前言：AD轉換就是模擬信號到數字信號的轉換。顧名思義，就是把模擬信號轉換成數字信號，其是數字信號處理等電路中經常用到的芯片，類似於是電路的“前端”。
一、AD 轉換原理
我們想要了解一個器件，最好先掌握其大致原理。A/D轉換器（ADC）是通過一定的電路將模擬量轉變為數字量。模擬量包含：
（1）電壓、電流等電信號；
（2）壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號。但這些非電信號必須經各種傳感器將其轉換成電壓信號。
目前，各個芯片廠商研發出了幾種AD轉換的方法，主要包括積分型、逐次逼近型、並行比較型/串並行型、Σ-Δ調制型、壓頻變換型。
（1）積分型
積分型ADC是一種通過使用積分器將未知的輸入電壓轉換成數字表示的一種模-數轉換器。在它最基本的實現中，這個未知的輸入電壓是被施加在積分器的輸入端，並且持續一個固定的時間段（所謂的上升階段）。然后用一個已知的反向電壓施加到積分器，這樣持續到積分器輸出歸零（所謂的下降階段）。這樣，輸入電壓Vin的計算結果實際是參考電壓Vref的一個函數，定時上升階段時間和測得的下降階段時間。
具體來說，積分ADC是Q=CV=it的最直接的詮釋。將被測電壓Vin通過積分電阻R等比變換為電流i，並對電容C充電，直至電容兩端電壓達到Vref，充電時間為Tc，則i=-C·Vref/Tc，或者Vin反比於Tc。
對於實際電路，積分ADC還具有一項問題，根據i=CVref/Tc，與i成比例的Vin不僅與Tc成反比，而且與C成正比。如果C變化，ADC的轉換結果會成比例變化，從而造成單斜積分ADC對元件的強烈依賴性。
除聚四氟乙烯介質外，幾乎沒有電容介質的介電常數具有理想的溫度系數，即使使用聚四氟乙烯材料，其溫漂仍很明顯。實際的單斜積分ADC可通過測量Vref將電容的變化去除，但需要更長的測量時間，從而限制測量速度。
實際上，電容的介質損耗才是更為棘手的因素，而且是所有積分型ADC無法回避的問題。對於電容而言，容量越小，電容參數越靈活，越易於控制介質損耗。但為獲得足夠的分辨率，尤其考慮積分時間t與Vin的反比關系，單斜積分ADC必須使用容量巨大的電容，因此電容的介質損耗在單斜積分ADC中尤其顯著。
（2）逐次逼近型
逐次逼近型ADC由比較器、電阻分壓網絡和若干控制邏輯電路構成。原理是將一個等值電阻串放置在參考電壓Vref和地之間，每個電阻端點電壓都由開關引出，作為分段參考電壓，用過開關控制，就可以按照二進制搜索算法，將相應分段參考電壓送到比較器。逐次逼近型ADC控制信號線數量龐大，N為DAC需要2^N條單獨的開關控制信號線，因此常常使用開關樹的結構。如下圖所示：
簡單說來，逐次逼近型ADC就是通過不停地切換分壓電阻網絡的開關來逐次比較輸入電壓與參考電壓的大小關系，因此逐次逼近型ADC轉換速度受到很大限制。
（3）sigma-delta（∑-Δ）型
Sigma-Delta ADC是一種目前使用最為普遍的高精度ADC結構，在精度達到20位以上的場合，Sigma-Delta是必選的結構。通過采用過采樣、噪聲整形以及數字濾波技術，降低對模擬電路的設計要求，實現了其他類型的ADC無法達到的高精度和低功耗。
Sigma-Delta ADC的運作過程，就是把待測信號Vin與參考電壓(±Vref)之間的差值進行不斷的累積並通過反饋令這個差值趨於零。實質上ADC就是除法器。
Dout=(Vin/Vref) * 2^n
一個分辨率為n位的ADC完成了一個以Vref為除數的除法，並且把結果用n位二進制數來表達。
Sigma-Delta最終實現的，與所有的ADC一樣，就是完成除法。模擬集成電路中除法器是不可實現的，但是模擬電路可以非常好的實現加法和減法(用運放及模擬開關對電容進行充放電)。Sigma-Delta ADC正是用加法和減法去實現除法的一種方式。
具體來說，如圖2所示，Delta-Sigma ADC的工作原理是由差動器、積分器和比較器構成調制器，它們一起構成一個反饋環路。調制器以大大高於模擬輸入信號帶寬的速率運行，以便提供過采樣。模擬輸入與反饋信號(誤差信號)進行差動(delta)比較。該比較產生的差動輸出饋送到積分器(sigma)中。然后將積分器的輸出饋送到比較器中。比較器的輸出同時將反饋信號(誤差信號)傳送到差動器，而自身被饋送到數字濾波器中。
這種反饋環路的目的是使反饋信號(誤差信號)趨於零。比較器輸出的結果就是1/0流。該流如果1密度較高，則意味着模擬輸入電壓較高;反之，0密度較高，則意味着模擬輸入電壓較低。接着將1/0流饋送到數字濾波器中，該濾波器通過降采樣與抽樣，將1/0流從高速率、低精度位流轉換成低速率、高精度數字輸出。
例如，一個正弦波輸入信號與比較器輸出的碼流所對應的波形如圖3所示，輸出碼流隨着輸入信號幅值的變化而變化，當輸入信號處於波峰位置時，輸出碼流1占大多數;當輸入信號處於波谷位置時，輸出碼流0(圖3中，以-1表示)占大多數;輸入信號處於平衡位置時，輸出碼流1和0跳變激烈，各占50%。
二、AD轉換關鍵技術參數
（1）分辨率（Resolution）
指數字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辨率又稱精度，通常以數字信號的位數來表示。定義滿刻度於2^n的比值（n為AD器件位數）。對於5V滿刻度，采用8位的AD時，分辨率為5V／256=0.01953V=19.53mv；當采用12位的AD時，分辨率則為5V／4096=0.00122V=0.122mv。位數越多，分辨率就越高
（2）轉換速率（Conversion Rate）
轉換速率是指完成一次從模擬轉換到數字的AD轉換所需的時間的倒數。積分型AD的轉換時間是毫秒級屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級屬中速AD，全並行／串並行型AD可達到納秒級。采樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉換的間隔。為了保證轉換的正確完成，采樣速率（Sample Rate）必須小於或等於轉換速率。因此習慣上將轉換速率在數值上等同於采樣速率也是可以接受的。常用單位是Ksps和Msps，表示每秒采樣千／百萬次（Kilo ／ Million Samples Per Second）。
（3）量化誤差（Quantizing Error）
由於AD的有限分辨率而引起的誤差，即有限分辨率AD的階梯狀轉移特性曲線與無限分辨率AD（理想AD）的轉移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數字量的模擬變化量，表示為1LSB、1／2LSB。
（4）偏移誤差（Offset Error）
輸人信號為雷時輸出信號不為零的值，可外接電位器調至最小。
（5）滿刻度誤差（Full Scale Error）
滿刻度輸出時對應的輸人信號與理想輸人信號值之差。
（6）線性度（Lineafity）
實際轉換器的轉移函數與理想直線的最大偏移，不包括以上3種誤差
AD的其他指標還有絕對精度（Absolute Accuracy）、相對精度（Relative Accuracy）、微分非線性、單調性和無錯碼、總諧波失真（THD，Total Harmonic Distotortion）和積分非線性等。
三、AD轉換常用芯片
（注：Diff是差分輸入形式，SE是單端對地輸入形式）
四、常用DA電路方案
下面分享的方案是基於TM7705的D/A轉換電路。
TM7705 是應用於低頻測量的 2/3 通道的模擬前端。該器件可以接受直接來自傳感器的低電平的輸入信號，然后產生串行的數字輸出。利用 Σ-Δ 轉換技術實現了 16 位無丟失代碼性能。選定的輸入信號被送到一個基於模擬調制器的增益可編程專用前端。片內數字濾波器處理調制器的輸出信號。通過片內控制寄存器可調節濾波器的截止點和輸出更新速率，從而對數字濾波器的第一個陷波進行編程。
TM7705 只需 2.7~3.3V 或 4.75~5.25V 單電源。 TM7705 是雙通道全差分模擬輸入， 帶有一個差分基准輸入。當電源電壓為 5V、 基准電壓為 2.5V 時， 該器件都可將輸入信號范圍從 0~+20mV 到 0~+2.5V 的信號進行處理。還可處理±20mV~±2.5V 的雙極性輸入信號，對於 TM7705 是以 AIN（-）輸入端為參考點。當電源電壓為 3V、基准電壓為 1.225V 時，可處理 0~+10mV 到 0~+1.225V 的單極性輸入信號，它的雙極性輸入信號范圍是±10mV 到±1.225V。因此， TM7705 可以實現 2/3 通道系統所有信號的調理和轉換。
TM7705 是用於智能系統、微控制器系統和基於 DSP 系統的理想產品。其串行接口可配臵為三線接口。增益值、 信號極性以及更新速率的選擇可用串行輸入口由軟件來配臵。該器件還包括自校准和系統校准選項，以消除器件本身或系統的增益和偏移誤差。
本方案為驗證成功的ADC電路方案，包含電路原理圖、PCB文件和BOM表，免費下載地址: http://www.allchiphome.com/post/ad_project_tm7705
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