A / D转换器在各种智能检测和控制系统中使用非常广泛。它的性能指标有若干项， 但我们在选择使用的时候主要考虑的是它的分辨率、 转换速度和价格， 不同的系统对这些指标的要求都不一样。分辨率是A / D能确定的测量被测信号的最小值， 它实际上是由A / D的位数来决定的: 位数越多， 分辨率就越高。对n位A / D来说， 被测信号的最小值=1 / 2 n通过选用多位A / D转换器的办法无疑可以提高它的辨率， 但A / D转换器的价格将随着其位数的增加而成倍增加。对转换速度而言， 也同样如此。模拟信号转换成数字信号是需要一定时间的， 转换速度越快， 在同样的时间内所采样的点数就越多， 频率就越高。但高速A / D的价格也远高于中速和低速 A / D的价格。在长期的实践中， 我们找到了一些在 A / D转换器的位数和速度一定的情况下， 提高被测信号分辨率和采样频率的方法， 在课题中使用以后， 效果不错， 现详述如下。
1 提高A / D分辨率
对于以B C D码输出的A / D转换器， 其输入量VIN ， 基准电压VREF ， 输出数字D之间存在如下关系:
D=K · N · VIN / VREF
式中K 为一比例常数， N 为 A / D的最大输出值，A/ D确定后， K, N就为一定值。
而对以二进制形式输出的n位逐次比较式和并行式A / D转换器， VIN、 VREF 和输出D之间， 存在如下关系:
D= (2n -1 ) VIN/VREF
从关系式中可以看出，在n或N一定的条件下，提高被测输人量分辨率的方法有两个: 一是在输人电压VIN较小时，将VIN 放大，然后再进行A / D转换，这称之为量程转换; 二是根据VIN的大小， 改变A / D的基准电压VREF，即当VIN 减小时，相应减小VREF ，同样可以达到提高分辨率的效果。下面对这两种方法进行详细说明。
1 . 1 量程转换提高分辨率
假设A / D为一8 位的逐次比较或并行式A / D,且V = 5 V，那么，在输人量的整个变化范围0 -5 V，其分辨率 = 5 V / ( 2 8 -1 ) =1 9 mV，也就是说数字01 表示19 m V, A / D最小能分辨1 9 m V的信号。但是， 输人量为0~2 . 5 V时，若将信号放大1 倍， 则9 . 5 m V信号放大成1 9 mV, A / D仍能分辨， 即A / D的分辨率提高了1 倍。实行量程转换来提高分辨率的原理如图1 所示。
信号如果在0~ -1. 25 V之间， 则不引人补偿电压；若在1.2 5~2. 5V之间， 则引入1.25 V的补偿电压，相抵消后送到运放输入的信号仍是0 ~1.2 5V，依此类推。对于不同范围的信号进行不同的补偿， 使之补偿以后的值在。 -1 . 2 5 V之间， 然后放大4 倍，再进行A / D采样。这样， 即可实现量程自动分档， 使档量程均能充分利用A / D的分辨率， 使A / D的位数提高2 倍。即若A / D为8 位， 则变成了1 0 位。补压的引人由软件进行控制， 通过选择不同的通道选择不同的补偿电压， 最后的实际数字量由放大倍数及采样值来综合确定。例如: 若测得值为F1 H， 则对应4 . 4 V， 除以放大倍数， 即为1.1 V， 再加上补偿电压即得实际值。
1. 2 改变 VREF提高分辨率
同样以8 位逐次比较式或并行式A / D为例。如果固定V REF =5 V， 那么在输人量的整个变化范围0~5 V， 其分辨率=5 V / ( 28 一1 ) =1 9 mV。但当输人量为0~2 . 5 V时， 若将VREF 变为2. 5 V， 则分辨率=2 . 5 / ( 28一1 )=9 . 6 mV， 使分辨率提高了1 倍。该方法的原理如图2 所示。
信号如果在0~1.25 V之间， 取VREF =1. 25V；在1.2 5~2 . 5 V之间，取VREF=2 . 5 V; 在2 . 5~3 . 7 5V之间， 取VREF=3 . 7 5 V； 信号>3 . 7 5 V， 取VREF =5 V。这样， 分辨率=1.25 / ( 28 -1 ) =4.8 mV， 分辨率提高了2 倍， A / D由8 位提高到了10 位。参考电压由软件通过选择通道来确定。
比较量程转换与改变VREF这两种方法，量程转换灵活性更强，不受A / D内部结构的限制; 而改变VREF可靠性高， 硬件电路简单。具体使用哪种方法要视使用的A / D而定。
2 提高采样频率
A/D转换器从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的时间，这就是A/D转换器的转换时间，其倒数就是每秒钟能完成采样的次数，称转换速率。如果转换时间为100Eas的集成A/D转换器，其转换速率为104次/S。根据采样定理和实际需要，1个周期的波形至少需采10个点，那么，这种A/D转换器最高也只能处理1kHz的信号，无法满足高频率信号的要求;如果采用价格昂贵的高速A/D，研制成本大大增加。为了解决这一问题，我们在课题中采用了一种称之为步进采样的方法，以使高频信号能逼真地得到重现。
步进采样的原理是: 对周期性的高频信号， 无法在它的1 个周期内采样足够点处的数值， 但是， 因为周期信号每个周期的值都一样. 可以在每个周期采样1 个值。只要适当地选择采样的间隔， 就可以准确地反映原周期信号波形。图3 为采样示意图。
如果开始时采徉1点， 经过T +Δ t 之后，采样 2点， 再过T+Δ t 之后采样3 点……依次类推， 可以 采到若干点。因为YΔ t =YT + Δ t ， 因此也就等于采样了t 0 , Δ t + t 0 , 2Δ t + t 0 " … 这样一个周期内的数据值，信号的波形也就得到了不失真重现。
为了实现步进采样， 首先必须测出信号的周期， 利用控制A / D的单片机可以很方便地测出周期，然后即可进行采样间隔为NT s +Δt 的信号采样。当然理论上的可行并不意味着实际上的实现口我们通过反复实验，将转换时间为1 0 0 μs 只可采样1 k Hz 的A / D提高到了采样5 0 k H z 的周期信号，具有较好的实用价值。
