模數(shù)轉(zhuǎn)換器 IC 基本概述

介紹

一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，或A / D轉(zhuǎn)換器，或ADC的簡(jiǎn)稱，通常是指一種電子裝置，其將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。除了最專業(yè)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器外，所有 ADC 都以集成電路 (IC) 的形式實(shí)現(xiàn)。這些通常是基于金屬氧化物半導(dǎo)體 (MOS) 的混合信號(hào)集成電路芯片，集成了模擬和數(shù)字電路。

眾所周知，ADC主要用于對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采集，以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。我們周圍的信號(hào)一般都是不斷變化的模擬量，如光、溫度、速度、壓力、聲音等。然而，我們大多數(shù)人都使用數(shù)字設(shè)備。如果我們想方便地使用和處理信息，就需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并傳送到微控制器或微處理器。那么ADC轉(zhuǎn)換是如何實(shí)現(xiàn)的呢？這是一個(gè)什么樣的過(guò)程？閱讀下面的筆記，你一定會(huì)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器有更全面、更系統(tǒng)的了解。

什么是 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）？

目錄

Ⅰ A/D 轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)1.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器定義

ADC轉(zhuǎn)換器是一種將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)。它是一個(gè)濾波、采樣保持、量化和編碼的過(guò)程。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)帶限濾波、采樣保持電路，成為梯形信號(hào)，再經(jīng)過(guò)編碼器，使梯形信號(hào)中的每一級(jí)都變成二進(jìn)制碼。最后，模擬量被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后傳送到CPU。也就是說(shuō)，幾乎所有的通電數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換。例如電能表的電能計(jì)量、電子秤的重量測(cè)量、電子溫度計(jì)的溫度測(cè)量、通訊領(lǐng)域。

1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換步驟

將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過(guò)程稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)稱A/D，完成這一功能的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱ADC。

模數(shù)轉(zhuǎn)換步驟動(dòng)畫

1) 采樣是指用一定時(shí)間間隔的信號(hào)樣本序列代替時(shí)間上的原始連續(xù)信號(hào)，即對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行時(shí)間離散化。
2）量化使用有限數(shù)量的幅度值來(lái)逼近原始連續(xù)變化的幅度值，即將模擬信號(hào)的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的具有一定間隔的離散值。
3）編碼是根據(jù)一定的規(guī)則，將量化后的值用二進(jìn)制數(shù)表示，再轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制或多值的數(shù)字信號(hào)流。這樣得到的數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)電纜、微波干線、衛(wèi)星頻道等數(shù)字線路傳輸。
信號(hào)頻率越高，A/D 電路的工作頻率就越高。位數(shù)越多，信號(hào)的還原精度越高。MCU的I/O口需要程序配合才能完成A/D轉(zhuǎn)換。此外，還可以單獨(dú)使用A/D芯片來(lái)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1.3 為什么需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器？

計(jì)算機(jī)軟件、無(wú)線電、數(shù)字圖像采集都需要ADC轉(zhuǎn)換器的輔助，即人類數(shù)字化的浪潮推動(dòng)了ADC轉(zhuǎn)換器的發(fā)明、發(fā)展和不斷變化?？傊珹DC轉(zhuǎn)換器在人類數(shù)字化中扮演著重要的角色。

1) 許多錄音室使用 24 位/96 kHz（或更高）脈沖編碼調(diào)制(PCM) 或直接流數(shù)字(DSD) 記錄格式，然后使用 ADC 采樣或抽取信號(hào)以在光盤上進(jìn)行數(shù)字音頻制作。
2）使用ADC以數(shù)字形式存儲(chǔ)或傳輸幾乎任何模擬信號(hào)。例如，電視調(diào)諧卡使用快速視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)字存儲(chǔ)示波器需要非常快速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而 ADC 對(duì)于軟件定義無(wú)線電及其新應(yīng)用也至關(guān)重要。
3）數(shù)字成像系統(tǒng)通常使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)數(shù)字化像素。一些雷達(dá)系統(tǒng)通常使用 ADC 將信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，以便進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理。
4) 某些非電子或僅部分電子的設(shè)備（如旋轉(zhuǎn)編碼器）也可被視為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖 1. 模數(shù)轉(zhuǎn)換示例（光信號(hào)到數(shù)字信號(hào)）

Ⅱ A/D 轉(zhuǎn)換器哪種好？

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和不斷的技術(shù)創(chuàng)新，ADC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)從Flash ADC、逐次逼近型ADC、計(jì)數(shù)/斜率積分ADC發(fā)展到Σ-Δ型ADC和流水線型ADC。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，也可以滿足不同的要求。
逐次逼近型ADC、計(jì)數(shù)/斜率積分型ADC、壓縮型ADC等主要應(yīng)用于低速或中速、中精度數(shù)據(jù)采集和智能儀器。分層和流水線ADC主要用于高速信號(hào)處理、快速波形存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)記錄等，如視頻信號(hào)量化和高速數(shù)字通信技術(shù)?！?△ADC主要用于高精度數(shù)據(jù)采集，尤其是數(shù)字音響系統(tǒng)、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測(cè)量領(lǐng)域。下面簡(jiǎn)要介紹主要的 ADC 類型。

• 逐次逼近 ADC

逐次逼近 ADC 被廣泛使用。它包括一個(gè)比較器、一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、一個(gè)逐次逼近寄存器 (SAR) 和一個(gè)控制邏輯單元。它是不斷地將采樣輸入信號(hào)與已知電壓進(jìn)行比較。1個(gè)時(shí)鐘周期完成1位轉(zhuǎn)換，N位轉(zhuǎn)換需要N個(gè)時(shí)鐘周期。轉(zhuǎn)換完成，輸出二進(jìn)制數(shù)。這類ADC的分辨率和采樣率是矛盾的：ADC分辨率低時(shí)采樣率高，如果要提高分辨率，采樣率就會(huì)受到限制。
優(yōu)點(diǎn)：分辨率低于12位時(shí)，價(jià)格便宜，采樣率可達(dá)1MSPS。與其他類型相比，功耗相當(dāng)?shù)汀?br />缺點(diǎn)：在高于14位分辨率的情況下，價(jià)格較高。傳感器產(chǎn)生的信號(hào)需要在模數(shù)轉(zhuǎn)換前進(jìn)行調(diào)理，包括增益級(jí)和濾波，這樣成本會(huì)大大增加。

• 計(jì)數(shù)/斜率積分 ADC

計(jì)數(shù)/斜率積分ADC也稱為雙斜率或多斜率ADC，其應(yīng)用也非常廣泛。它由帶輸入開關(guān)的模擬積分器、比較器和計(jì)數(shù)單元組成。輸入模擬電壓通過(guò)兩次積分轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔。同時(shí)使用計(jì)數(shù)器對(duì)這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于輸入端采用積分器，因此具有很強(qiáng)的抑制交流噪聲干擾的能力。例如對(duì)于高頻噪聲和固定低頻（50Hz或60Hz）干擾抑制，適用于嘈雜的工業(yè)環(huán)境。該類型ADC主要用于低速、精密測(cè)量等領(lǐng)域，如數(shù)字電壓表。
優(yōu)點(diǎn)：分辨率高，最高22位；低功耗和低成本。
缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換率低，12位100~300SPS。

• 并行 ADC

inter ADC的主要特點(diǎn)是速度快，是所有類型中最快的。采樣率可達(dá)1GSPS以上。但是由于功率和體積的限制，分辨率很難提高。這種結(jié)構(gòu)的ADC所有位的轉(zhuǎn)換是同時(shí)完成的，轉(zhuǎn)換時(shí)間主要取決于比較器的開關(guān)速度和編碼器的傳輸時(shí)延。此外，增加輸出代碼對(duì)轉(zhuǎn)換時(shí)間影響不大，但隨著分辨率的提高，高密度模擬設(shè)計(jì)需要大量的精密分壓電阻和比較器電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。即輸出個(gè)數(shù)增加一位，精密電阻個(gè)數(shù)增加?？煲读?，比較器也差不多翻倍了。
并聯(lián)比較ADC的分辨率受管芯尺寸、輸入電容、功率等限制，如果并聯(lián)比較器的精度不匹配，也會(huì)造成靜態(tài)誤差，增加輸入失調(diào)電壓。

• Σ-Δ (Σ-Δ) ADC

Sigma-delta (Σ-Δ) ADC 由積分器、比較器、1 位 DA 轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器組成。原則上類似于積分型。輸入電壓轉(zhuǎn)換為時(shí)間（脈寬）信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器處理，得到數(shù)字值。

圖 2. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用示例

Ⅲ A/D 轉(zhuǎn)換器包括哪些內(nèi)容？

1）采樣率
采樣率表示模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的速率，這與ADC器件的制造工藝有關(guān)，取決于ADC中比較器提供的判斷能力。
一般來(lái)說(shuō)，采樣率和分辨率是相互制約的。采樣率每增加一倍，分辨率損失1bit。這主要是由于采樣時(shí)的抖動(dòng)，即孔徑抖動(dòng)或孔徑不確定性。

2) ADC 分辨率
分辨率表示模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后的位數(shù)。它直接決定了ADC的量化電平，即ADC能分辨的最小模擬信號(hào)電平值。假設(shè)ADC的輸入電壓范圍為(-V, V)，分辨率為N(bit)，那么ADC的量化電平為2N，這樣量化電平為：ΔV=2V/2N，其中ΔV為轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確性。從上式可以看出，ADC的分辨率越高，電壓輸入范圍越小，其轉(zhuǎn)換精度越高。

3）信噪比

（SNR） ADC的信噪比（SNR）反映了量化過(guò)程中產(chǎn)生的無(wú)噪聲信號(hào)部分的均方根值與均方根的比值量化噪聲的值。如果輸入信號(hào)是歸一化正弦波 1/2sin(ωt+ψ)，則 SNR 可由以下公式確定：

其中，N為ADC的分辨率?？梢钥闯?，ADC的信噪比主要取決于分辨率。分辨率每增加一位，SNR 就會(huì)增加 6dB。但是，隨著分辨率的提高，ADC的量化電平變小，采樣過(guò)程更容易受到干擾。

4) 有效位數(shù) (ENOB)

ENOB 是衡量 ADC 轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍的指標(biāo)。對(duì)于實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，由于受到電噪聲、外部干擾、模擬電路非線性失真等因素的影響，以理想的分辨率來(lái)衡量系統(tǒng)性能是不夠的。為了更好地反映系統(tǒng)性能，可以在實(shí)測(cè)信噪比的基礎(chǔ)上，將上述因素轉(zhuǎn)化為量化噪聲，得到ENOB。計(jì)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 為 ADC 的分辨率。 ENOB 和 ADC 分辨率之間的差異反映了 SNR 降低導(dǎo)致采樣精度降低的程度（這里是由誤差源引起的 SNR）。

5)
非線性誤差非線性誤差是轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要精度指標(biāo)，它代表ADC的實(shí)際轉(zhuǎn)換值與理論轉(zhuǎn)換值之間的差異。非線性誤差主要包括兩類：微分非線性（DNL）誤差和積分非線性（INL）誤差。

6）互調(diào)失真（IMD）
當(dāng)兩個(gè)正弦信號(hào)同時(shí)輸入到ADC時(shí)，由于器件的非線性，除了這兩個(gè)頻率的分量外，輸出頻譜也會(huì)產(chǎn)生很多失真產(chǎn)物。由此產(chǎn)生的失真稱為互調(diào)失真（IMD，Inter Modulation Distortion），其中m+n的值代表失真的階數(shù)。在所有互調(diào)失真中，二階和三階互調(diào)產(chǎn)物最為重要。前者很容易被數(shù)字濾波器濾除，而后者很難濾除。

7) 總諧波失真 (THD)
由于 ADC 的非線性，輸入信號(hào)的許多高次諧波出現(xiàn)在輸出頻譜中。這些高次諧波分量稱為諧波失真分量，產(chǎn)生的失真稱為總諧波失真。諧波失真和調(diào)制失真是兩個(gè)不同的概念。前者是原始信號(hào)波形的失真，即使單頻信號(hào)通過(guò)ADC也會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，而后者是不同頻率之間的相互干擾和影響。

圖 3. Arduino 上的 ADC

四、A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用及IC4.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用

今天的大多數(shù) ADC 應(yīng)用屬于四個(gè)部分：
(a) 數(shù)據(jù)采集
(b) 精密工業(yè)測(cè)量
(c) 語(yǔ)音和音頻
(d) 高速（采樣率大于約 5 MSPS）

4.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 IC 模式說(shuō)明

市場(chǎng)上有許多可用于轉(zhuǎn)換的 ADC IC。這里列出了幾個(gè) ADC IC 及其特性和規(guī)格，作為 ADC 選擇參考。

關(guān)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC 基礎(chǔ)版）的常見問題

1.模數(shù)轉(zhuǎn)換器有什么用？
模數(shù)轉(zhuǎn)換器，縮寫為“ADC”，用于將模擬（連續(xù)、無(wú)限可變）信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字（離散時(shí)間、離散幅度）信號(hào)。更實(shí)際地說(shuō)，ADC 將模擬輸入（例如麥克風(fēng)收集聲音）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

2. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器有哪些類型？
目前使用的 ADC 主要有五種類型：
逐次逼近 (SAR) ADC
Δ-Σ (ΔΣ) ADC
雙斜率 ADC
流水線 ADC
閃存 ADC

3、模擬轉(zhuǎn)數(shù)字用的是什么芯片？
A/D轉(zhuǎn)換器用于將電壓等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，以便微控制器讀取和處理。一些微控制器具有內(nèi)置的 A/D 轉(zhuǎn)換器。也可以將外部 A/D 轉(zhuǎn)換器連接到任何類型的微控制器。

4、模數(shù)轉(zhuǎn)換器用的是什么電路？
模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 是一種電子集成電路，用于將電壓等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為由 1 和 0 組成的數(shù)字或二進(jìn)制形式。大多數(shù)ADC采用0到10V、-5V到+5V等的電壓輸入，并相應(yīng)地以某種二進(jìn)制數(shù)的形式產(chǎn)生數(shù)字輸出。