深入解析：数字电压表设计的模数转换原理

出处：网络整理发布于：2025-08-26 16:30:48

在电子测量领域，数字电压表的应用十分广泛。而其技术之一 —— 模数转换，更是实现测量的关键。本文将详细介绍模数转换的原理、过程以及相关典型电路，为数字电压表的设计提供理论基础。

模数转换基础概念

自然界中的诸多物理量，如压力、温度等，均为模拟量。在对这些物理量进行控制和检测时，就需要模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）来实现模拟信号与数字信号之间的转换。能把模拟信号转换成数字信号的电路称为模数转换器（简称 ADC），反之，能把数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称 DAC）。

一般情况下，ADC 是将输入电压信号转换为输出数字信号。由于数字信号本身仅表示相对大小，所以任何一个 ADC 都需要一个参考模拟量作为转换标准。常见的参考标准是可转换信号大小，输出的数字量则体现输入信号相对于参考信号的大小。

AD 转换过程

A/D 转换器要将时间和幅值都连续的模拟量，转换为时间、幅值都离散的数字量，通常要经历取样、保持、量化、编码这几个步骤。

取样（采样）

取样电路可将输入模拟量转换为时间离散的模拟量。其原理是传输门 TG 由取样信号 S (t) 控制，在 S (t) 高电平期间，TG 导通，输出信号 vo (t) 等于输入信号 vi (t)；在 S (t) 低电平期间，传输门关闭，输出信号 vo (t)=0。

图 1 取样电路示意图

取样信号 S (t) 的频率越高，取得的信号经低通滤波器后越能真实地复现输入信号。取样频率需满足取样定理（即奈奎斯特采样定理），设取样信号 S (t) 的频率为 fs，输入模拟信号 vt (t) 的频率分量的频率为 fimax，则 fs 与 fimax 必须满足 fs≥2fimax，一般取 fs>2fimax。

图 2 取样电路工作波形图

保持

一般取样和保持过程是同时完成的。取样和保持电路由输入放大器 A1、输出放大器 A2、保持电容 CH 和开关驱动电路组成，且 Av1*Av2 = 1。A1 具有较高的输入阻抗，可减小对输入信号源的影响；A2 选用有较高输入阻抗和低输出阻抗的运放，能使 CH 上所存电荷不易泄露，同时电路具有较高的带负载能力。

图 3 取样和保持电路原理图

在 t0~t1 时段开关 S 闭合，电路处于取样阶段，电容器 CH 充电，vo (t)=vi (t)；t1~t2 时段为保持阶段，此期间 S 断开，若 A2 的输入阻抗足够大，且 S 为较理想的开关，可认为 CH 几乎没有放电回路，输出电压保持不变。

图 4 取样和保持电路输出波形图

量化

量化是将取样 - 保持电路的输出表示为数量单位的整数倍，这个数量单位称为量化单位，即 1LSB。由于被取样电压是连续的，其值不一定能被量化单位整除，所以在量化过程中会存在量化误差，这属于原理误差，无法消除。A/D 转换器的位数越多，1LSB 所对应的量化单位越小，量化误差的也越小。

量化有舍尾取整法和四舍五入法两种方法。舍尾取整法是当输入电压 vi 在两个相邻的量化值之间时，取较小的量化值；四舍五入法是当 vi 的尾数不足 Δ/2 时，舍去尾数取整数，当 vi 的尾数大于或等于 Δ/2 时，则在原数上加一个 Δ。例如，将 0~1V 的模拟电压转换为 3 位二进制码，取 Δ = 1/8V，采用舍尾取整法，凡数值在 0~1/8V 之间的模拟量，都当作 0Δ；采用四舍五入量化方式，取量化单位 Δ = 2/15V，凡数值在 0~1/15V 之间的模拟电压都当作 0Δ。可以看出，舍尾取整量化方法的量化误差为 1LSB，而四舍五入量化方法的量化误差为 LSB/2，因此大多数 A/D 转换器采用四舍五入量化方法。

图 5 量化误差示意图

编码

编码是将量化后的结果用二进制码或者其他代码表示出来的过程。例如，将 0~1V 的模拟电压转换为 3 位二进制码时，0Δ 用 000 表示，1Δ 用 001 表示，以此类推。

图 6 编码示意图

A/D 转换器典型电路分类

A/D 转换器按工作原理可分为直接 A/D 转换器和间接 A/D 转换器。

直接 A/D 转换器能将模拟信号直接转换为数字信号，转换速度较快。典型电路有并行比较型 A/D 转换器和逐次比较型 A/D 转换器。

间接 A/D 转换器先将模拟信号转换成某一中间量（时间或频率），然后再将中间量转换为数字量输出，速度相对较慢。典型电路有双积分型 A/D 转换器和电压频率转换型 A/D 转换器。

由于 DE10 - Standard 板卡上的 LTC2308 是逐次比较型 ADC，下面将重点介绍这种类型。

逐次比较型 A/D 转换器

逐次比较型 A/D 转换器是直接 A/D 转换器中应用较多的一种。它的转换过程是将输入模拟信号与不同的参考电压多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量。

一个 8 位逐次比较型 A/D 转换器由控制逻辑电路、数据寄存器、移位寄存器、D/A 转换器及电压比较器组成。假设输入的模拟量为 3.2V，A/D 转换器的基准电压是 5V，电路启动后，个 CP 将移位寄存器置为 10000000，该数字经数据寄存器送入 D/A 转换器。输入模拟电压 vi 首先与 10000000 所对应的电压 VREF/2 相比较，如果 vi≥VREF/2，则比较器输出为 1；否则为 0。第二个 CP 使移位寄存器为 01000000，后续依此类推，逐次比较得到输出数字量。