2024年4月27日发(作者：)

ADC采样电路的硬件原理

1. 概述

ADC（Analog-to-Digital Converter）是一种将模拟信号转换为数字信号的电子设

备。在现代电子系统中，ADC广泛应用于各种领域，如通信、控制、仪器仪表等。

ADC采样电路是ADC的核心部分，负责将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信

号。

2. ADC采样原理

ADC采样过程主要包括两个步骤：采样和量化。采样是指将连续变化的模拟信号在

一定时间间隔内取样，并将每个取样值表示为一个离散的数字量；量化是指将每个

取样值映射到一个有限数量的离散数值中。

2.1 采样

在ADC中，采样是通过一个模拟开关实现的。当开关打开时，模拟输入信号可以通

过采样保持电容充电或放电，以获取对应时间点上的输入电压值；当开关关闭时，

保持电容上的电压不再改变。

2.2 量化

量化是指将连续变化的模拟信号映射到离散数值集合中。常用的量化方法有两种：

线性量化和非线性量化。

2.2.1 线性量化

线性量化是将连续变化的模拟信号均匀地映射到离散数值集合中。最常见的线性量

化方法是均匀量化（Uniform Quantization）。

均匀量化将模拟输入范围划分为若干个等宽的区间，每个区间对应一个离散数值。

采样值落在哪个区间内，就用该区间对应的离散数值来表示。

例如，假设ADC采样电路使用8位ADC，即有256个离散数值。如果输入范围是0V

到5V，那么每个区间的宽度就是5V/256≈0.0195V。当采样值为2.4V时，它将被

映射为最接近的离散数值，即2.4V/0.0195V=123。

2.2.2 非线性量化

非线性量化是将连续变化的模拟信号按照非线性规律映射到离散数值集合中。非线

性量化可以提高低幅度信号的分辨率，并减小高幅度信号的失真。

常见的非线性量化方法有μ律和A律压缩编码。

μ律压缩编码采用对数变换的方式，将小幅度信号的量化间隔缩小，提高分辨率；

A律压缩编码则采用一种非线性函数，使得大幅度信号的量化间隔变大，减小失真。

3. ADC采样电路的硬件实现

ADC采样电路的硬件实现主要包括模拟输入电路、采样保持电路和量化电路。

3.1 模拟输入电路

模拟输入电路负责将外部模拟信号引入ADC芯片，并对信号进行预处理。主要包括

放大、滤波和防抖等功能。

放大器可以将微弱的模拟信号放大到适合ADC输入范围内。滤波器可以去除掉频率

过高或过低的噪声，以保证采样值的准确性。防抖电路可以消除由于信号干扰或不

稳定引起的抖动，提高采样精度。

3.2 采样保持电路

采样保持电路负责在一定时间间隔内对模拟输入信号进行取样，并将取样值保持不

变。它通常由一个开关和一个保持电容组成。

当开关打开时，保持电容开始充电或放电，以获取对应时间点上的输入电压值；当

开关关闭时，保持电容上的电压被保持不变。采样保持时间决定了每个取样值的有

效性和稳定性。

3.3 量化电路

量化电路负责将模拟信号转换为离散的数字信号。它通常由比较器、计数器和数字

逻辑电路组成。

比较器将模拟输入信号与参考电压进行比较，并产生一个比较结果。如果输入信号

大于参考电压，则输出高电平；如果输入信号小于参考电压，则输出低电平。

计数器用于记录比较结果的次数，以确定输入信号落在哪个区间内。计数器的位数

决定了ADC的分辨率。

数字逻辑电路根据计数器的输出来生成相应的离散数值，并输出给外部设备或存储

介质。

4. 总结

ADC采样电路是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的关键部分。它通过

采样和量化两个步骤来完成这一转换过程。

采样过程通过模拟开关实现，将模拟输入信号在一定时间间隔内取样，并将每个取

样值表示为一个离散的数字量。

量化过程将取样值映射到一个有限数量的离散数值中。常用的量化方法有线性量化

和非线性量化，其中线性量化采用均匀量化方法，而非线性量化采用μ律和A律

压缩编码等方法。

ADC采样电路的硬件实现包括模拟输入电路、采样保持电路和量化电路。模拟输入

电路负责信号预处理，采样保持电路负责对信号进行取样和保持，而量化电路负责

将模拟信号转换为离散的数字信号。

ADC采样电路在现代电子系统中具有广泛的应用，对于保证信号准确性和稳定性起

着重要作用。