工業(yè)應用中的 ADC 基礎知識

確定特定高精度工業(yè)應用中采用哪種 ADC，這需要一定程度的專業(yè)知識，以確保最為相關(guān)的因素不被忽視，并實現(xiàn)設計的性能目標。 

圖1: 模數(shù)轉(zhuǎn)換

為高精度工業(yè)應用選擇 ADC 時需要考慮的因素

分辨率：分辨率是用于將輸入模擬信號表示為數(shù)字值的比特位數(shù)。它很大程度上取決于應用需求和所需的精度水平。具有較高分辨率的 ADC 將生成更精確可靠的測量結(jié)果。N 位轉(zhuǎn)換器的分辨率為 100/2N %。例如，一個 12 位轉(zhuǎn)換器具有 2^12 個不同的級別或 0.0244% 的分辨率。然而，現(xiàn)實世界中的 ADC 并非理想，我們還需考慮 ADC 的噪聲和線性性能，因為這些因素會導致精度低于 ADC 的分辨率。但選擇更高分辨率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器會導致更高功耗、更低采樣率和更高的成本，因此，設計人員需要在所需分辨率和實際考量因素（例如可用電源和轉(zhuǎn)換率要求）之間進行權(quán)衡。

采樣：采樣即 ADC 采樣輸入信號的頻率。必須慎重選擇該參數(shù)以確保采樣能夠提供所有的重要信息。根據(jù) Nyquist-Shannon 采樣定理，采樣率應至少為輸入信號中最高頻率分量的兩倍，以避免混疊。

線性度：線性度表達了 ADC 輸出在整個輸入值范圍內(nèi)對輸入信號的反映情況。選擇具有高線性度的 ADC 非常重要，因為非線性會導致測量的不準確。ADC 的線性度具體體現(xiàn)為微分非線性 (DNL) 和積分非線性 (INL)。DNL 是相鄰數(shù)字代碼間寬度與理想模擬步長之間的最大偏差；INL 則是由于DNL累計而偏離理想值的最壞情況。在頻域中，非線性會導致失真，而失真則會影響轉(zhuǎn)換精度（請參閱下面關(guān)于 ENOB 的討論），因此，線性度是高頻應用中的重要考量因素。

噪聲性能：ADC 測量是否精確還取決于其噪聲性能。ADC 的本底噪聲必須低于所需的信號電平，而且信噪比 (SNR) 應較高，以最大限度地減少附加噪聲。有效位數(shù) (ENOB) 是一項很有用的指標，它結(jié)合了 SNR 和失真的影響來測量 ADC 的精度。例如，ENOB 為 15.3 位的 16 位 ADC 比 ENOB 為 14.4 位的 16 位 ADC 更精確。

采樣率：采樣率即 ADC 采樣輸入信號的頻率。必須慎重選擇該參數(shù)以確保采樣能夠提供所有的重要信息。根據(jù) Nyquist-Shannon 采樣定理，采樣率應至少為輸入信號中最高頻率分量的兩倍，以避免混疊。較高的采樣率可簡化濾波要求，但代價是更高的功耗和可能更高的數(shù)據(jù)處理要求。

功耗：系統(tǒng)的運行成本和散熱特性受 ADC 功耗的影響。在關(guān)注能效或電池壽命的應用中，應首選低功耗 ADC ，以最大限度地減少功耗。功耗還與熱耗散密切相關(guān)，溫度的變化會影響模擬和混合信號電路的精度，因此需要額外的散熱設計工作以確保電路可靠的運行。

溫度范圍：應用將隨其所在的溫度條件而產(chǎn)生變化。周圍環(huán)境的溫度范圍和電子設備的自熱情況都對確定 ADC 所需的溫度規(guī)格起著重要作用。工業(yè)應用一般要求 ADC 能夠在 -40C 至 +85C 或 +125C 的溫度范圍內(nèi)有效運行。

架構(gòu)：工業(yè)應用中最常見的 ADC 架構(gòu)包括 delta-sigma（ΔΣ，有時也稱為 sigma-delta，ΣΔ）和逐次逼近寄存器 (SAR)。兩種架構(gòu)各有其特點與利弊。

Delta-sigma ADC 和 SAR ADC

在精密工業(yè)應用中，delta-sigma ADC 在什么情況下優(yōu)于 SAR ADC？

在工業(yè)應用中，選擇 delta-sigma 還是 SAR 可能會很棘手。但根據(jù)以下特性，將很容易得出 delta-sigma 優(yōu)于 SAR 的結(jié)論：

●   分辨率：Delta-sigma ADC 可以實現(xiàn)比 SAR ADC 更高的分辨率，因為 Delta-sigma ADC 對輸入信號進行過采樣（oversample），同時利用數(shù)字濾波來最小化噪聲并提高 ADC 的有效分辨率。Delta-sigma ADC 通常用于需要高精度且精密的應用場合。

●   低頻輸入信號：Delta-Sigma ADC 因其過采樣架構(gòu)而成為低頻輸入信號的絕佳選擇。它能夠有效降低 ADC 產(chǎn)生的量化噪聲，從而實現(xiàn)更精確可靠的測量。

●   線性度：使用 1 位量化器的 Delta-sigma ADC 具備固有高線性度，因此可以產(chǎn)生精確的測量結(jié)果。

●   濾波要求：Delta-Sigma ADC 可以通過對輸入信號進行過采樣來有效執(zhí)行抗混疊濾波，從而最大限度地減少對外部濾波電路的需求。這簡化了設計并降低了整個系統(tǒng)的成本與尺寸。

●   噪聲性能：Delta-sigma ADC 通過對輸入信號進行過采樣并利用噪聲整形技術(shù)來降低輸入信號中噪聲的影響。它將量化噪聲推入更高的頻率，從而更輕松地將其濾除。

盡管 delta-sigma 具有多項優(yōu)勢，但在以下情況下，SAR ADC 可能是首選 ADC： 

●   速度：SAR ADC 非常適合需要高速采樣和轉(zhuǎn)換的應用，例如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此外，由于 SAR ADC 在一個輸出中進行采樣和轉(zhuǎn)換，因此還非常適合快速響應控制環(huán)路應用。

●   多路復用應用：在轉(zhuǎn)換多個信號方面，SAR ADC 優(yōu)于 Delta-Sigma ADC。因為 SAR ADC 更適合處理多路復用輸入；而 Delta-Sigma ADC 依賴過采樣，當從一個通道切換到另一個通道時，過采樣可能會受到輸入電壓階躍變化的影響。

總之，Delta-sigma ADC 因其出色的分辨率、線性度和噪聲性能，在精密工業(yè)應用中通常比 SAR ADC 更受青睞。但是，當速度或復用多個輸入是更重要的考量因素時，SAR ADC 則為首選。因此選擇 delta-sigma 或 SAR ADC 時，需根據(jù)應用對速度、精度、功耗和溫度額定值的要求來考量轉(zhuǎn)換器的性能。