO′＝uO－Δ/2，并送到比较器中与uI′进行比较。若uI′＜uo′，说明数字过大，故将{zg}位的1xx置零；若uI′≥uo′，说明数字还不够 大，应将这一位保留。
③然后，按同样的方法将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是保留还是xx。这样逐位比较下去，一直到{zd1}位为止。比较完毕后，SAR中的状态就是所要求的数字量输出。
例：若UREF＝-4V，n＝4。当采样保持电路输出电压uI′=2.49V时，试列表说明逐次逼近型ADC电路的A/D转换过程。

逐次逼近比较型A/D转换器的特点：
由于逐次逼近比较型ADC同时具有较高的速度和较高的分辨率，因而应用较广、品种较多。分辨率从8位到16位，采样速度从几十kHz到几十MHz。

3.双积分型A/D转换器

双积分型ADC的转换原理是先将模拟电压UI转换成与其大小成正比的时间间隔T，再利用基准时钟脉冲通过计数器将T变换成数字量。  

双积分型A/D转换器的特点和应用
优点：
分辨率较高，可达16位（如何提高精度？）；功耗低，成本低。
其转换结果与时间常数RC无关，从而xx了由于斜波电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围内变化，而不影响转换结果。
由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值T1，而T2正比于输入信号在T1内的平均值，这对于叠加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。
缺点：转换速度低，转换速度在12位时为100-300SPS。
应用：应用于低速、精密测量等领域，例如：数字电压表（交流有效值，3sps)

4.压频变换型模数转换器
原理：先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号，然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数，计数结果即为正比与输入模拟电压信号的数字量。
特点：其优点是精度高、价格较低，功耗较低。从理论上讲，这种ADC的分辨率可以无限增加，只要采样时间长到满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度 。其缺点与积分型ADC类似，转换速率受到限制，12位时为100-300SPS。

5.流水线型模数转换器

流水线型ADC又称为子区式ADC，它由级联的若干级电路组成，每一级包括一个采样/保持放大器，一个低分辨率的ADC和DAC，以及一个求和电路。用多级低分辨率的ADC组成高分辨率的ADC.
流水线型模数转换器特点
优点：
每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正，具有良好的线性和低失调；
每一级具有独立的采样/保持放大器，前一级电路的采样/保持可以释放出来用于处理下一次采样，因此允许流水线各级同时对多个采样进行处理，从而提高了信号的处理速度，可达10MSPS；
多级转换提高了ADC的分辨率。
缺点：
复杂的基准电路和偏置结构；
输入信号必须穿过数级电路造成流水线延迟；
同步所有输出需要严格的锁存定时；
对工艺缺陷敏感，对印刷线路板更为敏感，会影响增益的线性、失调及其他参数。

6. ∑-Δ型模数转换器

Σ-Δ型模数转换器由Σ-Δ调制器（又称总和增量调制器）和数字抽取滤波器组成。

（1）. ∑-Δ调制器（增量调制器）量化原理

1位D／A转换器可用积分器来完成，同时为了改进增量调制器的高频性能，先将输人信号进行积分后再进行增量调制。

（2）. ∑-Δ调制器量化噪声

（3）.数字抽取滤波器
三个作用：
(1)低通滤波将∑-Δ调制器输出噪声减至最小。
(2)滤除奈奎斯特频率以上的频率分量以防止由于数字抽取产生的混叠失真。
(3)进行抽取和滤波运算，减少数据率，并将1位数字信号转换为高位数字信号。

（4）∑-Δ型模数转换器的使用

三、A/D转换器的主要技术指标
1. 分辨率
分辨率指A/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个n位二进制数输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为 FSR/2ⁿ（满量程输入的1/2n）。
例如，A/D转换器的输出为12位二进制数，{zd0}输入模拟信号为10V，则其分辨率为

2. 转换时间
转换时间（孔径时间）是指A/D转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。
A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型A/D转换器的转换速度相差很大。
①双积分型A/D转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；
②逐次逼近式A/D转换器的转换速度较快，需几十微秒；
③并行比较型A/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。

3.各种ADC性能比较
传统方式的ADC，例如：逐次逼近型、积分型、压频变换型主要应用于中速或较低速、中等精度的数据采集和智能仪器中。
在并行基础上发展起来的分级型和流水线型ADC主要应用于高速情况下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集术等领域。这些高速ADC的不足之处就是分辨率不高，无法实现大动态范围及微弱信号的检测。
90年代以来获得很大发展的∑-Δ型ADC利用高抽样率和数字信号处理技术，将抽样、量化、数字信号处理融为一体，从而获得了高精度的ADC，目前可达 24位以上， ∑-Δ型ADC由于其极高的分辨率，在很多应用领域可以直接对传感器的输出信号进行转换处理而不需要任何信号调理（放大和滤波）电路；∑-Δ型ADC不断 提高的转换速度和相对低廉的价格，日益拓宽它的应用领域，对测控电路的设计必将带来深刻的影响和变革。目前，这一类型的ADC的主要缺点是转换速度还不 高，很难实现高频信号的检测。


四、8位集成ADC0809
ADC0809是采用CMOS工艺制成的8位八通道逐次逼近型A/D转换器。
1.ADC0809特性参数
分辨率： 8位
精度： 8位
转换时间： 100µs
增益温度系数： 20ppm/℃
输入电平： TTL
功耗： 15mW

2.ADC0809工作原理

①输入3位地址信号，在ALE脉冲的上升沿将地址锁存，经译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；
②发出A/D转换启动信号START，在START的上升沿将SAR清0，转换结束标志EOC变为低电平，在START的下降沿开始转换；
③转换过程在时钟脉冲CLK的控制下进行；
④转换结束后，EOC跳为高电平，在OE端输入高电平，从而得到转换结果输出。

3.ADC0809引脚功能
IN0～IN7：8路模拟电压输入。
ADDC、ADDB、ADDA：3位地址信号。
ALE：地址锁存允许信号输入，高电平有效。
D7～D0（2-1～2-8）：8位二进制数码输出。
OE：输出允许信号，高电平有效。即当OE=1时，打开输出锁存器的三态门，将数据送出。
UR(+)和UR(-)：基准电压的正端和负端。
CLK：时钟脉冲输入端。一般在此端加500kHz的时钟信号。
START：A/D转换启动信号，为一正脉冲。在START的上升沿将逐次比较寄存器SAR清0，在其下降沿开始A/D转换过程。
EOC：转换结束标志输出信号。在START信号上升沿之后 EOC信号变为低电平；当转换结束后，EOC变为高电平。此信号可作为向CPU发出的中断请求信号。