学习单片机的第15天—A/D和D/A工作原理（2）

接着昨天的量化和编码

2.量化和编码

数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值的变化也不是连续的。也就是说，任何一个数字量的大小，都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的。因此，在用数字量表示采样电压时，必须把它化成这个最小数量单位的整数倍，这个转化过程就叫做量化。所规定的最小数量单位叫做量化单位，用△表示。显然，数字信号最低有效位中的1表示的数量大小就等于△。把量化的数值用二进制代码表示 ，称为编码。这个二进制代码就是A/D转换的输出信号。

这里在通俗的讲解一下量化这个东西

比如说我想输出电压，要求是在0~ 5V之间*输出，可是单片机输出的信号都离散的，并不能做到真正的连续。那我们就要把0~ 5V平均划分成一小段一小段，比如十段，每段的覆盖范围是0.5V，第一段我们就用0000这个二进制数来表示，那么0000也就代表着0~ 0.5V这个输出电压范围，我们的输出电压会在这里面波动；第二段我们就用0001来表示，代表0.5V~1V这个输出电压范围，以此类推。

我们通过数字量来控制输出电压，这个输出电压是会存在误差的，因为它会在一个范围内任选一个输出，所以只要我们对5V的电压细分得够多，那么我们的输出电压就会越来越精准。

我们把量化单位用△来表示，也就是我们将一个模拟量平均划分的一小段范围用 △来表示，例如1V分成8份，则△=1/8V，1/8V~2/8V之间的模拟电压全都当做1x△来看待，用二进制001表示。类似的图片如下。

既然模拟电压是连续的，那么它就不一定能被△整除，因为不可避免地会引入误差，我们把这种误差称为量化误差

3.直接A/D转化器

直接A/D转换器能输入的模拟电压直接转换成输出的数字量而不需要经过中间变量。常用的电路有并行比较型和反馈比较型。

• 并行比较型ADC

三位并行比较型A/D转换电路如下图。

从左到右分别是电压比较器，寄存器和代码转换器三部分，其输入与输出的转换关系如下

输入模拟电压	寄存器状态(代码转换器输入)	数字量输出(代码转换器输出)
V1代表最大输入电压	Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1	D2 D1 D0
(0~1/15)V1	0000000	000
(1/15~3/15)V1	0000001	001
(3/15~5/15)V1	0000011	010
(5/15~7/15)V1	0000111	011
(7/15~9/15)V1	0001111	100
(9/15~11/15)V1	0011111	101
(11/15~13/15)V1	0111111	110
(13/15~15/15)V1	1111111	111

电压比较器中，用电阻链把参考电压V1分压，得到1/15V1~ 13/15V1之间7个比较电平，量化单位△=2/15V1。然后把这7个比较电平分别接到7个比较器C1~C7的输入端作为比较基准。同时，将要输入的模拟电压同时加到每个比较器的另一个输入端上，与这7个比较基准进行比较。

并行ADC具有以下优点：

1. 由于转换是并行的，其转换时间较短，速度较快。
2. 使用这种含有寄存器的并行A/D转换电路时，可以不用附加采样-保持电路，因为比较器和寄存器这两部分也兼有采样保持功能。

缺点：随着分辨率提高，元件数目要按几何级数增加。一个n位转换器，所用的比较器个数为2^n-1个。所以制成分辨率较高的集成并行A/D转换器器是比较难的。

• 反馈比较型ADC

反馈比较型ADC的构思是：取一个数字量加到DAC(数模转换器)上，得到一个对应的输出模拟电压，将这个模拟电压和输入的模拟电压信号比较，如果两者不相等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的这个数字量就是所求的转换结果。

反馈比较型ADC中经常采用的有计数型和逐次计较型两种方案。下图为计数型ADC原理框图

转换电路有比较器C、D/A 转换器、计数器、脉冲源、控制门G以及输出寄存端等几部分组成。转换开始前先用复位信号将计数器置0，且转换信号停留在VL=0的状态，这时候G门被*，计数器不工作。计数器加给DAC的全是0信号，所以DAC输出的模拟电压Vo=0 。如果V1为正电压信号，比价器的输出电压为1。依同样的方法比较完DA的全部位数。

明天再说啦