模数转换原理

第 1 页 共 5 页 3. 模数转换器

（1） 模/数（A/D）转换器

A/D转换器是模拟信号源与计算机或其它数字系统之间联系的桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机或数字系统进行处理、存储、控制和显示。在工业控制和数据采集及其它领域中，A/D转换器是不可缺少的重要组成部分。

1) 逐次逼近型A/D转换器

逐次逼近型A/D转换器又称逐次渐近型A/D转换器，是一种反馈比较型A/D转换器。逐次逼近型A/D转换器进行转换的过程类似于天平称物体重量的过程。天平的一端放着被称的物体，另一端加砝码，各砝码的重量按二进制关系设置，一个比一个重量减半。称重时，把砝码从大到小依次放在天平上，与被称物体比较，如砝码不如物体重，则该砝码予以保留，反之去掉该砝码，多次试探，经天平比较加以取舍，直到天平基本平衡称出物体的重量为止。这样就以一系列二进制码的重量之和表示了被称物体的重量。例如设物体重11克，砝码的重量分别为1克、2克、4克和8克。称重时，物体天平的一端，在另一端先将8克的砝码放上，它比物体轻，该砝码予以保留（记为1），我们将被保留的砝码记为1，不被保留的砝码记为0。然后再将4克的砝码放上，现在砝码总和比物体重了，该砝码不予保留（记为0），依次类推，我们得到的物体重量用二进制数表示为1011。用下表7.1表示整个称重过程。

表7.1 逐次逼近法称重物体过程表

顺序 砝码（克） 比较 砝码取舍

1 8 8<11 取（1）

2 4 12>11 舍（0）

3 2 10<11 取（1）

4 1 11=11 取（1）

图7.7 逐次逼近型A/D转换器方框图

利用上述天平称物体重量的原理可构成逐次逼近型A/D转换器。

逐次逼近型A/D转换器的结构框图如图7.7所示，包括四个部分：电压比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器和顺序脉冲发生器及相应的控制逻辑。

逐次逼近型A/D转换器是将大小不同的参考电压与输入模拟电压逐步进行比较，比较结果以相应的二进制代码表示。转换开始前先将寄存器清零，即送给D/A转换器的数字量为0，三个输出门G7、G8、G9被封锁，没有输出。转换控制信号有效后（为高电平）开始转换，在时钟脉冲作用下，顺序脉冲发生器发出一系列节拍脉冲，寄存器受顺序脉冲发生器及控制电路的控制，逐位改变其中的数码。首先控制逻辑将寄存器的最高位置为1，使其输出为100……00。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压Uo,送到比较器与待转换的输入模拟电压Ui进行比较。若Uo＞Ui，说明寄存器输出数码过大，故将最高位的1变成0，同时将次高位置1；若Uo≤Ui,说明寄存器输出数码还不够大，则应将这一位的1保留。数码的取舍通过电压比较器的输出经控制器来完成的。依次类推按上述方法将下一位置1进行比较确定该位的1是否保留，直到最低位为止。此时寄存器里保留下来的数码即为所求的输出数字量。

５

０，

０８００２４激光与光电子学进展

ｗｗｗ．ｏ

ｐｔｉｃｓ

ｊｏｕｒｎａｌ．ｎｅｔ

全光模数转换的原理及进展

韩顺利

　胡为良

　张

　鹏

（

中国电子科技集团公司第四十一研究所电子测试技术重点实验室，

山东青岛

２６６５５５）

摘要

　由于电路时钟抖动和比较器弛豫等内禀属性的影响，

传统的电子模数转换器已经不能满足高带宽数字信号处

理的发展。

模数转换主要包括采样、

量化和编码。

全光模数转换引入光子技术来对模拟电信号采样和量化，

可以提高数字信号处理系统的性能，

满足高速和高分辨率的需求，

从而解决电子模数转换器的技术瓶颈问题。

针对目前主

要研究的全光模数方案，

如泰勒方案、空间光干涉和偏振干涉的移相光量化方案、孤子自频移的方案、

对称双波导长

周期波导光栅和波导阵列光栅的方案等，

介绍了其基本原理及实验方案，

并对各种方案的特点进行了分析。

关键词

　信号处理；

全光模数转换；光采样；光量化；

电光调制器

中图分类号

　ＴＮ９１１

文献标识码

　Ａ

ｄｏｉ：

１０．３７８８／

ＬＯＰ５０．０８００２５

Ｐｒｉｎｃｉ

ｐｌｅ

　ａｎｄ

　Ｐｒｏ

ｇｒｅｓｓ

　ｏｆ

　Ａｌｌ

－Ｏ

ｐｔｉｃａｌ

　Ａｎａｌｏ

ｇ－ｔｏ

－Ｄｉ

ｇｉｔａｌ

　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ

Ｈａｎ

　Ｓｈｕｎｌｉ

　Ｈｕ

　Ｗｅｉｌｉａｎ

ｇ　Ｚｈａｎ

ｇ

　Ｐｅｎ

ｇ

（

Ｓｃｉｅｎｃｅ

　ａｎｄ

　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ

ｇｙ

　ｏｎ

　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ

　Ｔｅｓｔ

　ａｎｄ

　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

　Ｌａｂｏｒａｔｏｒ

ｙ，

Ｔｈｅ

　４１ｓｔ

　Ｒｅｓｅａｒｃｈ

　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ

　ｏ

ｆ

Ｃｈｉｎａ

　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

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Ｑｉｎ

ｇｄａｏ，

Ｓｈａｎｄｏｎ

ｇ２６６５５５，

Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ

　Ｄｕｅ

　ｔｏ

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　ｉｎｈｅｒｅｎｔ

　ｔｉｍｉｎ

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　ｊｉｔｔｅｒ

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　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ

　ｃｌｏｃｋｉｎ

ｇ

　ｃｉｒｃｕｉｔｓ

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　ｃｏｍ

ｐａｒａｔｏｒ

　ａｍｂｉ

ｇｕｉｔ

ｙ，

ｔｈｅ

ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ

模数转换电路工作原理

在模数转换电路中，首先需要对模拟信号进行采样。采样是指对连续的模拟信号在一定时间内取样。采样的时间间隔也称为采样周期，采样频率则是指每秒内进行多少次采样。采样频率越高，越能准确还原原始信号。

接下来，采样到的模拟信号需要进行量化。量化是指根据一定的精度将模拟信号的幅度分成若干个离散的值。通过将模拟信号离散化，可以将其表示为数字信号。量化的精度通常使用位数来表示，比如8位、12位、16位等。精度越高，数字信号的还原度也越高。

在进行量化时，采用的量化器通常是一个比较器。它将参考电平和采样到的信号进行比较，根据比较结果输出0或1、量化器输出的0和1组成的序列被称为脉冲代表。

在量化之后，量化后的信号需要经过编码器进行编码。编码器的作用是将连续的量化信号转换为离散的二进制代码。常用的编码方式包括二进制编码、格雷码、自然码等。

编码后的信号可以由数字电路进行处理和传输。数字电路会对编码后的信号进行进一步处理和运算，例如滤波、增益调节、数值计算等。数字电路还可以将经过处理后的数字信号输出给其他电路或设备进行使用。

总结起来，模数转换电路的工作原理包括采样、量化、编码和数字电路处理四个步骤。通过这些步骤，模数转换电路可以将输入的模拟信号转换为数字信号进行处理和传输。模数转换电路广泛应用于各个领域，提高了信号处理的准确性和效率。

1 / 4 模数转换器（ADC）

设计及工作原理、分类解析

在仪器仪表系统中，常常需要将检测到的连续变化的模拟量如：

温度、压力、流量、速度、光强等转变成离散的数字量，才能输入到计算机中进行处理。

这些模拟量经过传感器转变成电信号（一般为电压信号），经过放大器放大后，就需要经过一定的处理变成数字量。

实现模拟量到数字量转变的设备通常称为模数转换器（ADC），简称A/D。

通常情况下，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。

取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。取样过程示意图如图1所示。

图（a）为取样电路结构，其中，传输门受取样信号S(t)控制，在S(t)的脉宽τ期间，传输门导通，输出信号vO(t)为输入信号v1,而在（Ts-τ）期间，传输门关闭，输出信号vO(t)=0。电路中各信号波形如图（b）所示。

2 / 4 图1 取样电路结构(a)

图1 取样电路中的信号波形(b)

通过分析可以看到，取样信号S(t)的频率愈高，所取得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。

但带来的问题是数据量增大，为保证有合适的取样频率，它必须满足取样定理。

取样定理：

设取样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号v1(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs与fimax必须满足下面的关系fs≥2fimax，工程上一般取fs>(3～5)fimax。

将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定 3 / 4 时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。

取样与保持过程往往是通过取样-保持电路同时完成的。取样-保持电路的原理图及输出波形如图2所示。

图2

取样-保持电路原理图

图2 取样-保持电路波形图 4 / 4 电路由输入放大器A1、输出放大器A2、保持电容CH和开关驱动电路组成。

电路中要求A1具有很高的输入阻抗，以减少对输入信号源的影响。