模拟数字转换器的基础知识1

一 模拟数字转换器 ，或 A / D转换器 ，或ADC的简称，通常是指一种电子装置，其将模拟信号转换成数字信号。除了最专业的模数转换器外，所有 ADC 都以集成电路 (IC) 的形式实现。这些通常是基于金属氧化物半导体 (MOS) 的混合信号集成电路芯片，集成了模拟和数字电路。

众所周知，ADC主要用于对模拟信号进行数字采集，以进行数据处理。我们周围的信号一般都是不断变化的模拟量，如光、温度、速度、压力、声音等。然而，我们大多数人都使用数字设备。如果我们想方便地使用和处理信息，就需要将模拟量转换为数字量，并传送到微控制器或微处理器。那么ADC转换是如何实现的呢？这是一个什么样的过程？阅读下面的笔记，你一定会对模数转换器有更全面、更系统的了解。

Ⅰ A/D 转换器基础

1.1 模数转换器定义

ADC转换器是一种将模拟信号转换为数字信号的系统。它是一个滤波、采样保持、量化和编码的过程。模拟信号经过带限滤波、采样保持电路，成为梯形信号，再经过编码器，使梯形信号中的每一级都变成二进制码。最后，模拟量被转换成数字量，然后传送到CPU。也就是说，几乎所有的通电数据都需要经过ADC转换。例如电能表的电能计量、电子秤的重量测量、电子温度计的温度测量、通讯领域。

1.2 模数转换步骤

将模拟量转换为数字量的过程称为模数转换，简称A/D，完成这一功能的电路称为模数转换器，简称ADC。

模数转换步骤动画

1. 采样是指用一定时间间隔的信号样本序列代替时间上的原始连续信号，即对模拟信号进行时间离散化。

   2）量化使用有限数量的幅度值来逼近原始连续变化的幅度值，即将模拟信号的连续幅度变为有限数量的具有一定间隔的离散值。

   3）编码是根据一定的规则，将量化后的值用二进制数表示，再转换成二进制或多值的数字信号流。这样得到的数字信号可以通过电缆、微波干线、卫星频道等数字线路传输。

   信号频率越高，A/D 电路的工作频率就越高。位数越多，信号的还原精度越高。MCU的I/O口需要程序配合才能完成A/D转换。此外，还可以单独使用A/D芯片来完成模数转换。

1.3 为什么需要模数转换器？

计算机软件、无线电、数字图像采集都需要ADC转换器的辅助，即人类数字化的浪潮推动了ADC转换器的发明、发展和不断变化。总之，ADC转换器在人类数字化中扮演着重要的角色。

1. 许多录音室使用 24 位/96 kHz（或更高）脉冲编码调制(PCM) 或直接流数字(DSD) 记录格式，然后使用 ADC 采样或抽取信号以在光盘上进行数字音频制作。

   2）使用ADC以数字形式存储或传输几乎任何模拟信号。例如，电视调谐卡使用快速视频模数转换器。数字存储示波器需要非常快速的模数转换器，而 ADC 对于软件定义无线电及其新应用也至关重要。

   3）数字成像系统通常使用模数转换器来数字化像素。一些雷达系统通常使用 ADC 将信号强度转换为数字值，以便进行后续的信号处理。

2. 某些非电子或仅部分电子的设备（如旋转编码器）也可被视为模数转换器。

Ⅱ A/D 转换器哪种好？

经过多年的发展和不断的技术创新，ADC转换器已经从Flash ADC、逐次逼近型ADC、计数/斜率积分ADC发展到Σ-Δ型ADC和流水线型ADC。它们各有优缺点，也可以满足不同的要求。

逐次逼近型ADC、计数/斜率积分型ADC、压缩型ADC等主要应用于低速或中速、中精度数据采集和智能仪器。分层和流水线ADC主要用于高速信号处理、快速波形存储和数据记录等，如视频信号量化和高速数字通信技术。∑-△ADC主要用于高精度数据采集，尤其是数字音响系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。下面简要介绍主要的 ADC 类型。

• 逐次逼近 ADC

逐次逼近 ADC 被广泛使用。它包括一个比较器、一个数模转换器、一个逐次逼近寄存器 (SAR) 和一个控制逻辑单元。它是不断地将采样输入信号与已知电压进行比较。1个时钟周期完成1位转换，N位转换需要N个时钟周期。转换完成，输出二进制数。这类ADC的分辨率和采样率是矛盾的：ADC分辨率低时采样率高，如果要提高分辨率，采样率就会受到限制。

优点：分辨率低于12位时，价格便宜，采样率可达1MSPS。与其他类型相比，功耗相当低。

缺点：在高于14位分辨率的情况下，价格较高。传感器产生的信号需要在模数转换前进行调理，包括增益级和滤波，这样成本会大大增加。

• 计数/斜率积分 ADC

计数/斜率积分ADC也称为双斜率或多斜率ADC，其应用也非常广泛。它由带输入开关的模拟积分器、比较器和计数单元组成。输入模拟电压通过两次积分转换成与其平均值成正比的时间间隔。同时使用计数器对这个时间间隔内的时钟脉冲进行计数，从而实现模数转换。由于输入端采用积分器，因此具有很强的抑制交流噪声干扰的能力。例如对于高频噪声和固定低频（50Hz或60Hz）干扰抑制，适用于嘈杂的工业环境。该类型ADC主要用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。

优点：分辨率高，最高22位；低功耗和低成本。

缺点：转换率低，12位100~300SPS。

• 并行 ADC

inter ADC的主要特点是速度快，是所有类型中最快的。采样率可达1GSPS以上。但是由于功率和体积的限制，分辨率很难提高。这种结构的ADC所有位的转换是同时完成的，转换时间主要取决于比较器的开关速度和编码器的传输时延。此外，增加输出代码对转换时间影响不大，但随着分辨率的提高，高密度模拟设计需要大量的精密分压电阻和比较器电路进行转换。即输出个数增加一位，精密电阻个数增加。快要翻倍了，比较器也差不多翻倍了。

并联比较ADC的分辨率受管芯尺寸、输入电容、功率等限制，如果并联比较器的精度不匹配，也会造成静态误差，增加输入失调电压。

• Σ-Δ (Σ-Δ) ADC

Sigma-delta (Σ-Δ) ADC 由积分器、比较器、1 位 DA 转换器和数字滤波器组成。原则上类似于积分型。输入电压转换为时间（脉宽）信号，经过数字滤波器处理，得到数字值。

Ⅲ A/D 转换器包括哪些内容？

1）采样率

采样率表示模拟信号转换为数字信号的速率，这与ADC器件的制造工艺有关，取决于ADC中比较器提供的判断能力。

一般来说，采样率和分辨率是相互制约的。采样率每增加一倍，分辨率损失1bit。这主要是由于采样时的抖动，即孔径抖动或孔径不确定性。

2. ADC 分辨率

   分辨率表示模拟信号转换为数字信号后的位数。它直接决定了ADC的量化电平，即ADC能分辨的最小模拟信号电平值。假设ADC的输入电压范围为(-V, V)，分辨率为N(bit)，那么ADC的量化电平为2N，这样量化电平为：ΔV=2V/2N，其中ΔV为转换准确性。从上式可以看出，ADC的分辨率越高，电压输入范围越小，其转换精度越高。

3）信噪比

（SNR） ADC的信噪比（SNR）反映了量化过程中产生的无噪声信号部分的均方根值与均方根的比值量化噪声的值。如果输入信号是归一化正弦波 1/2sin(ωt+ψ)，则 SNR 可由以下公式确定：

其中，N为ADC的分辨率。可以看出，ADC的信噪比主要取决于分辨率。分辨率每增加一位，SNR 就会增加 6dB。但是，随着分辨率的提高，ADC的量化电平变小，采样过程更容易受到干扰。

4. 有效位数 (ENOB)

ENOB 是衡量 ADC 转换器动态范围的指标。对于实际的A/D转换系统，由于受到电噪声、外部干扰、模拟电路非线性失真等因素的影响，以理想的分辨率来衡量系统性能是不够的。为了更好地反映系统性能，可以在实测信噪比的基础上，将上述因素转化为量化噪声，得到ENOB。计算公式如下：

ENOB 基于理想 ADC 的 SNR 公式：SNR = 6.02 × N + 1.76 dB，其中 N 为 ADC 的分辨率。ENOB 和 ADC 分辨率之间的差异反映了 SNR 降低导致采样精度降低的程度（这里是由误差源引起的 SNR）。

非线性误差非线性误差是转换器的一个重要精度指标，它代表ADC的实际转换值与理论转换值之间的差异。非线性误差主要包括两类：微分非线性（DNL）误差和积分非线性（INL）误差。

6）互调失真（IMD）

当两个正弦信号同时输入到ADC时，由于器件的非线性，除了这两个频率的分量外，输出频谱也会产生很多失真产物。由此产生的失真称为互调失真（IMD，Inter Modulation Distortion），其中m+n的值代表失真的阶数。在所有互调失真中，二阶和三阶互调产物最为重要。前者很容易被数字滤波器滤除，而后者很难滤除。

7. 总谐波失真 (THD)

   由于 ADC 的非线性，输入信号的许多高次谐波出现在输出频谱中。这些高次谐波分量称为谐波失真分量，产生的失真称为总谐波失真。谐波失真和调制失真是两个不同的概念。前者是原始信号波形的失真，即使单频信号通过ADC也会出现这种现象，而后者是不同频率之间的相互干扰和影响。