ADC原理是什么，它的分类是怎样的

ADC原理和分类简介

在仪器仪表系统中，常常需要将检测到的连续变化的模拟量如：温度、压力、流量、速度、光强等转变成离散的数字量，才能输入到计算机中进行处理。这些模拟量经过传感器转变成电信号（一般为电压信号），经过放大器放大后，就需要经过一定的处理变成数字量。 将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称a/d转换器或adc，analog to digital converter），A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。

取样和保持：

取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。取样过程示意图如图所示。下图为取样电路结构，其中，传输门受取样信号S（t）控制，在S（t）的脉宽τ期间，传输门导通，输出信号vO（t）为输入信号v1，而在（Ts-τ）期间，传输门关闭，输出信号vO（t）=0。 将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。取样与保持过程往往是通过取样-保持电路同时完成的。

量化与编码：

数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，还必须将取样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用△表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。

在量化过程中，由于取样电压不一定能被△整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差称之为量化误差，用ε表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D 转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。

A/D转换器的种类

模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接ADC和直接ADC。

间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，常用的有中间量是时间的双积分型ADC。直接ADC则直接转换成数字量，常用的有并联比较型ADC和逐次逼近型ADC 。

并联比较型ADC：

由于并联比较型ADC采用各量级同时并行比较，各位输出码也是同时并行产生，所以转换速度快是它的突出优点，同时转换速度与输出码位的多少无关。并联比较型ADC的缺点是成本高、功耗大。因为n位输出的ADC，需要2n个电阻，（2n－1）个比较器和D触发器，以及复杂的编码网络，其元件数量随位数的增加，以几何级数上升。所以这种ADC适用于要求高速、低分辨率的场合。

逐次逼近型ADC：

逐次逼近型ADC是另一种直接ADC，它也产生一系列比较电压VR，但与并联比较型ADC不同，它是逐个产生比较电压，逐次与输入电压分别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型ADC每次转换都要逐位比较，需要（n+1）个节拍脉冲才能完成，所以它比并联比较型ADC的转换速度慢，比双分积型ADC要快得多，属于中速ADC器件。另外位数多时，它需用的元器件比并联比较型少得多，所以它是集成ADC中，应用较广的一种。

双积分型ADC：

属于间接型ADC，它先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得与采样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用计数器对标准时钟脉冲（CP）计数，计数器输出的计数结果就是对应的数字量。双积分型ADC优点是抗干扰能力强；稳定性好；可实现高精度模数转换。主要缺点是转换速度低，因此这种转换器大多应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器仪表中，例如用于多位高精度数字直流电压表中。

Dither信号：在模拟数字转换器中，工作状况可以通过引入抖动信号（Dither）得到改善。Dither信号是在转换前混入输入信号的微量随机噪声。它的作用效果是输入信号极小时，造成LSB的状态随机在0和1之间振荡，而不是处于某一个固定值。这样做可以扩展模拟数字转换器可以转换的有效范围，而不需要在低输入的情况下完全切断这个信号，不过这样做的代价是噪音会小幅增加，量化误差会扩散到一系列噪音信号值。

在时间范围上，还是可以较为精确地反映信号在时间上的变化。在输出端，使用一个适当的电子滤波器可以还原这个小幅信号波动。没有加入Dither信号的低幅音频信号听起来十分扭曲和令人不快。因为如果没有Dither信号，低幅信号可能造成最低有效位固定在0或者1。引入Dither信号之后，音频的实际振幅可以通过在取一段时间上实际量化的采样和一系列Dither信号的采样的平均值来计算。Dither信号在一些集成系统里也有应用，它可以使信号值产生比模拟数字转换器最低有效位更为精确的结果。注意引入Dither信号只能增加采样器的分辨率，但是不能增加其线性的性质，因此精确度不一定能够改善。

过采样：通常的，为了经济，信号以允许的最低采样率被采样，造成的结果是产生在转换器整个通带上分布的白噪声。如果信号以高于 奈奎斯特频率的频率被采样、然后进行 数字滤波，才从而保证限制信号带宽，则有以下几个好处：（1）数字滤波器具有比模拟滤波器更好的性质（更锐利的滚降、相位），所有可以构成更锐利的反锯齿滤波器，从而可以对信号进行向下采样，给出更好的结果；（2）一个20位的模拟数字转换器可以当做一个24位、具有256倍过密采样的模拟数字转换器使用；（3）尽管有量化噪声，信噪比还是会比使用整个可用的带宽更高。使用了此技术后，可能会获得一个比单独使用转换器更高的分辨率；（4）每倍频的过密采样（在很多应用中还不够）的信噪比的改善为3 分贝（等效于0.3位）。因此，过密采样通常与噪音信号整形耦合在一起。通过噪音整形，改善可以达到每倍频6L+3 dB。

A/D转换器的主要技术参数

A/D转换器的主要技术参数：转换精度和转换时间

转换精度：

（1）分辨率：A/D转换器的分辨率以输出二进制（或十进制）数的位数来表示。它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。从理论上讲，n位输出的A/D转换器能区分2个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2n。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，分辨率愈高。例如A/D转换器输出为8位二进制数，输入信号最大值为5V，那么这个转换器应能区分出输入信号的最小电压为9.53mV。

（2）转换误差：转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如给出相对误差≤±LSB/2，这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。

转换时间：

转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关。不同类型的转换器转换速度相差甚远。其中并行比较A/D转换器的转换速度最高，8位二进制输出的单片集成A/D转换器转换时间可达到50ns以内，逐次比较型A/D转换器次之，它们多数转换时间在10～50ms以内，间接A/D转换器的速度最慢，如双积分A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间。在实际应用中，应从系统数据总的位数、精度要求、输入模拟信号的范围以及输入信号极性等方面综合考虑A/D转换器的选用。

ADC被垄断国产出头难

任何一个信号链系统，都需要传感器来探测来自模拟世界的电压、电流、温度、压力等信号。

模拟数字转换器ADC是连接现实模拟世界与电子系统的桥梁，但由于开发难度大，高精度高速ADC一直被美国ADI、TI垄断。从美国管控的 ADC 芯片列表中，我们其实可以看出高速 ADC 不管是研发技术积累还是生产工艺商，都有着相当高的技术壁垒。

随着 5G、汽车电子、人工智能、物联网等的持续发展，预计到 2022 年，全球 ADC 芯片市场规模接近 750 亿美金。市场巨大，而我们却被美国依然卡的死死的，每年付出大量的美金去采购TI和ADI的产品。

中国是全球最主要的ADC芯片需求方，但是国内能造出高性能的ADC芯片企业微乎其微，即便造出来了，性能和价格也无法跟上市场的节奏。可以这么说，在核心的ADC芯片供给率上，国产占有率几乎为零。 近几年随着我国模拟设计技术的不断提升，国内出现了一些研发高速、高精度ADC和DAC的芯片公司，他们的技术指标已经在不断接近欧美品牌，产品已经逐步为用户所广泛使用！

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